Проектирование индуктивной трёхточки на транзисторе с индуктированным n-каналом

Очень важное значение в радиоэлектронике имеют колебательные системы, генерирующие электромагнитные колебания. Такую систему, или устройство с самовозбуждением, называют динамической системой, преобразующей энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний, причём основные характеристики колебаний (амплитуда, частота, форма колебаний, гармонический состав и т. д.) определяется, в основном, параметрами самой системы. Процесс получения сигналов требуемой формы и частоты называют генерированием электрических колебаний. С точки зрения математических моделей колебательные системы разделяют на линейные и нелинейные, автономные и неавтономные. Особый класс представляют автоколебательные системы или автогенераторы.

В радиопередатчиках систем связи автогенераторы применяют часто в качестве каскадов, создающие электромагнитные колебания несущей частоты (рис.1). Основное требование — это высокая стабильность генерируемой частоты и КПД. В СВЧ-диапазоне автогенераторы зачастую используют в качестве выходных каскадов передатчиков. Требования к таким автогенераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности — обеспечение мощных колебаний при высоком КПД, выходной мощности и стабильности частоты.

1. Выбор схемы для проектирования

Выберем за основу для проектирования LC-генератора Хартлея на МОП транзисторе с индуцированным каналом схему на рис.1

Введём нагрузочный резистор в цепь стока и уберём микрофон и антенну. Полученная схема приведена на рис. 2.

Рис. 2 Схема для проектирования генератора.

В выбранной схеме рис. 2 сопротивление R1 является времязадающим для плавности наростания напряжения параллельного колебательного контура, который состоит из конденсаторов С1 С2, варикапа VD1 и индуктивной катушки L с тремя выводами (на схеме показаны две идуктивности). Варикап также обеспечивает развязку контура по постоянному току.

2. Подбор активного элемента — МОП транзистора для генератора

МОП транзистор должен быть высокочастотным

f_max >12 МГц Максимальный ток стока транзистора определим, учитывая что транзистор в открытом состоянии имеет падение напряжения примерно 1В:

Ic = (E_n-1) / R_H т. е. Ic = 11 / 300 =37 мА (1)

Также максимальная мощность транзистора определяется из выражения:

P_max = Ic * E_n = 37 *12 =444 мВт (2)

Напряжение сток исток:

U_СИ >12B;

По этим параметрам подбираем высокочастотный МОП транзистор фирмы Philips типа BSD214. Его параметры:

f_max =15 МГц ;

Мощность Р =1,2Вт;

Пороговое напряжения U_3И=1B;

Допустимое напряжение сток-исток транзистора U_СИдоп =25В;

Допустимое напряжение сток-затвор транзистора U_СЗдоп =30В;

Допустимое напряжение затвор-исток транзистора U_ЗИдоп =30В;

Максимальный ток стока транзистора I_доп=50мА.

Данный тип транзистора работает только в режиме обогащения канала при малом пороговом напряжении и большом резонансном напряжении контура, поэтому можно считать режим его работы ключевым.

3. Расчёт спектра выходного сигнала генератора

Т.к. режим работы транзистора ключевой, малое пороговое напряжение и синусоидальное напряжение колебательного контура имеет амплитуду выше Еn>12B, то скважность следования импульсов будет равна S=2, форма выходного сигнала будут прямоугольные импульсы с периодом следования:

Т = 1 / f_P = 1/ 12 000 000 = 83нс (3)

Время следования импульса:

t_и=T / S = 83/2 = 41,5 нс (4)

Т.к. транзистор в открытом состоянии имеет падение напряжения примерно 1 В, то выходное напряжение будет как на рис. 3.

U, B

Рис. 3 Напряжение на нагрузке в установившемся режиме генератора.

Максимальное напряжение в нагрузочном резисторе U_m = E_n = 12B, а минимальное равно примерно падению напряжения на открытом транзисторе U_min = 1,0B.

Определим ширину спектра сигнала и найдём значение постоянной составляющей по формуле:

(5)

Амплитуда первой, основной, гармоники f=12МГц будет:

U_m1= (2U_m/???sin (1? / S) = (2*12/3.14) * sin (1*3.14/2) = 7,64 В (6)

Амплитуда второй гармоники f=2*12=24 МГц и других чётных равны нулю.

Амплитуда третей гармоники f=3*12=36 МГц будет:

U_m3(2U_m/3???sin (3*? / S) = (2*12/(3*3.14)) * sin (3*3.14/2) =2,55 В (7)

Амплитуда пятой гармоники f=5*12=60 МГц будет:

U_m4= (2U_m/5???sin (5*? / S) = (2*12/(5*3.14)) * sin (5*3.14/2) =1,53 В (8)

Амплитуда седьмой гармоники f=7*12=84 МГц будет:

U_m7= (2U_m/7???sin (7*? / S) = (2*12/(7*3.14)) * sin (7*3.14/2) =1,09 В (9)

Амплитуда девятой гармоники f=9*12=108 МГц будет:

U_m7= (2U_m/7???sin (7*? / S) = (2*12/(9*3.14)) * sin (9*3.14/2) =0,85 В (10)

По результатам расчётов построим диаграмму, показывающую ширину спектра выходного сигнала на нагрузочном резисторе генератора (рис.4).

Рис. 4.

4. Расчёт элементов колебательного контура

Выбираем катушку с индуктивностью L= 51мкГн c третьим выводом в1мкГн относительно общей точки схемы. Такая большая разница относительно третьей точки позволяет довести амплитуду выходного сигнала до максимума — 11,0 В.

Из формулы для определения резонансной частоты контура найдём общую ёмкость колебательного контура:

(11)

Здесь пренебрегаем шунтирующим действием малой ёмкости p-n перехода затвор — исток (2пФ).

Принимаем варикап с малой ёмкостью типа FMMV2101 производитель ZETEX его параметры:

— ёмкость С_В = 14пФ;

— максимальное обратное напряжение U_обр=45В;

— максимальный прямой ток I_пр = 200мА.

Принимаем сопротивление времязадающего резистора R1 = 1кОм. Ёмкость времязадающего конденсатора С1 определяется из условия, что постоянная времени должна быть равной времени импульса — t_и = 41,5 нс и тогда:

С1 = t_и / R1 = 41,5*10^-9 / 1000 = 41,5 пФ (12)

Принимаем ближайшее стандартное значение С1=43пФ.

Теперь определим ёмкость С2 как последовательно соединённую с С_В и С1 по формуле:

(13)

Принимаем стандартное значение С2=6,8 пФ при этом общая ёмкость контура будет

=4,1 пФ.

Для ограничения тока контура введём в него сопротивление, которое определяется из условия:

R>E_n / I_пр = 12 / 0,2 или R>60 Ом (14)

Принимаем R2 = 200Ом — это оптимальное значение, т.к. чрезмерное увеличение этого сопротивления приведёт к уменьшению скважности выходного напряжения.

5. Построение АЧХ

АЧХ усилителя повторяет АЧХ колебательного контура. Упростим колебательный контур и вместо варикапа VD1 и двух конденсаторов С1 и С2 введём один =4,1 пФ, тогда получим эквивалентную схему рис.5

Рис. 5 Эквивалентная схема колебательного контура генератора.

Изображение по Лапласу передаточной функция цепи рис. 5 равно:

H (p) = (15)

Заменим в формуле (15) р=jw и получим зависимость передаточной функции от круговой частоты:

Н (jw)= (16)

Выделим из (16) действительную часть и, учитывая что w = 2? f получим формулу для построения АЧХ:

(17)

На рис. 6 по выражению (17) построена АЧХ усилителя где амплитуда в относительных единицах от входного сигнала E_n = 12B.

Рис. 6 АЧХ генератора.

6. Рассчитаем основные параметры схемы

Максимальный потребляемый ток:

I_max = I_c + E_n / R1 = 37+ 12/1000 = 49мА (18)

Максимальная (пиковая) потребляемая генератором мощность:

Рпот = I_max E_n = 49*12 = 588мВт (19)

Наименьший КПД генератора:

(20)

Т.к. транзистор работает в ключевом режиме, генератор обладает высоким значением КПД в установившемся режиме ->99%.

Проверим работу схемы в виртуальной лаборатории с помощью программы Multisim8.0

Рис. 7. Виртуальный анализ спроектированной индуктивной трёхточки на МОП транзисторе.

Из виртуальной осциллограммы рис. 7 видно, что период импульсов Т=83нс их скважность S=2 (синяя осциллограмма). Красная осциллограмма является графиком напряжения на затворе транзистора и, следовательно, колебательного контура.

7. Описание работы схемы индуктивной трёхточки

Катушка индуктивности L параллельного колебательного контура имеет третий вывод, с которого снимается сигнал обратной связи, совпадающий по фазе со входным сигналом на затворе транзистора VT1, т. е. образуется контур положительной обратной связи. При положительной полуволне синусоидального напряжения, после достижения напряжения затвористок в один вольт (пороговое напряжение транзистора), происходит открывание транзистора и добавление синфазной электроэнергии в колебательный контур, что делает колебания незатухающими. Выходное напряжение, снимаемое с нагрузочного резистора R_H, находится в противофазе с напряжением затвор — исток транзистора (усилитель с общим истоком).

Список использованных источников

1. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

2. Малышева И. А. «Технология производства интегральных микросхем», М., Радио и связь 1991.

3. Нефёдов В. И. Основы радиоэлектроники и связи. -М.: Высш. Школа, 2009.