Параметры биполярного транзистора и усилителя мощности по схеме с общим эмиттером (УМ с ОЭ)

 

Определим параметры транзисторов:

2.3.1. Входное сопротивление рассчитывается по одной из следующих формул А,Б,В,Г,Д в зависимости от имеющихся в справочнике данных.

(2.1)

(2.2)

А. Если в справочнике имеется

 

КТ927А:

Для данного тр-ра

 

Модуль входного сопротивления:

(2.3)

(2.3а)

 

(2.4)

(2.4а)

 

 

Б. Если имеется входная характеристика, с её помощью определяем .

Известна высота импульса коллекторного тока:

2Т…

Из ф.(1.16а,1.16б)

 

Определим соответствующую высоту импульса базового тока:

I_{Б max} = (2.6)

где по ф. (1.13)

 

 

Проверим

(см. справочник,предельные экплуатационные данные)

(2.7)

 

 

Модуль входного сопротивления рассчитывается по одной из формул (2.2,2.4,2.4а), где из ф.(2.8) и (2.8а).

 

 

С_К – емкость коллекторного перехода приводится в справочнике.

2Т912А:

С_К[пФ]=200 (2.14)

 

S_П – крутизна поэмиттерному переходу /5/:

2Т912А:

 

(2.16)

(2.16а)

 

 

I_K1 – ток первой гармоники коллекторного тока

(2.17)

α₁(θ) – коэффициент разложения импульсов коллекторного тока в зависимости от угла отсечки θ, обычно для ГВВ задают режим θ_НЧ ~ ()

 

 

I_Kmax – высота импульса коллекторного тока, выбирается в зависимости от требуемой мощности, из пункта п.Б.,ф.(2.5).

t_П – температура перехода [^◦С] (см. справочник, предельные эксплуатационные данные) для выбранного транзистора t_П=160⁰С, если в справочнике не указана, то можно задаться ее величиной в зависимости от материала транзистора.

 

Таблица 5.

Транзистор	Кремниевый Si	Германиевый Ge
tП

 

 

2.3.2. Сопротивление эмиттера r_э рассчитывается по формуле:

(2.18)

(2.18а)

 

(2.19)

(2.19а)

 

Модуль входного сопротивления рассчитывается по одной из формул (2.2,2.4,2.4а), где из ф.(2.11).

 

 

2.3.3. L – индуктивность выводов, если нет данного параметра в справочнике, то

L~ (1…1,5) [ ] ∙ ℓ [мм], (2.21)

где ℓ– длина вывода, определяется из чертежа выбранного транзистора.

Или из справочника известно:

2Т…:

L_Б =2.3 нГн

L_Э =2нГн

 

 

Входная мощность

Все параметры сведем в таблицу.

 

Ikmax, А	Eк, В	КР	Pок, Вт	Pвх, Вт
6.07		4.78	80.001	16.737

 

Итак, все параметры ОК каскада определены и отвечают требованиям устойчивой работы каскада, требуемой мощности, высокого КПД.

 

 

Расчет предоконечного каскада

 

Выходная мощность ПредОК с учётом потерь в КС:

 

 

Далее расчет параметров производится аналогично расчёту ОК.

 

Выбор активного элемента

Транзистор оконечного каскада выбирается, исходя из требуемой мощности в максимальном режиме и заданной рабочей частоты f_раб.

Мощность, которую можно будет получить при выборе данного транзистора, будет примерно равна:

Р_вых≈(1…1,3)∙Р_расс, (1.28)

где Р_расс - мощность рассеивания на коллекторе.

 

При f_раб → f_т – Р_вых ↓, К_р ↓, то режим устойчивый;

При f_раб → f_β – Р_вых ↑, К_р ↑, то режим неустойчивый.

 

Также получение большой мощности приводит к снижению надежности транзистора.

По мощности подходят транзистор 2Т955A. (см. справочники).

Для максимального использования активного элемента биполярный транзистор применяется в области высоких частот и выбирается, исходя из заданной частоты /1/:

 

f _Т >f_раб> 3f _β

 

где f _β – частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ падает до уровня 0,707 от статического низкочастотного коэффициента усиления по току, приведенного в справочнике.

f _T – граничная частота приводится в справочнике, если f _T не указана, то ее можно определить по формуле:

 

= (1.29)

где | h_21э | _спр – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте f _спр.

 

Для транзистора 2Т955A:

 

 

 

(1.30)

 

 

Используем =35(см. спр-к).

 

Или

Статический коэффициент по току

= (1.31)

 

 

 

Коэффициент усиления по току на рабочей частоте:

= (1.32)

 

 

Проверим справедливость неравенства:

f _Т >f_раб> 3f _β

Для 2Т955A 3 ∙10⁸>30 ∙10⁶> 3∙ 8.571∙ 10⁶

Условие выполняется, расчёт можно продолжать.

h21э0

0,707h21э0

fβ

fТ

f

h21э

 

Рис.3. Зависимость коэффициента усиления по току от частоты.

Для проверки получения на выбранном транзисторе возможной мощности воспользуемся формулой через предельные допустимые параметры транзистора.

(1.33)

где

α₁ - коэффициент Берга, при θ = 90^◦ α₁=0.5

– крутизна критического режима.

 

Рассчитаем r_нас по одной из формул в зависимости от приведённых параметров в справочнике:

Для 2Т… в справочнике,

 

а) r_нас указано в справочнике

r_нас[Ом]=0.15Ом (1.34а)

 

или

 

б) U_КЭнас, I_Кнас – напряжение и ток в режиме насыщения, указаны в справочнике

(1.34б)

 

или

в)

Если в справочнике приведена выходная характеристика, то сопротивление насыщения можно определить (см.рис.5б и П.2) по формуле:

(1.15в)

 

 

i

Iк мах

S

iк

iБ

Е' Е'Б

UБЭраб

SБ

IБ мах

UБЭ

Нагрузочная прямая

iк

Iк мах

UКЭост

Ек

Uк

IБ мах

 

 

а) б)

Рис.5.

а) Входная, проходная б) выходная характеристики биполярного транзистора

 

где S_Б – крутизна входной характеристики касательная в рабочей точке I_Бмах,

E'_Б »Е',

E'_Б – напряжение отсечки базового тока,

Соответствуют выбранному режиму IКmах и IБmах =

Е' – напряжение отсечки коллекторного тока (напряжение сдвига проходной характеристики).

U_{КЭосткр}– остаточное напряжение К-Э,

U_БЭраб– напряжение Б-Э

 

или

г)

Если в справочнике нет сведений о параметрах насыщения или выходной характеристики, но имеется выходная мощность, измеренная при напряжении U_КЭ, то сопротивление насыщения можно определить по формуле:

(1.34г)

,

 

где Р_вых – выходная мощность, измеренная при U_КЭ.

 

 

Рассчитаем мощность ф. (1.33) при использовании транзистора 2Т955A

 

Требуется 19.691(см. ф.(1.27)).

Транзистор 2Т955A подходит.

Поскольку запас по мощности большой, уточним режим работы транзистора.

 

Выбираем напряжение питания

Е_К – напряжение питания, выбирается из следующего выражения:

(1.35)

 

- максимально допустимое напряжение К-Э (приводится в справочнике).

В выражении (1.35) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б.

(Е_К >U_КЭост; U_ВЫХ ≈ Е_К - U_КЭост).

Подбирая E _к , I_Кmax

Допустим

зададим E _к=28.7В, I_Кmax=5.5А,

определим возможную мощность:

 

 

По заданию требуется Р_ОК=19.691Вт, т.е. транзистор 2Т955A подходит.

 

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

 

, (2.2)

 

 

где параметры со штрихом K'_P, f ', E'_K, P'₁ – параметры выбранного транзистора, приведенные в справочнике, (генератор может иметь коэффициент усиления K'_P на частоте f ' при питании E'_K, при этом на коллекторе данного транзистора можно получить мощность P'₁),

ƒ_раб – рабочая частота,

P₁ – требуемая мощность,

E_K – задаваемое напряжение питания.

 

При расчете Кр следует задавать режимы, близкие к справочным, большой запас по частоте может привести к неустойчивой работе генератора.

Напряжение питания должно выбираться:

 

(2.3)

 

где – максимально допустимое напряжение К-Э, приведенное в справочнике.

В выражении (2.3) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б. .

Получение мощности P₁>P'₁ приводит к снижению надежности транзистора. Целесообразно выбрать такой транзистор, у которого в результате расчета

ф. (2.2);

 

25…30 >K_P> 1,5

 

По формуле (2.2) коэффициент усиления по мощности можно определить для биполярных транзисторов, у которых приведены необходимые параметры в справочнике. К сожалению, такие параметры имеются только для мощных высокочастотных транзисторов. В таких случаях рассчитывают коэффициент усиления по мощности /3.4/ по следующей формуле:

 

(2.4)

 

где ƒ_max– максимальная частота усиления по мощности биполярного транзистора.

2.1.7.Максимальная частота усиления мощности f_max.

Поскольку при расчете ГВВ транзистор используется в области высоких частот, на параметры транзистора влияет его инерционность, т.е. на энергетические показатели ГВВ: выходная мощность, КПД, коэффициент усиления по мощности уменьшаются. Поэтому при определении f _maxнеобходимо учитывать инерционность транзистора и работу ГВВ в режиме с отсечкой коллекторного тока θ_ВЧ/4/:

 

(2.30)

(2.30а)

в общем случае определяется по формуле:

(2.31)

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора