книги из ГПНТБ / Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет

ZBX 3 , соответствующих открытому и закрытому состояниям эмиттерного перехода.

В ламповых генераторах эквивалентная схема связи между каскадами имеет такой же вид. Выходная емкость лампы значительна, поэтому сопротивление Z x x для высших

гармоник имеет малую величину, а форма напряжения на аноде близка к гармонической. Входное сопротивление лам­ пы в открытом состоянии достаточно велико по сравнению

СZa-

| 2 о | « [ 2 в х о | ,

поэтому форма напряжения на входе лампы последующего каскада близка к гармонической Именно по этой причине теория лампового генератора строится в предпосылке воз­

буждения гармоническим напряжением.
В транзисторном генераторе входное сопротивление от­
крытого транзистора обычно	намного меньше,	чем сопро­
тивление рассеивания, т. е.	|Z„x 0 | <С \%о\- Это	вызывает

столь значительные искажения формы напряжения на вхо­ де, что идеализация возбуждения гармоническим напряже­ нием заведомо ошибочна. Если бы сопротивление закрытого транзистора Z B X „ было так же значительно меньше чем 2СТ,

то можно было бы рассматривать возбуждение	транзистора
гармоническим током. Однако практические	соотношения
в схеме зачастую таковы, что

U « | * | 2 „ a | .

При этом условии форма возбуждающего тока так же перестает быть гармонической. Однако для простоты можно рассматривать возбуждение транзистора от источника гар­

монического тока, поскольку	характеристики генератора:
т], Кр, фазовые соотношения	— в основном определяются

открытым состоянием эмиттерного перехода, когда пред­ положение о возбуждении гармоническим током справед­ ливо. Некоторые ошибки можно ожидать лишь при оп­ ределении величин обратного напряжения на эмиттерном переходе и необходимого смещения EQ.

Итак, в дальнейшем рассматривается теория транзистор­ ного генератора при возбуждении его током гармонической формы (рис. 1.14,6, г). Целесообразность такого представле­ ния о работе генератора отмечается также в [19].

Возбуждение от источника тока, т. е. от источника с большим внутренним сопротивлением, практически оправ­ дано еще следующим: входной ток в этом случае мало зави­ сит от входного сопротивления транзистора, следовательно, выходной (коллекторный) ток определяется лишь коэффи­ циентом усиления транзистора по току. Этот принцип стабилизации работы усилителей широко известен [20].

Основные схемы включения транзистора (с ОБ, ОЭ, ОК), как известно, существенно различаются по своим усилитель­ ным и частотным свойствам [1]. Схема с ОЭ (рис. 1.14, в) имеет большее значение Кр в области низких частот, но те­

ряет это преимущество на высоких частотах	оз « сог.
Схема с ОБ (рис. 1.14, г) принципиально более	широко-

полосна, однако на радиочастотах практически реализо­ вать это преимущество трудно. Схема с общим коллектором в генераторах применения не нашла.

Современные транзисторы обычно выпускаются с вы­ водами, изолированными от корпуса, что позволяет строить усилитель по любой схеме. Однако для транзисторов диа­ пазона СВЧ часто используется конструкция с эмиттером или базой, соединенными с корпусом транзистора. В таком транзисторе однозначно задана схема возбуждения гене­ ратора (соответственно с ОЭ или ОБ), так как в противном случае за счет сильной дополнительной обратной связи не­ избежно ухудшение работы генератора.

Как уже отмечалось, режим с отсечкой тока, который используется в генераторах, достигается выбором соответ­

ствующего	смещения	Е,	запирающего		транзистор.		При
Е < О (для	транзистора п-р-п)			такое смещение		обычно де­
лается автоматическим		за	счет	сопротивления		R 3 или	/?б,
установленного в цепи		эмиттера или базы (рис. 1.14,					в, г).
Включение	RQ в цепь	постоянного тока			базы	недопустимо

в режимах, при которых температура перехода или макси­

мальное напряжение на переходе коллектора	близки
к предельно допустимым. В этом случае RQ снижает	надеж­
ность работы схемы.

1.2.ГЕНЕРАТОР В НЕДОНАПРЯЖЕННОМ

ИКРИТИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ

1.2,1. Схемы и метод анализа

Рассмотрим схемы простейших генераторов с резонанс­ ной нагрузкой (см. рис. 1.14, в, г). Будем считать, что гене­ ратор возбуждается от источника гармонического тока с амплитудой / г . В коллекторной цепи включен простейший колебательный контур, настроенный на частоту возбужде­ ния со. Обычно для достижения фильтрации гармоник

внагрузке колебательный контур имеет достаточно высокую добротность Q — соСРнПри этом, если транзистор работает

внедонапряженном или критическом режиме, напряжение на нагрузке можно считать гармоническим.

Таким образом, транзисторный генератор работает при гармоническом токе на входе и гармоническом напряжении на коллекторе. В этих условиях для того, чтобы найти вход-

ную, выходную мощности и мощность, подведенную от источ­ ника коллекторного питания, необходимо провести гармо­ нический анализ выходного тока и входного напряжения и затем уже найти энергетические показатели генератора по следующим формулам:

		^ 1 =	у ^ к / к і С 0 5 ф і ,				(1.37)
		^ =	7 =	Т Г Г '			( L 3 8 )
			«О	' с и 'ко
где UK		Л * =	у / г ^ в х і С 0 5 ф в х >				(1.39)
	— амплитуда		напряжения		на	коллекторе; / к 1 ,
/„о — амплитуда		первой гармоники			и постоянная		состав­
ляющая	коллекторного		тока; ері — фазовый угол				коллек­
торной	нагрузки;	UBXl	— амплитуда			первой гармоники

входного напряжения; <рв х 1 — фазовый угол между первой

гармоникой входного напряжения			и током возбуждения	/ р .
	1.2.2. Схема	с общим	эмиттером
Анализ формы токов и энергетических соотношений бу­
дет	проводиться с помощью схем, представленных			на
рис.	1.15. В схеме на рис. 1.15, о, тождественной схеме на
рис.	1.14, а, транзистор	заменен его эквивалентной схемой,-

справедливой лишь при работе в активном режиме и в ре­ жиме отсечки.

Учитывая,	что и для реальных транзисторов 1/юСК п ^>
> Гб, можно	перейти	к	схеме, представленной на
рис. 1.15, б. Здесь в цепи		переменного тока		не	показаны
индуктивность	выводов базы		и сопротивление	г б ,	так как
они включены	последовательно с источником			тока / г . Па­

дение напряжения на rg от постоянной слагающей тока ба­

зы учтено включением Гб в цепь смещения. Пассивная		и ак­
тивная части емкости	коллекторного перехода объединены
в общую емкость С к =	С к а + СКп.
Дальнейшее упрощение схемы (рис. 1.15, в) возможно
при замене действия UK емкости Ск источником гармо­
нического тока ju>CK(JK и введении управляющего		гене­
ратора тока
/ y	= / r + , o ) C K L / K .	(1.40)

Рис. 1.15 Схемы для определения формы импульсов токов и напряжений при включении транзистора с ОЭ.

Влияние

С„ и L K

на

вы­

ходную

цепь

генератора

сводится

к

некоторой

рас­

стройке выходного

конту­

ра,

которая

может

быть

легко

скомпенсирована со­

ответствующим

измене­

нием L или

С. Поэтому в

схеме

на

рис.

1.15,

в эти

элементы

опущены.

Будем

считать

управ­

ляющий ток

синусоидаль­

ным,

(рис. 1.16,

а):

/ у

=

— / у

sin со/.

(1.41)

Пусть

транзистор

перехо­

дит

в активный

режим на

интервале — г|) <

a>t < к,

а

при к <

wt <

2я — і);

находится

в состоянии от­

сечки. Токи

і'б и /,< идеаль­

ного

транзистора

имеются

только

на

активном

этапе

(рис.

1.16,

б, г), причем

i6==iy + A>o =

— ^ y s i

n ( 0 * + ^6o

П Р И

— г|5<со/<л.,

(1.42)

іб

= 0

при

Ж с о / < 2 д — г|з.

При fY >

0 увеличивается

заряд неравновесных

носителей

в базе, а при iV <

0 этот

заряд рассасывается. Площадь

положительного

тока /б всегда

больше

площади

отрица­

тельного тока, так как часть введенного заряда

рекомбини-

рует в базе.

Как видно из рис. 1.16, в, изменение напряжения на эмит-

терном переходе на этапе отсечки определяется

изменением

заряда емкости эмиттерного

перехода:

у э = —

jj

( f y - f - / 6 0 ) d o ) / + £ '

при

к<Ы<2п

—г|5.

(1.43)

В активном состоянии напряжение на переходе равно напря­ жению отсечки, т. е.

v9 — E' при —aJ)<co/<A..

Коллекторный ток согласно (1.10) пропорционален за­ ряду базы <?б = q6a. Заряд базы можно определить из диф­ ференциального уравнения (1.11)

їв-	/ б 0	- / „ s i n c o * = ^ - 6	— ^ -	(1.44)
		dt

учитывая, что в начале и конце активного этапа заряд базы равен нулю, т. е.

q6 = 0	щи	at — —ij),	(1.45)
q6—0	при	(ot = %.	(1-46)

Постоянная слагающая базового тока / б 0 определяется следующим соотношением:

X

откуда после интегрирования получаем

	—cos г|) 4" cos X	= * у Уов	(1.47)
	2я—(г|5 + Я)

Решение дифференциального уравнения (1.44) при на­ чальных условиях (1.45) и (1.46) представляется следующим выражением:

	-е mT P / у т 3			r sin (^ +	фр)	COS Я — COS\|3
				jAl^HwTg)2		2я — (ty^X)
	~1уЧ	sin	(at—фр)		COS Я—COSlJ)		(1.48)
		У1	ф (ютр)2		2 я - ( і | з ф Я )

где фр = arctg сотр.

Из решения (1.48) и условий (1.45) и (1.46) получаем транс­

цендентное уравнение для			определения	зависимости
А,(г|), сот) при т	=	тр (рис. 1.17).
Выражение	(1.48) позволяет		построить форму импульса
тока коллектора		/„' идеального транзистора		в соответствии

с формулой (1.10). График (рис. 1.16, г) представляет собой сумму экспоненты [свободное решение уравнения (1.44)] и гармонической функции [вынужденное решение урав­ нения (1.44)].

Как видно из рис. 1.18, форма тока коллектора при пере­ ходе от низких частот (cof30/ft>r < 0,3) к высоким частотам («в60/о)7 > 3) при условии постоянства высоты импульса и его угла отсечки

в = (ф + Я)/2

(1.49)

изменяется с уменьшением частоты, импульс перекашивает­ ся и на низких частотах он должен -иметь резко несиммет­ ричную форму (см. штрих-пунктир).

я,

160

120

СОҐ*X>/у>	\
	1у /\	\ N

S	-ср О oJi

80	"0,5	'=0
40
<7	40 SO 120 160 200 2W <p,

Рис, 1.17. Зависимость угла закрывания X транзистора от угла открывания ij) при возбуждении током.

Первая гармоника базового тока идеального транзистора может быть теперь определена через амплитуду управля­ ющего тока и угол отсечки в , т. е.

/бі =/y YiBx(®. и т ) п р и т = тр ,	(1.50)
где функция 7, в х может быть вычислена как	коэффициент

при первой гармонике разложения функции (1.42) в ряд Фурье.

График модуля функции | у 1 в х (в, сот)| с учетом					зависи­
мостей, приведенных на рис. 1.17,		и (1.49) представлен на
рис.	1.19, а. На этом же рисунке	показана зависимость
Товх	(®> < Й Т ) ' построенная по (1.47) и (1.49) (рис. 1.19,				б).
Из рис. 1.19, а следует, что при заданном 9				содержание
первой гармоники в импульсе базового тока				идеального
триода мало зависит от частоты при шт =			оотр >	1, причем
	| у 1 в х (в, (ОТ) | Ж У! (в) При й)Т=С0Т,і>			1,	(1.51)
где	7х(в) — коэффициент разложения		косинусоидального
импульса [18].

Для'определения первой гармоники коллекторного тока используем (1.13) и (1.50), тогда

			/ к . = / в і Р		= / у 7 і « Р =		/ у в 0 Ї 1	к ,	0-52)
Г Д Е	Уїк =	Y W	O +	Іт) =	VIKA + / Y I K M		при	t = тр.
График		функции		У і к д ( ® т , ®); V I K M ( « » T , в)				представлен на
рис.	1.19, г. Смещение				Е = £ б ,	обеспечивающее			нужный
угол	отсечки		в	в соответствии		со схемой		на рис. 1.15,6,

Рис. 1.18. Изменение формы им пульса коллекторного тока при переходе от низких частот к вы­ соким при возбуждении . транзи стора гармоническим током s

базе

* М ,	, „ Л у С 8	> 1 и л и - ^ -
01/-
•Л и iofty С в		< h

может быть определено как сумма среднего значения напря­ жения на эмиттерном переходе и падения напряжения от

постоянной	слагающей базового тока				на г б и гэ :
		2 л
£ = £ б =		- і - $ »	а ^ + / б 0 ( г б - Ь р 0 А э ) .			(1.53)
Подставляя	(1.43)	и (1.47)	в (1.53),	получаем
					Д (6, (от)	(1.54)
					о)Сэ
где	А (в, ( й т		) = ^ [ ( ^	) ]	/ 2 х
			я
	X [sin 9-[-(я —в)cos в ]				при т = т р .

График этой функции представлен на рис. 1.19, в. Приведенный анализ форм токов и напряжений должен

дать значительную погрешность в области низких частот, когда для закрытого эмиттерного перехода емкостное со-

3 Зцч. 1056

49

противление	1/о)Сэ окажется соизмеримым с сопротивлени­
ем утечки Ry	или с внутренним	сопротивлением источника
возбуждения	(см. пунктир на рис. 1.15, а). Очевидно, что
на низких частотах при со/?у Сэ <		1 при гармоническом воз-

0,8 0,4 О -0,4 -0,8 COS&

Рис. 1.19.	Графики для определения гармонических составляющих
	входного тока и тока коллектора:
а—расчет	но (150); б—расчет по (1.47),	(1 ,49); в—расчет с помощьк
	(1 , 64); г — расчет по	(1.52)

буждении форма импульса коллекторного тока, вопреки

графикам, построенным	на рис. 1.18, должна быть близкой
к симметричной.
Таким образом, реальный импульс коллекторного тока
может иметь заметный	перекос лишь где-то в области сред-