Машинный способ расчета транзисторного усилителя

Машинный расчет основан на использовании моделей реальных элементов, которые составляют библиотеку компонентов программы. Например, простейшей моделью конденсатора является емкостной элемент, моделью катушки индуктивности служит индуктивный элемент и т. д.

Транзистор как усилительный элемент может быть определен в программе одной из моделей. Для разных типов усилителей и транзисторов существуют соответствующие модели. Физическое содержание работы транзистора лучше определяет модель, в которой элементам структуры реального транзистора сопоставлены электрические элементы и их соединение некоторой схемой, называемой схемой замещения. Для различных режимов усилительных приборов и диапазонов частот такие схемы имеют различное содержание, но обладают общим свойством отображения в электрической схеме физических явлений. Линейность модели означает независимость параметров эквивалентной схемы от величин сигналов на этих элементах.

Данные для элементов такой схемы составляют систему параметров транзисторов, которая приводится в справочных данных на них.

По аналогии с линейной моделью в программе определена и нелинейная машинная модель транзистора, которая используется при моделировании нелинейного усиления сигнала, например в усилителях мощности.

Машинный расчет усилителя предполагает выбор транзистора и определение параметров его модели. Для большинства транзисторов такое определение уже сделано. В машинные библиотеки такие модели могут быть установлены пользователями программы.

При моделировании усилителя в линейном режиме принято использование моделей не в форме линейной эквивалентной схемы замещения транзистора, а в форме четырехполюсника. Для таких моделей используют систему описания на основе S -параметров. Поэтому линейные модели транзисторов обычно и представлены такой системой описания. Возможность такого описания определяется эквивалентностью определения свойств транзистора в линейном режиме этими двумя различными способами. При одном описании предпочтение отдается физическому содержанию усилительного прибора, его эквивалентной электрической структуре, что важно при конструировании широкополосных устройств, при другом описании упрощается расчет усилителей в линейном режиме и определение параметров моделей реальных приборов в измерительных устройствах.

Такая связность описания транзистора разными моделями может демонстрироваться измерением S- параметров для схемы, содержащей модель транзистора в форме эквивалентной схемы замещения.

Для оценки реализуемости усилителя на транзисторе, выбранном из библиотеки, компьютерная программа имеет необходимый набор измерений. Последовательность таких измерений может быть следующей.

Определяется предельный коэффициент усиления на заданной частоте.

Если наибольший коэффициент усиления несущественно превышает заданный, то это является вполне допустимым для дальнейшего расчета.

Физический смысл существования на некоторой заданной частоте предельного коэффициента усиления транзистора определяется присутствующей в реальном приборе обратной связью с выхода на вход, которая приводит к превращению усилителя в генератор при попытке наращивания коэффициента усиления каскада свыше некоторого предельного значения. Такой его режим неустойчивого усиления определяется по S- параметрам и в программе присутствует как измерение величин K и B 1. Условие безусловной устойчивости каскада описано в справке на эти измерения.

После определения возможности получения на заданной частоте необходимого коэффициента усиления транзистора, программа позволяет рассчитать параметры согласования такого транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Это означает получение данных о коэффициентах отражения согласующих цепей со стороны транзистора. Физический смысл конструирования по этим данным цепей согласования состоит в следующем. Вначале строится вспомогательная модель такой цепи, например входной, имеющей простейшую структуру, содержащую два порта со стандартными сопротивлениями, соединенных отрезком линии передачи с таким же сопротивлением, и шлейф. Для этой схемы определяется коэффициент отражения по одному из портов. Изменяя параметры шлейфа, например, длину шлейфа Z _ШЛ1 (см. рис. 3.4), можно добиться требуемого значения модуля коэффициента отражения, а изменяя длину отрезка линии Z ₁ (см. рис. 3.4), подобрать необходимую фазу коэффициента отражения. Далее определяются геометрические параметры для другой согласующей цепи.

После отдельных расчетов входной и выходной согласующих цепей они включаются в общую схему усилительного каскада. Измеренный в такой схеме коэффициент усиления должен совпадать с расчетным предельным коэффициентом усиления.