10.2.3. Система параметров биполярных свч -транзисторов

Прежде чем приступить к практическим расчетам устройств на БТ СВЧ, следует уяснить особенности их системы параметров. Эта сис­тема, как увидим, содержит «формальную» и «неформальную» части.

Обратимся к системе параметров, характеризующих статические и частотные свойства БТ СВЧ и приводимых обычно в ТУ на тран­зистор и справочниках.

К «формальной» части относятся параметры, типичные и для более низкочастотных приборов, а именно: _21э — статический коэффи­циент передачи тока в схеме ОЭ; _к — постоянная времени цепи паразитной внутренней обратной связи; С_к и С_э — емкости коллек­торного и эмиттерного переходов; — граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ или заменяющее ее значение модуля коэффициента передачи тока на указанной частоте измере­ния. В дополнение к этому для мощных БТ СВЧ, как правило, указы­ваются (обычно для верхней рабочей частоты) гарантированные зна­чения выходной мощности, КПД и коэффициента усиления по мощности при типовом напряжении питания. Все эти параметры приводятся при температуре корпуса транзистора +25 °С.

Очень существенно, что указанные параметры имеют значитель­ный разброс, ограниченный ТУ.

Начинающий проектировщик СВЧ-аппаратуры, имеющий началь­ные представления о теории допусков, пожелав учесть этот разброс, скорее всего предположит, что наименьшее усиление должно быть при комбинации минимальной и максимальных _к и С_к, и наоборот, наибольшее — при максимальной и минимальных _к и С_к. взяв наихудшее сочетание, он обнаружит расчетным путем, что при нем не обеспечивается

гарантированное ТУ усиление. А для наилучшего сочетания расчет вообще нельзя выполнить, так как максимальные значения , за редким исключением, не даны в ТУ и справочниках.

Отчасти дело в том, что как «наилучшее», так и «наихудшее» сочетание из допусков ТУ на самом деле просто невозможно по физическим причинам: параметры БТ не являются взаимно незави­симыми, а связи между параметрами в ТУ не отражены. А отчасти дело и в том, что изготовитель по понятным причинам склонен в качестве худших значений параметров указывать такие, каких у реальных БТ практически не бывает — тогда меньше вероятность рекламаций.

Следовательно, попытка спроектировать устройство на БТ СВЧ с учетом «наилучшего» и «наихудшего» сочетания «формальных» параметров ТУ в надежде обеспечить требуемые допуски его режима совершенно бесплодна. Но, решив свои проблемы, т. е. обеспечив сдачу продукции по «формальным» параметрам и защитившись от рекламаций, изготовитель транзисторов приходит на помощь проек­тировщику аппаратуры, указывая «неформальные» наиболее вероят­ные значения «формальных» параметров, называемые типовыми. Именно расчет по типовым параметрам окажется наиболее точным.

Однако следует заметить, что набор обязательных для изготовителя параметров, которые могут быть однозначно определены и измерены, характеризует сам транзистор (причем не полностью), а не его эквива­лентную схему. Все перечисленные параметры должны остаться неиз­менными при любых эквивалентных схемах транзистора.

Этот контролируемый в производстве набор «сдаточных» пара­метров, как указывалось, необходим и достаточен изготовителю и потребителю для продажи-покупки, поскольку позволяет сделать вывод о соответствии прибора стандарту. Затем с его помощью потребитель (разработчик аппаратуры) может сделать оценочный расчет режима транзистора и определить примерно элементы схемы усили­теля или другого устройства.

Однако этот набор недостаточен для однозначного описания свойств транзистора, особенно на СВЧ и особенно в нелинейном режиме, просто потому, что этих параметров мало. Поэтому разработ­чики устройств на транзисторах для расчетов вынуждены использо­вать модели БТ СВЧ, составной частью которых являются эквивален­тные схемы. Среди возможных эквивалентных схем для БТ, работающего в режиме большого сигнала (с отсечкой коллекторного тока), предпочтительнее «физическая» схема, элементы которой более или менее правильно отражают физические процессы в БТ СВЧ.

Ценность «физической» схемы проиллюстрируем одним приме­ром. В «физической» эквивалентной схеме имеется емкость запер­того эмиттерного

перехода С_э. В процессе работы с отсечкой тока на эмиттерном переходе периодически появляется обратное напряже­ние, которое необходимо контролировать во избежание пробоя пере­хода. Это напряжение невозможно измерить в эксперименте, так как оно является «внутренним» для транзистора. Но реально оно сущест­вует, и его можно рассчитать с помощью эквивалентной схемы, содержащей сопротивление базы и емкости С_к.а, С_к.п (см. § 2.5). Это очень важно для обеспечения надежной работы транзистора. Зная же только значения , _к, С_к, С_э, решить эту задачу не удается, так как одному сочетанию т_к, С_к может соответствовать множество ком­бинаций r_б и С_ка. Что касается емкостей С_к.а, С_к.п, то таких двух отдельных сосредоточенных емкостей, подключенных к разным кон­цам сосредоточенного сопротивления r_б, не существует, как не существует и самого сосредоточенного сопротивления r₆. Комбина­ция из С_к.п, r_б, С_к.а является всего лишь предельно упрощенным эквивалентом распределенной ЛС-структуры, представляющей собой коллекторный переход и область базы. Отчасти в связи с этой «упрощенностью» параметры эквивалентной схемы довольно трудно однозначно определять, и из-за этого же любая эквивалентная схема удовлетворительно описывает прибор лишь в ограниченных обла­стях режима. Неслучайно существует целый ряд способов экспери­ментального определения, например, сопротивления базы r_б, причем все они дают различные результаты для одного и того же прибора. Однако, идя навстречу интересам потребителя-расчетчика и не обременяя себя дополнительными обязательствами, некоторые изго­товители приводят кроме типовых значений сдаточных параметров в числе справочных, т. е. не контролируемых в производстве данных, параметры некоторой «физической» эквивалентной схемы (эквива­лентной схемы Притчарда, которая легко преобразуется в эквивален­тную схему Джиаколетто). Как правило, указывают типовые значе­ния: индуктивности выводов; сопротивлений базы r₆, эмиттера r_э; активной составляющей коллекторной емкости С_к.а; суммарной кол­лекторной емкости (С_к.а + С_к.п) при типовом напряжении питания; емкости коллектор—эмиттер С_к.э; емкости эмиттерного перехода С_э, реже входное комплексное сопротивление, еще реже комплексное сопротивление нагрузки для некоторого режима. Для БТ с рабочим диапазоном 2 ГГц и выше указывают емкости выводов на корпус. Все эти элементы входят в линеаризованную эквивалентную схему — составную часть модели БТ СВЧ. В последние годы стали появляться наборы параметров для более сложных моделей (например, для модели Гуммеля—Пуна), предназначенных для компьютерных моде­лирующих программ. Однако пока такие модели, причем не самые точные, в области СВЧ имеются лишь для некоторых маломощных БТ. На практике пока приходится довольствоваться главным образом данными ТУ и справочников.