Розрахунок початкового варіанту схеми

 

Електричний розрахунок підсилювача провадиться на основі обраної принципової схеми та методики. У основу проектування підсилювача має бути покладена безструктурна модель транзистора [6]. Незважаючи на те, що ця модель електронного пристрою менш інформативна ніж його структурна (фізична) модель та строго справедлива лише на одній частоті, вона є більш точною, бо параметри безструктурної моделі (S параметри) можуть бути виміряні значно точніше. Це дає можливість при реальному проектуванні пристрою легко усунути вплив неточного знання параметрів транзистора та їхнього розкиду за допомогою використання підстроювальних елементів без зміни схеми. Використання такої моделі дозволить нам також провести повне проектування (моделювання з отриманням основних характеристик, підстроєння та проектування топології друкованої плати) розрахованого пристрою в одній з найпотужніших на цей час програмі проектування НВЧ пристроїв Microwave Office (дивись розділи 2.4.1 та 2.4.2). .

Отже у курсовому проекті спочатку доцільно в окремому підрозділі висвітлити питання щодо побудови схеми підсилювача в цілому: зв'язок з функціональною схемою, варіант включення нелінійного елемента, кола подачі живлення і вхідних сигналів, елементи, що блокують перемінну складову струму генератора, елементи узгодження та ін. Відзначимо, що у курсовому проекті необхідно спроектувати лінійний підсилювач.

Перед розрахунком радіоелементів встановлення відповідного режиму роботи підсилювача та його термостабілізації слід вибрати транзистор та отримати його вольт-амперні характеристики. Щоб надалі можна було провести проектування у Microwave Office, транзистор, його S параметри та вольт-амперні характеристики треба отримати з цієї програми (розділи 2.4.1). Необхідно за допомогою Інтернету або інших джерел також відшукати повну технічну документацію на знайдений активний елемент та навести її у одному з додатків пояснювальної записки, з посиланням на джерело інформації.

Слід пам‘ятати, що параметри розрахованих радіоелементів схеми необхідно округляти до стандартних значень (наприклад, для постійних резисторів згідно ГОСТ 2825-67 округляти значення згідно ряду Е6, Е12, Е24, Е48 і т.д.).

Розрахувавши елементи встановлення режиму роботи транзистора, треба за допомогою відповідних методик [6, 10] та з застосуванням отриманих S параметрів транзистора провести розрахунок основних характеристик підсилювача: стійкості, коефіцієнта підсилення, коефіціентів відбиття від входів транзистора, вхідного і вихідного опорів та ін. При необхідності треба застосувати засоби стабілізації режиму роботи транзистора та перевести його з області потенційної стійкості у область безумовної стійкості [10].

У підсилювачах потужності для отримання необхідних частотних характеристик та реалізації обраного режиму роботи крім застосування визначених джерел живлення чи радіоелементів встановлення режиму, на його вході та виході необхідно забезпечити узгодження вхідного та вихідного опору транзистора з опорами збуджуючого генератора та навантаження. Це забезпечується за допомогою вхідного та вихідного узгоджуючих кіл, що в залежності від робочих частот підсилювача будуються на реактивних елементах з зосередженими чи розподіленими параметрами та нехтовно малими втратами. Таким чином, проведення розрахунків за відповідною методикою [6, 10] дає змогу не тільки отримати вхідний та вихідний опори транзистора, а й спроектувати необхідні кола узгодження [6, 8, 9]. При цьому, для правильного проектування необхідно враховувати реактивний характер опорів транзистора.

Згідно з еквівалентною схемою вхідного кола транзистора, що наведена на рис. 2.1.а, вхідний опір визначається як

 

.

 

а) б)

Рисунок 2.1 – Еквівалентні схеми вхідного (а) та

вихідного (б) кола транзистора

 

Реактивна складова цього опору може мати як індуктивний характер (на робочій частоті, більш високій, ніж резонансна частота вхідного кола транзистора), так і ємністний характер (на робочій частоті, більш низькій, ніж резонансна частота вхідного кола транзистора). Для багатьох сучасних транзисторів середньої та великої потужності величина суттєво менша [9, 28], і в цьому випадку можна приблизно прийняти, що . Що стосується вихідного кола транзистора (рис. 2.1.а.б), то тут замість вихідного опору буває зручніше використовувати повну провідність

 

.

 

Для більшості сучасних транзисторів реактивна складова вихідної провідності має ємнісний характер .

Для завершення проектування підсилювача необхідно також розрахувати елементи кіл подачі живлення і фільтрації постійної складової сигналу [9] таким чином, щоб не порушувати роботу високочастотних кіл підсилювача.

Для підтвердження отриманих результатів розрахунку та аналізу характеристик розробленого підсилювача необхідно провести його моделювання за методикою, описаною у підрозділі 2.4.1. Необхідно отримати наступні характеристики: частотні залежності активної і реактивної частин S-параметрів транзистора; частотні залежності розрахованого та реалізованого коефіцієнта передачі потужності; коефіцієнти відбиття від входу та виходу транзистора (S₁₁ та S₂₂ відповідно); вхідний та вихідний опори транзистора; кола стійкості транзистора по входу і виходу. Після оптимізації розрахованих кіл узгодження транзистора за мінімумом S₁₁ та S₂₂ параметрів на вході і виході підсилюючого каскаду, треба розрахувати частотні характеристики наступних величин: коефіцієнтів відбиття від входу та виходу підсилювача; вихідної потужності підсилювача (при збудженні його вихідним сигналом передавального тракту); коефіцієнта передачі підсилювача; нелінійні спотворення на вході та виході підсилювача.

Конструкторську частину проекту виконують після електричного розрахунку та моделювання. Вона включає розробку друкованої плати і складального кресленника підсилювача потужності (чи підсилювача та приймальнопередавальної мікросхеми з елементами, що забезпечують її повноцінне функціонування (вимоги дивись у 2.4.2, 2.5)). Слід визначити основні розміри розрахованого вузла, обґрунтувати вибір матеріалу (наприклад, для діелектричної підкладинки мікрохвильового пристрою), коротко прокоментувати і навести у пояснювальній записці етапи і результати виконання цієї частини проекту. Розроблюючи конструкцію та їх кресленники, необхідно максимально використовувати стандартні деталі, вузли, елементи та матеріали. Вибір і позначення матеріалів мають відповідати вимогам стандартів.