Шахгильдян В.В. Проектирование радиопередатчиков (4-е издание, 2000), страница 4

У многих типов биполярных и полевых транзисторов внутри корпуса устанавливаются дополнительные ЕС-элементы в виде ФНЧ в цепи базы или змиттера у биполярных или в цепи затвора у полевых транзисторов, повышающие реэистивную составляющую его входного сопротивления до 0,5...1,0 Ом. Одновременно они компенсируют его реактивную составляющую до 1...2 Ом 1абычно индуктивного характера) в рабочей полосе частот, которая может составлять десятки-сотни мегагерц.

У ряда СВЧ транзисторов сС-элементы устанавливают как на входе, так и на выходе, соответственно повышая входное и нагрузочное сопротивления, например до стандартной величины 50 Ом. Использование транзисторов со встроенными внутри корпуса цепями связи на других частотах, отличных от укаэанных в паспортных данных, исключается.

Мощности современных биполярных транзисторов ограничиваются 200...500 Вт в диапазоне частот до 100 МГц, примерно ста ваттами на частотах до 1 ГГц и единицами — долями ватт по мере приближения к верхней предельной частоте порядка 10 ГГц. Изготовление транзисторов еще большей мощности не оправдано по ряду причин. Во-первых, усложняется проблема отвода тепла, Геометрические размеры корпуса остаются те же, а допустимые тепловые сопротивления корпус-кристалл, корпус-радиатор падают до единиц — долей градусов Цельсия на ватт. Попытки перейти к водяному охлаждению непосредственно корпуса самого транзистора не дали в совокупности положительного результата.

Во-вторых, мощность наращивается путем параллельного включения десятков-сотен элементарных транзисторов, так называемых многозмиттерных транзисторов, размещенных в одном корпусе. При этом Резко падает процент выхода годных приборов а значит, их цена растет 12 13 гораздо быстрее, чем мощность. В-третьих, пропорционально снижаются входные и нагрузочные сопротивления транзисторов, которые сейчас составляют десятые доли и единицы ом, что затрудняет взаимное согласование каскадов. Кроме того, все сильнее сказываются индуктивности выводов, и в первую очередь индуктивность общего вывода, несмотря на непосредственное соединение этого электрода с корпусом прибора, позволяющее уменьшить ее до десятых долей наногенри.

Частично проблема повышения мощности решается размещением на одном основании с максимальной близостью к друг другу либо вообще в одном корпусе двух одинаковых, одного типа проводимостей транзисторов, предназначенных для работы в двухтактных схемах. Такие транзисторы называют "сборками" или "балансными". П сравнению с одним обычным транзистором, во-переых, у каждого и двух, рассчитанных на половинную мощность, в 2 раза большие вход ные и нагруэочные сопротивления. Во-вторых, при последовательно их включении по входу результирующее входное сопротивление возра стает еще в 2 раза. Таким образом, при одинаковой выходной мощност входное сопротивление балансного транзистора в четыре раза выше, чем обычного.

В-третьих, максимально близкое размещение двух транзисторов упрощает задачу обеспечения короткого замыкания на частотах четных гармоник и позволяет повысить рабочую частоту двухтактных гечераторов до 1...2 ГГц, В-четвертых, в общем корпусе оба транзистора конструктивно размещаются так, что значительная часть индуктиености общего вывода оказывается общей на оба транзистора. Поскольку в двухтактной схеме при противофазной идентичной работе транзисторов через эту часть индуктивности протекает разностный ток, теоретически равный нулю, то эквивалентную индуктивность общего вывода удается снизить в несколько раз. Рассмотрим параметры и технические характеристики мощных генераторных биполярных и полевых транзисторов, выпускаемых отечественной промышленностью (1.2 — 1.5).

Биполярньге транзисторы. Биполярные генераторные транзисторы мощностью до 250...500 Вт по своей конструкции значительно отличаются от транзисторов других назначений. Во-первых, транзисторы выполняют по планарной технологии, при которой площадь коллекторного перехода в 3... 5 раэ больше площади змиттерного перехода. Избыточная площадь создает так называемую пассивную часть коллекторного перехода, которую можно рассматривать как отдельный р-и- переход (диод), включенный между базой и коллектором.

Во-вторых, для обеспечения возможности работы при больших плотностях тока из-за эффекта оттеснения тока к периферии змиттерной области на высоких частотах транзисторы выполняют па многоячеечной (многоэмиттерной) структуре в виде гребенки, сетки и др., при которой достигается наибольшее отношение периметра электродов к площади. Структура такого транзистора представляет собой параллельное соединение большого числа элементарных транзисторов, у которых коллекторы и базы соединяют непосредственно, а последовательно с змиттерами 14 включают резисторы и,'- или и,"С*-цепочки для создания отри- тельной обратной связи по постоянному току и по радиочастоте или лько по постоянному току с целью выравнивания токов элементарных транзисторов.

С одиночной многозмиттерной структуры площадью 0 03 мм обычно снимается полезная мощность не более единиц ватт. увеличение мощности до десятков ватт достигается в многоструктурных (многоэмиттерных) транзисторах. Например, 30-ваттный транзистор КТ946 содержит 16 параллельно включенных структур, расположенных в ряд, но на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы можно было эффективно отводить тепло.

Наращивание числа структур для получения большей мощности в одном приборе ведет к снижению входных и нагрузочных сопротивлений, что затрудняет согласование транзистора с внешними сСК-цепями. Поэтому в СВЧ транзисторах мощностью в десятки-сотни ватт устанавливают внутри корпуса специальные трансформирующие ЕС-цепи (так называемые внутрисогласоеанные транзисторы (КТ979, КТ975 и др.)). В-третьих, при низких нагрузочных и входных сопротивлениях сильно сказываются индуктивности выводов транзисторов. Для их снижения у транзисторов, предназначенных для работы на частотах выше 100 кГц, выводы делают в виде полосок.

Для снижения индуктивности общего вывода транзистора (по отношению к входной и выходной цепям генератора) его выполняют в виде нескольких полосок либо непосредственно соединяют с корпусом прибора. Все это позволяет снижать индуктивность выводов до единиц и десятых долей наногенри и применять такие транзисторы только при включении по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или с общей базой (ОБ) в зависимости от того, какой электрод соединен с корпусом.

В-четвертых, в мощных транзисторах стремятся снизить тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора до единиц градусов Цельсия на ватт и меньше. При этом сам кристалл помещают (приклеивают) к корпусу прибора через прокладку из оксибериллиевой керамики, обладающей малым тепловым сопротивлением и одновременно хорошими изоляционными свойствами по постоянному току и на радиочастотах. В то же время корпус транзистора обычно имеет сравнительно малые размеры.

Поэтому создается очень большое тепловое сопротивление корпус-среда. Для мощных транзисторов оно даже не указывается в паспортных данных, поскольку для его снижения транзисторы всегда необходимо устанавливать на специальные теплоотводы — радиаторы, а иногда применять еще и принудительное охлаждение радиатора (обдув потоком воздуха от злектровентилятора). Для уменьшения теплового ~опротивления, возникающего между корпусом транзистора и радиатором, транзистор конструктивно выполняют в виде болта, фланца и т.д., чтобы его можно было плотно, без зазора, крепить к радиатору. С этой целью применяют также специальные смазки. Наконец, в-пятых, мощные генераторные транзисторы выпускаются только и-р-и-проводимости.

Транзисторы с р-и-р-проводимостью оказываются существенно хуже по частотным свойствам. Это, а также 16 различные температурные зависимости основных параметров затрудняют изготовление комплементарных биполярных транзисторов для радиочастотного диапазона. Мощные биполярные транзисторы обычно работают с относительно большими токами, протекающими через р-и-переходы в открыто состоянии, и с относительно большими напряжениями, приложенным к р-п-переходам в закрытом состоянии. При этом дифференциально сопротивление р-п-переходое, определяемое параллельно включенным сопротивлениями рекомбинации гр и диффузионными емкостями Сд в открытом состоянии, относительно мало (близко к короткому замыканию), поскольку гр — э 0 и Сд — э оо, и, наоборот в закрытом состоянии относительно велико (близко к разрыву), поскольку гр — со и Са — О. Это позволяет для приближенных инженерных расчетов составлять эквивалентные схемы транзистора в виде комбинации эквивалентных линейных схем для четырех возможных состояний: отсечки, активного, насыщения и инверсного.

В частности, на низких частотах можно пользоваться линеаризованными статическими характеристиками. Нелинейные свойства транзистора проявляются главным образом при переходе из одного состояния в другое при некоторых напряжениях на эмиттерном и коллекторном переходе еэ и е», близких к напряжению отсечки Е, „составляющему 0,5...0,7 В для кремниевых и 0,2...0,3 для германиевых транзисторов.