2.5 Генератори на польових транзисторах

Польові МДП-транзистори мають ряд переваг перед біполярними. До першого з них можна віднести менший вплив температури на їх властивості унаслідок негативного температурного коефіцієнта струму стоку, а також відсутність вторинного пробою. Це значно підвищує їх експлуатаційну надійність, дозволяє включати велике число транзисторів паралельно. До достоїнств МДП-транзисторів слід віднести значно меншу тривалість включення і виключення, відсутність або істотне ослаблення процесів накопичення зарядів, що визначають інерційну нелінійність транзисторів. Це знижує паразитну фазову модуляцію в генераторах, що працюють в режимі посилення коливань із змінною амплітудою або що здійснюють амплітудну модуляцію. По лінійності амплітудної передавальної характеристики в більшому діапазоні робочих струмів МДП-транзистори виявляються кращими біполярних, хоча і поступаються сучасним «лінійним» радіолампам. У МДП-транзисторах нижчий рівень шумів дробів.

Основною схемою включення МДП-транзисторів є схема із загальним витоком (ЗВ), що дозволяє отримати велике посилення по потужності при достатньо стійкій роботі генератора. На відносно низьких частотах вхідний опір в схемі з ЗВ близький до ємкісного і тому забезпечує коефіцієнт посилення по потужності, близький до нескінченності.

По рівню коливальної потужності сучасні МДП-транзистори переганяють біполярні. По величині залишкової напруги на стоці або еквівалентного опору насичення r_нас вони не поступаються біполярним, а враховуючи вищу робочу напругу на стоці, що досягає 500... 1000 вольт, по ККД свідомо їх перевищують. Наприклад, в ключовому режимі відносні втрати на r_нас можуть скласти менше 1 %, тобто ККД безпосередньо транзистора може досягати 99 %.

До недоліків польових транзисторів відносять високі вхідні і навантаження опори, що приводить до більшого шунтуючого впливу вхідних і вихідних ємкостей. У МДП-транзисторів нижче допустима температура кристалу, гірша радіаційна стійкість, лавинний пробій в них відбувається значно швидше, ніж в БТ, що перешкоджає реалізації систем захисту від такого пробою.

Особливості ВАХ польових МДП-транзисторів. На мал. 2.20 приведені прохідні і вихідні характеристики МДП-транзисторів. Тут крім відсічення слід виділити дві області, що істотно розрізняються по своїх властивостях: область насичення і активну. В області насичення, тобто при малій напрузі на стоці і великій напрузі на затворі, струм стоку змінюється приблизно пропорційно напрузі стоку

;

при великій напрузі на стоці (активна область) струм стоку мало залежить від напруги на стоці і в основному визначається напругою на затворі:

,

де r_нас - еквівалентний опір транзистора в області насичення, S - крутизна в активному стані, Е_отс - напруга відсічення струму стоку.

Мал. 2.20 – Статиснична ВАХ МДП-транзисторів

Приклад. Для транзистора 2П920 S = 1000...2300 мА/В, Е_отс = 6.. .8 В, r_нас = 10 Ом, R_і = 30 Ом, Е_{си доп} = 50 В, діапазон робочих частот більше 400 Мгц, корисна потужність 150... 165 Вт.

Принципова схема ГВВ на польовому транзисторі, включеному по схемі із загальним витоком, показана на мал. 2.21. На затвор через розділовий конденсатор С₁ подається напруга збудження и_вх = U_теcosωt, через опір R₁ - напруга зсуву Е_зи. Миттєва напруга на затворі

.

Мал. 2.21- Схема ГЗЗ на польовому транзисторі

При роботі з відсіченням форма імпульсів струму стоку має вигляд:

при ,

де S - крутизна апроксимованої прохідної характеристики польового транзистора, θ - кут відсічення імпульсів струму стоку,

.

Для живлення ланцюга стоку через дросель підводиться напруга Е_си. Постійна складова струму стоку тече через дросель L_бл до джерела живлення. Змінна складова проходить через конденсатор С_р. На резонансному контурі, налаштованому на частоту ω, виділяється гармонійна напруга з амплітудою U_конт = І_тс1R_е, де І_тс1 - амплітуда першої гармоніки струму стоку, R_е - еквівалентний опір контура. Миттєва напруга на стоці

,

де U_тс = U_конт - амплітуда змінної напруги на стоці.

При виборі напруги живлення, зсуву і амплітуд змінної напруги слід враховувати, що для могутніх генераторних польових транзисторів існує максимально допустима миттєва напруга на затворі і стоці, максимально допустима постійна напруга і максимально допустимий струм стоку І_{с max}. При роботі польових транзисторів в реальних умовах ця напруга і струм не повинні перевищувати допустимі значення.

Розрахунок ГВВ на МДП-транзисторах

Розрахунок стічного ланцюга можна виконати по тій же методиці, що і для біполярних.

Розрахунок вхідного ланцюга для схеми із загальним витоком (ЗВ) [9].

1. Амплітуда змінної напруги на каналі

.

2. Напруга зміщення на затворі

.

3. Максимальна напруга на затворі

.

4. Амплітуда струму затвору

,

де

.

5. Значення L_вхЗВ, r_вхЗВ, С_вхЗВ в еквівалентній схемі вхідного опору транзистора

,

,

.

6. Резистивна і реактивна складові вхідного опору

,

.

7. Вхідна потужність .

8. Потужність, що розсіюється в транзисторі

.

9. Коефіцієнт посилення по потужності

.

Польові транзистори з бар’єром Шотки. У польових транзисторів з бар’єром Шотки (ПТШ) інерційність процесів на один-два порядку менше, ніж у польових транзисторів з p-n-переходом МДП-транзисторів. Крім того, технологія виготовлення бар’єру Шотки дозволяє зменшити міжелектродні відстані до субмікронних розмірів. Це, а також велика швидкість прольоту носіїв при щодо низької напруженості поля в арсеніді галію в порівнянні з кремнієм дозволяє істотно підвищити граничну частоту посилення. Для сучасних малопотужних транзисторів з арсеніду галію вона досягає 80... 100 Ггц. Могутні ПТШ працюють на частотах до 25.. .45 Ггц, причому вони перевершують біполярні транзистори по рівню потужності і ККД на частотах вище 6 Ггц (завдяки меншим значенням r_нас), а по рівню нелінійних спотворень при посиленні сигналів змінної амплітуди і шумовим параметрам - на частотах вище за 1 Ггц. Порядок розрахунку ГВВ на транзисторах з бар’єром Шотки приведений в [9], стор. 118...121.

Мал. 2.22 – Статистичні ВАХ польових транзисторів Шоттки :

а – прохідні ,вхідні ; б – вихідні

Для ПТШ характерні негативні значення напруги відсічення струму стоку Е_отс = -(2...6) В. Залежність струму стоку від напруги на затворі можна представити через крутизну i_c =S(e_з-E_omc) при е_з > E_оmc, де s = iπf_TС_ек — еквівалентна крутизна струму стоку; ƒ_Т - гранична частота по струму ПТШ. Оскільки ƒ_Т і С_ек трохи залежать від напруги на затворі і стоці (у активному стані), то можна рахувати ƒ_T = const і С_ек = const і прохідну характеристику і_с(е_з) не залежною від е_с, а вихідні характеристики і_с(е_с) у активному стані - горизонтальними лініями.

При позитивному зсуві на затворі е_з > E_{отс з} = 0,5... 1,0 В з’являється струм затвора, який можна вважати залежним лінійно від напруги на затворі і_з = S_з(e_з - E_{отс з}), де - крутизна струму затвора. Як правило, режим роботи ПТШ вибирають так, щоб працювати без струму затвора, тобто при е_зmax < Е_отсз

Мал. 2.23 – Принципова схема ГЗЗ на ПТШ

Ланцюги узгодження діапазону НВЧ. У діапазоні СВЧ індуктивності настільки малі, що їх реалізація можлива лише у вигляді відрізань довгих (мікросмужних) ліній.

Еквівалентом П-подібній ЦС служить чвертьхвильовий відрізок (мал. 2.24). Хвилевий опір цього відрізання МПЛ

,

де R₁ і R₂ - опори на вході і виході лінії. Г-подібні LC-ланцюги виконуються у вигляді двох відрізань різної ширини.

Мал. 2.24 – Чверть-хвильовий трансформатор на МПЛ

Мал. 2.25 – КУ на вході і виході підсилювача реалізовані на відрізках МПЛ