Порядок расчета LC-генератора на транзисторе. Основными техническими данными для расчета транзисторного LC-генератора являются: выходная мощность, отдаваемая автогенератором в нагрузку, Рвых и частота генерируемых колебаний fр. Порядок расчета транзисторного генератора рассмотрим применительно к схеме, приведенной на рис. 9.2,а.
1.Выбираем тип транзистора. При заданном значении Рвых мощность Рк, которую должен отдать транзистор в контур, составляет
РК =Рвых/ηк, (1.11)
Вт
Где ηк, - КПД контура.
При повышенных требованиях к стабильности частоты автогенератора КПД контура ηк выбирают в пределах 0,1…1,2. В остальных случаях его можно увеличить до 0,5…0,8.
Выбирая транзистор, необходимо исходить из условий
РК max >PK, (1.12)
fmax ≥fp, (1.13)
где РК max –максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора выбранного транзистора; fmax –максимальная частота генерации биполярного транзистора; выбранного типа. Параметры РК max = 0,4Вт. и fmax = 200 МГц. высокочастотных транзисторов приведены в справочнике по полупроводниковым приборам (взяли транзистор КТ 668В, или его аналог BС393)
2. Рассчитываем энергетический режим работы генератора. Выбираем импульс коллекторного тока косинусоидальной формы. Считая, что в критическом режиме угол отсечки тока коллектора θ=90°,по графикам рис.1.2 находим коэффициенты разложения импульса коллекторного тока α1=0,5; α0=0,318.
Находим усредненное время движения τп носителей тока между p-n переходами транзистора по формуле
τп≈1/2πfmax (1.14)
c
Вычисляем угол пробега носителей тока
φпр=2πfрτп (1.15)
Вычисленное по формуле (1.15) значение φпр выражаем в градусах. При этом учитываем, что при φпр=2π угол φпр=360°. Находим угол отсечки тока эмиттера
θэ=θ-φ°пр (1.16)
;
По графикам рис. 1.2 определяем коэффициенты разложения импульса эмитерного тока α1(Э) и α0(Э)
Напряжение питания можно определить по формуле (1.17) при этом Uk берем в пределах 0,8…1,2 В:
(1.17)
;
Коэффициент использования коллекторного напряжения выбираем из соотношения:
ξ=1-2Рк/Ек2Sкрα1 (1.18)
;
где Sкр – крутизна линии критического режима выбранного транзистора (при отсутствии данного параметра в справочнике значение Sкр определяют графически в семействе идеализированных выходных характеристик транзистора; из справочника возьмем Sкр=0,03).
Определяем основные электрические параметры режима:
амплитуду переменного напряжения на контуре
Uмк=ξ|Ek|; (1.19)
амплитуду первой гармоники коллекторного тока
IK1m=2PK/Umk; (1.20)
;
Постоянную составляющую коллекторного тока
IKпост=α0IK1m/α1 (1.21)
;
максимальное значение импульса тока коллектора
IKи max= IK1m/α1 (1.22)
;
мощность, расходуемую источником тока в цепи коллектора
Р0=IKпост|Ek|; (1.23)
;
мощность, рассеваемую на коллекторе
РК рас=Р0-РК (1.24)
;
причем необходимо, чтобы
РК рас<РK max (1.25)
КПД по цепи коллектора
η=РК/Р0 (1.26)
;
Эквивалентное резонансное сопротивление контура в цепи коллектора
Rрез=Umk/IK1m (1.27)
;
Находим коэффициент передачи тока транзистора в схеме с ОБ на рабочей частоте
h21б(fp)=h21б/ (1.28)
;
Где h21б(fp) – коэффициент передачи тока на низкой частоте; f h21б(fp)-предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора выбранного типа.
Для определения параметра h21б (значение которого не всегда приводится в справочниках) может быть использована формула
h21б= h21э/(1+ h21э) (1.29)
;
где h21э-коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с ОЭ.
Определяем амплитуду первой гармоники тока эмиттера
IЭ1m=IK1m/ h21б(fp) (1.30)
;
Находим амплитуду импульса тока эмиттера
IЭ u max= IЭ1m/α1(Э) (1.31)
;
Рассчитываем амплитудное значение напряжения возбуждения на базе транзистора, необходимое для обеспечения импульса тока эмиттера IЭ u max без учета влияния частоты
UБЭm= IЭ u max/(1-cosθэ)S0 (1.32)
;
где S0-крутизна характеристики тока коллектора.
Определяем напряжение смещения на базе, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера,
UБЭсм=Ес+ UБЭmcosθэ (1.32)
;
где Ес – напряжение среза.
В случаях, когда значение напряжения среза в справочниках не приводится, его можно найти по идеализированным (спрямленным) характеристикам транзистора или ориентировочно принять равным Ес=(0,1…0,2)В (полярность Ес зависит от типа транзистора: для транзисторов p-n-p на базу подается отрицательное, а для транзисторов n-p-n положительное напряжение смещения).
Находим коэффициент обратной связи
Ксв= UБЭm/Umk (1.33)
;
Для выполнения условия баланса амплитуд необходимо выполнить условие
Ксв≥ Ксв min=1/S0Rрез (1.34)
;
Рассчитываем сопротивление резисторов R1и R2. Для этого задаемся током делителя, проходящим через эти резисторы
IД≈5IБпост (1.35)
;
где IБпост - постоянная составляющая тока базы выбранного транзистора. Величину IБпост можно найти по формуле
IБпост=IKпост/h21Э (1.36)
;
(h21Э – статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора выбранного типа в схеме с общим эмиттером).
Зная IД, находим R2 по формуле
R2= UБЭсм/ IД (1.37)
;
Поскольку ток делителя на много превышает ток базы транзистора, последний не изменит существенно ток, протекающий через резистор R1. поэтому
R1=(Ek-UБЭсм)/IД (1.38)
;
Мощность, рассеиваемая на резисторах R1 и R2, соответственно равна PR1=I2ДR1; PR2=I2ДR2. С учетом этих значений выбираем стандартный тип резисторов R1 и R2 по шкале номинальных сопротивлений резисторов.
Находим емкость разделительного конденсатора С1 С1≈(10…20) Сэ, где Сэ – емкость эмитерного перехода транзистора.
С1 = 15·70 Пф = 1 нФ
Элементы цепочки термостабилизации R3C2 определяются так же, как и при расчете избирательного усилителя на транзисторе
R3≈UЭ/IЭпост (1.39)
;
где UЭ падение напряжения на резисторе эмиттерной стабилизации (порядка (0,7…1,5)В); IЭпост – постоянный ток эмиттера (IЭпост≈IКпост).
Емкость конденсатора С2 равна
С2≥(15…30)103/fpR3 (1.40)
;
Где С2 выражается в микрофарадах; fp – мегагерцах; R3 – в килоомах
Стандартные значения R3 и С2 выбираются по шкале нормальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов
3. Определяем параметры контура. Задаемся добротностью одиночного (ненагруженного)контура. Экспериментальным путем установлено, что у генераторов малой и средней мощности добротность ненагруженных контуров составляет:
на волнах 20…50м (15 МГц…6 МГц) Q=150…300;
на волнах 50…100м (6 МГц…3 МГц) Q=100…250;
на волнах 100…1000м (3 МГц…300 кГц) Q=80…200.
Добротность нагруженного контура подсчитывается по формуле
Q'=Q(1-ηк) (1.41)
;
где ηк – КПД контура.
Находим минимальную общую емкость контура Ск min по приближенной формуле
Ск min≈(1…2)λр (1.41)
;
λр – рабочая длина волны колебаний (λр=с/fp, где с – скорость света), м; Ск min выражается в пикофарадах).
В общую емкость контура Ск min входят емкость конденсатора С3 (рис. 9.2 а) и выносимые (паразитные) емкости: выходная емкость транзистора, емкость катушки контура, емкость монтажа и др. Общая величина вносимой емкости Свн обычно составляет десятки пикофарад. Следовательно, емкость конденсатора контура С3 мажет быть найдена по формуле
С3≈ Ск min-Свн (1.42)
;
Вполне понятно, что формула (1.42) позволяет установить лишь ориентировочное значение емкости С3; более точное значение определяется в процессе настройки схемы.
Рассчитываем общую индуктивность контура Lk
Lk=0.282λ2p/Ск min (1.43)
;
где Lk выражается в микрогенри; λр – в метрах; Ск min – в пикофарадах.
Определим волновое (характеристическое) сопротивление контура
ρ=103 (1.44)
;
(ρ выражается в омах; Lk – в микрогенри; Ск min – в пикофарадах.
Находим сопротивление потерь контура
Rп=ρ/Q' (1.45)
;
Рассчитываем сопротивление, вносимое в контур
Rвн= Rпηк/(1-ηк) (1.46)
;
Полное сопротивление контура равно
RK= Rп+ Rвн (1.47)
;
Определяем амплитуду колебательного тока в нагруженном контуре
Imk= (1.48)
;
Находим величину индуктивности L2 связи контура с базой транзистора (приложение)
L2=KсвLk (1.49)
;
Определяем величину индуктивности связи контура с коллектором транзистора
L1=Lk-L2 (1.50)
;