Билет №15. Вопрос №1.

Транзисторный усилитель 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.

Рисунок 1

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 .

Кроме того, ЦС должны обеспечивать заданные частотные характеристики усилителя. К цепям межкаскадной связи обычно не предъявляются особые требования по фильтрации. Исключение составляют выходные цепи умножителей частоты, которые во избежание нарушения нормальной работы последующих каскадов должны подавлять субгармонические составляющие выходного напряжения умножителя. Если требования к допустимому уровню кратных гармоник на выходе невысоки (порядка 25 ... 30 дБ), функции трансформации сопротивления антенны и подавления гармоник могут выполняться простейшими выходными ЦС, среди которых наибольшее распространение получили так называемые "Г","Т" и "П" образные ЦС. В противном случае используют дополнительные фильтры.

Т.о. основными электрическими требованиями, предъявляемыми к ЦС являются: обеспечение требуемой трансформации сопротивлений; малые потери мощности при ее передачи; требуемая полоса пропускания частот; необходимый уровень фильтрации высших гармоник; подавление внеполосных колебаний.

Электрические характеристики ЦС в достаточной мере определяются ее добротностью Q с учетом нагрузки. При уменьшении добротности в ЦС легче получить высокий кпд и большую полосу пропускания, но ухудшаются требования хорошей фильтрации высших гармоник. Поэтому при проектировании ЦС должна быть обеспечена такая добротность, чтобы удовлетворить некоторые компромиссные требования.

Схемы ЦС транзисторных каскадов могут быть построены из элементов с сосредоточенными па­раметрами, таких как, катушки индуктивности, конденсаторы и рези­сторы (реактивные элементы). В частотном диапазоне до 1-2 ГГц эти элементы имеют малые размеры и достаточно высокую добротность. В схемах, предназначенных для работы на частотах выше 2 ГГц, применяются элементы с распределенными параметрами в виде отрезков несиммет­ричных полосковых линий. Выполнение полосковой линии на подлож­ке из диэлектрического материала с высокой относительной диэлект­рической проницаемостью (ε>7) позволяет существенно умень­шить размеры схемы.

Наиболее простой является "Г" образная ЦС может быть применена в случаях, когда не предъ­является повышенных требований к фильтрации высших гармоник на выходе генератора и надо согласовать близкие по значению сопротив­ления в неширокой полосе частот.

На рис.10,а приведена эквивалентная схема Г-цепи, а на рис.10,б,в − два возможных ее практических вари­анта для согласования сопротивлений r и R (причем R>r). Сопро­тивления последовательного и параллельного элементов цепи имеют различный характер реактивности для получения на входе и выходе цепи чисто активных сопротивлений. Схемы рис.10,б и в идентич­ны по своим трансформирующим свойствам, однако схема рис.10,б имеет лучшие фильтрующие свойства в отношении высших гармоник благодаря включению параллельной емкости.

а) 6) в) Рисунок 10 – Г-образная цепь

Для расчета используют ; ; ; . При извест­ных реактивных сопротивлениях хпосл и xпар , .

Особенностью Г-цепи является то, что ее требуемая добротность определяется значениями сопротивлений, которые надо согласовать. Поэтому, если согласуемые сопротивления существенно отличаются по значению, то добротность получается достаточно высокой, что при­водит к сужению полосы пропускания цепи. При близких значениях сопротивлений необходимая добротность цепи получается небольшой и фильтрующая способность цепи ухудшается. Добротность такой цепи целесооб­разно иметь не более 2 ... 5.

Для улучшения фильтрующих свойств применяют "П" и "Т" образные ЦС. Они также позволя­ют получить при заданной полосе частот трансформацию сопротивле­ний в более широких пределах. Эквивалентные схемы П- и Т-цепей пока­заны ниже. При этом, методика расчета состоит в следующем. П- и Т-цепи будем считать состоящими из двух Г-цепей, которые назовем звеньями. Следовательно, при расчете параметров элемен­тов П- и Т-цепей можно воспользоваться формулами, полученными для Г-цепи. Для этого каждое Г-звено должно быть дополнено вторым ак­тивным сопротивлением, которое в случае П-цепи будет в Г-звене по­следовательным r₀ а в Т-цепи параллельным R₀. Сопротив­ления r₀ и R₀ (см. рис.11 и 13) должны удовлетворять условиям

, .

Для нахождения сопротивления r₀ (или R₀) следует предваритель­но задаться добротностью Q одного из Г-звеньев и тогда, зная согласуемое сопротивление R (или r), по формуле (10) вычислить

либо .

Здесь R=R₁ или R=R₂, а r=r₁ или r=r₂ в зависимости от того, добротность какого звена известна. Расчет параметров элементов Г-звеньев ведется последовательно от одного звена к другому по мето­дике, данной для Г-цепи.

Для улучшения фильтрующих свойств СВЧ цепей по отношению к высшим гармоникам в параллельные ветви П-цепи включают емкости.

Стоит отметить, что расчеты и измерения сопротивлений Z₁ и Z₂ (см рис.1) показали, что сопротивление входной и выходной цепи транзистора в УВЧ и СВЧ можно аппроксимировать полным сопротивлением последовательной цепи из активного сопротив­ления r_вх1 индуктивности L_вх и емкости С_вх (входное сопротивление транзистора - последовательным контуром, а выходное сопротивление - параллельным (рис.3)). Параметры входной и выходной цепей транзистора зависят от его энергетического режима и частоты колебаний. Поэтому сопротивления z_вх1 и z_вых1 определяются на ра­бочей частоте для выбранного режима.

а) б) Рисунок 3 – Эквивалентные схемы входной (а) и выходной (б) цепей транзистора

Для входной цепи Реактивная составляющая хвх1 может иметь как индуктивный характер, так и емкостной. Однако для многих современных транзисторов средней и большой мощности, величины 1/ωСвх су­щественно меньше ωLвх, поэтому обычно принимают .

При расчете выходной цепи генератора вместо сопротивления z_вых1 (см. рис.3,б) бывает удобнее использовать полную проводи­мость

. Для большинства современных транзисторов дециметрового диа­пазона волн реактивная составляющая выходной проводимости имеет емкостной характер и .

Если при помощи ЦС с сосредоточенными параметрами необходимо согласовать активное сопротивление (например, сопротивление генератора) с комплексным сопротивлением (например, входным сопротивлением СВЧ транзистора усилительного каскада) то реактивную составляющую комплексного сопротивления необходимо включить в цепь согласования. Поясним это на примере рассмотренной Г-образной ЦС (принцип учета реактивной составляющей сопротивления в других ЦС аналогичен). Будем считать, что входное комплексное сопротивление транзистора, как отмечалось выше, можно представить в виде последовательного соединения активной (сопротивление R_VT) и реактивной (сопротивление индуктивности X_VT) составляющей. Принцип включения реактивности транзистора в ЦС показан ниже. При этом значение НАЙДЕННОГО по расчетам «последовательного» реактивного сопротивления X_посл должно быть уменьшено на значение реактивного сопротивления транзистора X_VT, чтобы в сумме с ним получить требуемую по расчетам реактивность X’_посл которая обеспечивает требуемую трансформацию (то есть X_{посл устанавливаемое в усилитель}= X_{посл рассчитанное}-X_{VT рассчитанное})