Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Итак, с учетом (1.84) эь4„при д„> О, 1» —— 0 при д„СО. Полученные соотношения определяют переходную характеристику мощного ПТШ /» (д, ). Ее вид такой же, как и для биполярных транзисторов (рис. 1.25). Зная временную форму управляющего заряда и зависимость /, (д„), можно построить зависимость /, (/), как это сделано на рнс. 1.26. Отметим, что для ПТШ справедливы соотношения 1) — 9) и !2) для биполярного транзистора, приведенные в $ !.!4.
Осталось найти связь управляющего заряда с входным напряжением и рассчитать входное сопротивление ПТШ. Если пренебречь зависимосгью емкости С„от амплитуды первой гармоники напряжения (/ьо то (/„, = Я~,/С„(Е,»), где С„(Е,„) можно рассчитать по (1.83), подставляя вместо и постоянное напряжение смещения на затворе Е„, (приложенное к емкости С„). Как показываетпрактнка, напряжение смещения Е,„следует выбирать в диапазоне и„, (Е„, ( О. Ориентировочно можно считать 1Е; ! ж 0.51и„,1.
Расчет входного сопротивления ПТШ. В соответствии с рис. 1.32 входное сопротивление ПТШ может быть рассчитано по формуле 1»С» /т~ где 1т, — амплитуда первой гармоники тока через С„; /„, — амплитуда первой гармоники тока истока. В (1.85) не учтена емкость С„ обычно она существенно меньше, чем С„. Так как 1 = д4„/й,то 1~, = 1еЯт,. Без учета емкости С,„амплитуда тока истока /„, = ], + ~. =1 () + а (8) (),. Более подробный расчет 2,» с учетом емкости С, и влияния расстройки выходной цепи приведен в 19).
й 1.19. Ключевые режимы работы активных элементов В 9 1.4 — 1.18 изучались режимы работы активных элементов с отсечкой выходного тока и гармоническим выходным напряжением. Достоинство их — в возможности достижения высокого КПД н выходной мощности на весьма высоких частотах„включая СВЧ. Однако, если рабочая частота усилителя не превышает приблизи- тельно 200 МГц, еще больший КПД (без снижения выходной мощности) можно получить, применяя ключевые режимы работы АЭ. Как отмечено в $ 1.3, наибольшей выходной мощности прн заданных максимально допустимых значениях выходного тока н выходного напряжения соответствуют 1„(() н ии (1) в форме меандра (см. рнс. 1.4, а).
Ключевые режимы с выходным током н напряжением в форме меандра реализовать относительно несложно на тех частотах, д , г е АЭ можно считать безынерционными. Для этого нужно: подвести к управляющему электроду постоянное напряжение смещения Е,„, закрывающее АЭ в отсутствие переменного напряження и„(1); юг Рис. !.ЗЗ.
Времеиийе зависимости токов и иапряжеиий в ключевом уМ с резистивиоа нагрузкой подать на управляющий электрод переменное напряжение и (() в форме меандра, положительная полуволна которого открывает АЭ; обеспечить сопротивление нагрузки АЭ Й„, постоянное в шнроком диапазоне частот (на основной частоте н нескольких блнжайшнх гармониках). В этом случае напряжение ии (() прнблнзнтельно повторяет форму тока 1„(1) н сдвинуто относительно него на и (рнс. 1.33).
Формулы для расчета режимов с колебаниями в форме меандра почти очевидны: Еем ~ ив „итюа = а„„5 + /5+и где — максимальное значение ит; ит, аа = Еем + (Утю, (Ут— -и тат амплитуда иу (1), 8 — крутизна переходной ВАХ активного эле- мента, (/ут = /к тпх/Е+ исус Есм Как обычно, 1„,„~(0,8...0,9) 1» „,„, Е„к, ик „,„/2. Минимальное напряжение на коллекторе ик,„= 1„,„/5„р — — Е, — (/„ где (/„— амплитуда напряжения ик (1), отсюда (/„= ń— ~ к п~а х' Е ур. Сопротивление нагрузки Й„может быть найдено из соотношения 1» мах Рн = 2(/нт. откуда )ххк = 2(/кт//к мах.
Выходная мощность первой гармоники Р, = 0,51„,(/„у, где у кх = (2/и) 1» хппх~ (/кх = (4/и) (/клл Мощность, потребляемая АЭ от источника питания, Р, = У„сЕ„ где /к„=- /к,х/2. При расчете режима нужно проверить выполнение условий: и„,„=- Е,„— (/ ) и„„, Рркс ~ Р„„, где иу ,„ — минимальное мгновенное напряжение на управляющем электроде.
Рассеиваемая в АЭ мощность т Т.", 2 с где (1.88) 2 6 Г'кых кк мпх / Р нсм Т 2 65 — мощность коммутационных потерь, Т =- Ц вЂ”. период колебаний. Коммутационные потери обусловлены влиянием выходной емкости С,„х АЭ, в которой запасается электрическая энергия Жз = = Си,',/2 в ту часть периода колебаний, когда АЭ закрыт.
При открывании АЭ эта энергия рассеивается в АЭ. Чтобы реализовать ключевой режим работы АЭ с колебаниями в форме меандра, нужно применить входную и выходную согласующие цепи усилителя в виде широкополосных трансформаторов. Ключевые режимы с меандровыми формами не могут быть реализованы на очень высоких частотах по следующим причинам: 1) межэлектродные емкости и индуктивности выводов АЭ затрудняют создание меандров входного напряжения и выходного тока; 2) реактивные параметры следующего каскада передатчика не позволяют поддерживать постоянным сопротивление нагрузки в широкой полосе частот, в результате форма ик (1) лишь приближенно повторяет форму /„(1); 3) с ростом частоты колебаний увеличиваются коммутационные потери в АЭ (1.86), в результате может оказаться невы. полненным условие Рр„( Р„„. Обычно ключевые режимы АЭ с колебаниями в форме меандра имеют преимущества перед другими режимами на частотах примерно до 20 МГц.
Ключевые УМ с формирующими линиями. С ростом частоты колебаний создать меандровую форму выходного тока затруднительно, поэтому более эффективными оказываются ключевые режимы, при которых ток („ имеет вид отрезков косинусоиды с углом отсечки 8= ==- 90', а напряжение — форму меандра (см. рис. 1.4, б). Чтобы напряжение и„имело форму меандра, необходимо применять специальные формирующие цепи. Один из вариантов получения временных зависимостей 1„(1) и ин (1), изображенных на рис.
1.4, б, опиъ~ — — а сан в [101. Принципиальная ахая р АЗ '*1')л„ электрическая схема подобного УМ изображена на рис. 1.34. К коллектору АЭ подрнс. ПЗ4. Приннипиальная алектри- ключена линия длиной 1 =- ческая схема ключевого ам с форми- = Х14, закороченная по переруюпгей линией менному току большой ем- костью Со,. Связь с нагрузкой осуществляется с помощью последовательной ЬС-цепочки, настроенной в резонанс с частотой возбуждения. В данной схеме АЭ работает как ключ: под действием входных колебаний половину периода Т ключ замкнут, т.
е. АЭ пропускает коллекторный ток, напряжение ин на электродах коллектор— исток близко нулю. В другую половину периода ключ разомкнут, 1„=- О, напряжение и„велико. Рассмотрим процессы в схеме более подробно. В начальный момент времени 1, =- 0 (рис. 1.35) при замыкании ключа напряжение на коллекторе падает от Е„до нуля (если для простоты пренебречь малым сопротивлением АЭ). Скачок напряжения — Еп распространяется по линии со скоростью оф = йУТ (Х вЂ” длина волны в линии). На короткозамкнутом конце линии, где включена емкость Са, происходит отражение волны с изменением фазы на я, т.
е. появляется обратная волна скачка напряжения величиной + Е„. В момент времени 1, = 211иф —— Т!2 обратная волна достигает коллектора АЭ. К этому времени происходит размыкание ключа и обратная волна отражается от начала линии (где включен АЭ) без изменения фазы, т. е. образуется прямая волна скачка напряжения цпр ' Еп. В момент времени 1, = 3Т14 новая прямая волна достигает короткозамкнутого конца линии и образуется новая обратная волна скачка напряжения иовр —— — Еп.
В момент 1 =- Т обратная волна возвращается к АЭ, в это время ключ замыкается и все процессы повторяются. й к Рис ПЗЗ. Измеиеиие иаприжеиия в формируиипей линни за период колеоаиий 67 В любой момент времени напряжение в начале линии и„= =- и,р + и,ар, напряжение в конце линии и, = ипр + и,ар + + Е„= Е„. Легко заметить из рис. 1.35, что напряжение на коллекторе ии = 0 при 0 ( 7( Т/2 и и„=- 2 Е„при Т/2 ( /( Т, т. е. линия формирует напряжение прямоугольной формы. Чтобы АЭ работал в ключевом режиме, нужно к управляющему электроду подвести постоянное напряжение, запирающее АЭ в течение отрицательной полуволны входного воздействия. Амплитуда 0-а входных колебаний должна быть достаточно большой, с тем чтобы в течение положительной полуволны рабочая точка находилась в перенапряженной области выходной харак- тка«г«ттг теристики (см.
рис. 1.З,в), где сопротивление участка коллектор — в к исток АЭ мало: ти ем 1/В„р и АЭ эквивалентен замкнутому ключу. и Если ключ замкнут, то коллекторный ток уже не управляется вход- р к ным воздействием, а определяется напряжением Е, и параметрами кол7Ез зтж.г т «" лекторной цепи. Как следует из рис. 1.34, при замыкании ключа + 1„, где / — ток в линии, — ток в нагрузке, а при размыкании /„ — — О. Колебательный контур ЬСй„настраивают в резонанс с входной частотой / =- 1/Т, поэтому при достаточно высокой его добротности /, = /„, з!п аой В [10) показано, что в схеме рис.
1.34 ток в линии /„= /„,~яп озт!, отсюда 1„= /„+ 1„= /„, (яп оз/+ + ~з(п озг1) при Т/2 ( 7 (Т, т. е. коллекторный ток (как и коллекторное напряжение) соответствует рис. 1.4, б. Получим соотношение для выходной мощности ключевого УМ с формирующей линией. Амплитуды первой гармоники коллектор- ного напряжения (/ип =4Е„/и и тока /„, = а, (О) 1, „= 0,5./имая. Отсюда Р, = 0„5 /и, (/иа =- („„Е„/п.
Эквивалентное сопротивление нагрузки кк'„= (/„,//ип = 8Е„/(п/им„). Мощность, потребляемая от источника питания, Ра —— Ео/и, где /„а — — яа (8)/ищаа = = („ж„/и, т. е. Р, = („, Ео/и и тп =- 1. Полученные результаты определены в случае идеальных временных зависимостей, представленных парис. 1.4, б.
Реальные временные зависимости ии (7) и 1„(7) могут лишь приближаться к идеальным из-за влияния инерционности переключения АЭ, неучтенных емкостей и т. д. Отличие реальных зависимостей от идеальных становится все более заметным с ростом частоты. Существенное влияние на форму и„1Г) оказывает выходная емкость активного элемента С,„,. С учетом С,„„ изменение и„ от нуля до 2Е, и обратно происходит с конечной скоростью, определяемой временем перезаряда этой емкости. В результате фронты импульсов и„ (1) затягиваются и появляются отрезки времени, где 1„чь 0 и и„,-Е: О, что приводит к уменьшению КПД и выходной мощности. При увеличении частоты время перезаряда емкости занимает все большую часть периода колебаний и, начиная с некоторой частоты, преимущества ключевого режима перед режимами АВ, В и С исчезают.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
