Расчет корректирующих цепей широкополосных усилительных каскадов на полевых транзисторах - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
РАСЧЕТ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ ШИРОКОПОЛОСНЫХ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ НА
ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Цель работы – получение законченных аналитических выражений для
расчета коэффициента усиления, полосы пропускания и значений элементов
корректирующих цепей наиболее известных и эффективных схемных решений
построения усилительных каскадов на полевых транзисторах (ПТ).
Основные результаты работы – вывод и представление в удобном для
проектирования виде расчетных соотношений для усилительных каскадов с
простой индуктивной и истоковой коррекциями, с четырехполюсными
диссипативными межкаскадными корректирующими цепями второго и
четвертого порядков, для входной и выходной корректирующих цепей. Для
усилительного каскада с межкаскадной корректирующей цепью четвертого
порядка приведена методика расчета, позволяющая реализовать заданный
наклон его амплитудно-частотной характеристики с заданной точностью.
Для всех схемных решений построения усилительных каскадов на ПТ
приведены примеры расчета.
1 ВВЕДЕНИЕ
Расчет элементов высокочастотной коррекции является неотъемлемой частью
процесса проектирования усилительных устройств. В известной литературе
материал, посвященный этой проблеме, не всегда представлен в удобном для
проектирования виде. В этой связи в статье собраны наиболее известные и
эффективные схемные решения построения широкополосных усилительных
устройств на ПТ, а соотношения для расчета коэффициента усиления, полосы
пропускания и значений элементов корректирующих цепей даны без выводов.
Ссылки на литературу позволяют найти, при необходимости, доказательства
справедливости приведенных соотношений.
Особо следует отметить, что в справочной литературе по отечественным ПТ
[1, 2] не приводятся значения элементов эквивалентной схемы замещения ПТ.
Поэтому при расчетах следует пользоваться параметрами зарубежных аналогов
[2, 3] либо осуществлять проектирование на зарубежной элементной базе [3].
2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ
В соответствии с [4, 5, 6], предлагаемые ниже соотношения для расчета
усилительных каскадов на ПТ основаны на использовании эквивалентной схемы
замещения транзистора, приведенной на рисунке 2.1,а, и полученной на её
основе однонаправленной модели, приведенной на рисунке 2.1,б.
|[pic] |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 2.1
Здесь СЗИ – емкость затвор-исход, СЗС – емкость затвор-сток, ССИ – емкость
сток-исток, RВЫХ – сопротивление сток-исток, S – крутизна ПТ, СВХ =.CЗИ
+СЗС(1+SRЭ), RЭ=RВЫХRН/(RВЫХ+RН), RН – сопротивление нагрузки каскада на
ПТ, CВЫХ=ССИ+СЗС.
3 РАСЧЕТ НЕКОРРЕКТИРОВАННОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ИСТОКОМ
3.1 ОКОНЕЧНЫЙ КАСКАД
Принципиальная схема некорректированного усилительного каскада
приведена на рисунке 3.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на
рисунке 3.1,б.
|[pic] | |
| | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 3.1
В соответствии с [6], коэффициент усиления каскада в области верхних
частот можно описать выражением:
[pic], (3.1)
где [pic]; (3.2)
[pic]; (3.3)
[pic]; (3.4)
[pic]; (3.5)
[pic]; [pic] - текущая круговая частота.
При заданном уровне частотных искажений
[pic] (3.6)
верхняя частота fВ полосы пропускания каскада равна:
[pic], (3.7)
где [pic].
Входное сопротивление каскада на ПТ, без учета цепей смещения,
определяется входной емкостью:
[pic]. (3.8)
Пример 3.1. Рассчитать fB, RC, CВХ каскада, приведенного на рисунке
3.1, при использовании транзистора КП907Б (СЗИ=20 пФ; СЗС=5 пФ; ССИ=12 пФ;
RВЫХ=150 Ом; S=200 мА/В [7]) и условий: RН=50 Ом; YB=0,9; K0=4.
Решение. По известным K0 и S из (3.2) найдем: RЭ=20 Ом. Зная RВЫХ, RН и
RЭ, из (3.3) определим: RС = 43 Ом. По (3.4) и (3.5) рассчитаем: С0=17 пФ;
[pic]=[pic]. Подставляя известные [pic] и YВ в (3.7), получим: fB=227 МГц.
По формуле (3.8) найдем: СВХ=45 пФ.
3.2 ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КАСКАД
Принципиальная схема каскада приведена на рисунке 3.2,а, эквивалентная
схема по переменному току - на рисунке 3.2,б.
|[pic] | |
| | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 3.2
Коэффициент усиления каскада в области верхних частот описывается
выражением (3.1), в котором значения RЭ и С0 рассчитываются по формулам:
[pic]; (3.9)
[pic], (3.10)
где СВХ – входная емкость нагружающего каскада.
Значения fB и СВХ каскада рассчитываются по соотношениям (3.7) и (3.8).
Пример 3.2. Рассчитать fB, RC, CВХ каскада, приведенного на рисунке
3.2, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора в примере
3.1) и условий: YB=0.9; K0=4; входная емкость нагружающего каскада - из
примера 3.1.
Решение. По известным K0 и S из (3.2) найдем: RЭ=20 Ом. Зная RЭ и RВЫХ,
из (3.9) определим: RC=23 Ом. По (3.10) и (3.4) рассчитаем С0=62 пФ;
[pic]=[pic]. Подставляя известные [pic] и YB в (3.7), получим: fB=62 МГц.
По формуле (3.8) найдем: СВХ=45 пФ.
3.3 РАСЧЕТ ИСКАЖЕНИЙ, ВНОСИМЫХ ВХОДНОЙ ЦЕПЬЮ
Принципиальная схема входной цепи каскада приведена на рисунке 3.3,а,
эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 3.3,б.
|[pic] | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 3.3
Коэффициент передачи входной цепи в области верхних частот описывается
выражением [6]:
[pic],
где [pic]; (3.11)
[pic]; (3.12)
[pic];
СВХ – входная емкость каскада на ПТ.
Значение fB входной цепи рассчитывается по формуле (3.7).
Пример 3.3. Рассчитать K0 и fB входной цепи, приведенной на рисунке
3.3, при условиях : RГ=50 Ом; RЗ=1 МОм; YB=0,9; CВХ – из примера 3.1.
Решение. По (3.11) найдем: K0=1, по (3.12) определим: [pic]=[pic].
Подставляя [pic] и YB в (3.7), получим: fB=34,3 МГц.
4 РАСЧЕТ КАСКАДА С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ИНДУКТИВНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ
Принципиальная схема каскада с высокочастотной индуктивной коррекцией
приведена на рисунке 4.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на
рисунке 4.1,б.
| | |
|[pic] | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 4.1
Коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать
выражением [6]:
[pic],
где K0=SRЭ; (4.1)
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic];
[pic].
Значение [pic], соответствующее оптимальной по Брауде амплитудно-
частотной характеристике (АЧХ) [6], рассчитывается по формуле:
[pic]. (4.2)
При заданном значении YB верхняя частота полосы пропускания каскада
равна:
[pic]. (4.3)
Входная емкость каскада определяется соотношением (3.8).
При работе каскада в качестве предоконечного все перечисленные выше
соотношения справедливы. Однако RЭ, R0 и С0 принимаются равными:
[pic], (4.4)
где СВХ – входная емкость оконечного каскада.
Пример 4.1. Рассчитать fB, LC, RC, CВХ каскада, приведенного на рисунке
4.1, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора - в примере
3.1) и условий: YB=0,9; K0=4; каскад работает в качестве предоконечного;
входная емкость нагружающего каскада - из примера 3.1.
Решение. По известным K0 и S из (4.1) найдем: RЭ=20 Ом. Далее по (4.4)
получим: RC=23 Ом; R0= 150 Ом; C0=62 пФ; [pic]=[pic]. Подставляя C0, RC, R0
в (4.2), определим: LCопт=16,3 нГн. Теперь по формуле (4.3) рассчитаем:
fB=126 МГц. Из (3.8) найдем: CВХ=45 пФ.
5 РАСЧЕТ КАСКАДА С ИСТОКОВОЙ КОРРЕКЦИЕЙ
Принципиальная схема каскада с истоковой коррекцией приведена на
рисунке 5.1,а, эквивалентная схема по переменному току - на рисунке 5.1,б.
|[pic] | |
| | |
| | |
| | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
Рисунок 5.1
Коэффициент усиления каскада в области верхних частот можно описать
выражением [6]:
[pic],
где K0=SRЭ/F; (5.1)
[pic]; (5.2)
[pic];
[pic];
[pic];
[pic].
Значение С1опт, соответствующее оптимальной по Брауде АЧХ,
рассчитывается по формуле:
[pic]. (5.3)
При заданном значении YB верхняя частота полосы пропускания каскада
равна:
[pic]. (5.4)
Входная емкость каскада определяется соотношением:
[pic]. (5.5)
При работе каскада в качестве предоконечного все перечисленные выше
соотношения справедливы. Однако RЭ и С0 принимаются равными:
[pic], (5.6)
где СВХ – входная емкость оконечного каскада.
Пример 5.1. Рассчитать fB, R1, С1, СВХ каскада, приведенного на рисунке
5.1, при использовании транзистора КП907Б (данные транзистора - в примере
3.1) и условий: YB=0,9; K0=4; каскад работает в качестве предоконечного;
входная емкость нагрузочного каскада - из примера 3.1.
Решение. По известным K0, S, RЭ из (5.1), (5.2) найдем: F=7,5 ;
R1=32,5 Ом. Далее получим: С0=62 пФ; [pic]=[pic]. Из (5.3) определим
С1опт=288 пФ. Теперь по формуле (5.4) рассчитаем: fB=64,3 МГц. Из (5.5)
найдем: СВХ=23,3 пФ.
6 РАСЧЕТ ВХОДНОЙ КОРРЕКТИРУЮЩЕЙ ЦЕПИ
Из приведенных выше примеров расчета видно, что наибольшие искажения
АЧХ обусловлены входной цепью. Для расширения полосы пропускания входных
цепей усилителей на ПТ в [8] предложено использовать схему, приведенную на
рисунке 6.1.
|[pic] | |
| | |
| |[pic] |
|а) |б) |
|
