Лабораторная работа № 4. Моделирование оконечного каскада радиопередатчика

4.1. Цели работы:

– освоить расчет и моделирование оконечного каскада на биполярном транзисторе;

– оценить изменение режима транзистора при изменении напряжения питания, сопротивления нагрузки или смещения.

На рис. 4.1 изображена схема оконечного каскада на биполярном транзисторе.

Рис. 4.1. Схема оконечного каскада

Входное согласующее устройство L1, С2 преобразует низкое входное сопротивление транзистора к уровню сопротивления генератора R_Г = 50 Ом. Выходное СУ в виде П-контура С4, L3, С5 преобразует сопротивление нагрузки R_Н к значению сопротивления R_К, необходимого для транзистора, а также фильтрует высшие гармоники в нагрузке.

4.1.1. Расчет оконечного каскада состоит из:

– расчета токов и напряжений коллектора (расчет коллекторной цепи) и элементов выходного СУ С4, L3, С5;

– расчета токов и напряжений базы (расчет входной цепи) и элементов входного СУ (L1, С2).

4.1.2. Расчет коллекторной цепи [6] выполняют по соотношениям

, (4.1)

где U_{К ГР} – амплитуда напряжения на коллекторе (между коллектором и эмиттером) в граничном режиме;

Р₁ – значение мощности в нагрузке,

е_{К МАКС} – максимальное значение мгновенного напряжения на коллекторе;

₁() – коэффициент, равный отношению первой гармоники тока коллектора I_K1 к величине импульса тока коллектора I_{K МАКС};

r_НАС – сопротивление насыщения.

Для обеспечения надежной работы рассчитываемого каскада выбирают е_{К МАКС} < е_{К ПРОБ} у подходящего по условиям Р_{1 НОМ} > Р₁ и f_Т >> f_РАБ транзистора.

Находится напряжение питания .

Рассчитываются токи:

 I_{К ДОП}.

. (4.2)

Находится потребляемая и рассеиваемая мощность . Проверяется, что она не превышаетP_{S ДОП}.

Определяется сопротивление нагрузки .

4.1.3. Для расчета элементов П-контура представим их в виде двух, включенных навстречу друг другу, Г-образных четырехполюсников (рис. 4.2).

Рис. 4.2. П-контур в виде двух Г-образных четырехполюсников

Выбирается R₀ из условий R₀ < R_Н и R₀ < R_К.

Следует заметить, что чем меньше R₀, тем лучше фильтрация высших гармоник, но меньше КПД П-контура.

Рассчитываются значения [5]:

(4.3)

;;. (4.4)

4.1.4. Для расчета цепи базы необходимо представлять схему замещения базовой цепи. В PSpice Model Editor не учитываются индуктивности выводов базы, эмиттера и коллектора. Входное сопротивление при этом может быть описано упрощенной схемой (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема замещения входной цепи

Соотношения для расчета цепи базы

, (4.5)

где I_Б1, I_К1 – амплитудные значения первых гармоник токов базы и коллектора;

f_T – частота, на которой модуль коэффициента передачи тока базы равен единице;

h_21Э – значение коэффициента передачи тока базы на постоянном токе;

коэффициент .

Значение активной составляющей входного сопротивления:

, (4.6)

где ;

;

.

Здесь С_К – емкость коллекторного перехода;

С_Э – барьерная емкость эмиттерного перехода при нулевом смещении;

R_Б – сопротивление базы.

Значение входной емкости:

. (4.7)

Схема входной цепи выглядит следующим образом (рис. 4.4):

Рис. 4.4. Схема входной цепи

Для расчета входного согласующего устройства L1, С2 используют соотношения [5]:

и. (4.8)

Поэтому и, можно определить значение емкостиС2

(4.9)

и индуктивности L1

. (4.10)

Затем рассчитывается мощность возбуждения и напряжение источника возбуждения.

4.2. Задание.

4.2.1. Выполняется при подготовке:

Получить у преподавателя номер задания. Частоту, максимальное напряжение на коллекторе и мощность на нагрузке выписать из таблицы 4.1. Рассчитать, используя соотношения (4.1) – (4.10), коллекторную и базовую цепь транзистора Q2N3053 (отечественный аналог КТ630 [8]) по следующим исходным данным:

R_Г = 50 Ом; R_НАГР = 50 Ом; R₀ = 5 Ом;  = 90°.

Параметры транзистора Q2N3053:

f_T = 100 МГц; r_НАС = 9 Ом; R_Б = 10 Ом; С_К = 15 пФ;

С_Э = 55 пФ; h_21Э = 100; I_{К ДОП} = 0,7 А; P_{S ДОП}= 1 Вт.

Таблица 4.1

№	f МГц	EК МАКС В	P1 Вт
1	10	20	0,50
2	15	30	0,75
3	20	40	1,00
4	25	50	1,25
5	30	35	1,50
6	35	40	0,50
7	40	45	0,75
8	45	50	1,00
9	50	30	1,25
10	55	35	1,50
11	10	40	0,50
12	15	45	0,75

Продолжение таблицы 4.1

№	f МГц	EК МАКС В	P1 Вт
13	20	35	1,00
14	25	40	1,25
15	30	45	1,50
16	35	50	0,50
17	40	20	0,75
18	45	30	1,00
19	50	40	1,25
20	55	50	1,50
21	20	30	1,00
22	25	35	1,25
23	30	40	1,50
24	35	45	0,50
25	40	35	0,75
26	45	40	1,00
27	50	45	1,25
28	55	50	1,00

Используя результаты расчета коллекторной цепи, рассчитать величины элементов П-контура для значений R_К=0,5R_К, R_К=R_К, R_К=1,5R_К, R_К=2R_К. Значения элементов П-контура занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Значение сопротивления RК, Ом	Значения элементов П-контура
	C4	L3	C5

Рассчитать значение блокировочной индуктивности (L2 > 100R_К/) и емкости связи С3 > 100/( R_К).

4.2.2. Выполняется в лаборатории:

Создать новый проект в подпапке lab4. Изобразить на поле OrCAD рассчитанную схему. Выполнить ее анализ во временной области. Последовательность действий аналогична действиям, описанным в лабораторной работе № 2. Сравнить полученные значения I_К0, I_К1, Р₁, Р₀, Р_S с рассчитанными и объяснить различия.

Изменяя значение L1 на 20 %, попытаться найти максимум U_Н и оценить согласование источника возбуждения с транзистором.

Изменяя значения элементов П-контура по данным из таблицы 4.2, выполнить моделирование для различных значений сопротивления нагрузки. Полученные в результате моделирования значения I_К0, I_К1, Р₁, Р₀, Р_S занести в таблицу 4.3 и построить графики I_К0, I_К1, Р₁, Р₀, Р_S (R_К).

Таблица 4.3

Значение RК, Ом	Полученные значения
	IК0, мА	IК1, мА	Р1, Вт	Р0, Вт	РS, Вт

4.3. Содержание отчета:

1. Расчет параметров усилителя.

2. Принципиальная схема усилителя.

3. Прогнозируемые временные зависимости i_Б(t), i_К(t).

4. Временные зависимости, полученные в ходе моделирования.

5. Краткие выводы по результатам работы.

4.4. Контрольные вопросы и задания:

1. Объяснить получение соотношений (4.9) – (4.10).

2. Почему ток базы транзистора, работающего с отсечкой тока, близок по форме к синусоидальному?

3. Объяснить способ вычисления и вычислить значения емкости и индуктивности L1, С2 для заданных преподавателем f; R_Г; r_ВХ.

4. Объяснить способ вычисления и вычислить значения емкостей и индуктивностей П-контура С4, L3, С5 для заданных преподавателем f; R_К; R_Н.

5. Чем определяется форма и длительность переходного процесса при включении усилителя?

6. Как изменится форма тока коллектора при уменьшении напряжения питания Е_К в два раза?

7. Как изменится форма тока коллектора при увеличении сопротивления нагрузки в два раза?

8. Как выбрать сопротивление блокирующей индуктивности L₂ в коллекторной цепи?

9. Как выбрать сопротивление разделительной емкости С₃ в коллекторной цепи?