Министерство образования и науки РФ

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ(КНИТУ-КАИ)

Им. А.Н. ТУПОЛЕВА.

Институт радиоэлектроники и телекоммуникации (ИРЭТ)

Кафедра радиоэлектронных и квантовых устройств (РЭКУ)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

«Исследование транзисторного генератора с внешним возбуждением»

Лабораторная работа №321 (а)

Составитель: ст. преп. кафедры РЭКУ Гимадеева Л.А.

Студент гр. 5403 Гизатуллин К.Ш.

Казань 2012

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРА

С ВНЕШНИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1. Цель работы

1.1. Изучение принципов построения и работы транзисторного усилителя мощности.

1.2. Определение влияния угла отсечки коллекторного тока транзистора на энергетические характеристики транзисторного усилителя мощности.

1.3. Снятие нагрузочной и настроечной характеристик транзисторного усилителя мощности при простой схеме выхода.

1.4. Наблюдение осциллограмм динамических характеристик транзистора в усилителе мощности.

1.5. Наблюдение осциллограмм токов и напряжений в контрольных точках транзисторного усилителя мощности при различных режимах работы транзистора.

2. Основные теоретические сведения

Генератором с внешним возбуждением (ГВВ) называется каскад передатчика, в котором энергия источника питания преобразуется в энергию высокочастотных колебаний активным элементом (АЭ), управляемым на входе периодическим сигналом внешнего возбуждения. ГВВ подразделяют:

1. Усилители мощности (УМ), у которых ;

б) Умножители (Умн.Ч) и делители (Дел.Ч) частоты

в) Смесители (См) -

В качестве АЭ в ГВВ применяют вакуумные лампы, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, тиратроны, электронно-лучевые приборы (клистроны, лампы бегущей волны и др.), приборы, в которых потоки электронов движутся в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнетроны, платинотроны и др.), твердотельные двухполюсники (туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды) и другие приборы, перечень которых с течением времени пополняется.

Основным требованием, предъявляемым к генератору с внешним возбу­ждением (ГВВ), является получение высокого коэффициента полезного дей­ствия (КПД) при обеспечении заданной мощности в нагрузке, что вызы­вает определение требований на выбор режима работы активного элемента (АЭ) и параметров согласующей цепи.

Согласующая цепь обеспечивает трансформацию в общем случае ком­плексного сопротивления нагрузки в чисто резистивное сопротивление в за­данном диапазоне частот, причем имеющего такое значение, при котором обеспечиваются высокие энергетические показатели ГВВ.

Так как требование высокого КПД генератора обусловливает работу АЭ в нелинейном режиме, при котором в коллекторном токе АЭ содержатся высшие гармоники, то согласующая цепь кроме того обеспечивает необходимое подавление высших гармоник в нагрузке, т. е. осуществляет фильтрацию.

Одной из простейших согласующих цепей является параллельный колебательный контур с достаточно высокой добротностью, включенный в колл екторную цепь усилителя мощности (УМ). Контур обеспечивает не только согласование генератора с нагрузкой вблизи резонансной частоты, но и малое сопротивление для высших гармоник коллекторного тока, что обусловливает гармоническую форму напряжения на контуре (рис. 1.1). Эквивалентное сопротивление настроенного в резонанс контуре носит резистивный характер и может быть записано следующим образом:

R_эк = p²R_э0 = p²ρ²/(r_к + r_вн)

где p = U_к / U_конт = C_к / C_св1 – коэффициент включения контура в коллекторную цепь генератора; ρ = 2πfL_k= 1/2πfC_к – волновое сопротивление (C_к , L_k– полные индуктивность и емкость контура); r_k – собственное сопротивление потерь контура; r_вн- сопротивление, вносимое нагрузкой.

При гармонических напряжениях возбуждения (базы) U_б(t) и коллектора U_k(t) коллекторный ток имеет форму периодической последовательности импульсов, которая может быть представлена рядом Фурье:

I_k(t) = I_k0 + I_k1cosωt + I_k2 cos2ωt +…+ I_kncosnωt+…

Значения I_k0 и I_knна практике определяют через нормированные коэффициенты разложения: α₀ = I_k0/i_km и α_0т = I_kn/i_km , являющиеся функциями лишь угла отсечки коллекторного тока θ .

Полезная мощность, выделяемая на контуре 1-й гармоникой коллекторного тока: P₁ = 0,5I_k1U_k.

Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания, определяется как P₀ = E_kI_k0.

КПД генератора по коллекторной цепи

η =P₁/P₀ = 0,5(I_k1/I_k0)(U_k/E_k) = 0,5γ(θ)ξ,

γ = α₁ (θ)/α₀(θ) – коэффициент формы импульса тока; ξ = U_k/E_k– коэффициент использования напряжения источника питания.

Для повышения КПД целесообразно работать при высоких значениях ξ, а угол отсечки коллекторного тока θ должен быть оптимальным для получения высокого значения γ(θ). Обычно в схемах УМ угол отсечки выбирают в интервале 75^о<0<100^o ,но,например, при усилении амплитудно-модулированных колебаний (однополосная модуляция) θ=180^o или при умножении частоты задаётся оптимальный угол отсечки θ_опт в зависимости от кратности умножения.

В зависимости от степени влияния напряжения выходной цепи на значение и форму импульсов тока УЭ различают три режима работы: недонапряженный, критический и перенапряженный. Переход от одного режима к другому может быть осуществлен изменением напряжения питания или напряжении возбуждения , или напряжения смещения, или выходной цепи u_k(t), т.е. от R_эк ,изменять которое можно изменением коэффициента включения контура (1.1).

Зависимости I­_k0, I_k1, U_k, P₁, P₀, P_k и η= f(R_эк) носят название нагрузочных характеристик генератора. Здесь P_k =P₀ - P₁ – мощность, рассеивания на коллекторе транзистора.

Рассмотрим работу АЭ в режиме класса В, т.е. режим с отсечкой. Значение текущего угла ωt, равное θ, при котором ток обращается в нуль, называется углом отсечки (рис.1.2).

Рис.1.2.Построение импульсов выходного тока с помощью проходной характеристики i_а=ƒ (e_с) при различных напряжениях смещения Е_са, Е_сб, Е_св.

На рис.1.3. при низких значениях R_эк (R_эк<R_эк.гр– см. рис 1.3, импульсы коллекторного тока 1 и 2) амплитуда переменного напряжения U_k = I_k1R_эк мала; остаточное напряжение u_{k min} = E_k – U_k>u_{k min кр}); импульс коллекторного тока имеет форму усеченной косинусоиды, а его амплитуда уменьшается с ростомR_эк незначительно, вследствие малого значения проницаемости УЭ. В недонапряженном режиме УЭ может быть представлен приближенно в виде генератора тока I_k1 ≈ I_k1кр, и, напряжение U_k,ξ и полезная мощность будет возрастать.

При значении сопротивления R_эк=R_эк.кр(см. рис. 1.3, импульс 3) остаточное напряжение на коллекторе u_{k min кр} = E_k – U_k уменьшается настолько, что вызывает уплощение вершины импульса коллекторного тока вследствие возрастания базового тока. В критическом режиме коэффициент использования коллекторного напряжения

ξ _кр = 1 – i_{k m}/ (S_крE_к) ≈ 1 – 2P₁/(S_крα₁(θ)E_k²),

где S_кр– крутизна линии критического режима.

Для современных мощных высокочастотных транзисторов среднее значение ξ_кр = 0,85…0,95, и, следовательно, КПД генератора, работающего при углах отсечки 75^о<0<100^o, достигает 0,75…0,85. Высокое значение ξ_кр обуславливает и высокое значение полезной мощности P₁, максимум которой примерно соответствует граничному режиму.

При дальнейшем увеличении R_эк (R_эк>R_эк.кр)наступает перенапряженный режим ( рис. 1.3, импульс 3). В этом режиме за счет некоторого роста U_k и уменьшения остаточного напряжения (u_{k min}<u_{k min кр}) резко возрастает базовый ток и появляется провал в импульсе коллекторного тока .

Рис. 1.3. Динамические характеристики АЭ в резонансном ГВВ

В перенапряженном режиме из-за искажения формы импульса коллекторного тока с ростом R_эк происходит уменьшение постоянной составляющей I­_k0 и более резкое уменьшение I_k1, что при незначительном возрастании напряжения U_kприводит к уменьшению полезной мощности P₁, хотя КПД остается при этом высоким и уменьшается лишь при переходе в сильноперенапряженный режим (ξ> 1).

Таким образом, в критическом режиме УМ отдает максимальную мощность в нагрузку при высоком КПД. В перенапряженном режиме практически мало изменяется напряжение U_k, полезная мощность P₁ уменьшается, но КПД остается высоким. Недонапряженный режим энергетически невыгоден, так как ГВВ отдает малую полезную мощность при низком КПД, и, следовательно, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, R_к=P₀- P₁, достаточно велика.

Изменение напряженности режима генератора происходит не только при изменении связи контура с коллектором транзистора, но и при его расстройке, когда сопротивление Z_эк носит комплексный характер и его модуль уменьшается с расстройкой (см. рис1.1, 1.4).

Рис. 1.4. Импульсы тока в перенапряженном режиме

при настроенной (а) и расстроенной (б) и (в) коллекторной нагрузке

РасстройкаΔω контура, т.е. выполнение условия Δω = ω_вх – ω_конт ≠0, приводит к переходу в режим с меньшей напряженностью, что вызывает соответствующие измененияI­_k0, I_k1, U_k, P₁, P₀,P_k и η. Динамическая характеристика АЭ i_k=f(u_k) при расстроенном контуре имеет вид отрезка эллипса, а не отрезка прямой, как при чисто резистивной нагрузке.Зависимости I­_k0, I_k1, U_k, P₁, P₀, R_ки η = f (Δω) носят название настроечных характеристик генератора.

В радиопередающих устройствах одноконтурная схема выходной цепи УМ (простая схема выхода) находит ограниченное применение (в основном, в простых маломощных устройствах) ввиду низких фильтрующих свойства и сложности настройки: для изменения рабочей частоты или сопротивления нагрузки для генератора R_эк, необходимо одновременно перестраивать и элемент связи X_св, и элемент X_н.