Блок усилителя мощности

_{Продольное  напряжение в верхней  линии:}

_{Нижняя  линия – фазокомпенсирующая, она обеспечивает такой же фазовый  сдвиг, который имеет  место в верхней линии.}   

                                          

Требуемая продольная индуктивность проводников линии

Найдем необходимый  объем сердечника  по формуле (4.14)

 

В качестве длинных линий трансформатора выбираем коаксиальный кабель РК-50-1,5-21 со следующими параметрами: волновое сопротивление , максимальный внешний диаметр .

В качестве сердечника выбираем конструкцию типа «бинокль» из пяти ферритовых трубок, размерами: внешний диаметр D = 1,6 см, внутренний диаметр d = 0,8 см, высота h = 2,5 см.

Найдем объем  трубок по формуле (4.15)

                                                               

Сравним его с минимальным значением объема сердечника:

.

Определим расчетное  значение продольной индуктивности по формуле (4.17), подбирая число витков кабеля w так, чтобы оно было больше минимальной требуемой продольной индуктивности, рассчитанной ранее.

 

Как видно  , значит одного витка кабеля будет достаточно.

Определим амплитуду  магнитной индукции в сердечнике по формуле (4.18):

 

Сравним её с максимальной для этой марки феррита:

.

Удельные тепловые потери в феррите найдем по формуле (4.19)

 

Мощность потерь в объёме сердечников определим по формуле (4.20)

 

Потери в  линии на верхней граничной частоте:

, 

Рассчитаем  КПД трансформатора по формуле (4.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчет предварительного каскада

Предварительный каскад должен обладать большой линейностью, чтобы обеспечить уровень комбинационных составляющих на выходе усилителя мощности. В виду этого обстоятельства выбираем режим работы транзистора сильно недонапряженный. Это приведёт к значительному снижению КПД каскада, но в целом на КПД усилителя повлияет мало, так как основная доля энергии от источника питания потребляется оконечным каскадом. Выбор класса работы транзисторов производим так же, как и для транзисторов оконечного каскада   (пункт 3.1). Выбираем класс работы транзистора АВ с углом отсечки равным 120 градусов.

Напряжение питания стоковой цепи предварительного каскада равно 30 В, но с учетом потерь в блокировочном дросселе и в проводах данное значение в расчетах уменьшают на 0,1…0,5 В.

Е_с = Е_п - 0,1= 30 - 0,3= 29,7 В.                              (5.1)

Расчет стоковой и входной цепи выполним  для транзистора одного из плеч каскада, по методике, изложенной в [5].

5.1 Расчёт стоковой  цепи

Находим амплитуду  напряжения первой гармоники U_с1 на коллекторе при работе транзистора в критическом режиме по формуле (3.2)

                                  (5.2)

где  - напряжение питания стоковой цепи, В;

- сопротивление насыщения транзистора, Ом;

- коэффициент Берга для первой гармоники;

- номинальная мощность одного транзистора, Вт.

Для обеспечения  недонапряженного режима задаемся несколько  меньшим значением амплитуды  напряжения первой гармоники:

 (5.3)

где  - амплитуда первой гармоники при критическом режиме, В.

Найдём максимальное напряжение на стоке:

 (5.4)

где  - напряжение питания стоковой цепи, В;

- максимальная амплитуда первой  гармоники в недонапряжённом режиме, В.

Теперь сравним максимальное напряжение на стоке с допустимым.

Максимальное допустимое напряжение сток – исток согласно справочным данным на транзистор:

Е_{си max доп} = 120 В.

Для обеспечения надежности принимается:

Е_{си доп} = 0,7× Е_{си max доп}=0,7× 120=84 В,

Допустимое  напряжение не превышает максимальное, можно продолжить расчет дальше.

Амплитуда первой гармоники тока стока:

 (5.5)

Постоянная  составляющая тока стока:

 (5.6)

где  , - коэффициенты разложения косинусоидального импульса для первой гармоники и постоянной составляющей,

- амплитуда первой гармоники тока стока, А.

Максимальный  ток стока:

 (5.7)

Максимально допустимый ток стока по справочным данным на транзистор:

I_{с max доп} = 6 А.

Для обеспечения надежности принимается:

I_{с доп} = 0,7 ^. I_{с max доп} = 0,7 × 6 = 4,2 А,

I_{c max} = 3,5 А < I_{с доп} = 4,2 А

Мощность, потребляемая от источника  питания:

 (5.8)

где  - напряжение питания стоковой цепи, В;

- постоянная составляющая тока стока, А.

Коэффициент полезного  действия стоковой цепи при номинальной  нагрузке:

 (5.9)

где  - номинальная мощность одного транзистора, Вт;

- мощность, потребляемая от источника  питания, Вт.

Максимальная  рассеиваемая мощность на стоке транзистора:

 (5.10)

где  - номинальная мощность одного транзистора, Вт;

- мощность, потребляемая от источника  питания, Вт.

Номинальное сопротивление  стоковой нагрузки для одного транзистора:

 (5.11)

где  - максимальная амплитуда первой гармоники, В;

- номинальная мощность одного транзистора, Вт.

5.2 Расчет входной цепи

Перед расчетом перечислим основные параметры транзистора, которые необходимы для расчета  входной цепи:

 входная  емкость транзистора С_зи = 62 пФ,

выходная емкость  или емкость сток - исток транзистора  С_си = 35 пФ,

проходная емкость  или емкость затвор - сток транзистора С_зс = 3 пФ.

Все параметры  транзисторов взяты из справочника [3]. Расчет входной цепи произведем согласно пункту 3.3.

По формуле (3.13) найдём амплитуду переменного напряжения на канале.

 (5.13)

Напряжение  смещения на затворе

 (5.14)

где  - напряжение отсечки, В;

- переменное напряжение на канале, В;

θ - угол отсечки сигнала.

Максимальное напряжение на затворе:

 (5.15)

Теперь сравним  максимальное напряжение на затворе  с допустимым.

Максимальное  допустимое напряжение затвор–исток согласно справочным данным на транзистор:

Е_{зи max доп} = 40 В.

Для обеспечения  надежности принимается:

Е_{зи доп} = 0,7× Е_{зи  max доп}=0,7× 40=28 В,

Допустимое напряжение не превышает максимальное, значит можно продолжить расчет дальше.

Определим входное  сопротивление транзистора.

Согласно пункту 3.3 входное сопротивление транзистора имеет емкостный характер. Значение входной емкости приведено в справочнике [3] и равно 62 пФ.

Основная функция  цепи коррекции АЧХ транзистора  и порядок её расчета приведены  в пункте 3.3. Цепь коррекции приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Цепь коррекции АЧХ транзистора

Произведем расчет цепи коррекции.

Определим входное  сопротивление транзистора на верхней  частоте рабочего диапазона по формуле (3.17)

Сопротивление R₂ выбирается меньше сопротивления транзистора. Так как входное сопротивление усилителя должно быть 50 Ом, то принимаем R₂ = 25 Ом для удобства согласования.

Для выравнивания АЧХ каскада  и достижения нужного коэффициента усиления введём отрицательную обратную связь. Коэффициент передачи цепи обратной связи определим из условия достижения необходимой мощности на входе оконечного каскада при заданном уровне колебания на входе усилителя. Используя формулу, приведённую в [7] определим этот коэффициент:

 (5.16)

Следовательно, обратную связь рассчитываем так, чтобы с выхода на вход передавалось 6 % от полезного сигнала. Этого добиваются, поставив в цепи обратной связи сопротивление R₁, которое вместе с входным сопротивлением плеча усилителя образует резистивный делитель с коэффициентом передачи, равным 0,06. Номинал сопротивления R₁ находится по формуле (3.20)

 (5.17)

Принимаем стандартное  значение R₁=390 Ом.

Конденсатор С₁ ставится для того, чтобы напряжение питания не попадало во входную цепь, то есть он является разделительным. Его номинал выбирается, исходя из условия, что его сопротивление на нижней частоте рабочего диапазона в десять раз меньше сопротивления нагрузки каскада.

 (5.18)

где f_н – нижняя частота диапазона,

R_тр – сопротивление нагрузки каскада.

Возьмем значение С₁=0,1 мкФ.

5.3 Расчет входного трансформатора

Входной трансформатор  необходим для противофазного возбуждения  плеч предварительного каскада и  согласования сопротивления каскада  с выходным сопротивлением возбудителя, равным 50 Ом. Так как входное сопротивление каскада равно 50 Ом, то трансформатор имеет коэффициент трансформации N = 1. Значит количество витков в первичной и вторичной обмотках одинаково.

Определим необходимую  индуктивность первичной и вторичной обмоток трансформатора по формуле (5.19)

             (5.19)

В качестве сердечника выбираем конструкцию типа "бинокль" из ферритовых колец марки 700 НМ с  размерами: внешний диаметр D = 1,6 см, внутренний диаметр d = 0,8 см, высота h = 2,5 см.

Определим минимальный объём  сердечника по формуле, приведённой  в [5].

(5.20)

где U_обм – напряжение на первичной обмотке трансформатора, В;

f_н – нижняя граничная частота рабочего диапазона, Гц;

B_{f раб max} – максимальная магнитная индукция для выбранной марки феррита, Тл;

L_обм – индуктивность обмоток трансформатора, Гн.

Для удобства изготовления количество ферритовых колец принимаем равным двум. Их суммарный объем будет:

   (5.21)

Как видно V = 7,54 см³ > V_min = 2 × 10^-3 см³. Продолжаем расчёт.

Определим количество витков в обмотках трансформатора [5].

 (5.22)

Коэффициент трансформации  может принимать только целочисленные  значения, то есть необходимо округлить полученное количество витков до целого большего числа, таким образом, количество витков первичной и вторичной обмоток принимаем равным двум.

5.4 Расчет элементов цепей питания

Для высоких  частот блокировочные конденсаторы выбираются из условия того, что на нижней частоте рабочего диапазона их сопротивление должно быть в десять раз меньше сопротивления нагрузки, а блокировочные индуктивности из условия, что их сопротивление на нижней частоте рабочего диапазона должно быть в десять раз больше сопротивления нагрузки. Рассчитаем значения блокировочных элементов.

 (5.23)

где f_н – нижняя частота диапазона, Гц;

R_наг – сопротивление нагрузки, Ом.

 (5.24)

где f_н – нижняя частота диапазона, Гц;

R_наг – сопротивление нагрузки, Ом.

Для низких частот блокировочные конденсаторы выбираются из условия, что их сопротивление  на частоте 1 кГц будет в десять раз меньше сопротивления блокировочной индуктивности.

      (5.25)

 

 

 

 

 

 

6  Расчёт межкаскадного согласующего трансформатора

Межкаскадный  согласующий трансформатор изображен  на рисунке 6.1

Рисунок 6.1 - Межкаскадный согласующий трансформатор

Найдём входное  сопротивление трансформатора

, (6.1)

где  – номинальное сопротивление стоковой нагрузки для одного транзистора.

В качестве межкаскадного  согласующего трансформатора используем трансформатор на длинных линиях.  Для простоты конструктивного исполнения коэффициент трансформации берем равным двум. 

Сопротивление нагрузки оконечного каскада: