UR5FFR

Радиолюбительские конструкции и программы
It is currently 28 May 2018, 11:32

All times are UTC + 2 hours




Post new topic Reply to topic  [ 3 posts ] 
Author Message
PostPosted: 18 Jul 2016, 21:12 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 368
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
При расчете усилителей высокой частоты необходимо учитывать некоторые нюансы работы транзистора. Основные параметры для расчета можно взять из даташита на транзистор.

hfe, h21e, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером - параметр который характеризует усилительные свойства транзистора. Обычно в даташите его приводят для сравнительно низкой частоты - например 1 kHz. hfe зависит от частоты и с ее повышением падает. Для расчета этой зависимости нам потребуется другой параметр - Ft

Gain Bandwidth Product, Ft, или "граничная частота коэффициента передачи тока" - это такая частота на которой модуль коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером экстраполируется к единице. Надо понимать что эту частоту не измеряют непосредственно а расчитывают следующим образом - замеряют в схеме с ОЭ коэф.передачи по току и увеличивая частоту находят такое ее значение, когда коэф.передачи уменьшится на 3dB или станет равным примерно 0,7 от значения коэф.передачи по постоянному току. Эта частота называется предельной частотой транзистора или Beta cut-off frequency, Fb. Значение граничной частоты Ft получают умножением предельной частоту на коэф.передачи по току.

Ft = Fb * hfe

Эта формула отображает тот факт что при увеличении частоты свыше Fb коэф.передачи по току пропорционально падает.

hfe для заданной частоты f можно достаточно просто вычислить по следующей формуле

hfe(f) = Ft / f, если f > Fb
hfe(f) = 0.7 hfe, если f ~= Fb
hfe(f) = hfe, если f < Fb

На практике это выглядит следующим образом. Возьмем к примеру распространенный транзистор 2N2222, hfe=150, Ft=250MHz. На частоте 10MHz он будет иметь hfe=250/10=25, т.е. в 6 раз меньше чем на низких частотах.

Литература
1. AN139A - Understanding Transistor Response Parameters by Roy Hejhall, Motorolla
2. Paul Harden, NA5N. UNDERSTANDING TRANSISTOR DATA SHEETS & SPECIFICATIONS


Top
 Profile  
 
PostPosted: 18 Jul 2016, 21:51 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 368
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Падение hfe приводит к уменьшению входного сопротивления транзистора с ростом частоты. Входное сопротивление перехода база-эмитер можно описать как

Rbe = hfe * re, где re = 25/Ik, где Ik - ток коллектора mA

Для Ik=5mA на частоте 10MHz входное сопротивление 2N2222 составит всего Rbe = hfe(10MHz)*25/5=25*25/5=125 Ом, вместо ожидаемых 150*25*5=750 Ом. Как видим разница довольно существенна.

Еще одну ложку дегтя нам добавит входная емкость перехода база-эмитер. Для 2N2222 она составляет Cibo=30pF. На частоте 10MHz реактанс этой емкости составит 530 Ом. Подключена она параллельно, соответственно итоговое входное сопротивление составит

Rbe' = X(Cibo) || Rbe = 530 || 125 = 101 Ом

Attachment:
Transistor at HF 01.GIF
Transistor at HF 01.GIF [ 7.55 KiB | Viewed 8119 times ]


Уменьшить влияние входной емкости транзистора можно использую отрицательную обратную связь. Рассмотрим простейшую реализацию ООС путем включения резистора Re в цепи эмитера рис.1. Добавим в схему паразитную входную емкость Cibo и сопротивление эмитерного перехода re. Эти элементы можно привести ко входу транзистора. При этом

Rbe = hfe * (Re+re), где re = 25/Ik, где Ik - ток коллектора mA
Ci = Cibo / (1+Re/re)

Выбирая нужным образом Re можно значительно уменьшить влияние входной емкости транзистора. Например для рассмотренного выше примера, выбирая Re=20 Ом при токе коллектора 5mA мы получим

Rbe = hfe(10MHz)*(20+25/5)=25*(20+5)=625 Ом
X(Ci) = X(Cibo) * (1+Re/re) = 530 * (1+20/5) = 530*5 = 2650 Ом
Rbe' = X(Cibo) || Rbe = 625 || 2650 = 505 Ом

Как видим входное сопротивление в 5 раз выше чем в случае без ООС


Top
 Profile  
 
PostPosted: 20 Jul 2016, 20:39 
Offline
Site Admin

Joined: 21 Apr 2012, 21:00
Posts: 368
Location: Odessa
Позывной: UR5FFR
Еще один важный параметр который необходимо учитывать при проектировании усилителя - проходная емкость. По сути это емкость перехода коллектор-база. Для транзистора типа 2N2222 она составляет порядка 8pF. Казалось бы это очень мало, но из-за эффекта Миллера эта емкость увеличивается пропорционально росту усиления.
Рассмотрим схему рис.4 где проходная емкость обозначена как Cf

Attachment:
Transistor at HF 02.GIF
Transistor at HF 02.GIF [ 5.19 KiB | Viewed 8117 times ]


Согласно формуле Миллера емкость между коллектором и базой можно заменить на две емкости, одна из которых шунтирует выход усилителя Cf, а другая - его вход Cfi. При этом

Cfi = Cf * (1+Av)

Где Av - модуль коэфф.усиления усилителя по напряжению. Для данной схемы с ООС

Av = RL / (Re+re) = RL/(Re+25/Ik)

Во всех выкладках выше RL - это итоговое сопротивление нагрузки в цепи коллектора, которое состоит из собственно самого сопротивления в цепи коллектора и сопротивления нагрузки, включенных параллельно.

Если мы проектируем усилитель с коэфф.усиления Av = 10, то приведенная ко входу проходная емкость для 2N2222 составит 88pF. Таким образом, входной импеданс усилителя составит

X(Cfi) = 180 Ом
Rin = X(Cfi) || X(Cibo) || Rbe = 180 || 625 || 2650 = 132 Ом

RL для Av=10 находится из соотношения

Av = RL / (Re+re) = RL/(Re+25/Ik)
RL = Av * (Re+25/Ik)

и будет равно

RL = 10*(20+25/5) = 250 Ом

Сопротивление нагрузки в цепи коллектора выбираем равное удвоенному RL, т.е. 500 Ом. Выходное сопртивление усилителя получилось равным 500 Ом. Используя на выходе ШПТЛ 1:4R его можно уровнять со входным
Итоговая схема усилителя показана на рис.6

Attachment:
Transistor at HF 03.GIF
Transistor at HF 03.GIF [ 5.07 KiB | Viewed 8117 times ]


Данный усилитель не является примером удачного проектирования, т.к. его входное сопротивление существенно зависит от частоты.

Литература
1. Chapter 9: Single Transistor Amplifier Stages. Analog Device WiKi


Top
 Profile  
 
Display posts from previous:  Sort by  
Post new topic Reply to topic  [ 3 posts ] 

All times are UTC + 2 hours


Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest


You cannot post new topics in this forum
You cannot reply to topics in this forum
You cannot edit your posts in this forum
You cannot delete your posts in this forum
You cannot post attachments in this forum

Search for:
Jump to:  
Powered by phpBB® Forum Software © phpBB Group