2838

8. Почему выходные каскады мощных УМ строятся по блочно-модульному принципу?

8. Какая аппроксимация называется кусочно-линейной? Поясните с помощью проходной характеристики БТ проходную СХ ПТ?

9. Почему при расчёте энергетических режимов АЭ широко используется кусочно-линейная аппроксимация СХ АЭ?

10. Какие недостатки кусочно-линейной аппроксимации СХ АЭ?

11. Почему ограничен частотный диапазон использования СХ АЭ?

12. Поясните с помощью кусочно-линейной аппроксимации генераторных СХ БТ области, когда транзистор находится в активном состоянии отсечки, насыщения и инверсном состоянии.

13. Какой режим работы АЭ называется ключевым?

14. Как реализовать ключевой режим в УМ с формой выходного тока и напряжения в виде меандра; С выходным напряжением данной формы?

15. Какие преимущества ключевого режима работы УМ по сравнению с гармоническим выходным напряжением?

16 Как определить КПД ключевого УМ при гармонической форме выходного напряжения; при форме выходного тока и напряжения в виде меандра?

17. Как определить рассеиваемую на АЭ мощность в ключевом режиме:

а) при синусоидальной форме выходного напряжения; б) при форме выходного напряжения, в виде меандра? 18. Какие потери в АЭ ключевого УМ называются ком-

мутационными? Назовите причину появления этих потерь.

19. Какие параметры АЭ определяют его эффективность в ключевом режиме работы? Какие параметры должен иметь идеальный ключ?

51

20. Поясните с помощью схемы ключевого УМ (рис.) и временных диаграмм (рис.) принцип работы и причины уменьшения рассеиваемой мощности на АЭ.

21. Почему ключевые УМ, строятся широкополосными (как правило на трансформаторах)?

22. Какой угол отсечки тока ключевого УМ можно считать оптимальным? Как можно реализовать угол отсечки тока, близкий к оптимальному?

23. Поясните причину уменьшения коэффициента усиления по мощности в ключевом режиме по сравнению с критическим режимом работы АЭ при гармонической форме выходного напряжения.

24. При использовании какого типа транзисторов в БТ и ПТ можно реализовать более высокий КПД ключевого УМ?

25. В каких случаях для реализации выходного напряжения синусоидальной формы ключевого УМ выходные согласующие цепи выполняются в виде LC-цепей высокого порядка?

26. Чем обусловлены преимущества MOSFET транзисторов при их использовании в ключевом УМ?

27.Каковы причины возникновения коммутационных потерь? Как зависят эти потери от частоты?

28.Как выбрать угол отсечки, чтобы получить макси-

мальные значения энергетических показателей (мощности в нагрузке и КПД)?

29.Как по выходной динамической характеристике УМ можно определить напряженность режима работы АЭ?

30.Как по форме импульсов выходного тока АЭ определить напряженность режима его работы ?

31.Почему от напряженности режима работы АЭ зависит КПД? Приведите конкретные значения максималь-

ных(предельных)значений КПД для = 90О; = 120°; = 180О.

52

32.Почему экспериментальные значения КПД транзистора меньше максимально возможного, особенно на высоких частотах?

33. Приведите примерное значение напряжения смещения, при котором реализуется угол отсечки =90 , если используется: транзистор кремниевый биполярный n-p- n; кремниевый биполярный p-n-р типа; полевой МДП типа.

53

3. ГЕНЕРАТОРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Для усилителей мощности и мощных автогенераторов разработаны специальные генераторные транзисторы, которые по уровню колебательной мощности существенно превосходят маломощные. При этом используется как биполярные, так и полевые транзисторы.

3.1. Генераторные биполярные транзисторы

Генераторными или мощными БТ принято считать транзисторы с допустимой рассеиваемой мощностью выше 1 Вт. В свою очередь, этот класс транзисторов подразделяется на высокочастотные (ВЧ) с граничной частотой до 300 МГц, и сверхвысокочастотные (СВЧ), имеющих граничную частоту свыше 300 МГц.

Особенностью мощного генераторного БТ по сравнению c маломощным является то, что он представляет собой структуру, состоящую из параллельного соединения парциальных (элементарных) транзисторов, число которых может составлять несколько сот и более. Изготовить такую сложную структуру с приблизительно одинаковыми параметрами невозможно. Поэтому в процессе работы элементарные транзисторы имеют различные режимы. Причем наибольшую опасность представляет различие токов коллектора. Тот из элементарных транзисторов, через который протекает наибольший ток, будет нагреваться больше остальных, что, в свою очередь, приводит к уменьшению сопротивления в данной точке кристалла, а это опять способствует увеличению тока. Это приводит к возникновению так называемого "вторичного пробоя", когда транзисторы на относительно низких частотах теряют усилительные свойства. Для выравнивания токов (и ряда других параметров) элементарных транзисторов в эмиттер каждого из них включается стабилизирующее сопротивление.

54

Поскольку элементарные транзисторы включены параллельно, генераторный БТ имеет малые входное и выходное сопротивления. Величины этих параметров для транзисторов на десятки ватт составляют единицы Ом, причем входное сопротивление может быть и менее ома.

На работу мощного высокочастотного БТ большое влияние оказывают индуктивности выводов. Поэтому транзисторы, предназначенные для работы на частотах выше 200 МГц, имеют конструкцию корпусов, выводы которых обеспечивают малые индуктивности выводов. Наибольшее влияние при включении транзистора в схему оказывает индуктивность общего электрода, поскольку по нему протекает ток, равный сумме входного в выходного токов. В диапазоне частот до нескольких сотен МГц чаще всего используется схема включения БТ с общим эмиттером. Корпус такого транзистора имеет два и более выводов эмиттера, чтобы обеспечить минимальную индуктивность этого электрода.

3.2. Генераторные полевые транзисторы

Полевые транзисторы отличаются от БТ, прежде всего меньшим влиянием температуры на их свойства. Поэтому они более надежны в эксплуатации из-за отсутствия теплового пробоя.

Входное сопротивление ПТ на низких и средних частотах в схеме с общим истоковым электродом достаточно большое и имеет емкостной характер, что позволяет рассматривать ПТ как прибор, аналогичный электронной лампе.

Второе важное достоинство ПТ-малое проявление накопления заряда, что существенно уменьшает их инерционность.

В диапазонах частот ВЧ, ОВЧ и УВЧ в качестве АЭ применяются мощные полевые транзисторы структуры металл- диэлектрик-полупроводник (МДП), а в диапазоне СВЧ – арсенид - галлиевые ПТ с барьером Шотки (ПТШ).

55

МДП-транзисторы имеют ряд преимуществ перед БТ: более высокие входные и выходные сопротивления, отсутствие вторичного пробоя, меньшее влияние температуры на их свойства, меньший уровень дробового шума. Однако МДПтранзисторы имеют несколько меньшие уровни мощности, у них ниже допустимая температура структуры, больше остаточное напряжение. Кроме того, лавинный пробой в МДПструктуре протекает за наносекунды, а не за микросекунды, как это имеет место в БТ. У ПТШ инерционность процессов в затворе на порядокдва меньше, чем у ПТ с р-п-переходами и МДП-структурами.

Частотные свойства мощных ПТ можно разделить на две зоны: область низких и высоких частот. В области низких частот, составляющей для мощных высокочастотных ПТ несколько десятков мегагерц, его свойства описываются статическими характеристиками. С помощью этих характеристик определяется ряд параметров ПТ: дифференциальное выходное (внутреннее) сопротивление Rвых , статическая малосигнальная

крутизна S, сопротивление насыщения rнас и напряжение от-

сечки Е . Как БТ так и ПТ приборы низковольтные. Поэтому мощность, генерируемую транзистором, можно увеличить только за счет увеличения тока. Поскольку их входное сопротивление на высоких частотах относительно небольшое, то коэффициент усиления небольшой.

3.3 Нелинейная модель биполярного транзистора и аппроксимация ее характеристик

При изучении инерционных АЭ недостаточно использовать статические характеристики. Связь между токами и напряжениями в этом случае определяется системой нелинейных дифференциальных уравнений.

Примером инерционных АЭ являются биполярные транзисторы. Процессы в них в значительной части диапазона рабо-

56

чих частот удовлетворительно описываются нелинейной зарядовой моделью (рис. 3.1), отражающей связь токов коллектора iк и базы iб с избы точным зарядом q неосновных носителей в базе и зарядом барьерных емкостей эмиттерного Сэ и коллекторного Ск переходов.

Емкость Ск принято разделять на две составляющие:

где Ска — емкость активной части, расположенной непосредственно под эмиттером; Скп — емкость оставшейся, пассивной части перехода.

Рис. 3.1. Нелинейная зарядовая модель биполярного транзистора

На схемн схеме рис. 3.1 внутренняя ее часть, выделенная штриховой линией, является теоретической моделиью биполярного транзистора. В соответствии с этой схемой (без учета r6, Сэ, Ск):

Здесь i кг — ток коллекторного генератора тока, управляемого избыточным зарядом в базе; iб.т — ток базы теоретиче-

57

гк.г запаздывают на время (0,2—0,4)τт относительно изменения напряжения на переходе uп. Этим запаздыванием можно пренебрегать, если рабочая частота не превышает граничной частоты коэффициента усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером: ω< ωгр и 1/τт, где рассматриваемая модель применима.

Дополним (3.2) (3.6) дифференциальным уравнением для напряжения на переходе. Для этого в соответствии со схемой рис. 3.1 запишем составляющую тока базы, протекающую через эмиттерный переход, iбп = iбт + Сэ du п /dt как сумму токов через сопротивление базы и емкость Ска:

Система уравнений (3.3) (3.8) описывает процессы в транзисторе, работающем в активной области и области отсечки. Для инженерных расчетов усилителей мощности и умножителей частоты малой кратности нелинейную зависимость (3.6) в области рабочих значений накопленного заряда можно заменить кусочно-линейной:

где Сдиф — средняя для активной области диффузионная емкость; Е' — напряжение отсечки (индекс «о» показывает, что транзистор открыт).

59

Подставив (3.8) в (3.5), получим аппроксимированные характеристики токов теоретической модели:

где Sn = Сдиф/τт — усредненная крутизна коллекторного тока по напряжению на переходе: 1 / rб — усредненная крутизна рекомбинационной составляющей базового тока, причем 11 rб =

Сдиф / τβ = Sn /h 21Э.

Дифференциальные параметры зарядовой модели

тизне коллекторного тока Sn = diк.г/ uiП и, следовательно, согласно (3.5) при iк.г >> Iк.о.т линейно зависят от тока коллектора:

В связи с этим для повышения точности расчетов при применении кусочно-линейной аппроксимации характеристик транзистора (3.9) (3.11) необходимо учитывать высоту импульса коллекторного тока iкм. Рекомендуется брать усредненные параметры Сдиф, Sn и 1/ τβ равными их дифференциальным значениям при токе iкг = 0,5iкм и проводить прямую, аппроксимирующую вольт-амперную характеристику iкг(uп), через точку, соответствующую току iкм.