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

			Расчет генератора	в критическом
	Наименование		Символическая запись или
			- форм улэ
	Импульс	коллекторного	'к макс = /кі/°'і № ) < 'ид
	тока
	Мощность	источника	=	Ек/ш
	питания

К п. д. коллекторной цепи

	Амплитуда	входного
	тока
Искомые
величи	Мощность	на гс,
ны

Мощность, затрачивае­ мая в источнике смешения Е

Мощность, передавае­ мая через

Р ч о ч е і	а е п и
/В х = / к і / « о / т ^ М	+ ^кі)

Р г б = / в х ' б ( 1 - 7 0 ї , к д + + m C K a a „ Y l K M / ? H ) / ?

^ о - 2 / м CuC.

PL6 = — / в х ( о / , б а 0 Х

режиме (схема с ОБ)
Раз­			Примеры расчета
мер­
ность
мА	101,8	35,2	2335	648	220
Вт	0,66	0,0714	26,85	7,35	2,12
	6,758	0,702	0,743	0,68	0.71
в о з б у ж д е н и я
мА	121	45	2960	815	212
Вт	0,42	0,087	6,14	2,18	0,17
Вт	0,0048	0,0076	1,05	1,019	0,08
Вт	-0,081	—0,045	- 4,7 2	- 1,3 8	- 0,093

Коэффициент усиления	к	Р і + Р ^	0,51	6,2	4,35	5,5
		1,24
по мощности

Графики

функции

YIKA(®1

Ю Т ) ; Y I K M ( ® .

приведены

на

рис. 1.19,

г.

Входное

сопротивление

рассматриваемой схемы

равно

ї м 1 = 0 В Х І / і Ґ .

(1.66)

Мощность возбудителя определяется

как

Р в х

=

П Re [Z B X I

|/2 = Pr,

+ Рп + Р о с

(гб ).+ Р о с

(Ск а )

+

+ P 0 C ( L u ) f P 0 C ( C K . L 6 ) ,

(1.67)

где

Р п , = / р / - у / 2 —мощность

в

сопротивлении

тела

эмит­

тера;

РЕ =

/гУп<м(0; <отт)/2<оСл — мощность, затрачи­

ваемая

в

источнике

смещения;

Рос

(го) = /? 'о [1 — Уїкд + YIKM © С „ А

Рчк р ]/2

—

мощность, потребляемая

от

источника

возбуждения

за

счет обратной связи через лб ;

Р 0 0

(L6 ) =

/? coL6 ( у 1 к М

+ Уїкд юСк

Я к р ) / 2

— мощность, потребляемая от источника

возбуждения

за

счет обратной связи через LQ.

Выражение для

коэффициента усиления

по мощности

с

учетом составляющих, создающих прямое прохождение мощ­

ности	на	выход, имеет вид
	К Р		О Ъ = И * ж =	P l	* Р ° с		( / б )	, (1.68)
			Р в х	Ргэ+Р(Е)	+	Р00	Ы^Рос	О б )
где p i	=	\	/ к , Р н =	^ / 2 г [ ( У г к м ) 2		+	( ^ к д ) 2	1 Р н .

В табл. 1.3 приведены расчетные формулы и примеры расчета генераторов по схеме с общей базой для тех же слу­ чаев, которые представлены в табл. 1.2.

Коллекторная цепь схемы с ОБ рассчитывается по тем же формулам, при той же крутизне линии критического режима, что и схема с ОЭ, поскольку для высокочастотных транзисторов этот параметр в основном определяется со­ противлением коллектора, и положение линии критического режима практически не зависит от схемы включения тран­ зистора. Расчет цепи возбуждения существенно отличается от расчета для схемы с ОЭ и проводится по формулам (1.67), (1.68).

Сравнение табл. 1.2, 1.3 показывает, что	при работе
на частотах, близких к предельным, схема с ОБ	имеет боль­
ший КР, чем схема с ОЭ.

1.2.4. Влияние нелинейности емкости коллекторного перехода на энергетические характеристики коллекторной цепи

Нелинейность коллекторной емкости транзистора может существенно сказаться на работе генератора, если внеш­ нюю емкость контура, шунтирующую выход транзистора,

сделать малой

или равной

нулю. Такой случай

характерен

для

работы

в метровых и дециметровых

диапазонах. Здесь

уменьшение

емкости

контура

необходимо для

повышения

к. п. д. кон­

тура г]т и получения до­

статочно

больших

ин-

дуктивностей,

конструк­

тивное выполнение кото­

рых

не

вызывает

труд­

ностей.

Выходная

емкость

транзистора

в

схеме с

ОЭ

при ефо/о)/

>

3 и в

Ult

схеме с ОБ, как следует

из эквивалентных

схем

Рис. 1.22. Форма

гока

и

напряже­

на рис. 1.15

и

1.20, оп­

ния

коллектора

в

генераторе с не­

ределяется

емкостью

линейной

емкостью

контура.

коллекторного

перехода

Ск .

Рассмотрим форму напряжения

на коллекторном пе­

реходе в

этих

схемах (см. рис. 1.14). Будем считать, что

внешняя

емкость

С — 0 и емкость коллекторного

конту-

ра: определяется емкостью Са.

Как известно

I1J,

CK

=

Au7v-

Для современных высокочастотных кремниевых генернторных транзисторов характерна степень нелинейности v = = VJ5].

Известно, что колебания в таком контуре имеют негар­ монический характер: уплощена нижняя полуволна напря­ жения, при которой происходит увеличение емкости (рис. 1.22). Это уменьшает рассеиваемую на коллекторе мощность, но увеличивает пик-фактор формы коллектор­ ного напряжения П = ик а&кс1Ек. Расчеты показывают [17], что npH.SK p -+ оо и при достаточно высокой добротности контура форма напряжения определяется 1-й и 2-й гармо-

никами:	ык	= Ек — UK(cosat — 0,25 cos 2а>0, а пик-
фактор	П =	3.

При такой уплощенной форме напряжения к. п. д. гене­ ратора, естественно, увеличивается, причем при косинусо-

идальном импульсе тока с в =		90° он составляет 94%	вме­
сто 78%	при линейной емкости контура. При конечной		кру­
тизне 5 к р	выигрыш в величине	к. п. д. уменьшается	(см.

графике на рис. 1.13). Эти графики показывают, что при полном использовании транзистора по напряжению выи­ грыш в к..п. д. за счет нелинейной емкости можно полу­ чить лишь при малых значениях ри < 0,01. Это объяс-. няется увеличением пик-фактора напряжения в схеме с нелинейной емкостью.

Следует учитывать, что при нелинейной емкости в резо­ нансном контуре усилителя возможны нежелательные яв­ ления: деление и умножение частоты, скачкообразность настройки, нелинейность статической модуляционной ха-

искомая величине -

Нормированная

мощность

К. п	д из	графи
ка 5 на	рис.	1.13
Подведенная		мощ­
ность

Напряжение источ ника питания

Постоянная состав­ ляющая и импульс тока

Первая гармоника напряжения на кол­ лекторе

Т а б л и ц а 1.4

Формулы

При заданном напря­ жении питания Е к

Pi

\ (РЕ)

р 0 = Р 1 / ( 1 - т 1 э )

		1		•
.				^ко
/ к м а 1 ( 0 ~			о „ ( в )
		Um	=
,	.,	Гс	/	к макс л
— I	,3	с „ —

При полном нспользопании по напряжению

("к мнкс = й к д )

Pi

Р"~ S и2

ир кд

% (Ри)

Ро = Рі/(1-П.'.!

3 [

Ч.,сч(в),

PD

ко — г,

£ к

,fко

'к маис —

		а„ (9)
	U га	=
'	/	hi макс\
2	Г«Д -	Sup )

рактеристики при усилении модулированных колебаний и т. д. По этой причине із некоторых случаях можно признать необходимым уменьшить влияние нелинейности путем под­ ключения дополнительной внешней емкости контура.

Расчет режима коллекторной цепи на заданную мощ­ ность при нелинейной емкости удобнее начать с определе­

ния к. m д.	из графиков рис.			1.13 и затем проводить по
формулам, приведенным			в табл.	1.4.
Резонансная частота контура весьма близка к частоте
линейного контура		при емкости		С к ,	определяемой	при на­
пряжении Ек	[211. Это позволяет рассчитать параметры кон­
тура и нагрузки:
	' -	1	•	Я а =	- ^ .	(1.69)
		о ) 2 С „ ( £ „ )		"	lit

Расчет цепи возбуждения не отличается от расчета цепи воз­ буждения генератора в критическом или недонапряженнсм режиме при линейной емкости контура (см. табл. 1.2 и 1.3).

1.3.ОДНОТАКТНЫЙ ГЕНЕРАТОР В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

1.3.1. Схемы и метод анализа

В п. 1.1.4 уже отмечались основные особенности клю­ чевого режима генераторов по сравнению с критическим: высокий к. п. д., большая стабильность и надежность ра­ боты. С другой стороны, ключевой режим не может быть использован в генераторах, предназначенных для усиле­ ния модулированных по амплитуде колебаний или при одно­ полосной модуляции.-Из рассмотренных в п. 1.1.4 вариантов ключевых генераторов наибольшее распространение полу­ чили однотактные.

Три схемы таких генераторов, представленные на рис. 1.23, отличаются степенью и способом фильтрации гар­ моник в нагрузке.

Будем считать, что генератор возбуждается от источника гармонического тока при некоторомнапряжении смещения (схема сОЭ)*\ Негармонический характер напряжения на коллекторе обусловливает особенности анализа энерге-

*> Ключевой режим в генераторе по схеме с ОБ также возмо­ жен, но используется на практике редко.

тических характеристик коллекторной цепи: вместо опреде­ ления первой гармоники токов и напряжений удобнее рас­ считывать подведенную мощность и мощность, рассеиваемую

Рис.	1.23.		Варианты			схем
генераторов			при работе тран­
зистора		в	ключевом		режиме:
а)	простейшая			схема	с	малой
фильтрацией			мощности высших гар
моник	в нагрузке;			б) схема	с допол
нительным последовательным						фнль
грующим		контуром		Z-ф, Сф,		настро
енным	на рабочую			частоту;	в) схема

с дополнительной Г-образной транс­ формирующей и фильтрующей ячей­ кой. На схемах точками а, а' ука­

заны участки схемы, где включены дополнительные фильтры.

на коллекторе, а мощность в нагрузке определять как их разность.

При определении токов будем использовать эквивалент­ ную схему транзистора, показанную на рис. 1.4.

В начале изложения будем пренебрегать барьерными

емкостями коллекторного С ь	и эмиттерного	С э переходов
и индуктивностями выводов.	В дальнейшем	их влияние
будет учтено.

1.3.2. Оптимальный	режим
Для примера рассмотрим временные диаграммы токоь
и напряжений в схеме, приведенной	на рис. 1.23, а при не­

котором соотношении ее параметров, которые примем за оптимальные. В дальнейшем покажем, что изменение этих соотношений должно привести к ухудшению к. п. д. коллек­ торной цепи генератора.

В оптимальном режиме за время полного цикла работы точка, изображающая состояние транзистора на плоскости статических характеристик, последовательно переходит из области отсечки в область насыщения, затем в активную область и снова в область отсечки (рис. 1.24, <)•

Пусть начиная с некоторого момента К — 2л (рис. 1.24, а) изображающая точка находится в области отсечки. В кол­ лекторном контуре, в этот момент начнутся свободные за­ тухающие колебания., амплитуда и фаза которых опреде­ ляются начальными условиями: током в индуктивности (/.о и напряжением на емкости «соЗатухание контура и частота свободных колебаний должны быть выбраны так, чтобы в мо­

мент открывания эмиттерного перехода со/, =	— коллек­
торное напряжение « к и его производная dujdt	одновремен­

но оказались равными нулю. Тогда ь этот момент изобра­ жающая точка попадает в область насыщения.

На этапе насыщения транзистор представляет собой ма­ лое сопротивление л н а с , поэтому напряжение на коллекторе остается приблизительно равным нулю. Ток в индуктив­

ности контура			II на этом этапе растет от значения					— /,„
по экспоненциальному закону с				постоянной		времени т			=
=	Ll{R1	-f- г н а с ); коллекторный		ток ін	изменяется			от	ну­
ля	так	же по	экспоненте, поскольку		/ к н а с	=	/ к 0	+	II,
т. е.
			С - е , - " " - * , / " " ) ,					(1-70)
			Кх -t ''вас
где	E'K = lK0Ri		+£„•
	На этом же		этапе изменяется	неравновесный			заряд		ба­

зы в соответствии с уравнением (1.11). Решение этого урав­ нения при возбуждении транзистора гармоническим током описывается выражением (1.48). По такому же закону из­

менялся бы ток коллектора і к а , если бы транзистор	находил­
ся в активном режиме. График изменения тока iKa	показан
на рис. 1.24 пунктиром.

Изображающая точка переходит из области	насыщения
в активную область в соответствии с условием	(1.24) в мо­

мент со/2. В момент к неравновесный заряд удаляется из базы и изображающая точка снова переходит в область отсечки.

Здесь следует отметить, что при достаточно большой ам­ плитуде возбуждения длительность активного этапа может быть незначительной. Соответственно может быть незначи­ тельной величина потерь на коллекторном переходе. Улуч­ шение к. п. д. получается за счет некоторого падения коэф-

Рис. 1.24. Временные диаграммы токов и напряжений в ключевом режиме генератора:

а—оптимальный режим; б, а—режимы, отличные от оптимального

фициента усиления по мощности Кр. Однако на относительно низких частотах, где обычно используется ключевой режим,

Кр	достаточно велик.
	Теперь покажем, что отклонения от режима, временные
диаграммы		для	которого	представлены		на рис. 1.24, а,
должны уменьшать к. п. д. коллекторной						цепи	генератора.
Рассмотреть		эти	вопросы целесообразно			и для	понимания
процесса настройки генератора					на оптимальный режим.
	Пусть транзистор открывается не в момент, когда кол­
лекторное напряжение близко к нулю, а при							напряжении
uv	как показано на рис.			1.24,	б (уменьшено		запирающее

смещение). Тогда ток, протекающий через транзистор, ускоряет разряд емкости С. Причем сначала изображающая

точка попадает в активную область, а затем, когда напря­ жение на емкости упадет, — в область насыщения. Если считать, что емкость разряжается в основном через транзи­ стор, то в нем рассеивается большая часть энергии емкости Wc, т- е - появляются дополнительные потери.

Подобный процесс возникает также в случае излишне большого затухания в контуре и при увеличении частоты возбуждения.

Возможно другое соотношение параметров схемы и пи­ тающих напряжений, при которых изображающая точка после этапа отсечки сначала попадает в инверсную область, а затем уже в область насыщения и отсечки (рис. 1.24, в). Это может быть, например, при значительном смещении в цепи базы Еб или при малом затухании контура. Такой режим также неблагоприятен из-за потерь в транзисторе. На инверсном, этапе транзистор потребляет энергию из контура. На этапе насыщения ток коллектора меняется, попрежнему, экспоненциально во времени, но проходит через нуль ближе к середине этапа насыщения. Такая форма тока богата высшими гармониками, создающими в сопротивле­ нии г н а с дополнительные потери.

Таким образом, качественное рассмотрение формы на­ пряжения и тока в транзисторном генераторе, схема ко­ торого приведена на рис. 1.23, о, позволяет сделать вывод, что целесообразен режим, временные диаграммы которого близки к изображенным на рис. 1.24, а Такой режим будем называть оптимальным.

Как отмечалось, для оптимального режима в момент от­ крывания эмиттерного перехода необходимо выполнение

следующих двух условий:
« . ( « J - « . ( - « - 0 .	( ^ . „ - О .	(171)

Определим параметры контура, необходимые для выпол­

нения этчх	условий.
Малость длительности активного этапа и сопротивления
коллектора	г н а с позволяет	при	определении	параметров
контура для оптимального .режима			представить	транзистор
в виде идеального ключа		с сопротивлением		г н а с = О
(рис. 1.25,	а), который коммутируется с частотой возбуж­

дающего напряжения. Графики токов и напряжений в этой эквивалентной схеме представлены на рис. 1.25, б, в, г.