Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Из дт дддддд мямле приведенных функциональных схем видно, что основными каскадами радиопередатчиков являются: авто- генератор, усилитель мощности, умножитель частоты, модулятор. Отметим особенности современных радиопередатчиков: Рнс. В.в. Функциональная схема !) пРименение СУЩественно нсмощного усилителя линейных режимов работы полу. проводниковых приборов; 2) отсутствие настроечных элементов для регулировок в процессе эксплуатации; 3) тенденция создания широкополосных и сверхширокополосных усилителей мощности; г- "— — — — — — —: — — — - — —- дереденющий еоддеь Рис. В.а.
Функциональная схема передающей АФАР 4) широкое применение устройств суммирования мощности; 5) конструирование каскадов в виде гибридных интегральных схем. В последнее время все больше внимания уделяется разработке передающих модулей АФАР и наметилась тенденция построения некоторых каскадов радиопередатчиков СВЧ (в первую очередь широкополосных усилителей) в виде полупроводниковых ИС.
В.2. Методы проектирования раднопередающих устройств на полупроводниковых приборах Проектирование радиопередатчиков включает следующие этапы: составление н расчет функциональной электрической схемы, принципиальных электрических схем и топологии отдельных каскадов. Обычно расчет функциональных схем осуществляется по простым аналитическим формулам, основанным главным образом на опыте разработки передатчиков. Расчет принципиальных схем и топологий каскадов может быть осуществлен аналитическими методами либо численными методами на ЭВМ. Расчет каскадов радиопередатчиков аналитическими методамя проводят в такой последовательности.
Сначала составляют принципиальную электрическую схему каскада, включающую полупроводниковый прибор н пассивные элементы, затем проводят анализ возможных режимов работы прибора, находят оптимальный режим и, наконец, рассчитывают цепи, которые обеспечивают этот режим. Для расчета режимов работы полупроводниковых приборов (нелинейных элементов) поступают следующим образом. 1. Составляют эквивалентную схему нелинейного элемента (НЭ), включающую нелинейные сопротивления, емкости, нндуктнвностн, управляемые генераторы тока илн напряжения.
2. Находят основную характеристику НЭ у (х), которая связывает электрические величины у и х, определяющие поведение НЭ. Для сопротивления — это вольт-амперная характеристика (ВАХ), для емкости — вольт-кулонная, для индуктнвности — ампервеберная. 3. Подбирают простые аналитические выражения, аппроксимирующие характеристики НЭ у (х). 4. На основе анализа частотных характеристик линейных цепей, подключенных к НЭ, определяют ту электрическую величину у нлн х (ток„напряжение, заряд), зависимость которой от времени можно считать известной (напрнмер, гармоническая функция времени, меандр). Считают известную величину, например х (~), входным воздействием на НЭ. 5. По известному входному воздействию х (~) н аппрокснмнрованной характеристике НЭ у (х) определяют реакцию НЭ у (().
Знание временных зависимостей х (~) и у (() позволяет рассчитать основные параметры НЭ, определяющие его режим работы (период колебаний, выходную н входную мощности, потребляемую мощность, КПД н т. д.). Методы расчета на ЭВМ. Как видно из изложенного, анализ электрических режимов работы НЭ включает получение временнйх зависимостей токов, напряжений или зарядов на его электродах.
Этн зависимости относительно несложно получить, используя современные системы автоматизированного проектирования (САПР) электронных схем. Для этого нужно составить принципиальную элект- рическую схему анализируемого каскада радиопередатчика и ввести ее в ЭВМ. В вычислительной машине автоматически составляются дифференциальные уравнения, описывающие процессы в схеме, и осуществляется их решение. В результате получаются искомые временные зависимости в переходном и стационарном режимах при определенном наборе параметров схемы.
Чтобы получить наилучшие показатели каскада (максимальные генерируемую мощность и коэффициент усиления, минимальную потребляемую мощность и т. д.), осуществляют оптимизацию параметров схемы по выбранному критерию оптимальности.
Для этого многократно проводят анализ, причем в каждом расчете параметры схемы изменяют в соответствии с алгоритмом оптимизации. При использовании существующих САПР для оптимизации параметров схемы затрачивается значительное время, поэтому оптимизация возможна лишь для несложных схем, содержащих небольшое число оптимизируемых параметров. В последние годы получили распространение не временнйе, а спектральные методы расчета различных схем, в том числе и нелинейных. Следует, однако, отметить, что в настоящее время машинные методы схемотехнического проектирования при разработке каскадов радиопередатчиков применяются относительно редко. Объясняется это главным образом большим технологическим разбросом параметров полупроводниковых приборов, в результате чего требуется настройка каждого изготовленного экземпляра каскада.
Прн этом ориентировочный инженерный расчет схемы может быть легко осуществлен по аналитическим формулам. Преимущество аналитических методов перед машинными состоит в том, что полученные с их помощью расчетные формулы оказываются наглядными, отражающими физические процессы в цепи. Однако машинные методы моде. лирования и проектирования незаменимы при разработке новых полупроводниковых приборов, оптимизации их структуры, размеров, электрофизических параметров. Кроме того, машинные методы проектирования успешно применяют при решении ряда схемотехнических задач, например расчете широкополосных цепей согласования н фильтрации.
Весьма эффективно применение ЭВМ для выполнения рутинной работы — изготовления чертежей и другой конструкторской документации. В настоящем пособии основное внимание уделено аналитическим методам расчета и проектирования радиопередающих устройств. Перейдем к изучению отдельных каскадов радиопередающнх устройств на полупроводниковых приборах.
ГЛАВА 1 электрические режимы рдвоты Активных ЭЛЕМЕНТОВ В УСИЛИТЕЛЯХ МОЩНОСТИ В настоящей главе аналнзнруются возможные режнмы работы полупроводниковых актнвных элементов (бнполярных н полевых транзисторов) в уснлнтелях мощности. Цель анализа — найти оптнмальный режим по выбранному крнтерню оптнмальностн. Выводятся соотношения для расчета оптнмальных режимов работы транзнсторов различного типа, выходной мощности н диапазона рабочих частот. $ !.!. Общие сведения об усилителях мощности Усилитель мощности (УМ) — один из основных каскадов радиопередатчика; он предназначен для усиления мощности высокочастотных электромагнитных колебаний, возбуждаемых в задающем автогенераторе, путем преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний.
Следовательно, в состав УМ должен входить элемент, способный производить подобное преобразование. Элементы, преобразующие энергию постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний, называют активными элементами (АЭ). В качестве АЭ в радиопередатчиках наиболее часто применяют биполярные и полевые транзисторы, иногда генераторные диоды (лавинно-пролетные, диоды Ганна). В настоящей главе изучаются транзисторные УМ. Особенностью таких УМ является то, что их входная и выходная цепи разделены.
В состав УМ (рис. 1. !) помимо АЭ входят согласующие цепи, а также цепи питания и смещения. На вход усилителя поступают электромагнитные колебания частоты ! от предшествующего каскада, называемого возбудителем. Нагрузкой УМ является входное сопротивление последующего каскада либо линии, ведущей к антенне. Согласующие пепи выполняют две основные функции: согласуют (преобразуют) сопротивления для наиболее полной передачи входной мощности к АЭ и выходной мощности от АЭ к нагрузке„при этом входная согласующая цепь преобразует входное сопротивление АЭ в сопротивление, равное внутреннему сопротивле- нию возбудителя, а выходная согласующая цепь — сопротивление нагрузки в некоторое сопротивление, необходимое для получения оптимального режима АЭ (возбуднтель представляется в виде последовательного соединения источника напряжения и внутреннего сопротивления); обеспечивают совместно с цепями питания и смещения колебания тока и напряжения на электродах АЭ такой формы, которая характерна для оптимального режима.
Цель липшния содержит источник постоянного напряжения Е, и блокировочные элемейты, разделяющие цепи постоянного и пере- Х и Рис. 1Л. Струитуриая схема усилителя мощности менного токов. Цель смен(ения состоит из источника фиксированного йапряжения смещения Е,м (нли' цепочки автоматического смещения) и блокировочных элементов. Кроме того, в состав УМ могут входить и другие цепи, например цепи коррекции, антипаразитные цепочки (препятствующие возбуждению паразитных колебаний), элементы защиты АЭ от перегрузок, Параметры усилителя мощности. х(ля характеристики УМ применяют следующие основные параметры (см. рис.
1.1): выходная мощность (мощность в нагрузке) Р,„хум, входная мощность Р„ум; коэффициент усиления мощности К~ Ум = Р,„хим 1Рвх Ум1 мощность постоянного тока Р„потребляемая АЭ от источника питания; полный КПД усилителя мощности вмх УМ вмх УМ вх УМ или т)= . Рв+ Рвх ум Рв обычно Рвхум (( Р„поэтому Ч Рв мх ум~Рв, колебательная мощность (мощность, отдаваемая АЭ во внешнюю цепь) Р; в об- (О щем случае Р = ,"'„Р„, где Є— мощность а-й гармоники; вход- л 1 ная мощность Р„, подводимая к АЭ; электронный КПД т1, = = Р 1(Рв + Р,х); так как обычно Р,„(( Р„то Р 1Рв; КПЛ по первой гармонике т1, Р,/Рв1 (1.2) 12 коэффициент передачи входной согласующей цепи й„= Р,„: : Р„хм, коэффициент передачи выходной согласующей цепи й, „„= = Р,к~)Р,; коэффициент усиления АЭ Кр = Р,1Р,„; мощность, рассеиваемая в АЭ, (1.3)'.
диапазон частот 1 ,„ ... 1 „ или относительная рабочая полоса частот АЯцр=2Чеах ~пз!л)/Днах+1т!ч)~ относительный уровень побочных колебаний Й„а —— = Г0 1й (ХР~/Р,„, км), где Р, — мощность 1-го колебания вне рак=в бочей полосы. Наиболее важным параметром УМ является выходная мощность, которую обычно стремятся увеличить. В радиопередатчиках иа полупроводниковых приборах велика также роль электронного КПД т)„увеличение которого способствует снижению рассеиваемой в АЭ мощности и, следовательно, облегчает решение проблемы отвода теплоты. В диапазоне СВЧ наряду с выходной мощностью и электронным КПД существенное значение имеет коэффициент усиления. Численные значения параметров усилителей мощности зависят от рабочей частоты, назначения радиосистемы, места УМ в структуре передатчика.
Транзисторные УМ работают на частотах от единиц килогерц до десятков гигагерц, имеют выходные мощности от единиц милливатт до сотен ватт при КПД до 70 ... 90 %; коэффн. циент усиления мощности Клим однокаскадного УМ составляет 3 ... 20; относительные полосы рабочих частот — единицы процентов в узкополосных УМ и достигают сотен процентов в сверхширокополосных усилителях; допустимый уровень побочных колебаний — (50 ...60) дБ. 2 !.2. Активные элементы Активными элементами большинства усилителей мощности на полупроводниковых приборах являются биполярные и полевые транзисторы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
