Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Как видно из структурной схемы УМ (см. рис, 1.1), один из электродов АЭ вЂ” общий для входной и выходной цепей. В большинстве случаев наибольшяй коэффициент усиления мощности Кр получается, если общими электродами являются эмиттер и исток. В диапазоне СВЧ Кр биполярных транзисторов с общим эмиттером меньше Кр транзисторов с общей базой, поэтому на частотах выше 1 ГГц усилители мощности на биполярных транзисторах используют по схеме с общей базой. В дальнейшем, если не будет специальных оговорок, считаем, что биполярный транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а полевой — по схеме с общим истоком.
13 Характеристики активных элементов. При изучении свойств АЭ нужно знать их реакцию на входные воздействия, На относительно низких частотах, где еще не проявляется инерционность процессов в АЭ, токи — мгновенные функции напряжений. В этом случае АЭ полностью определяется статическими (т. е.
снятыми на постоянном токе) вольт-амперными характеристиками (ВАХ). На рис. 1.2 изображены ВАХ различных транзисторов: биполярных (а) и полевых— МДП (б) и с барьером Шотки (в). На выходных характеристиках (рис. 1.2, г — е) явно выражены две области: 1 так называемая не- сюА + 2 0 и,,й 01 сс,А Я~ Т ч2 -2 0У из--б0 0 5 25 /5и,й 02 2 и,й и) 250 00 бх,А 3 б 1 4 соА 6 с 15 У0 2 и 50 -50ыА 0 7 и ии0 е/ 0 Хи 2050.,0 с 0 2040 би лай г) Рис, 1.2. Статические ВАХ транзисторов; а — е — переходные; г — е — выходные * Термины «недонапряженнаяв, еперенапряжениаяв заимствованы из ламповой техники, где они указывают на степень напряженности теплового режима управляющей нлн экранной сетки лампы.
14 донапряженная область, где выходное напряжение слабо влияет на выходной ток; 11 — перенапряженнаяе область, где наблюдается сильная связь выходного напряжения с током. Обе области условно разделены линией граничных режимов (штриховая линия на рис. 1.2, г — е), проведенной через точки перегиба характеристик. Переходные характеристики„изображенные на рис.
1.2, ив в, соответствуют недонапряженной области. Из-за слабой зависимости выходного тока от выходного напряжения зти характерестики при разных выходных напряжениях сливаются в одну линию. Особенностью переходных характеристик является существование некоторого напряжения на управляющем электроде, ниже которого выходной ток прекращается. Такое напряжение называют напряже. нием отсечки и„, выходного тока. Из рис. 1.2 следует„что вид ВАХ различных АЭ примерно одинаков, различия в характеристиках лишь количественные.
Это по- зволяет применить единую методику анализа и расчета электрических режимов, справедливую для АЭ всех трех типов. Безынерционный активный элемент. Учитывая идентичность характеристик АЭ, введем понятие безынерционного АЭ. Безынерционный активный элемент — это трехэлектродный приоор, связь между мгновенными токами и напряжениями на электродах которого определяется статическими ВАХ. Электроды его обозначим следующим образом (рнс.
1.3, а): И вЂ” исток, т. е. источник носителей заряда; У вЂ” управляющий электрод; К вЂ” коллектор, т. е. электрод, собирающий носители заряда. Ф ск и ю иаи яр и) ф як Рис. 1.3. Бевыиерциоииый активный элемент 1а) и его пере- ходиые 1'Л) и выходные 1'в) БАХ 1Б Для проведения физически наглядного анализа режимов работы и получения удобных для расчета формул характеристики АЭ нужно аппроксимировать: В качестве аппроксимирующих следует подобрать наиболее простые функции, отражающие основные свойства ВАХ. Как видно из рис.
1.2, ВАХ активных элементов существенно нелинейны. Следует отметить, что в УМ активные элементы работают в режиме большого сигнала, когда необходимо учитывать нелинейность характеристик, связанную с переходом рабочей точки из одной области в другую: из области существования выходного тока в область его отсутствия — на переходных ВАХ, от недонапряженной области к перенапряженной области — на выходных характеристиках.
В то же время в режиме большого сигнала нелинейность характеристик внутри отдельных областей существенного значения не имеет. Поэтому наиболее простой, сохраняющей основные свойства ВАХ, следует признать кусочно-линейную аппроксимацию. На рис. 1.3, б, в изображены аппроксимированные характеристики безынерционного АЭ, включенного по схеме с общим истоком. Штриховой линией показаны реальные зависимости.
На рисунке приняты следующие обозначения: 1„— мгновенный ток коллектора, и„— мгновенное напряжение коллектора, ит — напряжение управляющего электрода; ) и П вЂ” недонапряженйая и перенапряженная области. Запишем аналитические выражения для аппроксимированных характеристик. Переходная характеристика для недонапряженной области 1„= Я (ит — и„,), (1.4) где 5 =- й„/би,, — крутизна статической переходной ВАХ; для перенапряженной области 1„Ф(„(и ).
Выходная характеристика для перенапряженной области и грайичных режимов 1я Егг пн' (1.5) где З„р — — й,„/ди„— крутизна линии граничных режимов; для недонапряженной области ~;Ф ~',(и,). Итак, будем проводить анализ режимов работы активных элементов, используя понятие безынерционного АЭ (см. рис. 1.3, а), имеющего ВАХ, изображенные на рис. 1.3, б, в. $1.3. Режимы работы активного элемента 16 Электрические режимы работы АЭ различаются, во-первых, формой колебаний токов и напряжений на входном и выходном электродах: 1„(1), ит (1), 1„(1); и„(1), во-вторых, численными значениями электрических величин.
Оптимальным является режим, соответствующий максимальным значениям выходной можности и электронного КПД (а в диапазоне СВЧ вЂ” н максимальному коэффициенту усиления мощности). В усилителе мощности к управляющему электроду АЭ подводятся входные колебания частоты 1, кроме того, на управляющий электрод подается постоянное напряжение смещения Е,„, а на коллектор — постоянное напряжение питания Е„(исток — общий электрод).
При таких условиях входные и выходные токи и напряжения являются периодическими функциями времени с периодом Т = 111. Как известно, периодическую функцию можно представить рядом Фурье, т. е. суммой гармоник частоты ). Полезный результат работы УМ состоит в том, чтобы в нагрузку передавалась максимальная для данного АЭ мощность первой гармоники.
Выражение для выходной мощности АЭ может быть записано в виде Р = -Ую!ю Х 1 хсоз у„где (1ю, Ею — амплитуды первых гармоник коллекторного напряжения и тока; ~р„— фазовый сдвиг между колебаниями первых гармоники„и1„. Чтобы мощность Р не потреблялась АЭ, а передавалась им в нагрузку, необходимо выполнение условия; и/2 ( у„( Зп/2. Отдаваемая в нагрузку мощность максимальна по модулю при заданных значениях У„, и!ю, когда <р„= и, т. е. колебания первых гар- моник тока и напряжения противофазны. В этом случае Р == — Р„где (1.6) Посмотрим, до каких пределов можно увеличивать Р, за счет роста амплитуд (/„, и !„,. Для каждого АЭ существуют максимальные допустимые напряжение и„„,„и ток 1„д,„, так что и„(1) может изменяться в пределах О ...
и„д„„ а 1„(1) — в пределах О ... ... 1„,„, В соответствии с (1.2) представим Р, = — «1»Р„где мощность, потребляемая от источника питания, Р«= Е ~~о, (1 Т) Е, — постоянная составляющая и„(1) или напряжение источника литания; 1„« — постоянная составляющая коллекторного тока АЭ.
Введем понятие «пик-фактор», напряжения р„= и„»„/Е„и «пик-фактор» тока р~ = («ш»«~1«о где и,,„и 1«м«» — максимальные мгновенные напряжение и ток коллектора; и«,„< < и„д„„~'„,„< 1,,„. Тогда максимальная мощность первой гармоники Р»«д«д и«дод (1.8) !~па» = «1»вЂ” Р1 Ри Как видно из полученного соотношения, для того чтобы получить большую мощность, следует применять АЭ с высокими значениями 1„д„, и„,„и режимы работы, в которых ти близок единице, а р~ и р„малы. Оценим возможности увеличения электронного КПД т(, и КПД по первой гармонике т(ь Из (1.!) и (1.3) следует, что электронный КПД «1« = 1 — Рр»«(Р„где Р𻫠— средняя во времени мощность, рассеиваемая в коллекторе АЭ. Как видим, «1.— 1, если г Рд»« -«- О.
Рассеиваемая мощность РР„= — 1 и„(») („(1) й. т, Легко заметить, что Рр„-— — О, если в каждый момент времени либо напряжение и„, либо ток («равны нулю. В этом случае вся мощность Р, преобразуется в мощность колебаний и т), = 1. Следует отметить, что при этом теоретический КПД по первой гармонике может быть меньше единицы из-за передачи в нагрузку мощности на высших гармониках частоты 1. Итак, возникает задача создания временных зависимостей и„(г) и 1„(1), при которых Рр„О, а пик-факторы тока и напряжения минимальны. Из возможных вариантов целесообразно выбирать те, которые наиболее легко осуществимы на практике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
