5_10a (1086060), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таблица 6.3 – Основные данные полевых транзисторов СВЧ

Расчет транзисторных усилителей СВЧ

Расчет усилителя начинают с выбора транзистора, имеющего коэффициент шума на 1 ... 2 дБ ниже заданного для усилителя. Затем, задаваясь ориентиро­вочно максимальным усилением на заданной частоте (8 ... 12 дБ), определяют число каскадов усилителя и вычисляют реальный коэффициент передачи каскада, а также элементы цепей согласования. Предварительно вычисляют или измеряют элементы матрицы рассеяния транзистора на рабочей частоте. Транзисторные усилители СВЧ рассчитывают с использованием ЭВМ.

Для расчета транзисторных усилителей традиционными методами используют Y-параметры транзисторов. Их можно определить, используя приво­димые в справочниках h-параметры.

5.11 Параметрические полупроводниковые усилители

Параметрические диоды

Параметрическим усилителем называют преобразователь, в котором под воздейст­вием специального генератора (накачки) с определенной частотой меняется реактивный элемент – емкость или индуктивность. В параметрических полупроводниковых усилителях (ППУ) в качестве пере­менной емкости обычно используется нелинейная емкость обратно смещенного р-п перехода полупроводникового диода. В этих диодах между полупро­водниками р- и п- типа создается слой, имеющий свойства диэлектрика, а ширина этого слоя определяется величиной обратного смещения. Поэтому емкость запертого р-п перехода зависит от приложенного к нему напряжения – изменяется с частотой накачки – рис. 6.6. Зависимость нелинейной емкости р-п перехода от приложенного напря­жения определяется формулой

С_д(u) = С_д(0)/[1+ φ_К]^п, (6.1)

где С_д(0) – емкость диода при нулевом смещении; φ_К – контактная раз­ность потенциалов, п = 2 для сварных диодов (со ступенчатым резким пере­ходом), п = 3 для диффузионных диодов (с плавным переходом). Для герма­ния φ_К  0,2 ... 0,3 В, для арсенида галлия φ_К  l ... l,2 В.

Напряжение на р-п переходе и равно сумме напряжений начального смещения, сигнала и накачки – рис. 6.6. Под воздействием напряжения накачки емкость перехода становится переменной, но несинусоидальной, поскольку вольтфарадная характеристика С_д(и) нелинейная. Зависимость С_д(и) можно разложить в ряд Фурье. Часто пользуются не емкостью С_д, а ее обратной величиной S_д = 1/С_д, назы­ваемой жесткостью или элластансом диода.

В режиме накачки синусоидальным током (при этом напряжение накач­ки должно быть несинусоидальным) жесткость меняется по определенному закону, который зависит от по­стоянной составляющей емкости, постоянной составляющей жесткости, коэффициента модуляции жесткости [5].

В эквивалентной схеме параметрического диода на рис. 6.7 учитываются: нели­нейная емкость С_п, сопротивление растекания (потерь) R_s, индуктивности вводов — L_вв и емкость корпуса С_к. В реальных диодах

R_s = 1 ... 5 Ом, L_вв = 0,2 … 2 нГ, С_п = 0,1 ... 0,4 пФ.

Шумовые характеристики и максимальная рабочая частота диода опре­деляются параметром  (U_y)  С_п(U_y) R_s – постоянная времени.

В современных диодах  < 10^–12 с. В табл. 6.5 приведены параметры некоторых диодов из германия и арсенида галлия.

Важный параметр диода – критическая частота. На критической час­тоте сигнала отрицательное сопротивление, вносимое дио­дом в контур, равно R_s, и поэтому одноконтурный усилитель еще может уси­ливать сигнал

f „р = mSy/AnRs " /п/4я/?,С„ (U,). (6.3)

Если вместо R_S подставить R_П – эквивалентное сопротивление потерь диода с учетом потерь в элементах конструкции ППУ (потерь в проводниках и контактах, потерь на излуче­ние), то получим значение f^y. Для получения большого устойчивого усиления и хороших характерис­тик желательно работать на час­тотах сигнала в несколько раз меньше критической, часто­та сигнала должна быть < (0,2 ... 0,5) f_кр.

Рис. 6.6 – Вольтфарадиая характеристика

параметрического диода с резким перехо­дом

На рис.6.6 показано изменение емкости С_П(t) под влия­нием напряжения накачки.

Критическая частота параметрических диодов 25...200 ГГц. Важнейший параметр параметрического диода – динами­ческая добротность, равная отношению критической частоты диода в рабочем режиме накачки с учетом потерь в конструкции усилителя к сигнальной частоте,

Q_д = f_кр / f_c. (6.4)

В сантиметровом диапазоне Q_д  2...20, в миллиметровом диапазоне Q_д  0,5 ... 3.

Рабочие режимы параметрических диодов в ППУ

Режим работы диода по постоянному смещению и уровню накачки необ­ходимо выбрать так, чтобы обеспечить максимальные значения ст и f_кр. Такой режим имеет место при полном использовании левой части (а иногда правой, при положительных значениях напряжения) вольтфарадной характеристики диода, т. е. когда максимальное значение напряжения на диоде U_max прибли­жается к максимальному допустимому U_доп а минимальное напряжение близко к нулю.

Необходимую мощность накачки в режи­ме гармонического тока вычисляют с учетом частоты накачки и мощности, рассеиваемой на сопротивлении Rs. Мощность накачки, определяемую по формулам, приведенным в справочнике [5, (6.12)], необходимо увеличить примерно в 1,5 раза при частоте f < 10 ГГц, в 2 раза при f = 10 ... 50 ГГц и в 2,5 раза при f > 50 ГГц.

В реальном параметрическом полупроводниковом усилителе имеются дополнительные потери в проводниках и контактах, а также утечка мощности накачки в тракт источника сигнала.

5.6 ПараметрическиЕ усилителИ

В емкостном преобразователе частоты (п.4.7) применяется варикап – элемент с большой нелинейной емкостью – рис. 5.24, б).

Обратным напряжени­ем смещения Е диод закрыт. В этом случае, пренебрегая активными проводимостями, из (5.38) получаем параметры преобразования:

Y₁₁ = j_CC₀; Y₁₂ = j_ПРC_ПР; Y₁₂ = j_CC_ПР; Y₂₂ = j_ПРC_0. (5.60)

Согласно (5.46) с учетом (5.60) входная проводимость ПЭ в точках 1—1 (см. рис.5.28) для неинвертирующего ПЧ

Y_ВХ = j_CC₀ + _C_ПР  (Y_НЭ + j_ПРC₀). (5.61)

При настройке цепи нагрузки в резонанс на частоту f_ПР= _ПР 2 реактивность выходного контура вместе с реактивностью диода равна нулю, тогда (5.61) имеет вид

Y_ВХ = j_CC₀ + _C_ПР  G_НЭ, (5.62)

где G_НЭ = G_к2 + G_Н – эквивалентная резонансная проводимость выходного кон­тура с нагрузкой.

Для инвертирующего ПЧ входная проводимость ПЭ из (5.47) с учетом (5.60) при резонансе в выходной цепи определяется выражением

Y_ВХ = j_CC₀ – _C_ПР  G_НЭ. (5.63)

Отсюда видно что инвертирующий ПЧ имеет отрицательную активную составляющую входной проводимости

G_НЭ = – _C_ПР  G_НЭ. (5.64)

Это происходит вследствие прямого и обратного инвертирующего преобразова­ний, в результате во входной контур поступают колебания с частотой сигнала в фазе с принятым колебанием, что приводит к регенеративному усилению коле­баний на частоте принимаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с вход­ного контура (точки 1—1 на рис. 5.28). Колебания выходного контура в этом случае непосредственно не используются, поэтому он называется холостым. Та­кой преобразователь называется двухконтурным регенеративным усилителем.

Упрощенная эквива­лентная схема регенеративного усилителя – на рис. 5.30. Источник сиг­нала и нагрузка с трансформированными параметрами подключены к резонатору L_РC_Р с эквивалентной проводимостью G_Р.

Действие источника энергии, обеспечи­вающего усиление, показано в виде отрицательной проводимости –G_ВН, вно­симой в контур, и емкости C_ВН. Отрицательная вносимая проводимость опреде­ляется входной проводимостью (5.64). На резонансной частоте реактивная проводимость контура равна нулю. Найдем коэффициент усиления по мощности как отношение мощности в на­грузке к номинальной мощности источника сигнала:

К_Р0 =Р_ВЫХ/Р_Гном. (5.65)

Характеристики

Список файлов лекций