3.9. Особенности аппаратуры для измерения энергетических параметров

Все методы измерений электрических параметров, рассмотрен­ные в гл. 3, практически реализованы в стандартной или нестандарт­ной измерительной аппаратуре, используемой при разработке и производстве ВЧ транзисторов. Из стандартных приборов следует на­звать измеритель Л2-42, предназначенный для измерения статиче­ских параметров мощных транзисторов. В нем используется импульс­ный метод измерения статического коэффициента передачи тока h_2l9, а обратные токи измеряются при подаче постоянного напря­жения.

Принципы построения измерителей, предназначенных для изме­рения |Л_21Э|, С_к, С_э, в общем достаточно ясно следуют из рас­смотрения соответствующих методов измерения и поэтому не тре­буют специального обсуждения. Общие требования к контактным устройствам достаточно подробно рассмотрены в [23]. Наиболее сложной и наименее освещенной в литературе является аппаратура, предназначенная для измерения энергетических параметров тран­зисторов.

Введение для характеристики линейных свойств мощных тран­зисторов параметров M₃(Ms) привело к значительному усложнению аппаратуры, используемой обычно для измерения только К-ур и Рвых [32]. Необходимость определения одновременно всей совокуп­ности энергетических параметров, да еще при высоком уровне мощ­ности сигнала в нагрузке, выдвинуло ряд специальных требований к измерительной аппаратуре. Во-первых, для получения больших значений Р_вых необходимо на вход испытуемого транзистора пода­вать сигнал также достаточно большой амплитуды. Во-вторых, для определения всей совокупности энергетических параметров входной сигнал генератора возбуждения должен обеспечивать возможность измерений как в однотоновом, так и в двухтоновом режимах. В-третьих, в измерительной установке должен содержаться источник питания U_B для задания режима постоянного смещения входной цепи транзистора. В-четвертых, в измерительной установке для испытуемого транзистора должны быть обеспечены достаточно хо­рошие условия охлаждения. Все сказанное определило принципы построения аппаратуры для измерения энергетических параметров мощных ВЧ транзисторов.

Один из вариантов подобной установки был показан на рис. 3.4, Основной интерес представляет рассмотрение генератора двухто-нового и однотонового сигналов 1 и контактного устройства 5. Осла­битель 2 включается для уменьшения влияния нагрузки — входа измерительной схемы — на работу генератора возбуждения. Оче­видно, что включение ослабителя вынуждает использовать генера­тор с большей выходной мощностью. Ослабитель на выходе 9 вклю­чается в том случае, когда значение Рвых превышает диапазон мощностей, измеряемых прибором 10. Коэффициенты ослабления должны определяться на рабочей частоте для уменьшения общей погрешности измерения.

Фильтры гармонических составляющих 4 и 7 могут отсутство­вать, если полоса пропускания согласующих устройств достаточно узкая и обеспечивает необходимую фильтрацию высших гармониче­ских составляющих.

Генератор возбуждения. Построение двухтонового генератора при создании измерительной установки представляет главную трудность. Как было сказано в § 3.5, сигнал на выходе этого генератора дол­жен состоять из суммы двух синусоид равной амплитуды и с отно­сительно малой разностью частот.

Применение стандартных генераторов при условии, что частота измерения составляет от 1,5 до 100 МГц, а разность частот всего от 1 до 10 кГц, невозможно, так как подобные двухтоновые гене­раторы нашей промышленностью не выпускаются, а включение двух отдельных генераторов не позволяет получить необходимые значения Дw. В связи с этим используются специально разработан­ные двухтоновые генераторы, структурная схема одного из которых показана на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Структурная схема генератора воз­буждения:

1, 3 — генераторы основных частот ионов); 2. п — блоки питания генераторов и уси­лителей мощности; 4 — блок управления амплитудой опорного тока; 5, 7 — усили­тели мощности; S — блок управления амплитудой ре­гулируемого тона: 9 — бл задания амплитуды опор­ного тока; 10 — блок кали­бровки; 11 — смеситель: 12 — контактное устройство; 13 — блок питания и контроля.

Генератор возбуждения состоит из двух одинаковых каналов, в каждом из которых имеется свой маломощный генератор синусои­дального сигнала (блоки 1 и 3), обязательно содержащий кварце­вый резонатор, благодаря которому и достигается высокая стабиль­ность частоты каждого тона. Выходной сигнал генераторного каскада усиливается до десятков милливатт, а затем поступает на уси­литель мощности (блоки 5 и 7). Между генератором и усилителем мощности включается ослабитель для уменьшения их взаимного влияния. Каждый усилитель мощности состоит из трех каскадов, имеющих устройства для согласования сопротивлений на входе и выходе, аналогичных по своему строению схемам, показанным на рис. 3.13. Это позволяет настраивать каждый каскад отдельно, согласуя его входное и выходное сопротивления с одним и тем же стандартным сопротивлением нагрузки. Выходные сигналы усилите-лей мощности обоих каналов складываются с помощью мостового смесителя (блок 11), содержащего три основные индуктивности и одну емкость. Такое построение смесителя, во-первых, обеспечивает необходимые фазовые соотношения в нагрузке и балластном резисторе и, во-вторых, позволяет уменьшить взаимное влияние каналов. Для плавной регулировки амплитуд обоих тонов и поддержания равенства их во всем динамическом диапазоне имеются две следя­щие системы (блоки 4 и 8). Первая из них осуществляет сравнение устанавливаемого постоянного напряжения (блок 9) и напряжения, пропорционального амплитуде одного, принятого за опорный, тона.

Напряжение, равное их разности, усиливается усилителем постоян­ного тока и поступает в цепь питания первого каскада, уменьшая или увеличивая уровень его выходного сигнала. Так осуществляется влавная регулировка амплитуды одного (опорного) тока. Аналогичная система управляет работой второго усилителя мощности. Различие заключается в том, что одним из сравниваемых является напряжение, пропорциональное амплитуде опорного тона, а вто­рым — напряжение, пропорциональное амплитуде второго тона.

Как сказано ранее, существенным требованием, которому дол­жен отвечать генератор возбуждения, является низкий уровень соб­ственных комбинационных составляющих спектра. Появление их объясняется смешиванием в оконечном каскаде усилителя мощности двух сигналов: собственного усиливаемого и сигнала, поступающего через мост сложения из другого канала. Уменьшение амплитуды комбинационных составляющих достигается выбором режима сме­щения по постоянному току в каскадах усилителя и соответствую­щей корректировкой элементов настройки выходных каскадов, а так­же элементов моста сложения. Таким образом удается получить собственный уровень комбинационных составляющих не хуже минус (36 — 40) дБ.

Контактное устройство. Контактные устройства могут различать­ся согласующими устройствами, включаемыми на входе и выходе транзистора, как это указано в § 3.7. Пример одного из возможных вариантов контактного устройства показан на рис. 3.4. Любое по­добное контактное устройство содержит ряд обязательных эле­ментов. Прежде всего это сами контактные площадки, к которым присоединяются выводы транзистора, включенного по схеме ОЭ. Конструкция непосредственно контактной части должна обеспечи­вать минимальную индуктивность между эмиттерными выводами и шиной заземления, так как наличие этой индуктивности вызывает уменьшение коэффициента усиления по мощности.

Для охлаждения испытуемого транзистора в измерительной схе­ме используется принудительный водяной поток. Охлаждение име­ет важное значение, так как чрезмерное повышение температуры может привести к выходу прибора из строя в процессе измерения.

Каждое контактное устройство содержит элементы, с помощью которых задается режим смещения по постоянному току на испы­туемый транзистор. Последовательно с коллектором обязательно включается индуктивность, сопротивление которой на рабочей часто­те должно быть, с одной стороны, достаточно большим, чтобы обес­печить работу транзистора в режиме В (индуктивность L3 на рис. 3.4). С другой стороны, при увеличении индуктивности возрас­тают мгновенные напряжения на коллекторе, что создает опасность выхода транзистора из строя при настройке измерительной схемы.

Для обеспечения режима смещения входной цепи транзистора в контактном устройстве имеется индуктивность (L2 на рис. 3.4). Она выбирается достаточно большой, чтобы не вызывать уменьше­ния переменного сигнала на входе транзистора. Напряжение смеще­ния U_Б поступает от источника постоянного тока через делитель R1, R2. Сопротивления выбираются по возможности малыми, обычно около 1 Ом. Необходимость этого связана с детектированием сигна­ла на эмиттерном переходе, имеющем диодную характеристику. Вследствие разных прямого и обратного напряжений потенциал ба­зы уменьшается по отношению к эмиттеру при увеличении амплиту­ды сигнала, т. е. транзистор несколько подзапирается.

Таким образом, напряжение на эмиттерном переходе U_эб в ре­жиме измерений является алгебраической суммой двух величин: открывающего напряжения и запирающего, определяемого детекти­рованием. Именно эта сумма напряжений контролируется вольтмет­ром постоянного тока непосредственно после получения требуемого уровня Р_вых.