2. Общие положения

Типовая схема резонансного ВЧ усилителя мощности УМ на биполярных транзисторах представлена на рис. 1.

Рис. 1.

В приведенной выше схеме транзистор включен по схеме с ОЭ. Это позволяет получить большее усиление по мощности, чем в схеме с ОБ.

В отличие от лампового ВЧ усилителя, транзисторный имеет малые входное и выходное сопротивления, что предопределяет особенности построения его входной и выходной согласующих цепей. В узкополосном усилителе (рис.1) в качестве согласующих цепей, как правило, используются П - контуры (C1,L1,C2 и C3,L2,C4), обеспечивающие лучшую фильтрацию гармоник и необходимую полосу пропускания, чем обычные LC контуры с неполным включением. Элементы согласующих цепей частично образуются входными и выходными реактивностями транзистора. Напряжения коллекторного питания Ек и базового смещения Еб подаются через дроссели Др2 и Др1. Емкости Ср1 и Ср2 являются разделительными.

Работа усилителя в значительной степени зависит от вида подключенных к нему источника входного ВЧ сигнала и нагрузки.

Работу транзисторного УМ на относительно низких частотах удобно проанализировать (и проделать предварительные базовые расчёты), по кусочно-линейно аппроксимированным характеристикам транзистора (рис.2).

Рис. 2.

На рис. 2 представлена проходная i_k = i_k(e_б) и выходные i_k = i_k(e_k) характеристики. Жирной линией на рис. 2 показана динамическая характеристика транзистора.

Проходная характеристика имеет следующие особенности. При

Е_Б = Е^'_Б = 0.7 В ток коллектора равен нулю. Где: Е^'_Б - напряжение отсечки коллекторного тока.

При больших значениях (е_б > Е^'_Б зависимость i_K=f(е_б) практически линейна, и может быть охарактеризована крутизной S.

При этом:

i_K = S(e_б - Е^'_Б)

Характерным для выходных характеристик является наличие трех областей:

а) область отсечки - при этом переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в обратном направлении;

б) активная область - ток коллектора управляется током базы и практически не зависит от напряжения на коллекторе;

в) область насыщения - оба перехода транзистора смещены в прямом направлении. Линия, разделяющая активную область и область насыщения, называется линией граничного режима с крутизной Sгр.

При этом:

i_K = S_ГР ∙ e_K

Величины S и Sгр являются параметрами транзистора и обычно приводятся в справочных данных.

Усилитель мощности характеризуется следующими основными показателями:

- Р₁ - выходная мощность (первой гармоники) сигнала;

P₁= ,

где - коэффициент Берга по первой гармонике при данном угле отсечки Θ,

φ - угол сдвига между первой гармоникой тока и выходным напряжением,

P_к = P₀ – P₁

- Р₀ - мощность, потребляемая транзистором от источника питания;

- Р_к - мощность рассеиваемая транзистором;

- η = P₁/P₀ – КПД;

η=

где: ,

- K_Р - коэффициент усиления по мощности;

K_Р=

Также как и в ламповых усилителях в зависимости от угла отсечки (Θ), различают следующие классы режимов работы транзистора: А, АВ, В, С.

Требования к выбору угла отсечки, (который определяется как половина длительности импульса коллекторного тока) противоречивы: для увеличения КПД угол отсечки следует уменьшать, а для получения наибольшей мощности первой гармоники - увеличивать. В большинстве случаев в выходных каскадах транзисторных усилителей мощности используют режим В (Θ =90°).

Режимы работы транзистора разделяют и по степени напряженности (величине ). Если в процессе колебаний рабочая точка всегда находится в активной области, то транзистор работает в недонапряжённом режиме. При попадании рабочей точки в течение части периода колебаний в область насыщения - режим работы транзистора перенапряженный. Если рабочая точка, перемещаясь по активной области, в какой-то момент времени оказывается на линии граничных режимов, то это граничный режим. Для граничного режима характерны максимальная колебательная мощность и близкий к максимальному КПД.

При расчете усилителя на транзисторе необходимо учитывать зависимость параметров KJIA характеристик от температуры.

t⁰n= t⁰_ср+ (R_ТПК+R_ТКР+R_РПС)P_К,

Где: t⁰n - температура коллекторного перехода, практически равная температуре кристалла транзистора.

t⁰_ср - температура окружающей среды;

R_ТПК - тепловое сопротивление переход-корпус транзистора;

R_ТКР - тепловое сопротивление корпус-радиатор;

R_РПС - тепловое сопротивление радиатор-среда.

Определение параметров КЛА при повышенной температуре коллекторного перехода производится по формулам:

S(t⁰n)=S₀[1+ (t⁰n - 20^°)],

где S₀ - значение параметра при температуре 20^°С;

= 0.01;

E^'_Б(t⁰n)=E^'_БО – K_Т(t⁰n - 20^°);

где E^'_БО - значение параметра при температуре 20^°С; К_Т = 2мВ /^°С.

Существенное отличие работы транзисторного усилителя от лампового, состоит в сильной зависимости его энергетических показателей от частоты. В первую очередь это обусловлено зависимостью крутизны от частоты:

Ṡ= ,

где f_s - частота, на которой модуль S уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением S (Рис 3).

Рис 3. Зависимость S и от частоты.

На этом же рисунке показана зависимость коэффициента передачи тока от частоты (f). Зависимость крутизны S от частоты, при переходе на высокую частоту, ведёт к уменьшению амплитуды сигнала и фазовому сдвигу по отношению к низкочастотному варианту. Например: на частоте f_s амплитуда падает в раз а фаза запаздывает на 45^°. Кроме того, т.к. УМ работает в режиме с отсечкой коллекторного тока, то во входной цепи возникают переходные процессы [1]. Это дополнительно искажает форму импульса и ведёт к его расширению, так что он должен характеризоваться не низкочастотным углом отсечки Θ_Н, а углом отсечки Θ_В > Θ_Н. Это иллюстрируется осциллограммами лабораторного макета, рисунком 4 и графиками рис.5

Рис 4. Импульс коллекторного тока транзистора на повышенных частотах.

Индуктивность в цепи эмиттера (L_Э) увеличивает постоянную времени входного сигнала, что эквивалентно уменьшению f_S. Особенно отчётливо это явление проявляется при R_Г →0. Включение в цепь эмиттера дополнительной индуктивности (L^'_Э), которое предусмотрено в работе, уменьшает частоту f_S (ухудшает частотные свойства) в соответствии с выражением:

f ^'_S= ,

где L_Э и L^'_Э соответственно собственная и дополнительная индуктивности в цепи эмиттера, что приводит на фиксированной частоте к дополнительному расширению импульса, т.е. к увеличению угла отсечки Θ_В.

Рис 5. Зависимость высокочастотного угла отсечки от частоты.

Переход от Θ_Н к Θ_В и наоборот производится по графику (рис 5).

Рис.6 Форма импульса коллекторного тока.

На рис. 6 показана зависимость формы коллекторного тока от сопротивления источника питания. Видно, что при некоторой величине R_Г=R^'_Г, вследствие изменений постоянных времени открытого и закрытого состояния транзистора, переходные процессы будут отсутствовать и импульс коллекторного тока получится неискажённый (кривая 2).