Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989), страница 9

)иб(юах ( )иб доп) = 4В. Напряжение на базе реального транзнстора )иб1 с 1иб), поэтому проверяемое условие выполняется с большим запасом. Напомним основные допущения, в рамках которых справедлив проведенный расчет: !) транзнстор с корректнрующей цепью возбуждается гармоническим входным напряженнем; 2) применена кусочно-линейная аппроксимация переходной н выходных ВАХ транзистора. В 1.12. Анализ режимов работы мощных биполярных транзисторов Действительная часть входного сопротивления мощных биполярных транзисторов (Р„„, ~ О,З ...0,5 Вт) в усилителе мощности весьма мала, что затрудняет создание высокодобротной входной согласующей цепи, фильтрующей напряжение.

Это означает, что не выполняется одно из допущений, лежащих в основе расчета режима работы транзисторов малой мощности. Следует, однако, отметить, что энергетически выгодные формы колебаний г„(1) и и„(1) (см. рис. 1.5) можно получить, возбуждая транзистор гармоническим током. Для этого транзистор нужно включить во входной колебательный контур последовательно.

Малое входное сопротивление транзистора не снижает добротности согласующей цепи, фильтрующей ток. Итак, считаем, что ток базы транзистора 1б (1) имеет гармоническую форму. Для анализа возможных режимов работы мощного транзистора нужно найти связь тока гв с коллекторным током 1„и напряжением на эмиттерном переходе и, .

В соответствии с (1.36) г'„= адно/т„т.е. г'„(1) можно рассчитать, если известна зависимость диффузионного заряда д „ф (заряда на емкости С„„ф) от гб или от времени. Для расчета напряжения и„(1) нужно знать вольткулонные характеристики диффузионной емкости Сд„ф и барьерной емкости С„ а также времени))ю зависимость зарядов на этих емкостях, Таким образом, возникают задачи нахождения вольт-кулонной характеристики суммарной емкости эмиттерного р-и-перехода С,к —— Сд ф + Сэ и зависимости заряда на ней от времени. Коррекция частотных характеристик мощного биполярного транзистора. Если транзистор возбуждается гармоническим током, то отпадает необходимость применения корректирующих цепей, описанных в 2 1.10 и предназначенных для выравнивания частотной характеристики коэффициента передачи напряжения.

Рассчи. таЕМ МаЛОСИГиаЛЬНЫй КОЭффИЦИЕНт ПЕРЕДаЧИ тОКа КГ = /сщ//б, От входа транзистора к емкости С,х (/с„ — амплитуда первой гармоники тока емкости С,х, /б, — тока базы). В соответствии с рис. 1.19 (для простоты анализа здесь не учтены емкости С„а и С„,) при открытом эмиттерном переходе Кг = /<о~а/(1+Рота), (1.54) где та = /срС „е, при закрытом переходе Кг —— 1. Поскольку абсолютное значение Кг различно в открытом и закрытом состояниях эмиттерного перехода, можно допустить аналогично тому, как это было сделано в з 1.10, что переходные процессы при открывании и закрывании р-л-перехода приведут к искажению импульсов коллекторного тока.

Действительно, моделирование на ЭВМ показывает, что в мощных транзисторах импульсы /„(/) имеют несимметричную форму. /а х -! а> Я 3 а/ ф Рнс, К23. Эквнвалентные схемы мощного бнполнрного транзнстора на повышенных частотах прн открытом (а) н закрытом (б) змнттерном ра-переходе Для восстановления симметричной косинусоидальной формы импульсов 1„(/) естественно попытаться выравнять значения Кс прн открытом и закрытом эмиттерном переходе.

Проще всего это сделать, если подключить параллельно входу транзистора корректирующий резистор /са (рис. 1.22, г). На рис. 1.23 изображены упрощенные эквивалентные схемы мощного биполярного транзистора. Здесь для простоты не учтены емкости С„и С„, сопротивления га, га и Гн, нндуктивности 5 о, / а, /.». Если сопротивление /са достаточно велико и практически не шунт тирует транзистор прн открывании эмиттерного перехода, то Кю по-прежнему определяется формулой (1.54). Когда переход закрыт Кг = /гол, С,/(1 + /го/с, С,). (1.55) При условии /с,С,=тр (1.56) выполняется равенство Ко* = Кг~, и можно ожидать, что искажение импульсов 1„(/) будет ослаблено.

Моделирование на ЭВМ подтверждает, что подключение к мощному транзистору резистора /с„ рассчитанного по (1.56), восстанавливает симметричную косинусоидальную форму импульсов коллекторного тока, что расширяет полосу частот усилителя. 44 Зависимость заряда иа суммарной емкости змиттерного р-и- перехода от времени. Заряд на емкости С,к (назовем его управляющим) может быть рассчитан следующим образом: дт = ) (с,с((, где 1с, — мгновенный ток, протекающий через С,к. Как было показано, при использовании корректирующего резистора )с, коэффициент передачи тока от входа транзистора к емкости С,к одинаков в закрытом и открытом состояниях змиттерного перехода.

Таким образом, ток (с, пропорционален току гс. Учитывая принятое ранее допущение о гармонической форме 1с, приходим к выводу, что (се, а следовательно, и дт также меняются во времени по гармоническому закону. . а1 ф Рнс П24. Вольт-кулоннан характеристика сум- марной емкостн амнттерного р-м-перехода Более того, если предположение о гармонической форме тока (с справедливо лишь приближенно и в составе его спектра есть высшие гармоники, то в спектре д они ослаблены.

Действительно, пусть (с, = Х 1„соз лгог. В результате интегрирования получим н ! дт = Ят~ + ~ Я „яп лоМ, где Я „= 7„/лго, т. е. л 1 йтн Е„н Итак, при шунтировании входа мощного транзистора резисто. ром гса, рассчитываемым по (1.56), заряд на суммарной емкости змиттерного перехода изменяется во времени по гармоническому закону (1.57) Вольт-купонная характеристика емкости С,а. При открьпом эмиттерном переходе существует диффузионная емкость Сана, вольт-кулонная характеристика которой определяется выражением (1.34). При закрывании перехода диффузионная емкость исчезает и появляется барьерная емкость С„которую приближенно считаем линейной. На рис. 1.24, а представлены вольт-кулонные характеристики емкостей Ск„э, С,.

Аппроксимированная характеристика суммарной емкости С,х показана на рис. 1.24, б (изображение ее повернуто, так как входным воздействием считаем заряд). Как видим, при аппроксимации сдела. ны следующие допущения: не учитывается нелинейность барьерной емкости; напряжение открытого эмиттерного перехода считается постоянным и равным и„„а емкость Сп„э бесконечной. Аналитическая запись аппроксимированной е ВКХ: и „, д )д,~, (открытый переход), псн д /С„ду(д„с (закрытый переход), (1 56) Связь коллекторного тока с управляюшим зарядом. В соответствии с (1.36) коллекторный ток („в открытом состоянии эмиттерного перехода определяется диффузионным зарядом д „э. Если же переход закрыт, то 1„= О. Управляющий заряд на суммарной емкости эмиттернога перехода ду равен сумме зарядов диффузионной и барьерной емкостей, отсюда д „э — — ду — д„ где д, = и„Сс — мгновенный заряд барьерной емкости.

открытом эмиттерном переходе исн = ист„то из .40) и (1.58) следует, что р рата $ Рнс. !.25. Переход ная характернстн ка мощного бн полярного транан стора Так как при (1.36) с учетом (1 гог (Чу Чстс)» Чу ' Чстс~ гк О Чу ~ Чстс Зависимость (к (ду) (рис. 1.25) имеет такой же вид, как и переходная характеристика безынерционного активного элемента в недо- напряженном и граничном режимах (см. рис.

1.3, б). Отличие состоит лишь в том, что входным воздействием на транзистор является управляющий заряд, а не управляющее напряжение, крутизна характеристики равна гоо а не 5, и вместо напряжения отсечки и„, имеем заряд отсечки д„,. Зависимость коллекторного тока и напряжения на эмиттерном переходе от времени. Используя характеристики мощного транзистора (см. рис. 1.24, б и 1.25), построим временнйе зависимости колебаний тока 1„(го1) и напряжения и„(Ы) при гармоническом управляющем заряде (рис. 1.26). Как видим, коллекторный ток мощного транзистора с коррекцией на повышенных частотах имеет форму косинусоидальных импульсов, что позволяет применить для расчета режима транзистора метод угла отсечки. Так, по аналогии с (1.26) и (1.27) запишем выражения для амплитуды первой гармоники и постоянной составляющей коллекторного тока: („, = у, (О), 1)„„ (1.59) У„, = у, (О) ог, Ят, (1.

60) Как видно из рис. 1.26, напряжение на эмиттерном переходе и„(1) — периодическая негармоническая функция времени. Разложив ее в ряд Фурье, найдем соотношения для расчета амплитуды первой гармоники У„, и постоянной составляющей У„е. Легко заметить, что пап (1) имеет вид косинусоидальных импульсов отри- ! р !д ~гн! 1 1 ! ! ! ! ! 1и ! 1 Рнс. !.26. Форма колебанна коллекторного тока н напряженна на змнттерном переходе прн гармониче- ском управлявшем заряде цательной полярности длительностью 2 (л — О), сдвинутых вверх по оси ординат на величину и„е. Эти импульсы получены при воздействии гармонического управляющего заряда амплитудой Я х на нелинейный элемент, имеющий входнУю хаРактеРистикУ иа (!77), крутизна наклонной части которой ди„/г(!) = 1/Се.

Поэтому У„, = у, (и — О) Ятх/С„(1.61) (!.62) й 1.13. Входное сопротивление мощного биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ Важным этапом проектирования усилителей мощности является расчет входного сопротивления (или проводимости) транзистора. 47 6„= (1.64) й,т,( — Е) ' В„= (1.65) ьй Полученные соотношения показывают, что при расчете входной согласующей цепи мощный биполярный транзистор может быть в первом приближении заменен цепочкой параллельно соединенных сопротивления /с,у, (и — О) и емкости С„= С,/у, (и — О). Наличие проводимости б,„свидетельствует о потреблении входной мощности Р;„= (/' ~6„/2. Подставив в это выражение (1.61) и (1.64), получим ! т (и 0) 2 й,СВ (1.66) откуда видно, что эта мощность рассеивается в корректирующем резисторе /с, в те промежутки времени, когда эмиттерный переход закрыт.

(Потери мощности в сопротивлениях Яв и /7, при открывании эмиттерного перехода оказываются существенно меньше из-за Приближенное выражение для входной проводимости транзистора. Согласно определению (1.32) входная проводимость транзистора У„= /ш/(/ш. Рассчитаем 1;„пренебрегая для простоты элементами эквивалентной схемы транзистора: Скм Скп~ /-ш /э~ Ь„, гю г, и г„. Как видно из рис. 1.23, (/ш == (/,ш, где (/эш — комплексная амплитуда напряжения на эмнттерном р-л-переходе. Это справедливо, поскольку не учитывалось сопротивление гш что допустимо при изучении режимов мощных транзисторов, возбуждаемых гармоническим током. В случае маломощных транзисторов, возбуждаемых гармоническим напряжением, учет гз прииципиаль.