Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Если же необходим максимальный коэффи- и циент передачи, нужно пользоваться формулой (3.2). йгггаагг Для расчета режима работы 0~ яг транзистора применимы соотношения, приведенные в $ 1.7. Отличие состоит лишь в том, что вместо величин 1ю, Р, и т), рассчитывают соответственно величины 1„„, Р„ич„=р„/Р,. На рис. 3.2 при' -д а а ведены временнйе зависимости основных электрических величин, определяющих режим работы транзистора в умножителе частоты при гг = 2. Умножение частоты в транзисторных умножителях осуществляется благодаря нелинейности переходной вольт-амперной характеристики транзистора.
Достоинство транзисторных умножителей состоит в том, что в них наряду с умножением частоты усиливается входная мощность. Усиление мощности происходит в результате преобразования мощности источника питания в мощность колеба- ний частоты л1. Недостатком является существенное падение выход- ной мощности, КПД и коэффициента усиления Кр с ростом часто- ты колебаний и кратности умножения. На практике транзистор- ные умножители частоты применяются до частот диапазона СВЧ и имеют кратность умножения а < 3. а ыг Рис. 3.2.
Зависимости и„. Г», и, от времени 2 3.2. Варакторные умножнтели частоты Нелинейным элементом умножителя частоты может быть вараклюр — диод с р-п-переходом, имеющий существенно нелинейную вольт-кулонную характеристику суммарной емкости (барьерной и диффузионной). Варактор предназначен для работы при больших амплитудах колебаний, когда возможна ситуация, что одну часть периода колебаний р-и-переход закрыт, другую — открыт '". * Аналогичный диод, работающий при закрытом р-л-переходе, применяемый дли частотной модуляпии и электрической перестройки частоты, называют варикапом.
Функциональная схема варакторного умножителя частоты изображена на рис. З.Э. Режим варактора по постоянному току обеспечивается сопротивлением автосмещения )сс„. Параметры варакторного умножителя частоты. Для характеристики умиожителя применяют следующие параметры: кратность умножения и, входную частоту 1, входную мощность Раю выходную мощность Р,„„мощность первой гармоники Р, =0,51,У, созФ„ подводимую к варактору, где 1„0, — амплитуды первых гармоник тока и напряжения варактора; Ф, — фазовый угол между колебаниями тока и напряжения частоты 7; соз тр, ) 0; Р„= 0,51„И„')соз Ф„! — мощ- %» г!ь ность п-й гармоники, генерируе- 'т. ~ мая варактором, где 1„, ӄ— рЬ!0 бг Ла 4„1аб амплитуды и-й гармоники тока и й Иьа НаПРЯжЕНИЯ ВаРаКтОРа; Фа— ? фазовый угол между колебаниями тока и напряжения частоты п7; сок гРа ( 0; Рнс.
3.3. Функциональная схема на. ракторного умножнтеля частоты элс р н "Ыи *х т!» = Ра1Р,; (3.4) коэффициенты передачи мощности входной и выходной цепей й,к=Р,1Р„, й,„,= Р,„„/Р„; полный КПД т! = Р,„„1Р,„= т!„й,„й,,; коэффициент подавления побочных спектральных составляющих ОО й„а = 10 1д (~ Р,1Р, „„), где Р, — мощность !-й побочной состав- !=! ляющей спектра на выходе умножителя; полоса частот Л1, занимаемая спектром входного сигнала, Типичные параметры умножнтеля: а = 2... 15, п1 составляет единицы — сотни гигагерц, Р, „„— сотни милливатт — единицы ватт в сантиметровом диапазоне, десятки — сотни милливатт в миллиметровом диапазоне, й„и й,, см 0,7 ... 0,9, й,о = — 40 ...
... — 80 дБ; характерные значения электронного КПД в зависимости от кратности умножения а приведены в табл. 3.1. Таблица 3.! 8 !О л 2 0,25 0,2 0,35 0,5 0,7 0,3 Особенности умножения частоты на нелинейной емкости. Для простоты будем считать варактор идеальной, не имеющей потерь, емкостью. Умножение частоты осуществляется благодаря нелинейности ее вольт-кулонной характеристики. Следует отметить, что 96 ток 1 = дд/й, протекающий через варактор, не содержит постоянной составляющей.
Это означает, что в идеальном варакторе нет потерь мощности постоянного тока и в этом состоит преимущество варактора перед нелинейными сопротивлениями. Действительно, если выходная согласующая цепь варакторного умножнтеля частоты выделяет п-ю гармонику входной частоты, то при отсутствии потерь мощности в варакторе Р, = Р„и т1„= 1. В то же время максимальный электронный КПД умножителя частоты, использующего нелинейность вольт-амперной характеристики диода, составляет 1/па, Столь низкое значение электронною КПД объясняется потерями, обусловленными преобразованием мощности входных колебаний в мощность постоянного тока. В реальных варакторах имеются потери, так что на практике электронный КПД умножителя меньше единицы (см. табл. 3.1).
й 3.3. Параметры и характеристики варакторов На рис. 3.4 изображена эквивалентная схема диода с р-и- переходом. Дифференциальная емкость С, = бфс(ип (где д — заряд на емкости, и — напряжение на Р-и-переходе) есть сумма барьерной и диффузионной емкостей диода: С, (ии) = Со (ии) + + Сдав (ми), сопротивление рекомбинации )с» = ди /йд (/а — ток рекомбина- /с цни), потери в диоде учтены введением г, сопротивления потерь г,, и Чтобы диод вел себя как емкость, необходимо выполнение условий: 1/(аС,)(( « )са, 1/(аС,) )) г,. Отсюда диапазон частот, в котором можно пренебречь активными сопротивлениями в эквива- р Рис. 3.4. Экаиаалеитиаи схе. лентной схеме диода, ма диода с р-и переходом 1/()ав С ) (( а (( 1/(г С ).
Из теории р-л-перехода известно, что сопротивление рекомбинации )ср заметно шунтирует емкость С, лишь в открытом состоянии р-п-перехода, когда барьерная емкость пропадает и С, = С ив. В этом случае 1/(г1рС,) = 1/(РаСдив) = ти ', где та — время жизни носителей заряда в базе диода. Таким образом, частота аа = 1/та определяет нижнюю границу рабочего диапазона варактора. Верхняя граница частотного диапазона определяется величиной а„р —— -= 1/(г,С,), где под С, понимается барьерная емкость.
Итак, р-и-диод можно использовать как варактор в диапазоне частот (3. 5) оа (( а (( а„. Параметры варактора: барьерная емкость Со ((/,„р), где (/,„р — напряжение, прн котором измерена и указана в справоч- нике Сс, сопротивление потерь г,; граничная частота в „р (У,„р) = 1 еа р, добротность (~ (Усср, со) время жизни носителей заряда та, максимально допустимое запирающее напряжение и,„; максимально допустимая рассеиваемая мощность Рк,„; время восстановления закрытого р-и-перехода 1,. Характерисюики варактора. Из теории р-и-перехода известно выражение для вольт-фарадной характеристики барьерной емкости (напряжение, запирающее р-п-переход, считается положительным): Сс(иа)=Со(()сан) ~ " "" ), (3.6) нн где ~ра ск 0,5 . 0,7  — контактная разность потенциалов; » = = 0,2 ...1 в зависимости от технологии изготовления диодов (» = = 0,2 для сверхплавных, » =1 ч1 тмх ---"---, для сверхрезких переходов).
На Фг практике, если показатель сте- пени » неизвестен, для ориенти! ровочных инженерных расчетов принимают» = 1)3. Кроме того, д а У лл„, ' пренебрегают небольшим падением напряжения на сопротивлении потерь и считают и„и (рис. 3.4). к) с) В выражениях (3.5) и (3,6) рнс. З.б. Вольт.кулонные характерн. барЬЕриая ЕМКОСТЬ ОПрЕдЕЛЕНа стнкн барьерной, хнффуаноннсв (а) как дифференциальная величин суммаРной (б) емкости Р" кисла на: Сс = Ди /Йи, где д — заряд обедненной области р-а-перехода.
Интегрируя вольт-фарадную характеристику барьерной емкости (3.6), получаем ее вольт-кулонную характеристику (рис. 3.5, а) и и„= (' С,би= сс(и,„р) (р+(/ )„(~р+и), „(37) »и Из теории р-и-перехода известно также выражение для вольткулонной характеристики диффузионной емкости С в (рис. 3.5, а): Чнн, =Ч„(е.~"- 1). где д — равновесный заряд обедненной области р-и-перехода; д ( ( 0; цт —— — 0,026 В (при комнатной температуре) — тепловой потенциал. Напряжение и на открытом диоде считается отрицательным. На рис. 3.5, б представлена вольт-кулонная характеристика суммарной емкости варактора.
й 3.4. Режимы работы варактора в умножителе частоты Задача анализа режимов работы варактора состоит в поиске оптимального режима. Критерием оптимальности целесообразно выбрать максимум электронного КПД. В результате анализа становятся известными следующие электрические параметры, определяющиеоптимальный режим: входная мощность Р„сопротивление варактора по первой гармонике 2, = О,/1„оптимальное сопротивление нагрузки варактора Е„; постоянное смещение на варакторе У .
На основании полученных данных проектируются внешние цепи умножителя частоты, обеспечивающие оптимальный режим его работы. Проведем анализ режимов работы варактора, включающий следующие этапы. Сначала, учитывая особенности принципиальной электрической схемы варакторного умножителя частоты, найдем ту электрическую величину, временная зависимость которой может считаться известной. Зту величину будем считать входным воздействием, Используя аппроксимированную вольт-кулонную характеристику варактора, получим его отклик на известное входное воздействие и затем временные зависимости электрических величин, определяющих его режим работы.
Знание этих зависимостей позволит рассчитать все необходимые параметры режима: входную и выходную мощность, КПД, сопротивления по первой и а-й гармоникам. Выбор входного воздействия. Поскольку поведение варактора как нелинейной емкости полностью определяется вольт-кулонной характеристикой, в качестве входного воздействия целесообразно выбрать либо напряжение, либо заряд. Если учесть индуктивность выводов варактора 1.„ то предпочтение следует отдать заряду. Действительно, благодаря влиянию (., варактор оказывается включенным последовательно во входной и выходной колебательные контуры, образованные цепями согласования и индуктивноствю Так как входной контур (с учетом емкости варактора) настроен в резонанс с входной частотой ~, а выходной контур — с выходной частотой и1, то можно допустить, что через варактор протекает ток, содержащий только две гармоники: основную и и-ю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
