2838

где (Θ) – коэффициент разложения [1-4], Rэ – эквивалентное сопротивление нагрузки.

Отрицательное значение крутизны указывает на то, что для выходной цепи генератора АЭ представляет отрицательную проводимость. Поэтому он способен отдавать мощность в нагрузку, т.е. работать как генератор.

При переходе АЭ в состояние отсечки (оба перехода закрыты), ток через него не протекает. На рис. 2.13 это состояние определяется линией 3. Точка пересечения линий 1 и 2 соответствует критическому режиму.

Таким образом, исходя из состояний АЭ и приведённых выше пояснений, в НР динамическая характеристика ограничена линиями 2 и 3. В КР к характеристике НР добавляется небольшой загиб, переходящий на линию 1, связанный с переходом АЭ в область насыщения на небольшое время (в пределах длительности периода колебаний).

В перенаппряженном режимн (ПР) динамическая характеристика состоит из трёх отрезков линий (рис. 2.13). При этом длина линии 3 тем больше, чем выше напряжённость режима работы АЭ.

С помощью выходных динамических ВАХ определяется форма колебаний выходного тока вых( ) для всех трёх режимов. Так на рис. 2.14 приведены зависимости вых( ), полученные для различных значений э (при постоянном, заранее выбранном угле отсечки).

На этом рисунке зависимость 1 соответствует недонапряжённому режиму работы. В этом режиме импульс выходного тока имеет остроконечную форму. В КР (кривая 2) импульс выходного тока имеет уплощённую вершину. В ПР (кривая 3) в импульс выходного тока появляется провал, кото-

41

рый увеличивается при увеличения амплитуды выходного напряжения.

iвых

1

2

3

Рис. 2.14. Зависимость формы импульсов вых( ) от сопротивления нагрузки

Форма импульсов выходного тока изменяется также и при увеличении амплитуды выходного напряжения. Так, если в начальный момент при косинусоидальной форме выходного тока и при э если увеличивать вх , то импульс выходного тока начинает возрастать. При достижении транзистором состояния насыщения увеличение амплитуды импульса тока прекращается и появляется уплощение его вершины, а затем и провал, который, при увеличении амплитуды входного сигнала может привести и к раздвоению импульса.

Аналогичные изменения формы импульса выходного тока наблюдается и при изменении напряжения источника п.

2.8. Нагрузочные характеристики

Нагрузочные характеристики – это зависимости энергетических характеристик генератора от изменения эквивалент-

42

ного сопротивления нагрузки э. Обычно пользуются несколькими нагрузочными характеристиками. Это постоянная составляющая выходного тока вых , амплитуда тока первой гармоники вых , амплитуда выходного напряжения вых , потребляемая мощность , генерируемая (колебательная) мощность P, рассеиваемая мощность Pна выходном электродеАЭ и коэффициент полезного действия выходной цепи. Эти зависимости также строятся с помощью выходных статических ВАХ по известной форме импульсов тока для постоянного угла отсечки. Типовые зависимости нагрузочных характеристик приведены на рис. 2.15.

ээкр на две области: недонапряжённого режима ( э

донапряжённого режима вых и вых мало изменяются при увеличении сопротивления нагрузки, поэтому выходная цепь эквивалента генератору тока. Амплитуда на выходном электроде,

образует тупой максимум в области перенапряжённого режима. В критическом режиме ( э экр) генерируемая мощность

максимальна, а КПД близок к максимальному значению. Коэффициент усиления по мощности в этом случае практически максимален.

этом случае не передаётся. При увеличении э мощность к резко уменьшается и достигает минимального значения в ПР.

Таким образом, в КР энергетические показатели являются оптимальными: генерируемая мощность максимальна, а КПД близок к максимальному значению. В НР на АЭ рассеивается большая мощность, поэтому АЭ работает в тяжёлых температурных условиях. Это может привести к выходу АЭ из строя. Однако в этом режиме нелинейные искажения минимальны.

В перенапряжённом режиме КПД максимален и практически остаётся постоянным в широких пределах изменения нагрузки. Поэтому ПР является наиболее лёгким для работы АЭ. Однако в этом режиме выходной сигнал сильно искажён, что свидетельствует о большом уровне нелинейных искажений. Генерируемая мощность при этом меньше максимально возможной.

44

2.9. Ключевой режим работы активных элементов

Несмотря на широкое использование гармонического режима, для него характерен основной недостаток:

КПД < 0,75. Наибольшей выходной мощности при заданных максимально допустимых значениях выходного тока и выходного напряжения можно получить, применяя ключевые режимы АЭ [1,2,5]. Название связано с тем, что АЭ работает в

Режиме ключа, т,е. одну часть периода колебаний нахо-

поэтому к

При этом вся мощность, потребляемая от источника питания , преобразуется в мощность колебаний.

Чтобы реализовать ключевой режим работы АЭ с колебаниями в форме меандра, следует применять входную и выходную цепи согласования усилителя в виде широкополосных трансформаторов.

Режимы с выходным током и напряжением в форме меандра

Широкое применение в ключевых схемах РПДУ находят транзисторы, характеризуемые малым сопротивлением насыщения и большим сопротивлением в режиме отсечки. Транзистор в таких схемах является электронным ключом, в котором лишь моменты открывания и закрывания определяются цепью возбуждения. А формы коллекторного тока и напряжения обусловлены в первую очередь характером нагрузки. Поэтому та-

45

кие схемы используются для усиления колебаний несущей частоты или ЧМ и ФМ колебаний. Общим признаком для всех УМ, работающих в ключевом режиме (КУМ), является проте-

и обеспечивает малую мощность, рассеиваемую на коллекторе. Наиболее часто используют схемы КУМ с формой тока типа меандр ( ), так как в этом случае: первая гармоника коллекторного тока максимальна, четные гармоники отсутствуют и коэффициент амплитуды напряжения на коллекторе

к⁄ п

Для реализации ключевого режима АЭ необходимо: подвести к управляющему электроду постоянное напря-

жение смещения , закрывающее АЭ в отсутствие переменного напряжения ( )( с );

подать на управляющий электрод переменное напряжение ( ) в форме меандра, положительная полуволна которого открывает АЭ;

обеспечить сопротивление нагрузки АЭ к постоянное в широком диапазоне частот (на основной частоте и нескольких ближайших гармониках).

46

Рис. 2.18. Временные зависимости токов и напряжений

включевом усилителе мощности с резистивной нагрузкой

Втаких условиях напряжение к( ) приблизительно повторяет форму тока к( )и сдвинуто относительно него на

(рис. 2.19).

Рис. 2.19. Генератор с внешним возбуждением и нагрузкой в виде «вилки фильтров»

47

Коммутационные потери обусловлены влиянием выходной емкости АЭ, в которой запасается электрическая энергия к в ту часть периода когда АЭ закрыт, При откры-

вании АЭ эта энергия рассеивается на нем.

48

Ключевые режимы с меандровыми формами не могут быть реализованы на очень высоких частотах по следующим причинам:

межэлектродные емкости и индуктивности выводов АЭ затрудняют создание меандров входного напряжения и выходного тока;

реактивные параметры следующего каскада передатчика не позволяют поддерживать постоянным сопротивление нагрузки в широкой полосе частот, в результате форма к( ) лишь приближенно повторяет форму к( );

с ростом частоты колебаний увеличиваются коммутационные потери в АЭ, в результате может оказаться невыполни-

мым условие к доп Обычно ключевые режимы АЭ с колебаниями в форме

меандра имеют преимущества перед другими режимами на частотах примерно до 20 МГц.

Транзисторные КУМ позволяют получить на частотах до сотен килогерц десятки киловатт, а на частотах 10…20 МГц – единицы киловатт при использовании двухтактных схем. Однотактные транзисторные КУМ используются до частот порядка 100 МГц при уровнях мощности порядка сотен ватт.

Высокая эффективность транзисторных КУМ получается для маломощных транзисторов, работающих на частотах до гр а для мощных – до 0.001 гр. Это объясняется тем, что на вышеотмеченных частотах решающую роль начинают играть коммутационные потери, связанные с конечным временем накопления и рассасывания носителей в базе, перезарядки емкостей переходов. В результате на интервалах переключения через транзистор протекает коллекторный ток в течение того времени, когда к еще значительно превышает напряжение насыщения и становится соизмеримым с напряжением питания. В связи с этим уже при работе на частотах порядка единиц

мегагерц используют СВЧ биполярные транзисторы.

49

Таким образом, высокое значение КПД ключевых схем обеспечивается лишь на достаточно низких частотах. Это, в первую очередь, связано с увеличением потерь в транзисторе на переключение с ростом частоты сигнала из-за его инерционности.

2.10.Контрольные вопросы и задания

1.Приведите базовые (функциональные) схемы УМ с ОЭ; ОБ; ОК. Назовите характерные признаки базовых схем УМ: с ОЭ; ОБ; ОК.

2.Почему с ростом частоты коэффициент усиления по мощности в схеме с ОБ увеличивается и превосходит значения в схеме с ОЭ? Назовите основные преимущества схемы с ОБ. Чем они обусловлены?

3.Какие характеристик АЭ называются статическими? Приведите пример выходных статических характеристик БТ, включённого по схеме с ОЭ:

а) реальных; б) при кусочно-линейной аппроксимации.

4.Какая аппроксимация называется кусочно-линейной? Какой физический смысл напряжения отсечки на проходной характеристик? Каково значение напряжения E’для СХ кремниевого БТ?

5.В каких случаях применяется кусочно-линейная аппроксимация СХ? Какие достоинства кусочно-линейная аппроксимация СХ?

6.Как определить напряжения насыщения с использованием выходных СХ? Какой физический смысл этого напряжения?

7.Чем ограничена частотная область применения СХ:

а) для БТ; б) для ПТ типа МДП; в) для ПТ с барьером Шотки?

50