Расчет селективного усилителя

При расчете УПЧ следует сначала выбрать усилительный элемент (полевой или биполярный транзистор, ИМС), выбрать схему его включения, тип колебательной системы [6-18]. При выборе следует руководствоваться справочными материалами. Затем необходимо определить ряд параметров усилительного элемента на промежуточной или радиочастоте. Основными параметрами являются: входное и выходное сопротивления и емкости, крутизна усилительного элемента, емкость обратной связи.

При выборе типа усилительного элемента следует особое внимание уделить частотным свойствам этого элемента. Граничная частота передачи тока транзистора f _Т должна быть как минимум в десять раз выше той частоты, на которой предполагается работа усилителя. Так же следует выбирать транзисторы с как можно меньшими емкостями переходов: база-коллектор и база-эмиттер.

Расчет усилительного каскада на БТ.

При расчете одноконтурного транзисторного усилителя, построенного, например, в соответствии с рис. 4.6, следует сначала выбрать напряжение питания E _ПИТ и задаться средним током коллектора I _К0. Средний ток коллектора и мощность рассеиваемая транзистором P _ТР= E _ПИТ× I _К0 не должны превышать максимально допустимые (см. справочные данные). Желательно выбирать токи коллектора и мощность на 10-30% ниже максимально допустимых. Исходя из среднего тока коллектора и коэффициента передачи по току транзистора β рассчитывается ток базы покоя I _Б0 и, соответственно, величины элементов обеспечивающих положение рабочей точки транзистора.

Далее можно использовать следующую последовательность расчетов:

 - динамическое сопротивление эмиттера транзистора;

 Ом – типовое сопротивление базы маломощных БТ;

 - входное сопротивление транзистора.

При использовании схемы включения транзистора с общей базой входное сопротивление следует вычислять как

,

все остальные параметры рассчитываются так же, как и для схемы с ОЭ.

 - крутизна транзистора.

 кОм – типовое выходное сопротивление современных ВЧ биполярных транзисторов;

 - емкость коллекторного перехода;

 - емкость эмиттерного перехода, где ;

 - входная емкость транзистора;

 - выходная емкость транзистора.

Определим параметры колебательной системы. Для начала зададимся контурной емкостью. Для диапазона частот 30÷300 кГц эта емкость обычно принимается 400 пФ, 0.3÷3 МГц – 200 пФ, 3÷30 МГц от 50 до 200 пФ, 30÷300 МГц от 10 до 50 пФ.

Так же следует задаться добротностью ненагруженного контура Q _К. Для диапазона 100÷3000 кГц она может лежать в диапазоне 80-100 единиц. Для частот выше 3 МГц – 100-120 единиц.

Отсюда вычислим контурную индуктивность

, где f ₀ – резонансная частота усилителя.

Рассчитаем резонансную проводимость контура

.

Далее рассчитаем оптимальные коэффициенты включения в контур транзистора и нагрузки. Для этого определим параметр D [1,16]:

,

где Δ f – требуемая полоса пропускания усилителя.

Отсюда рассчитаем оптимальные коэффициенты включения:

 - коэффициент включения транзистора в контур;

 - коэффициент включения нагрузки в контур.

В случае, если нагрузкой каскада является следующий, такой же каскад, то сопротивление нагрузки R _Н= R _ВХ. А если коэффициенты включения оказываются выше единицы, то следует считать, что частичное включение не требуется, и приравнять эти коэффициенты к 1. В случае, когда отвод от середины катушки сделать затруднительно возможно частичное включение нагрузки в контур с помощью емкостного делителя, как это показано на рис. 4.13. В этом случае коэффициентом включения будет являться отношение емкости, с которой снимается напряжение, к сумме емкостей контура.

Эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте

.

Резонансный коэффициент усиления транзисторного каскада на БТ в схеме с ОЭ:

.

Далее следует убедиться в том, что при полученном коэффициенте усиления разработанный каскад будет устойчив. Для этого рассчитаем эквивалентную проводимость цепи обратной связи усилительного элемента

.

Устойчивый коэффициент усиления

.

Условие устойчивости усилителя

.

При использовании современных транзисторов с достаточно высокими частотными свойствами это условие довольно легко выполняется. В случае, если резонансный коэффициент усиления оказывается выше устойчивого, следует уменьшать резонансный коэффициент усиления. Этого можно достичь либо уменьшением крутизны усилительного элемента, путем уменьшения тока коллектора. Либо уменьшением эквивалентного сопротивления контура, путем шунтирования (параллельного включения) его омическим сопротивлением R _Ш. При этом резонансная проводимость контура увеличится, ее следует рассчитывать как

.

Так же возможно шунтирование не всего контура, а только той его части, которая включена со стороны транзистора, тогда выходное сопротивление транзистора следует считать R _ВЫХ+ R _Ш.

Расчет усилительного каскада на ПТ.

Порядок расчета каскада на ПТ такой же, как и на БТ. Отличие будет заключаться в расчете параметров усилительного элемента. На основе справочных (паспортных) данных можно вычислить такие параметры как:

 - входное сопротивление транзистора, где U _ЗИ – напряжение затвор-исток, I _УЗ – ток утечки затвора;

- крутизна транзистора, где I _С – ток стока;

 – выходное сопротивление, где U _ОТС – напряжение отсечки;

 - входная емкость;

 - выходная емкость транзистора;

 - проходная емкость;

 - сопротивление цепи внутренней ОС.

При проектировании и расчете селективных усилителей на ИМС следует руководствоваться справочными материалами, принципиальными схемами ИМС, примерами включения ИМС и расчетными формулами, публикуемыми производителями элементной базы.

Преобразователи частоты

В общем виде преобразователь частоты [6-18] состоят из смесителя (См.), гетеродина (Г) и фильтра промежуточной частоты (ФПЧ), как показано на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Функциональная схема ПЧ

В зависимости от используемого частотного диапазона и назначения смесители могут выполняться с использованием различной элементной базы: диодов, транзисторов, ИМС. На частотах до нескольких ГГц обычно используются транзисторные смесители, на СВЧ чаще строят смесители на диодах, из-за ограничений накладываемых инерциальностью транзисторов.

В качестве гетеродинов используются различного маломощные автогенераторы с различными схемами стабилизации и управления частотой.

Поскольку промежуточная частота фиксирована, ФПЧ не требует перестройки, кроме того промежуточные частоты выбирают относительно низкими. Поэтому в качестве ФПЧ могут быть использованы колебательные контуры, фильтры на LC элементах, пьезофильтры.