5.1. Общие сведения

Одна из причин, по которой приходится суммировать мощности активных элементов в генераторах высокой частоты, заключается в недостаточной мощности одного АЭ.

К совместной работе АЭ на общую нагрузку приходится прибе­гать и по другим причинам. Например, двухтактная схема кроме удвоения полезной мощности позволяет подавлять четные гармо­ники выходного тока, что облегчает задачу фильтрации высших гар­моник. В мостовой схеме сложения мощностей достигается взаимная независимость режимов работы АЭ (так называемая развязка АЭ), что весьма существенно из-за разброса параметров АЭ, а также при отказе части АЭ в аварийной ситуации.

В так называемых усилителях с распределенным усилением (УРУ) включение группы АЭ позволяет кроме увеличения мощности значительно расширить полосу пропускания усилителя (до несколь­ких октав).

Замена одного мощного АЭ группой менее мощных той же сум­марной мощности помогает облегчить тепловой режим

АЭ в связи с рассредоточением теплового потока.

5.2. Параллельное включение активных элементов

Параллельное включение АЭ является простейшим решением задачи увеличения мощности усилителей. Этот метод используется главным образом для повышения единичной мощности АЭ в много-эмиттерных СВЧ-транзисторах, а также в транзисторных усилителях выходной мощностью до 1 Вт.

Рассмотрим основные соотношения для токов, напряжений и мощностей и вытекающие из них свойства параллельной схемы включения АЭ на примере транзисторного усилителя мощности (рис. 5.1).

Сначала будем считать транзисторы идентичными. За основу возьмем режим одного АЭ и примем, что при объединении п АЭ каж-

Рис. 5.1. Усилитель мощности на параллельно включенных транзисторах:

а — принципиальная схема; б — эквивалентная схема для переменных токов

дый из них будет работать в таком режиме. Величины, относящиеся к одному АЭ, отметим штрихом.

При параллельном включении и идентичных транзисторов амплитуда первой гармоники суммарного коллекторного тока определяется выражением

(5.1)

а амплитуда базового тока

(5.2)

Аналогично обстоит дело с постоянными составляющими этих токов:

; (5.3)

а также с высшими гармониками.

Амплитуда коллекторного напряжения всех параллельно вклю­ченных транзисторов одинакова, как и амплитуда напряжения воз­буждения:

U_к = U'_к: U_б=U'₆. (5.4)

Каждый транзистор на частоте первой гармоники отдает мощ­ность

(5.5)

и получает от источника Е_к мощность

(5.6)

Группа из п параллельно включенных транзисторов на частоте первой гармоники отдает мощность

(5.7)

и получает от источника Е_к мощность

Р₀ = nP'_Q . (5.8)

При этом сопротивление общей нагрузки, необходимое для реали­зации полученных соотношений,

, (5.9)

где — сопротивление нагрузки, требующейся для уси­лителя на одном транзисторе, отдающего мощность Р'₁. Входная мощность, необходимая для возбуждения п АЭ,

Р_в1 =nР'_вх1 (5.10)

входное сопротивление

, (5.11)

где z'_вxl — входное сопротивление одного АЭ.

Очевидно, что при параллельном включении п идентичных АЭ,

нагруженных сопротивлением R_K = R'_K/n, коэффициенты передачи по напряжению, току и мощности, а также КПД остаются такими же, как у одного АЭ, нагруженного сопротивлением R'_K .

На практике приходится учитывать неидентичность АЭ, связан­ную с технологическим разбросом их параметров. При параллельном включении неидентичность АЭ проявляется в различии их токов, поэтому мерой несимметрии режимов АЭ может служить отношение первых гармоник коллекторных токов, а также их постоянных составляющих. Неидентичность АЭ влечет за собой несимметрию режимов АЭ и, как следствие, снижение максимальной мощности каскада, так как самый нагруженный АЭ не должен выходить за пре­дельно допустимые токи, но тогда остальные АЭ оказываются недо­груженными.

Следует отметить, что неидентичность АЭ проявляется по-раз­ному у биполярных (БТ) и полевых (ПТ) транзисторов: полевые транзисторы более пригодны к работе на общую нагрузку; особенно в простейшей параллельной схеме. Объясняется это принципиально разным влиянием температуры на характеристики БТ и ПТ. Можно сказать, что у БТ имеется положительная температурная обратная связь. Она проявляется в том, что с увеличением температуры БТ коллекторный ток возрастает. В результате температура БТ увеличи-

вается, а это опять вызывает рост тока. У германиевых БТ при неко-горых условиях такой процесс приводит к тепловому пробою и раз­рушению транзистора. У кремниевых БТ обычно этого не происходит, но при параллельном включении несимметрия токов БТ дополни­тельно увеличивается. У ПТ температурная обратная связь, особенно мри относительно больших токах стока, наоборот, отрицательна. Поэтому у транзистора, имеющего сразу после включения больший гок стока из-за большей крутизны проходной характеристики S, по мере прогрева ток уменьшается, причем сильнее, чем у его «соседа» С меньшим током, что приводит к снижению несимметрии токов.

В связи со значительной несимметрией режимов АЭ, вызванной кхнологическим разбросом параметров БТ, простейший вариант их параллельного включения АЭ (см. рис. 5.1) на практике не использу­ется. Обычно принимаются меры для симметрирования режимов БТ. Один из способов симметрирования режимов БТ — включение резисторов в эмиттерные цепи. При этом следует различать два прин­ципиально разных варианта: использование резисторов r_э , не забло­кированных по переменному току конденсаторами большой емкости, и резисторов R_э, заблокированных конденсаторами (рис. 5.2).

В первом варианте эффект симметрирования достигается благо­даря отрицательной обратной связи, которая стабилизирует крутизну проходной характеристики усилителя в соответствии с формулой

где S_Э — эквивалентная крутизна проходной характеристики транзис­тора с включенным в цепь эмиттера резистором

r_э; S — крутизна характеристики самого транзистора.

При этом углы отсечки параллельно включенных транзисторов одинаковы, а токи коллекторов пропорциональны S_Э каждого БТ.

Рис. 5.2. Применение автосмещения для симметрирования режимов

Во втором варианте эффект симметрирования достигается путем воздействия на углы отсечки: транзистор с большей крутизной S работает с большим током коллектора как по высоте импульса, так и по постоянной составляющей. Большая постоянная составляющая создает на резисторе R_Э (они у всех транзисторов одинаковы) боль­шее отрицательное напряжение автосмещения, следовательно, угол отсечки и коэффициенты разложения у₀ и у₍ оказываются меньше, чем у «соседа» с меньшей крутизной. В результате различие коллек­торных токов как по постоянным составляющим, так и по первым гармоникам становится меньше, чем без R_Э Нужное среднее значе­ние угла отсечки получают, выбирая внешнее напряжение смещения Е_с0 (см. рис. 5.2).

Первый вариант проще в схемном отношении. В принципе он дает лучшую симметрию токов транзисторов. Однако это достигается снижением усиления мощности, а также снижением максимальной мощности транзисторов в связи с ограничением допустимого обрат­ного напряжения на эмиттере: чтобы при меньшей крутизне (S' < S) сохранить импульс коллекторного тока, требуется большая ампли­туда напряжения возбуждения, а она может быть ограничена допус­тимым обратным напряжением на эмиттере.

Для второго варианта не требуется увеличение амплитуды напря­жения возбуждения, поэтому можно почти не снижать

максимальную мощность транзистора и усиление.