5.2 Однотактная схема ум.
Построим усилительный каскад на полевом транзисторе 2N7002 с резонансной системой из 1 LC-фильтра(рис. 5.2.1). Частота генератора 1.76 МГц. Параметры емкости и индуктивности резонансного звена рассчитываем исходя из частоты генератора(принимаем ее за резонансную).
Рис.5.2.1 Усилительный каскад с 1LCцепочкой.
Рассмотрим осциллограмму на нагрузке и на стоке транзистора
Рис.5.2.2 Осциллограмма усилительного каскада с 1 LC цепочкой.
Работа усилителя не стабильна, возникают скачки напряжения на входе резонансного звена. Выходной синусоидальный сигнал получается искаженным. Коэффициент усиления будет равен:
К=Uвых/Еп=120В/20В=6;
Подключим второе резонансное звено параллельно первому. Параметры элементов примем такими же, но последовательность элементов поменяем.
Рис. 5.2.3 Усилительный каскад с двумя фильтрами
При таком включении получаем полосовой фильтр, возникают две резонансные частоты 1.101 МГц и 2.834 МГц. Настраиваем генератор на первую резонансную частоту, снимаем осциллограмму(Рис. 5.2.4).
Рис.5.2.4 Осциллограмма на первой резонансной частоте(1.101 МГц).
Режим стабильный, плавная синусоида на выходе, больших выбросов напряжения на стоке транзистора не наблюдается(76В). Коэффициент усиления такой схемы УМ::
К=Uвых/Епит=600В/20В=30;
Настроим генератор на вторую резонансную частоту(2.834 МГц). Осциллограмма каскада настроенного на вторую резонансную частоту показана на рис. 5.2.5.
Рис.5.2.5 Осциллограмма на второй резонансной частоте.
Рассмотрим коэффициент усиления:
К=Uвых/Eп=270В/20В=13.5;
Коэффициент усиления уменьшился более чем в 2 раза, т.е следует использовать первую резонансную частоту(1.101 МГц).
5.3 Двухтактный усилитель с динамической нагрузкой и резонансным звеном.
Благодаря такому схемному решению в каскаде получается большое сопротивление связи при малых потерях на нем постоянного питающего напряжения.
Построим каскад с динамической нагрузкой в виде транзистора и диода, на выход подключим резонансное звено(рис. 5.3.1).
Рис.5.3.1 Двухтактный усилитель с динамической нагрузкой.
Рассмотрим осциллограмму на выходе, стоке транзистора Q1, затворе Q1(Рис 5.3.2).
Рис.5.3.2 Осциллограмма двухтактного усилителя с динамической нагрузкой.
На затвор транзистора подаем импульсный сигнал амплитудой 10В, скважностью 2, частотой 1.76Мгц. На стоке транзистора Q1 получаем импульсный сигнал амплитудой 20В. На выходе получаем синусоидальный сигнал амплитудой 400В.
Коэффициент передачи двухтактного каскада с активной нагрузкой получаем:
К=Uвых/Еп=400В/20В=20;
Коэффициент передачи двухтактного каскада с активной нагрузкой более чем в 3 раза превышает коэффициент передачи однотактного каскада с одним резонансным звеном
5.4 Двухтактный трансформаторный каскад с общей точкой.
В трансформаторных каскадах удается, как правило, получать лучшее согласование каскада и нагрузки, а также повышенную температурную стабильность. Они являются классическими схемами, обеспечивающими получение большой мощности. Их недостаток — наличие громоздких трансформаторов и значительные частотные и нелинейные искажения, несмотря на то что содержание четных гармоник в выходном сигнале у двухтактных каскадов существенно понижено.
Далее рассмотрим двухтактный трансформаторный каскад с общей точкой и резонансной системой на выходе. Полная схема представлена на рис.5.4.1. Транзисторы возьмем 2N706,характеристики такого транзистора представлены в приложении. Параметры элементов резонансной системы берем исходя из частоты 1.76 Мгц (емкость-330пФ,индуктивность-24.8мкГн).
Рис.5.4.1 Двухтактный трансформаторный каскад.
Для исключения ошибок, при проектировании схемы, разберем процесс формирования данной схемы. Поставим в коллекторы транзисторов сопротивления вместо обмоток трансформатора(рис.5.4.2). Отследим процесс переключения транзисторов.
Рис.5.4.2 Двухтактный каскад
Из осциллограммы видно что напряжения на выходе транзисторов в противофазе. следовательно переключение проходит нормально.
Следующим шагом поставим первичную обмотку трансформатора вместо резисторов, отвод на источник питания осуществляем с равным количеством витков на каждый транзистор(рис. 5.4.3). Оценим показания прибора на вторичной обмотке трансформатора.
Рис.5.4.3 Двухтактный трансформаторный каскад.
Переключение транзисторов проходит нормально. На вторичной обмотке трансформатора наблюдаем импульсный сигнал амплитудой 2En.
Подключаем г-образную резонансную цепочку ко вторичной обмотке трансформатора(рис.5.4.4). Параметры индуктивности и емкости возьмем для частоты резонанса 1.76 МГц, что составляет 330пФ для емкости, и 24.8 мкГн для индуктивности.
Рис.5.4.4 Двухтактный трансформаторный каскад с одиночной резонансной системой на выходе.
На выходе получаем синусоиду амплитудой 380В. Коэффициент усиления в таком случае составляет:
К=Uвых/Еп=380В/20В=19;
Добавляем еще один резонансный контур, но с дополнительной подстраиваемой емкостью(Рис 5.4.5). Элементы для второго резонансного контура выбираем для частоты резонанса 1.76 МГц, емкости нагрузки 80 пФ - индуктивность примем 150 мкГн, емкость – 176 пФ(в схему поставим подстраиваемую емкость 342 пФ с 50% уменьшением).
Рис.5.4.5 Полная схема двухтактного трансформаторного усилителя.
Добавление второго резонансного контура повлияло на частоту резонанса, появилось две резонансные частоты(1.44 МГц и 2.14 МГц), на которые придется подстраиваться, чтобы не получать искажения сигналов. При не настроенном контуре получаем высокие выбросы напряжения на коллекторе транзисторов(сотни вольт). При подстроенной частоте генератора на резонансную, получаем увеличение выходного напряжения в 1.5 раза. Коэффициент усиления такого УМ составляет:
К1=Uвых/Еп=640В/20В=32;
Попробуем настроить емкость резонансного контура с помощью подстраиваемого конденсатора С7. Увеличение емкости дает увеличение в коэффициенте усиления:
К2=U2 вых/Еп=860В/20В=43, С7= 704 пФ.
Увеличивая емкость резонансной системы, мы уменьшаем резонансную частоту, система получается не настроенной, возникают выбросы напряжения на коллекторе транзисторов порядка сотни вольт.
Понизив частоту генератора до резонансной(для С7=704 пФ , f=1.3 мГц) получаем коэффициент усиления К3=920/20=46;
Выводы
Разработка схем в программе «Multisim» обеспечивает экономию времени и ресурсов, так как возможно допускать ошибки, без последствий, при проектировании. Пошаговое включение в схему элементов, узлов, и исследование их влияния на схему- исключает возникновение ошибок в процессе проектирования.
В результате практики было выявлено что оптимальной структурой выходного каскада УМ ВЧ генератора является двухтактная трансформаторная резонансная структура. Такая структура обеспечивает высокий коэффициент усиления, стабильность работы, упрощает согласование с нагрузкой.
Список использованных источников
Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме, под ред. Л. С. Полака, М., 1965; Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы, под ред. Л. С. Полака, М., 1971;
Пархоменко В.Д., Цибулев П.Н., Краснокутский Ю.И. Технология плазмохимических производств: Учеб. пособие. Киев: Вища шк., 1991. 255 с.
Удалов Ю.П., Гавриленко И.Б. Расчет плазмохимического реактора и закалочного устройства для синтеза газообразных продуктов и функциональных порошков: Учеб. пособие. СПб.: РТП ИК «Синтез», 2002. 40 с.
Шуцкой К.А. Транзисторные усилители высокой частоты. М.: Энергия, 1967.
Гальперин М. В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике.— М.: Энергоатомиздат, 1987.
Расчет электронных схем./Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев, В. А. Терехов и др. — М.: Высшая школа, 1987.
У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1983.
Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. Мокряков и др. Под ред. А. В. Голомедова. — М.: Радио и связь, 1989.
Шинаков Ю.С., Колодяжный Ю.М. Теория передачи сигналов электросвязи: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь.1989.-288 с.: ил.
Вайсбург Ф.И., Панаев Г.А., Савельев Б.Н. Электронные усилители и приборы. Учебник для техникумов. –М.: Радио и связь.1987.-472 с.: ил.
Добротворский И.Н. Теория электрических цепей: Учебник для техникумов. -М.: Радио и связь.1989.-472 с.: ил.
Гусев И.Г., Гусев В.М. Электроника: Учебное пособие. - М.: Высш.шк., 1991.- 662 с
Приложение А