5.6.2. Порядок проектирования умножителя частоты

Задано:

- N - коэффициент умножения умножителя частоты;

- - входная частота умножителя частоты;

- - выходная частота умножителя частоты;

- - выходная мощность.

Учитывая меньший кпд УЧ по сравнению с УМ, целесообразно использовать умножители при небольших значениях полезной мощности.

Выбираем транзистор по выходной мощности и частоте :

<

<<

Хорошее выделение необходимой гармонической составляющей на выходе умножителя может быть получено при достаточно большой нагруженной добротности колебательной системы автогенератора Q_н=90 … 100. Если учесть, что добротность ненагруженной колебательной системы Q_хх=120 … 150, то коэффициент полезного действия колебательной системы получается h_к=0,2 … 0,3. Следовательно, только 20 % … 30 % генерируемой мощности поступает в нагрузку. Учитывая эти обстоятельства, транзистор по мощности следует выбирать в соответствии с неравенством

і /h_к

Величина для маломощных транзисторов в справочниках не указывается. Приближенный расчет этой величины может быть получен из следующих соображений. Если транзистор работает в критическом режиме, то электронный коэффициент полезного действия h_э составляет 0,7… 0,8, тогда

@P_Кдоп/h_э

P_Кдопі /h_кh_э

Существенное упрощение расчета автогенератора получается, если инерционные явления в транзисторе слабо выражены. Это справедливо, когда граничная частота по крутизне f_S выше рабочей частоты автогенератора f

f <(0,1 … 0,2)f_S

S=S₀/(1+jf/f_S)

S₀=b/(r_б+bj_T/I_K0) =b/(r_б+br_Э)

где j_T - температурный потенциал перехода (j_T=8,62*10^-5Т);

r_Э - сопротивление эмиттерного перехода:

r_Э@1/(40I_Э0)

I_Э0=I_K0/a₀

I_Э0=I_K0(1+b₀)/b₀

Величина f_S для маломощных транзисторов в справочниках не указывается. Определить ее для биполярного транзистора можно по формуле

f_S=f_Т/(r_бS₀)

Выписываем из справочника основные электрические и предельно допустимые параметры выбранного транзистора:

• ₀ статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером;

a₀ статический коэффициент усиления по току в схеме с общей базой;

w_т граничная частота (частота единичного усиления) в схеме с общим эмиттером;

t_к постоянная времени цепи обратной связи транзистора;

С_К емкость коллекторного перехода;

U_КЭдоп допустимое напряжение на коллекторе в схеме с общим эмиттером;

r_нас сопротивление насыщения транзистора (может быть найдено по статическим характеристикам);

r¹_б сопротивление базы (может быть пересчитано через постоянную времени и емкость коллекторного перехода r¹_б =t_К/С_К);

J_Кдоп допустимый ток коллектора;

Р_Кдоп допустимая мощность рассеяния.

1) Вычисляем угол отсечки коллекторного тока:

2) Определяем по формулам, таблицам или графикам коэффициенты Берга:

3) Если в справочнике не приведено значение крутизны линии критического режима , то определяем его по выходным вольтамперным характеристикам, или по формулам:

4) Вычисляем вспомогательный параметр , необходимый для выбора напряжения питания умножителя:

5) Выбираем напряжение питание умножителя (с учетом ряда рекомендуемых значений напряжения питания):

6) Вычисляем коэффициент использования коллекторного напряжения:

7) Вычисляем амплитуду переменного напряжения на коллекторе:

8) Вычисляем амплитуду полезной гармоники тока коллектора:

Проверяем выполнение условия

9) Вычисляем размах импульса коллекторного тока:

Проверяем выполнение условия

10) Вычисляем постоянную составляющую коллекторного тока:

Проверяем выполнение условия

11) Вычисляем потребляемую по коллекторной цепи мощность:

Если не все питающее напряжение подводится к участку коллектор эмиттер, то определяем мощность постоянной составляющей, подводимой к коллекторному переходу:

Р₀=Е_кэI_к0

12) Вычисляем мощность, рассеиваемую на коллекторе:

Проверяем выполнение условия

Если полученное значение мощности, рассеиваемой на коллекторе не превышает паспортных данных выбранного транзистора, то можно приступать к расчету входной (базовой) цепи. Иначе необходимо вернуться к началу и:

а) выбрать меньше угол отсечки коллекторного тока;

б) выбрать более мощный транзистор.

13) Вычисляем коэффициент полезного действия:

На этом энергетический расчет коллекторной цепи закончен. Производим энергетический расчет базовой цепи.

14) Вычисляем коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером (если для рабочей частоты эта величина не приведена в справочных данных):

где , - параметры номинального (типового) режима, указанные в справочнике.

Данная формула справедлива вблизи частоты типового режима работы. При работе на значительно более низких частотах следует следить, чтобы вычисленное значение коэффициента передачи тока не превысило значение статического коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером. Как правило статический коэффициент передачи тока для мощных транзисторов, работающих при больших токах эмиттера, находится в пределах от 5 до 20.

При известном статическом коэффициенте передачи базы рекомендуется вычислять коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером по точной формуле:

b=b₀/(1+(f/f_b)²)^0,5

15) Вычисляем крутизну транзистора:

где крутизна перехода

где - рабочая температура эмиттерного перехода транзистора данного каскада в градусах Цельсия.

15) Вычисляем амплитуду переменного напряжения на базе транзистора:

16) Вычисляем амплитуду первой гармоники базового тока:

I_б1 =I_Kma₁(q_K)/b

17) Вычисляем мощность возбуждения:

Р_возб=0,5U_mбI_б1

18) Вычисляем коэффициент усиления по мощности:

К_Р=Р_N/Р_возб

19) Вычисляем входное сопротивление каскада:

R_вх=U_mб/I_б1

20) Вычисляем смещение на базе:

Е_б=Е¹_б -U_mбcosq_K

где - напряжение отсечки коллекторного тока, равное 0,7 вольта для кремниевых транзисторов и 0,2…0,3 вольта для германиевых (по модулю).

Проверяем, что напряжение на базе не превышает предельно допустимые.

На этом энергетический расчет транзисторного умножителя закончен.