4.4. Выбор схемотехники и расчет ОК.

Для реализации требований к ОК выполним его по схеме каскодного дифференциального каскада с эмиттерной коррекцией, как представлено на рис.4.2.

Рис. 4.2. Каскодный ДК с эмиттерной коррекцией

         4.4.1. Определение выходного напряжения ОК.

         Выходное напряжение с плеча каскодного ДК – максимальная амплитуда сигнала с одного плеча ДК:

где    Uпл, вых – максимальная амплитуда сигнала с плеча ДК, В;

         Uоткл – максимальное выходное напряжение, отклоняющее луч по оси Y, В.

Uоткл = 80 В – выходное напряжение УВО, рассчитанное в п.4.2.1.

Uпл, вых = 40 В.

Максимальное напряжение одного плеча каскодного ДК Uпл, max – напряжение линейного диапазона одного плеча ДК:

где    Uпл, max – максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

         Uпл, вых – максимальная амплитуда  сигнала с одного плеча ДК, В.

Uпл, вых = 40 В – значение рассчитано в п.4.4.1;

Uпл, max = 120 В.

         4.4.2. Выбор транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4.

         Транзисторы VT1 и VT2 выбираем из числа ВЧ- транзисторов средней или большой мощности по условию:

где    Uke max – максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора, В;

Uпл, max – максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

Выберем транзисторы VT1 и VT2: BF257 фирмы SGS-THOMSON, параметры которого представлены в приложении 2.

         Транзисторы VT3 и VT4 выбираем с минимальным значением τß по условию:

где    fT – частота единичного усиления транзистора, МГц;

tн – заданное время нарастания ОК, мкс.

tн = 0,023 мкс;

fT > 130 МГц.

Выберем транзисторы VT3 и VT4: 2SC3597 фирмы SANYO, параметры которых представлены в приложении 3. Максимально-допустимые коллекторные токи транзисторов VT1, VT2, VT3 и VT4 должны быть примерно равны.

4.4.3. Задание изменения коллекторного тока в нагрузке и выбор коллекторной нагрузки.

         Коллекторные сопротивления R2 и R3 выбираем из условия:

где Rk – сопротивление в цепи коллектора, кОм;

         Uпл max – максимальное напряжение одного плеча ДК, В;

         Iвых max – максимальный выходной ток, определяемый максимальным коллекторным током транзисторов, мА.

Uпл max = 120 В – значение рассчитано в п. 4.4.1;

Iвых max = 65 мА – берем из технической документации на транзисторы в приложениях 2 и 3 с 35%-м запасом.

Rk > 1,84 кОм.

Выберем значение 1,87 кОм из ряда номинальных значений E96.

R2 = R3 = 1,87 кОм.

         4.4.4. Задание рабочих точек транзисторов.

         Рассчитаем ток коллектора Iк2р транзисторов VT1 и VT2 в рабочей точке из условия:

где    Iкр – ток коллектора в рабочей точки транзисторов VT1 и VT2, мА;

         Iвых max – максимальный ток коллектора транзисторов VT1 и VT2, мА;

         ΔIкдоп – допустимое изменение тока рабочей точки от дестабилизирующих факторов, в т.ч. от температуры, мА.

Iвых max = 65 мА;

ΔIкдоп = 0,0001 мА – берем из технической документации на транзистор BF257, представленной в прил.2;

Iк2р > 32 мА.

Выберем Iк2р = 30 мА.

         Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер Uke2р транзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:

Uke max = Uпл max = 120 В – рассчитано в п.4.4.1;

Uke2р < 60 В.

Выберем Uke2р = 42 В.

         Вычислим ток коллектора Iк1р транзисторов VT3 и VT4 в рабочей точке из условия:

где ß2 – коэффициент передачи тока базы транзисторов VT1 и VT2.

Iк2р = 32 мА;

ß2 = 25 – берем из технической документации на транзистор BF257, представленной в прил.2;

Iк1р = 31,2 мА.

         Зададим постоянное напряжение Eb1 на базе транзисторов VT3 и VT4 исходя из предполагаемой схемы предшествующего каскада:

Eb1 = 0 В.

         Выберем постоянное напряжение Eb2 на базе транзисторов VT1 и VT2, обеспечивающее паспортный режим транзисторов VT3 и VT4:

Eb2 = 5 В.

         Рассчитаем напряжение коллектор-эмиттер Uke1 транзисторов VT3 и VT4 по формуле:

Uke1 = 5 В.

         4.4.5. Расчет напряжения между шиной питания и эмиттером транзисторов VT3, VT4.

         Рассчитаем напряжение E*k по формуле:

где   E*k – напряжение между шиной питания и эмиттером транзисторов, В;

Uke1р = 5 В – рассчитано в п.4.4.4;

Uke2р = 42 В – рассчитано в п.4.4.4;

Rk = 1,87 кОм – рассчитано в п. 4.4.3;

Ik2р = 30 мА – рассчитано в п. 4.4.4;

E*k = 101 В.

         4.4.6. Расчет параметров транзисторов.

Рассчитаем параметры rb re, Si, S, h11e, h22e, Ck, tb, tT транзисторов VT1, VT2 (BF257).

Входное сопротивление рассчитывается по формуле:

где  rb - объемное сопротивление базы, Ом;

rbe - сопротивление внутренняя база - эмиттер, Ом;

re - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, Ом.

h11e = 227,8 Ом.

Сопротивление базы:

rb = 10 Ом – берем из справочных данных на транзистор (см. прил.2.).

Сопротивление эмиттера рассчитывается по формуле:

Где   - температурный потенциал, мВ;

Iep- ток эмиттера в рабочей точке, мА.

 = 26 мВ

Iep= Ik1p = 31,2 мА,

re = 0,833 Ом.

Крутизна прямой передаточной характеристики:

Si = 1154 мА/В.

Внутренняя (физическая) крутизна транзистора:

S = 789 мА/В.

Емкость коллекторного перехода транзистора в р.т.:

где    Сk0 – значение емкости коллекторного перехода при Uke= Uke0;

         Uke0 – напряжение коллектор-эмиттер;

         Uke – напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке.

Сk0 = 10,3 пФ,

Uke0 = 1 В – значения берем из технической документации на транзистор (см. прил.2.);

Uke = Uke2р = 42 В – рассчитано в п.4.4.4;

Сk = 1,59 пФ.

Частота единичного усиления транзистора:

fТ = 90 МГц – берем из технической документации (см. прил.2)

Из формулы следует, что τТ = 1,769 нс.

         Граничная частота коэффициента передачи тока базы:

fß = 3,46 МГц.

τß= 46 нс.

         Диффузионная емкость эмиттера:

Cbe = 2,12 нФ.

         Граничная частота крутизны транзистора:

где = 2 нс.

fs = 160 МГц.

         Граничная частота передачи тока эмиттера:

.

Рассчитаем параметры rb re, Si, S, h11e, h22e, Ck, tb, tT транзисторов VT3, VT4 (2sc3597).

Входное сопротивление рассчитывается по формуле (18):

h11e = 76,5 Ом.

Сопротивление базы:

rb = 10 Ом – берем из справочных данных на транзистор (см. прил.3.).

Сопротивление эмиттера рассчитывается по формуле (19):

 = 26 мВ

Iep= Ik1p = 30 мА,

re = 0,867 Ом.

Крутизна прямой передаточной характеристики рассчитывается по формуле (20):

Si = 1200 мА/В.

Внутренняя (физическая) крутизна транзистора рассчитывается по формуле (21):

ß = 110 – берем из технических характеристик транзистора (см. прил.3)

S = 1035мА/В.

Внутреннее сопротивление транзистора ОЭ при управлении от идеального источника напряжения (внутреннее сопротивление источника Rg = 0)

где    rk* - сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ, Ом

Ua – напряжение Эрли, обусловленное крутизной транзистора, В.

Ua = 80,7 В – значение получено при создании SPICE-модели транзистора;

Ikр = Ik1р = 30 мА – рассчитано в п.4.4.4.

rk* = 2,69 кОм.

Отсюда получаем значение:

h22e = 0,37 мА/В.

Внутренняя проводимость транзистора в каскаде ОЭ при управлении от источника напряжения с ненулевым внутренним сопротивлением ():

где    Rg – сопротивление генератора.

Rg = 51 Ом -задаем низкое выходное сопротивление предшествующего каскада;

gig = 0,15 мА/В.

Емкость коллекторного перехода транзистора в р.т. рассчитываем по формуле (22):

Сk0 = 14,57 пФ,

Uke0 = 0,6 В – значения берем из технической документации на транзистор (см. прил.3.);

Uke = Uke1р = 5 В – рассчитано в п.4.4.4;

Сk = 5,05 пФ.

Частота единичного усиления транзистора:

fТ = 800 МГц – берем из технической документации (см. прил.3)

Из формулы (23) следует, что τТ = 200 пс.

         Граничная частота коэффициента передачи тока базы рассчитывается по формуле (24):

fß = 7,27 МГц.

Из формулы (24) следует: τß= 21 нс.

         Диффузионная емкость эмиттера рассчитывается по формуле (25):

Cbe = 218 пФ.

Граничная частота крутизны транзистора рассчитывается по формуле (26):

где = 2,74 нс.

fs = 58 МГц.

         Граничная частота передачи тока эмиттера:

.                                                                                         

4.4.7. Расчет емкости нагрузки.

         Согласно формуле (5) емкость нагрузки равна:

Сн = 12 пФ.

4.4.8. Выбор сопротивления Rg источника сигнала ОК.

         Сопротивление источника сигнала – выходное сопротивление предшествующего каскада. Исходя из предполагаемой схемотехники:

Rg = 50 Ом.

         4.4.9. Выбор эмиттерного сопротивления R7 и R8 в цепи коррекции.

          Выбираем из условия отсутствия выброса на ПХ оконечного каскада в апериодическом режиме:

где Rbg –сопротивление источника сигнала, Ом;

Re < 84,8 Ом.

Выберем R7 и R8 = 23,7 кОм из ряда E96.

4.4.10. Выбор емкости С1 коррекции.

         Рассчитаем емкость коррекции по формуле:

С1 = 624 пФ. Выберем эту емкость подстроечной.

         4.4.11. Определение верхней граничной частоты каскада.

         Постоянная времени каскада в области ВЧ для режима компенсации полюса нулем:

τbpz = 2,4 нс.

Время нарастания ПХ определяем по формуле:

τнар = 5,28 нс.

Из полученного значения получаем верхнюю граничную частоту исходя из выражения:

fв = 30,1 МГц.

         4.4.12. Расчет КУ в области СЧ.

         Вычислим КУ по формуле:

K=71,2.

         4.4.13. Расчет каскада по постоянному току.

         Рассчитаем изменение напряжения база-эмиттер Ube при изменении температуры в заданном интервале:

Где     - температурный коэффициент;

t1 = 10 ºC;

t2 = 35 ºC – значения берем из ТЗ.

ΔUbe = 55 мВ.

         Рассчитаем изменение коэффициента передачи тока базы ß при изменении температуры в заданном интервале:

где а = 1%/ ºC.

Δß=30.

         Рассчитаем изменение теплового тока коллекторного перехода ΔIkT при изменении температуры в заданном диапазоне:

где    IkT (t0) – обратный тепловой ток коллекторного перехода при температуре окружающей среды t0 = 25 ºC.

IkT (t0) = 0,1 мкА – значение берем из технической документации на транзистор (см. прил. 3);

ΔIkT = 0,24 мкА.

Рассчитаем полное сопротивление эмиттерной цепи, необходимое для достижения требуемой температурной стабильности:

где    = 0,37 мкА;

         Rbe – внешнее сопротивление цепи базы (сопротивление генератора)

         Ni – коэффициент температурной нестабильности.

Зададим значение Ni = 3.

Rэр = 398 Ом.

         Выбор режимного сопротивления R9:

R9 = 187 Ом. Выберем значение R9 = 182 Ом из ряда номинальных значений Е96.

         Определение входного импеданса каскада:

         Входное сопротивление оценим по формуле:

Rвх = 280 Ом.

         Входная емкость определяется по формуле:

где    Co – эквивалентная входная динамическая емкость каскада, вычисляемая по формуле:

F – фактор связи, определяемый выражением:

F = 22,87

       Ck – емкость коллекторного перехода;

       Сk = 1.5пФ

C0 = 3,34 нФ.

Свх = 147 пФ.

4.4.14. Расчет режимных параметров каскада.     

Мощности резисторов

1. Коллекторная цепь (R2, R3):

PRk = Ikp2Rk = 1,683 Вт.                                                                              

2. Эмиттерная цепь:

PRe = IRpt2Rpt+IRoc2Roc = 0,677 Вт.                                                              

3. Общая потребляемая  мощность от источника питания:

P = PRk+ PRe = 2,36 Вт.                  

4. Рабочие напряжения конденсаторов:

Для ёмкости цепи обратной связи:

UCe = IerRer = 0,711 В.                    

5. Ток потребления от источника питания:

Iпот = 2Ikr = 60 мА

6. Расчет цепи базы транзисторов VT1 и VT2.

Потенциал базы определяется выражением:

где Eп1 – напряжение «верхнего» источника питания, В. (см. рис. 4.2.).

Eп1 = 100 В.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5