УГИФС / Исследование генераторов с внешним возбуждением на биполярных транзисторах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

Исследование генераторов с внешним возбуждением на биполярных транзисторах

Цель работы: изучение принципов работы и расчета генераторов с внешним возбуждением на биполярных транзисторах.

Краткие теоретические сведения

Генератор с внешним возбуждением

Одним из основных элементов радиопередатчика является генератор с внешним возбуждением (ГВВ) – устройство, преобразующее энергию источника постоянного источника в энергию тока высокой частоты. При этом частота колебаний на его выходе не зависит от внутренних параметров схемы, а определяется частотой поданных на его вход колебаний.

ГВВ состоит из следующих основных элементов: электронный прибор, выполняющий роль регулятора расхода энергии источников питания; источник питания, являющийся источником энергии колебаний радиочастоты; нагрузка выходной цепи усилительного прибора (чаще всего колебательный контур).

Применение того или иного усилительного прибора определяется мощностью и диапазоном рабочих частот. ГВВ с выходной мощностью до сотен ватт выполняются на биполярных транзисторах (БП) и полевых транзисторах (ПТ).

ГВВ на БП используются на частотах примерно до 10ГГц. ПТ с барьером Шотки (ПТШ) изготавливаются из арсенида галлия. Скорость электронов в GaAs примерно в два раза выше, чем в кремнии, а емкость затвора сравнительно мала, поэтому ПТШ могут работать на более высоких частотах до 90…120ГГц.

Зависимость выходной мощности полевого и биполярного транзистора от частоты приведена на рис. 1.

В ГВВ транзистор можно включать по схемам: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). В радиопередающих устройствах наиболее часто применяется схема с ОЭ, так как она обеспечивает одновременное усиление тока и напряжения, и реализует наибольшее усиление по мощности. В схемах с ОБ усиление по мощности меньше, чем в схемах с ОЭ, но устойчивость выше. Схема с ОК в ГВВ используется редко из-за низкого коэффициента усиления по напряжению.

Рис. 1 Зависимость выходной мощности полевого и биполярного транзистора от частоты

Режим работы ГВВ, при котором переменный ток в выходной цепи протекает на протяжении всего периода колебаний во входной цепи генератора, называется режимом колебаний первого рода. Для его осуществления рабочую точку в исходном состоянии на входной характеристике биполярного транзистора выбирают на середине линейного участка. Реально при колебаниях первого рода _э – КПД коллекторной цепи составляет 35…40%. Для мощных генераторов это очень низкий КПД. Для повышения КПД нужно увеличить значение тока в один из полупериодов и уменьшить (желательно свести его к нулю) во время второго полупериода, поскольку для пополнения энергии колебаний в контуре достаточно, чтобы ток через контур проходил только в один полупериод.

Режим работы генератора, при котором ток в его выходной цепи протекает через усилительный прибор на протяжении части периода изменения напряжения возбуждения, называется режимом колебаний второго рода. Это достигается увеличением напряжением смещения. При колебаниях второго рода ток в выходной цепи усилительного прибора имеет форму периодической последовательности импульсов, продолжительность которых зависит от значения напряжения смещения.

По форме импульсы выходного тока генератора бывают: косинусоидальные; косинусоидальные притупленные и косинусоидальные с верхней отсечкой. Импульсы тока характеризуются двумя основными параметрами: амплитудой импульса и углом нижней отсечки .

Углом нижней отсечки называют выраженную в угловой мере половину части периода, в течении которой протекает ток.

При  = 180⁰ – генератор работает в режиме колебаний первого рода.

При 0 <  < 90⁰ – в режиме колебаний второго рода.

Режим при  = 90⁰ называется режимом класса В; при  > 90⁰ – режим класса АВ; при  < 90⁰ – режим класса С.

В зависимости от сопротивления нагрузки различают режимы работы ГВВ по напряженности: оптимальный (R_Э = R_{Э ОПТ.}); недонапряженный (R_Э < R_{Э ОПТ.}); перенапряженный (R_Э > R_{Э ОПТ.}). сопротивление нагрузки R_Э при котором Р_ВЫХ максимальна, называется оптимальным и обозначается R_{Э ОПТ.} Режим работы ГВВ при оптимальном значении сопротивления нагрузки называется оптимальным, критическим или граничным.

Рассмотрим нагрузочные характеристики (рис. 2).

Рис. 2 Кривые зависимости параметров ГВВ от сопротивления нагрузки

КПД выходной цепи; J_ВЫХ1 –амплитуда первой гармоники выходного тока; J_ВЫХ0 – постоянная составляющая выходного тока; U- напряжение на выходных электродах усилительного элемента; Р₁- мощность отдаваемая в нагрузку; Р₀ –мощность потребляемая от источника питания.

По этим характеристикам можно определить, как изменяются основные параметры ГВВ при изменения сопротивления нагрузки R_Э.

Из анализа нагрузочных характеристик можно сделать следующие выводы:

1. Для получения максимальной генерируемой мощности Р₁ и большого значения КПД  оптимальным является критический (КР) или слабо перенапряженный режим (ПР).

2. В недонапряженном режиме (НР) небольшая Р₁ и низкий КПД, а тепловые потери Р_РАС. на выходном электроде электронного прибора больше, что может вызвать перегрев его и разрушение.

3. Важным достоинством слабо перенапряженного режима является незначительное изменение выходного напряжения при изменении сопротивления нагрузки.

4. В сильно перенапряженном режиме значения Р₁ и КПД небольшие, а потери на управляющем электроде сильно возрастают. В лампе это приводит к перегреву и разрушению сетки. Для биполярных транзисторов этот режим менее опасен, так как из-за уменьшения рассеяния в области выходного электрода общий тепловой режим кристалла может оказаться неизменным при значительном возрастании напряженности.

Генератор в недонапряженном и критическом режимах

Рассмотрим простейшую схему ГВВ с резонансной нагрузкой (рис. 3).

Рис. 3 Схема ГВВ с резонансной нагрузкой

Будем считать, что ГВВ возбуждается от источника гармонического тока с амплитудой . ГВВ в данном режиме работает при гармоническом на входе и гармоническом напряжении на коллекторе.

При этих условиях необходимо провести гармонический анализ входного тока и выходного напряжения и затем уже найти энергетические показатели ГВВ по следующим формулам:

– выходная генерируемая мощность; (1) – КПД коллекторной цепи; (2)

– входная мощность; (3)

где – амплитуда напряжения на коллекторе;

– амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока;

– мощность источника питания;

– напряжение источника питания;

– фазовый угол коллекторной нагрузки;

– амплитуда первой гармоники входного напряжения;

– фазовый угол между и током возбуждения .

Схема с общим эмиттером

Анализ работы схемы проводится с помощью схемы рис. 4, тождественной схеме рис. 3, где биполярный транзистор заменен его эквивалентной схемой, справедливой лишь при работе в активном режиме и в режиме отсечки (то есть в недонапряженном и критическом режимах). В ней введен управляющий генератор тока (4), где – емкость коллекторного перехода равная сумме пассивной и активной части емкости коллекторного перехода. Влияние и сводится к некоторой расстройке выходного контура, которая может быть легко скомпенсирована соответствующим уменьшением L и C. Поэтому в схеме на рис.4 эти элементы опущены.

Рис. 4 Эквивалентная схема ГВВ

Будем считать управляющий ток гармоническим (рис. 5,а):

(5).

Транзистор переходит в активный режим на интервале: , а при переходит в состояние отсечки.

Токи и имеются только на активном этапе, причем: (рис. 5, б и г)

при

при (6)

Изменение напряжения на эмиттерном переходе на этапе отсечки (рис. 5, в) определяется изменением заряда емкости эмиттерного перехода:

при (7).

В активном состоянии напряжение на переходе равно напряжению отсечки то есть: при .

Рис. 5 Временные диаграммы для токов и напряжений электродов транзистора

Заряд базы можно определить из дифференциального уравнения:

(8),

учитывая, что в начале и в конце активного этапа заряд базы равен нулю, то есть:

при (9)

при (10)

Постоянное слагаемое базового тока равна: , и после интегрирования получаем

(11).

График (рис. 5, г) представляет собой сумму экспоненты (свободное решение уравнения (8)) и гармонической функции (вынужденное решение уравнения (8)).

Если - коэффициент усиления по току БТ с ОЭ, - частота на которой

, то, как видно из рис. 6 , при переходе от низких частот к высоким при постоянстве высоты импульса и его угла отсечки, изменяется с уменьшением частоты, импульс перекашивается и на НЧ имеет резко несимметричную форму.

Рис. 6 Временные диаграммы импульсов коллекторного тока

1 – ; 2 – ; 3 – .

Первая гармоника базового тока идеального биполярного транзистора определяется:

при =С_Д · (13),

где функция вычисляется как коэффициент при первой гармонике разложения функции (6) в ряд Фурье;- постоянная времени открытого эмиттерного перехода; С_Д – диффузионная емкость; - сопротивление открытого перехода.

Величину можно рассматривать как среднее время жизни неосновных носителей в материале базы: = 1/ , так как f_T =, то f_T= /(2).

Графики модуля и представлены на рис. 7, а и б.

Для определения первой гармоники используем (13) и тогда: , где при (14). Графики ; показаны на рис. 7, в.

Смещение , обеспечивающее нужный угол отсечки в соответствии со схемой на рис.4 определяется как сумма среднего значения и падения напряжения от постоянной слагающей на и :

. (15)

Рис. 7 Графики зависимости ,,,от cos

Подставляя (7) и (11) в (15), получаем:

(16)

где при .

График функции приведен на рис. 8.

Рис. 8 График функции

Приведенный анализ форм J и U должен дать значительную погрешность в области НЧ, когда для закрытого эмиттерного перехода емкостное сопротивление окажется соизмеримым с сопротивлением утечки или с внутренним R источника возбуждения.

На НЧ при гармоническом возбуждении форма импульса (рис. 6) должна быть близкой к симметричной. Реальный импульс может иметь заметный перекос лишь где то в области средних частот. Практически эта область частот незначительна, что позволяет считать импульсы на всех частотах симметричными. Тогда при заданных , , , можно определить токи коллектора и необходимое возбуждение по формулам:

; (17)

; (18)

; (19)

. (20)

Колебательная мощность, генерируемая биполярным транзистором, определяется выражением (1) при в критическом и недонапряженном режимах.

Входная мощность определяется как

. (21)

Расчет по этой формуле для общего случая затруднен, однако он упрощается в практически важном случае работы при настроенной нагрузке.

(22)

(23)

(24)

где – мощность на входе транзистора при нейтрализации обратной связи через и ;

– мощность передаваемая через емкость ;

– мощность, передаваемая в коллекторную цепь за счет ОС через индуктивность эмиттерного вывода;

– мощность передаваемая в коллекторную цепь за счет действия двух каналов ОС.

Выходная мощность определяется суммой мощностей генерируемой транзистором и передаваемой в нагрузку по цепям ОС:

. (25)

Согласно (24) и (25) коэффициент усиления по мощности:

. (26)

Для расчета коллекторной цепи ГВВ на заданную мощность P₁ в критическом режиме можно использовать следующие формулы:

Безразмерная мощность: или .

Напряжение источника питания: .

Амплитуда напряжения на коллекторе: .

Сопротивление нагрузки: .

Первая гармоника коллекторного тока: .

Постоянная составляющая коллекторного тока: .

Мощность источника питания: .

КПД коллекторной цепи: .

Согласно (3), получаем амплитуду первой гармоники входного напряжения: .

При рассмотрении реальных ГВВ нужно учитывать инерционные явления, емкости переходов транзистора и индуктивности выводов. Рассмотрим особенности работы ГВВ на биполярном транзисторе на высоких частотах. Высокими будем считать частоты, при которых , где t_пр – время пробега носителей тока от эмиттера к коллектору, _пр – угол пробега, то есть угол фазового сдвига между первой гармоникой коллекторного тока и колебательным напряжением на контуре. Основной особенностью работы на высоких частотах является влияние время пробега t_пр носителей заряда. На сравнительно низких частотах оно небольшое (рис. 10, а), и им можно пренебречь.

Но на высоких частотах проявляется время пробега в том, что носители заряда (электроны или дырки), инжектированные эмиттером в один и тот же момент времени, рассеиваются и приходят к коллектору в разное время. Это приводит к уменьшению коэффициента усиления по току .

Рис. 9. Временные диаграммы i_k и I_Э : а) низкие частоты; б) высокие частоты

Кроме того, на высоких частотах время пробега t_пр становится соизмеримым с периодом колебаний напряжения возбуждения. При этом часть носителей заряда не успевает отойти от эмиттера и после смены полярности напряжения возбуждения возвращается обратно на эмиттер. Это уменьшает амплитуду первой гармоники коллекторного тока, увеличивает ток базы и создает в импульсе тока базы и эмиттера участок обратного – отрицательного – тока (участок аб на рис. 10, б). Импульс коллекторного тока искажается – растягивается начальная часть импульса и смещается его максимум.

Описание лабораторного макета.

Схема электрическая принципиальная приведена на рис.10.

Возбуждение к ГВВ обычно подводится от блока возбудителя (Г) по коаксиальному фидеру. Следовательно, входное сопротивление биполярного транзистора следует трансформировать в величину равную 50 или 75 Ом. Входной каскад ГВВ (С1, L1, С2) может быть рассчитан по следующим формулам:

если , то ; , где R₁₂ – требуемая величина входного сопротивления каскада (R₁₂=50 или 75 Ом);

Рис. 10 Принципиальная схема лабораторного макета

Г – генератор сигналов ВЧ; VT1 – КТ903А – включен по схеме с ОЭ.

X_L – реактивное сопротивление L1, ;

X₁, X₂ – реактивное сопротивление С1,С2; .

В генераторах на биполярном транзисторе требуется отпирающее напряжение смещения Е_СМ. Его можно получить от источника коллекторного питания с помощью делителя (R2+R3)R4. Такой способ получения фиксированного смещения можно использовать только в маломощных ГВВ на биполярном транзисторе. В мощных ГВВ из-за большого тока делителя велики потери энергии Е_К на резисторах.

Применяется комбинированное смещение. Отпирающее напряжение подается через делитель (R2+R3)R4 в цепи базы: . Запирающее – автоматическое, создаваемое постоянной составляющей базового и эмиттерного токов: . Для улучшения стабилизации нужно увеличивать эмиттерное и уменьшать базовое смещение.

Чтобы ослабить побочные излучения на гармониках между ЭП оконечного каскада и антенной включают фильтрующий узел связи (УС): УС должен трансформировать R_H передатчика в активное сопротивление R_Э; УС должен пропускать заданную полосу частот; иметь высокий КПД; иметь высокую технологичность.

Если у простейших колебательных контуров коэффициент фильтрации по току высших гармонических составляющих равен: , то у П – контура (С4,L3,С5): , где Q – эквивалентная добротность контура с учетом R_Н; n – номер гармоники тока ЭП.

Таким образом при равной Q, у П – контура К_J в n раз выше. При равном К_J он пропускает на основной частоте более широкую полосу частот. Обладает более высоким КПД (90…96%). Способен трансформировать R_Н как в сторону уменьшения так и увеличения. Полностью удовлетворяет нормам на степень подавления побочных излучений. Характеризуется простотой конструкции и регулировки.