Романюк_Приемопередающие_устройства

же время усилитель должен быть нагружен на стандартное сопротивление Rн = 50 Ом.

Поэтому коллекторный контур одновременно выполняет роль выходной согласующей це-

пи, преобразующей Rн в сопротивление, равное Rк.гр . Особенность построения выходной согласующей цепи поясняется рис.8.5.

Рис.8.5. Эквивалентная схема биполярного транзистора (а)

и схема, показывающая особенность выполнения выходной согласующей цепи (б)

На рис.8.5,а показаны индуктивности выводов транзистора: Lб , Lк и Lэ , а на рис.8.5,б

представлена несколько измененная схема, из которой ясна особенность построения вы-

ходной цепи. При построении схемы рис.8.5,б учтено, что в течение периода колебаний

сопротивление эмиттерного перехода Zэб мало, так что барьерная емкость коллекторного

перехода Ск оказывается подключенной к генератору тока iг .

Для того чтобы сопротивление на выводах генератора тока iг было равно граничному

, нужно преобразовать сопротивление нагрузки Rн в комплексное входное сопротив-

ление выходной согласующей цепи: , действительная часть которого обес-

печивает граничный режим работы транзистора, а мнимая часть компенсирует влияние емкости Ск и индуктивностей Lк и Lэ .

51

8.4. Расчет узкополосных Г-образных согласующих цепочек

Если частота выходных колебаний усилителя такова, что их длина волны много больше размеров компонентов усилителя, то согласующие цепи выполняют на элементах с сосредоточенными параметрами. Основные требования к согласующим цепям - миними-

зировать потери электромагнитной энергии, поэтому в согласующих цепях избегают при-

менения резисторов.

Согласующие цепи обычно выполняют с использованием катушек индуктивности,

конденсаторов и трансформаторов. Простейшими являются Г-образные LC-цепочки

(рис.8.6).

Г-образные цепочки преобразуют малые сопротивления r в бόльшие R (R > r) и на-

оборот. Эти цепочки образуют колебательные контуры, которые настраиваются в резо-

≥ 3) они обладают фильтрующими свойствами, способствуя формированию на транзисто-

ре гармонического напряжения или тока на входе и гармонического напряжения на выхо-

де. Если элемент цепи включен последовательно в контур, образованный цепочкой, то его ток является гармонической функцией времени. При параллельном подключении гармо-

ническим является напряжение.

Выбор той или иной цепочки объясняется следующими обстоятельствами:

если применяется транзистор малой мощности, то на его входе необходимо преобразо-

вать большое входное сопротивление в меньшее сопротивление R, при этом обеспечить гар-

моническую форму напряжения на базе uб (t) . Для этих целей пригодны схемы, изображен-

ные на рис.8.6,б,г, где источники напряжения включены слева, а транзистор справа;

Рис.8.6. Г-образные цепочки

52

для мощных усилителей, у которых малое входное сопротивление и необходим гар-

монический входной ток, применима схема показанная на рис.8.6,а,в.

Для расчета элементов цепочки первоначально определяется требуемая ее доброт-

8.5.Комбинационные колебания

вусилителях мощности

Вусилителях мощности часто происходит усиление колебаний одновременно двух и более каналов. Поскольку в состав усилителя входит нелинейный элемент - транзистор,

несущие частоты радиосигналов взаимодействуют и появляются колебания комбинацион-

ных частот, часть которых попадает в полосу пропускания усилителя, препятствуя эффек-

тивному усилению входных колебаний.

Рассмотрим случай подачи на затвор полевого транзистора колебаний напряжения с двумя близко расположенными частотами:

uз Eсм U1 cos 1t U2 cos 2t ,

где Eсм - напряжение смещения; U1 и U 2 - амплитуды колебаний напряжения частот 1 и

2 .

Основная нелинейная характеристика транзистора - переходная, т.е. зависимость тока стока iст от напряжения на затворе может быть разложена в ряд Тэйлора в окрестности напряжения Eсм :

тральных составляющих тока на частотах 1 и 2 оказываются комбинационные состав-

ляющие вида 2 1 – 2 и 2 2 – 1 . Именно они попадают в полосу пропускания усилителя.

Поскольку в этом случае n m = 3, такие комбинационные частоты называют комбинаци-

онными составляющими 3-го порядка. Для минимизации комбинационных частот нужно ставить транзистор в линейный режим работы либо, если усилитель мощный, линеаризо-

вать режим схемными методами [4].

54

9. Усилители мощности СВЧ

9.1. Частотные свойства биполярного транзистора

в усилителе мощности

Найдем максимальную частоту входных колебаний, на которой коэффициент усиле-

ния мощности усилителя на биполярном транзисторе KP превышает 1.

Здесь

Введем предположения:

1)транзистор открыт и работает в линейном режиме;

2)барьерная емкость коллекторного перехода существенно меньше диффузионной емкости эмиттерного перехода;

3)частота колебаний достаточно высока, поэтому можно пренебречь сопротивлением рекомбинации эмиттерного перехода;

4)коллекторный ток равен току генератора эквивалентной схемы транзистора. В этом случае диффузионный заряд электронов в базе транзистора

где - амплитуда первой гармоники диффузионного заряда электронов, прошедших в базу транзистора через эмиттерный p - n-переход; t - время пролета электронов через ба-

зу.

Видно, что для увеличения KP на требуемой частоте следует:

1)увеличивать резонансное сопротивление коллекторного контура Rк;

2)уменьшать время пролета электронов через базу t;

3)уменьшать действительную часть входного сопротивления транзистора Rвх.

55

Возможность увеличения Rк ограничена необходимостью работы транзистора в гра-

ничном режиме. При увеличении Rк выше граничного значения коллекторный ток суще-

ственно искажается, амплитуда Iк1 падает и уменьшаются выходная мощность усилителя,

а также коэффициент усиления KP.

Время пролета носителей заряда через базу определяется следующим приближенным выражением (6.1):

где l - длина базы; vдр= E - дрейфовая скорость подвижных носителей заряда; - под-

вижность носителей заряда; E - напряженность электрического поля в базе транзистора.

Для уменьшения t нужно уменьшать длину базы l, увеличивать подвижность носите-

лей заряда и напряженность поля E. Величина E не должна превышать допустимое зна-

чение во избежание пробоя, а подвижность зависит от вида подвижных зарядов (элек-

троны или дырки) и полупроводникового материала, из которого изготовлен транзистор.

В табл.9.1 приведены подвижности электронов и дырок для разных полупроводниковых материалов.

Таблица 9.1

Подвижности носителей заряда в различных полупроводниках

Подвижность электронов во всех полупроводниковых материалах выше подвижности дырок, поэтому для высокочастотных транзисторов используют структуры, в которых физи-

ческие процессы определяются движением электронов. Для увеличения K P на высоких час-

тотах применяют GaAs и сложные соединения, например гетеропереходы AlGaAs - GaAs.

Рассмотрим причины появления сопротивления Rвх и возможности его уменьшения.

Строго говоря, усилитель мощности является генератором с внешним возбуждением. Вы-

ходная мощность появляется путем преобразования энергии постоянного электрического поля источника питания в энергию электромагнитных колебаний. Входные колебания нужны лишь для управления потоком электронов в базе, от источника входных колебаний

56

Входной адмитанс транзистора равен:

Y = Iвх1 .

вх

U вх1

Подставив сюда выражения (9.4) - (9.8), получим

Yвх = j ( Cэ + Cк ) + j CкCэUк1 .

Из формулы видно, что адмитанс транзистора не имеет действительной части, если

к существенному изменению коэффициента усиления мощности и даже возбуждению па-

разитных колебаний при изменении нагрузки усилителя. Однако на практике таких явле-

ний не наблюдается.

Влияние на входное сопротивление биполярного транзистора индуктивности

вывода транзистора, общего для входной и выходной цепи усилителя. Входная мощ-

ность усилителя может попадать в нагрузку, минуя транзистор, через индуктивность эмиттерного вывода, если транзистор включен в цепь по схеме с общим эмиттером. Уп-

рощенная эквивалентная схема усилителя для исследования влияния Lэ приведена на рис.9.2. Входной импеданс транзистора рассчитывают по формуле:

где Uвх1 - комплексная амплитуда первой гармоники напряжения на входе транзистора;

Iвх1 - комплексная амплитуда первой гармоники входного тока транзистора, т.е. тока базы.

Из рис.9.2 следует, что

58

Рис.9.2. Упрощенная схема усилителя с учетом индуктивности эмиттерного вывода

Наличие действительной части входного импеданса транзистора приводит к тому, что потребляется входная мощность Pвх 12 Iвх2 1Rвх , выражение для которой в соответствии с ( 9.3) и (9.12) имеет вид

Выходной импеданс транзистора с учетом индуктивности Lэ. Для того чтобы оп-

ределить физический смысл потребления транзистором входной мощности, получим вы-

ражение для его выходного импеданса:

Сравнение полученного выражения с (9.13) показывает, что в нагрузку, наряду с гене-

рируемой, передается мощность Pвх , потребляемая транзистором благодаря наличию ин-

дуктивности Lэ . Суммарная выходная мощность усилителя равна:

где Rк - резонансное сопротивление коллекторного контура.

Таким образом, с ростом частоты коэффициент усиления мощности резко падает и стре-

мится к 1. При частоте колебаний выше 1 ГГц усилитель на биполярном транзисторе, вклю-

ченном по схеме с общим эмиттером, не усиливает. Для увеличения коэффициента усиления мощности возможно включение транзистора по схеме с общей базой. Однако такие усилите-

ли склонны к возбуждению паразитных колебаний и требуют индивидуальной настройки.

На частотах, больших 1 ГГц, применяют усилители мощности на полевых СВЧ-

транзисторах, а также на биполярных транзисторах специальной структуры, изготовлен-

ных из арсенида галлия - более высокочастотного полупроводникового материала, чем кремний. Если частота колебаний не превышает нескольких десятков гигагерц, использу-

ют полевые транзисторы с затвором, выполненном в виде барьера Шоттки. Кроме того,

применяют биполярные транзисторы с гетеропереходом эмиттер - база (cтруктура HBT).

На более высоких частотах применяют варианты полевых транзисторов структуры HEMT.

Структура усилителя мощности СВЧ соответствует рис.8.1. В случае применения в качестве активных элементов полевых СВЧ-транзисторов несколько изменяется цепь смещения. Полевые транзисторы включают по схеме с общим истоком, к затвору полево-

го транзистора подводят отрицательное постоянное напряжение. Если транзистор мало-

мощный, последовательно с выводом истока включают сопротивление автосмещения, ис-

60