Билет №13. Вопрос №1.
Транзисторный усилитель СВЧ может обеспечить заданные электрические характеристики, если транзистор правильно нагружен, т. е. если сопротивления источника сигнала и нагрузки в плоскости транзистора имеют вполне определенные значения. Сопротивления же реальных источника сигнала и нагрузки, как правило, равны 50 Ом, поэтому усилитель должен включать в себя согласующие цепи. осуществляющие трансформацию сопротивлений. В соответствии с этим структурная схема усилителя может быть представлена в виде, изображенном на рис. 9.4. Здесь СЦ1 и СЦ2 - согласующие цепи на входе и выходе усилителя, причем СЦ1 трансформирует сопротивление реального источника сигнала в сопротивление , в плоскости транзистора, а СЦ2 трансформирует в .
Рис. 9.4. Структурная схема однокаскадного усилителя |
Структурная схема усилителя, представленная на рис. 9.4, является простейшей. При необходимости она может быть дополнена другими цепями. Например, осуществляющими выравнивание амплитудно-частотной характеристики усилителя (при широкой полосе пропускания). |
При расчете транзисторного усилителя СВЧ следует обращать внимание на обеспечение его устойчивости. Устойчивость усилителя определяется S-параметрами транзистора и сопротивлениями, на которые он нагружен. На сравнительно низких частотах транзистор обладает выраженными невзаимными свойствами и усилитель на таком приборе работает устойчиво. В диапазоне СВЧ транзистор в значительной степени утрачивает свойство невзаимности из-за наличия паразитных обратных связей (как внутренней, так и внешних), поэтому при некоторых сопротивлениях источника сигнала и нагрузки в плоскости транзистора усилитель может возбудиться.
Самовозбуждение
усилителя возможно лишь в случае, когда
активная составляющая входного и (или)
выходного сопротивления транзистора
становится отрицательной. Отрицательному
активному сопротивлению соответствует
коэффициент отражения, модуль которого
больше единицы. Так, если отрицательной
является активная составляющая входного
сопротивления транзистора, то
,
а если выходного, то
.
Входное сопротивление транзистора
зависит от сопротивления его выходной
нагрузки, а выходное - от сопротивления
входной.
Усилитель
считается безусловно
устойчивым в
заданном диапазоне частот, если он не
возбуждается в этом диапазоне при любых
сопротивлениях пассивных внешних
нагрузок (
и
на рис. 9.4). Если существуют нагрузки,
способные привести усилитель к
самовозбуждению, то он является условно
устойчивым
(или потенциально устойчивым, или
потенциально неустойчивым). В безусловно
устойчивом усилителе активные составляющие
входного и выходного сопротивлений
транзистора должны оставаться
положительными при любых нагрузочных
сопротивлениях
и
соответственно, если активные составляющие
последних также положительны. Это можно
представить в виде
при
;
при
.
Для безусловной устойчивости усилителя необходимо и достаточно выполнение следующих соотношений:
(9.7)
Последнее
неравенство (9.7) принято записывать в
виде
,
где параметр
(9.8)
называется
коэффициентом
устойчивости
(отметим, что
инвариантный
коэффициент устойчивости, поскольку
не
зависит
от системы матричных параметров, в
которой он определяется). Условие
,
являющееся необходимым, но недостаточным
условием безусловной устойчивости
усилителя, означает, что возможно
одновременное комплексно-сопряженное
согласование на входе и выходе транзистора.
При
транзистор можно согласовать только с
одной стороны. Случай
является предельным, когда двустороннее
согласование возможно.
Нарушение любого из неравенств (9.7) делает усилитель потенциально неустойчивым, т. е. при определенных сопротивлениях источника сигнала и нагрузки он может возбудиться. При проектировании же усилительных каскадов, в случае наличия потенциально неустойчивого транзистора можно поступить несколькими способами:
1) Заменить транзистор на безусловно устойчивый.
2) Перевести транзистор в область безусловной устойчивости подключив стабилизирующий резистор параллельно либо последовательно выходу транзистора. Стабилизирующий резистор рассчитывают таким образом, чтобы составной транзистор (старый транзистор с подсоединенным резистором) имел параметры безусловно устойчивого электронного прибора (т.е. включение резистора меняет S параметры транзистора)
|
Параллельное включение резистора применяется когда транзистор теряет устойчивость в режиме близком к холостому ходу, а последовательное – в режиме, близком к короткому замыканию. В итоге транзистор со стабилизирующим резистором можно рассматривать как составной электронный прибор. |
3)
В случае потенциально неустойчивого
усилителя можно определить области
допустимых сопротивлений входной и
выходной нагрузок в плоскости
транзистора, при которых усилитель
будет работать устойчиво и, соответственно,
выбирать сопротивления подключаемых
нагрузок из этих областей. Если выходная
(входная) нагрузка выбрана правильно,
то активная составляющая входного
(выходного) сопротивления транзистора
будет положительной и модуль коэффициента
отражения от его входа (выхода) меньше
единицы:
.
Рис. 9.5. Варианты расположения окружности устойчивости на круговой диаграмме выходной нагрузки усилителя |
Известно, что все возможные сопротивления пассивной нагрузки и соответствующие коэффициенты отражения заключены внутри круговой диаграммы полных сопротивлений (проводимостей), или так называемой диаграмме Вольперта-Смитта (диаграмма Смита). Возможны шесть различных случаев расположения окружности устойчивости относительно круговой диаграммы, определяющей все возможные сопротивления нагрузки (рис. 9.5). Для определенности положим, что окружность устойчивости построена на плоскости выходной нагрузки. Область допустимых сопротивлений нагрузки (или область устойчивости) может находиться внутри или вне окружности устойчивости. Это зависит от расположения этой окружности относительно центра круговой диаграммы, который соответствует режиму согласования и всегда принадлежит области устойчивости. Поэтому если окружность устойчивости не охватывает центр круговой диаграммы, то область устойчивости находится вне этой окружности (левые рисунки), в противном случае - внутри окружности (правые рисунки). Области недопустимых сопротивлений нагрузки (области неустойчивости) на рис. 9.5 заштрихованы. |
