/
Text
московским
АВИАЦИОННЫЙ
Р. А. ГРАНОВСКАЯ
РАСЧЕТ КАСКАДОВ
РАДИОПЕРЕДАЮЩИХ
УСТРОЙСТВ
МОСКВА • 1993
Министерство науки, высшей школы и технической политики
Российской Федерации
КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДНОНИКИДЗЕ
Р.А. ГРАНОВСКАЯ
РАСЧЕТ КАСКАДОВ РАДИО
1Ш
РЕДАПЦИ1 УСТРОЙСТВ
(Расчет режимов работы транзисторов
генераторных каскадов)
Учебное пособие
Утверждено
на заседании редоовета
25 мая 1992 г.
Мрсква
Издательство МАИ
1993
Грановская Р.А, Расчет каскадов радиолереда
lx устройств (Рас-
>
чет режимов работы транзисторов генераторных каскадов): Учебное
пособие. - М.: Изд-во МАИ» 1993. -68 о.: ил.
Рассматриваются методики расчета режимов транзисторов гене-
раторных каскадов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, Приводятся краткие описа-
ния программ расчета режимов на персональных компьютерах и ЭВМ.
Пособие предназначено для студентов радиотехнических специ-
альностей.
Рецензенты: Ю.М. Зельдин, В.А. Романюк
ISBN
© МоскрвсЖиД авиационный институт, 1993
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящей работе приводится ряд наиболее широко применяе-
мых методик, позволяющих рассчитать режимы работы транзисторов,
генераторных каскадов с внешним возбуждением: усилителя мощности
и умножителя частота, и автогенератора на безынерционном транзис-
торе. Методики даются как для случая использования в усилителе
мощности маломощного, так и мощного транзисторов. Отдельно рас-
сматриваются расчета транзистора усилителя высокой частота и СВЧ.
Для облегчения пользования мятодитсами приводятся основные обозна-
чения параметров транзисторов и параметров режима их работы.
В пособии приводятся также и некоторые таблицы (сокращенные),
необходимые для выбора типа транзисторов и их расчета. Более пол-
ный теоретический материал и справочные таблицы можно найти в ли-
тературе, приведенной в конце пособия, ссылки на которую даются
в тексте. Большинство приводи
методик легли в основу разрабо-
танных программ для расчета на персональных компьютерах и ЭВМ.
Перечень программ, имеющихся в кабинете курсового проектирования
кафедры, дан в главе 9 пособия.
Рекомендуется перед использованием методик внимательно озна-
комиться с главой I, где изложены общие сведения о генераторных
транзисторах. Эти сведения помогут правильно выбрать тип транзис-
тора и грамотно использовать его возможности.
>
i
I. OWE СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Генераторные каскада на транзисторах находят применение
в радиопередающих устройствах (РПУ) в качестве усилителей мощнос-
ти , умножителей частоты и автогенераторов. Первые два типа каска-
дов имеют второе название: генераторы о внешним возбуждением.
Различные каскады РПУ работают при разных уровнях мощности.
Те из них, которые включены на выходе РПУ, должны обеспечивать
мощность, определяемую требованиями к РПУ, а предварительные уси-
лительные каскады могут иметь мощность существенно меньшую.' Авто-
генераторы и умножители частоты - это обычно маломощные каска-
ды РПУ.
Транзисторные РПУ работают в разных диапазонах частот, от
сравнительно низких до сверхвысоких частот. Безусловно, рабочая
частота влияет на схему и работу генераторных каскадов и требует
для их построения транзисторов, обеспечивающих на заданной часто-
те необходимые электрические параметры каскадов.
Таким образом, уровень выходной мощности и рабочая частота
каскада, как правило, определяют тип генераторного транзистора.
' На практике в мощных каскадах РПУ получили применение генератор-
ные биполярные транзисторы. На сравнительно малых уровнях мощнос-
ти (менее единиц ватт) используются наряду с биполярными и поле-
вые транзисторы. Отметим, что полевые транзисторы имеют более вы-
сокие рабочие частота, вплоть до десятков ГГц, и обеспечивают ра-
боту генераторов на частотах, где биполярные транзисторы уже не
применимы (/>10 ГГц).
Мощность и частота накладывают отпечаток и на конструкцию
генераторных транзисторов. Мощные биполярные транзисторы, разра-
батываемые на уровни мощности до 250 Вт, имеют определенные техно-
логические и конструктивные особенности * Эти транзисторы вы-
полняют по многоячеечной структуре, позволяющей обеспечить их ра-
боту при больших плотностях тока. Такой транзистор представляет
собой параллельное соединение большого числа элементарных тран-
зисторов (до нескольких сотен), у которых коллекторы и базы соеди-
няют непосредственно с выводами, а последовательно с эмиттерами
4
включают стабилизирующие резисто-
ры /^(рис. I.I), позволяющие вы раз-
нить токи элементарных транзисто-
ров. Транзисторы выполняют по пла-
нарной технологии, при которой пло-
щадь коллекторного перехода в 3...
...5 раз больше площади эмиттерного
перехода. Избыточная площадь созда-
ет так называемую пассивную часть
коллекторного перехода, которая
в эквивалентной схеме транзистора
учитывается введением пассивной
Рис. I.I
части емкости коллекторного пере-
хода Скп . Область коллектора, расположенная непосредственно
у эмиттера учитывается активной частью емкости ГЛЙ(рио. 1,1).
Для мощных транзисторов характерны малые выходные (десятки
и единицы ом) и входные (единицы и доли ома) сопротивления для
основной гармоники тока. Возрастает влияние на работу транзисто-
ров индуктивностей его выводов, особенно с повышением рабочей час-
тоты. Для уменьшения индуктивности выводов транзисторов, работаю-
щих на частотах выше I МГц, выводы делают в виде штырьков или по-
лосок. Для уменьшения индуктивности общего вывода транзистора
(по отношению к входной и выходной цепям генератора) его выполня-
ют в виде нескольких полосок либо непосредственно соединяют о кор-
пусом. Об этой особенности следует помнить при выборе схемы вклю-
чения транзистора и при конструировании генератора. Индуктивности
выводов в современных транзисторах составляют единицы и десятые
доли наногенри.
Важным для мощных транзисторов является значение его теплово-
го сопротивления переход-корпус RnK . С целью снижения значе-
ния Rn* (до единиц градусов Цельсия на ватт) саы кристалл транзис-
тора приклеивают к корпусу прибора через бериллиевую керамику,
обладающую малым тепловым сопротивлением и хор
ми изоляционными
свойствами по постоянному току и малыми потерями на высоких часто-
тах.
При конструировании каскадов транзисторы следует устанавли-
вать на специальные теплоотводы-радиаторы различной конфигурации
или на металлические стенки корпуса устройства. При необходимости
можно применить принудительное охлаждение радиатора. Для уменьше-
ния теплового сопротивления, возникающего между корпусом траязис-
тора и радиатором, корпус транзистора выполняют в виде болта,
фланца и т,д. для более плотного прикрепления к радиатору или
стенке.
5
2. ПАРАМЕТР ТРАНЗИСТОРОВ.
ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМ* ТРАНЗИСТОРОВ
И ПАРАМЕТРЫ ИХ ЭЛЕМЕНТОВ
При проектировании транзисторных каскадов необходимы элект-
рические параметры транзисторов и параметры элементов их эквива-
лентных схем. К сожалению, в справочной литературе можно найти
далеко не вое требуемые параметры. Поэтому кратко рассмотрим экви-
валентные схемы и электрические параметры транзисторов и элемен-
тов схем, которые используются для расчета режима работы транзис-
торов.
Рис. 2.1
Модные генераторные транзисторы обычно работают в нелинейном
режиме. Статические характеристики транзистора, включенного по
схеме ОЭ, представлены на рис, 2.1,а и б, а по схеме ОБ -
на рис. 2.1,в и г. Как известно [l], транзисторы могут работать
в четырех возможных состояниях: отсечки (I), активном (П), наоы-
щения (Ш) и инверсном (1У) (см. рис. 2.1,6). Нелинейные свойства
транзистора проявляются главным образом при переходе из одного
состояния в другое, например, из отсечки в активное, при напряже-
ниях на эмиттерном и коллекторном переходах, близких к напряже-
нию называемому напряжением отсечки (см. рис. 2.1,а). Элект-
рические параметры транзистора: коэффициент передачи по токуЛ><,
сопротивления материала базы гу и коллектора , барьерные емкос-
ти С3,С к зависят от питающих напряжений, температуры окружающей
среды, рабочей частоты. Поэтому при расчете режима транзистора
реальный прибор заменяют электрической моделью, отражающей реаль-
ные физические процессы в нем. Эквивалентная электрическая схема
транзистора, дополненная эквивалентными параметрами входных и вы-
ходных согласующих цепей, позволяет описать поведение токов и на-
пряжений в отдельных цепях схемы в виде системы да
эренциальных
уравнений. Решение этой системы дифференциальных уравнений позво-
ляет определить режим работы транзистора, его энергетические и ка-
чественные показатели, Если эквивалентная схема транзистора отра-
жает работу в режиме малого сигнала, т.е, когда уровень перемен-
ного напряжения (или тока) на входе существенно меньше напряжения
питания (или постоянного тока коллектора), то параметры эквива-
лентной схемы при работе транзистора остаются неизменными (рабо-
та транзистора в активном состоянии). Однако генераторные транзис-
торы, как правило, работают в режиме большого сигнала о отсечкой
коллекторного тока. Электрические параметры транзисторов и, следо-
вательно, параметры элементов эквивалентной схемы изменяются при
работе и зависят от мгновенных напряжений на коллекторе и базе.
Это приводит к существенному усложнению системы дифференциальных
уравнений и, как следствие, к трудоемкости расчета режима работы.
Поэтому на практике подучил распространение метод расчета, кото-
рый предполагает усреднение параметров эквивалентной схемы для
каждого состояния работы (отсечки, активное) и скачкообразного
их изменения при переходе из одного состояния в другое.
Параметры схемы зависят от режима работы транзистора и при
выбранном режиме работы считаются постоянными в пределах каждой
области. Уже отмечалось, что маломощные транзисторы имеют доста-
точно большие входные и выходные сопротивления и поэтому на вхо-
дах и выходах таких транзисторов применяют в качестве согласующих
цепей резонансные колебательные системы (рис. 2.2,а). Это позволя-
ет считать, что напряжения на входе и выходе маломощного- транзис-
тора имеют гармонический характер, т.е. транзистор возбуждается
от генератора гармонического напряжения. Мощные транзисторы,
имеющие низкие входные сопротивления, включаются в схему усилите-
ля таким образом, чтобы обеспечить возбуждение транзисторов гар-
моническим током. С этой целью цепь согласования на входе тран-
зистора o&iHflo содержит индуктивность, включенную последователь-
но со входом транзистора, позволяющую увеличить подавление выс-
ших гармоник тока (рис.. 2.2,6; индуктивность базового выво-
да). Поэтому обычно считают, что мощные транзисторы возбуждаются
от генератора гармонического тока. Переменное коллекторное напря-
жение транзистора принимают близким к гармонической форме. Экви?--
валентная схема транзистора должна отражать условия возбуждения
транзистора.
Рис. 2.2
Рис. 2.3
На рис. 2.3 приведена
распространенная эквивалентная
схема транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером
для частот/рсЛ* .Собст-
венно транзистор (эмиттерный
и коллекторный р -тг -перехо-
ды) выделен штриховой лини-
ей I. Эту часть схемы (I) на-
зывают идеальным транзистором.
В этой схеме: <7^^- диффузион-
ная емкость р -п -перехода
в открытом состоянии; Л* - со-
противление рекомбинации, учи-
тывающее наличие базового тока
в области базы. Ток коллектора отображен генератором тока ir
Ключ К имитирует состояния открытого (Д'- замкнут) и закрыто-
го (Д'- разомкнут) эмиттерного переходов. Источник постоянного
напряжения U - учитывает напряжение отсечки аппроксимированной
характеристики коллекторного тока. Кроме схемы I собственно тран-
зистора в схему введены элемента, характеризующие реальный тран-
зистор (схема 2): барьерная емкость , объемные сопротивления
материала базы и коллектора , стабилизирующее сопротивление
в цепи эмиттера . Емкость коллекторного перехода Ск представле-
на в виде двух емкостей. Ска- активная часть емкости (область пе-
рехода, расположенная непосредственно между коллектором и эмитте-
ром) и Скп~ пассивная часть емкости (область перехода, расположен-
ная между коллектором и базой, см. рис. CK-*CKa + CKft.
На высоких частотах индуктивности вводов транзистора
(рис. 2.3) оказывают заметное влияние на режим транзистора, так
как их сопротивления становятся соизмеримыми с входным и выходным
сопротивлениями транзистора. В некоторых типах современных тран-
зисторов при их изготовлении выполняют дополнительные Л, С -цепи,
которые позволяют повысить входное (до 0,5 - I Ом) и выходное со-
противления транзистора на рабочей частоте или в некоторой полосе
рабочих частот (около 20% от рабочей частоты). Эти согласующие
цепи следует включать в эквивалентную схему транзистора.
В генераторах о внешним возбуждением широко применяется вклю-
чение транзистора по схемам о общим эмиттером (схема 0Э) и с об-
щей базой (схема ОБ). Предпочтительной является схема 0Э, позволя-
ющая получить высокий коэффициент усиления по мощности Однако
с ростом рабочей частоты
>0,5^оэффициент передачи по току
снижается до единицы, усиление начинает резко падать
Процесс снижения усиления усугубляет индуктивность эмиттер-
ного вывода-4^, создающую отрицательную обратную связь. Верхняя
рабочая частота в схеме 0Э не превышает /Гр , В схеме ОБ на часто-
тах^^у (0,2-0,3)/Гр индуктивность общего базового вывода hg
создает положительную обратную связь и тем самым увеличивает Нр*
Верхняя рабочая частота в схеме ОБ может доходить до Зу^.В свя-
зи с этим в диапазоне СЖ выпускается ряд транзисторов конструк-
тивно специально предназначенных только для работа в схеме ОБ,
Основные параметры, характеризующие свойства транзистора,
необхрдимые для выбора типа транзистора и расчета его режима ра-
боты можно условно разделить на четыре группы (табл. 2.Х). Пер-
вая группа -предельно допустимые эксплуатационные; вторая - дан-
ные некоторого типового экспериментального режима; третья - пара-
метры идеализированных статических характеристик, четвертая - па-
раметры высокочастотные и параметры эквивалентной схемы.
Параметры транзисторов
Таблица 2.1
ежим
ГТ П Предельные эксплуатационные i.—- — ПРИБОРА I k»a№l4feaonlWaJnwiynl 1*™JTfia™l Тк ** м~Ги^ "~|1 НГц Вт" В А ГЫВт! , ?-х— ir1 1г ь гиг:. K'p 1 2 a _ H 1&- и;И В |
Г Ь"з | 4 в- 2Т950Б19| 65 | 4 I 9 г. 6 | -7 М 1 1V " 1 1 J 5 50 II 30 I 50 7 1 1Л5 2001 , 5U “ __L.—|-« [ ^~| | м | t,a'. w Г зо »» 1O **? Э О О О г- 40 о о ИЗ ю «О чО Ю Ю X ® /Ч А О р /ч ю ю О О ip г- о Ю ~ : 28 | 28 | <2.61 1^6 | <2,6 1 28 I 1 26 1 1 28 I 28~1
КТ927А |э[ 70 1 35 30 - I 2Т920А |^|_ I 4 1 Л°__ 12Т92ОБ|э| 36 1 4 1 2,0 _ . [ 2Т920б1э 36 1 4. 1 7.Р.. 2Т930А1? Э 50 | 4 Г _ _ |219306°Ы 50 | 4 1 9ТА34Д 9 60 4 1 ___ n, —U To 7o w..»°qpg-U- i-^-i Г,о «ю Г m Л- “4r1 1 4Л 45oT Г I 50-200 11* <75 >2Q- _ ~|<6 1 ifiol Г 75 <00--400 11 400 1 >40l 41 ХГ-р-рь ..uJsS Imluol 1 'W-*” p” V —:—1 T 1 jcTr 1 400...400 11400 Rft
2Т934Б 3 60 I I - - 1 2Т934& 3 60 1 V 2Т904Л Iй 1 60 I 4 1 4,5 - [2Т907А 9| 6° 4 | 3— 2Т925Л Э 1 36 ! 4 I <.0_ 12Т925Б э! 36 1 4 [ 2Т925& 3 36 1 3,5 1 6j_ I 2Т909А |Э 1 60 1 3,5 1 4 |2Т909Б|Э I 60 I 3,5 1 8_. Т 2Т913А И 1 55 1 3.5-1 J_ 12Т9<ЗЕ> |И| 55 | 3,5 1 2_. 1 <tQ 1 1 0.0 1 _<qv j U -4 j g.Q 1 4Л ISO Г" I —I ] 0.8 j 0,6 I <6 kJ— j 4 1 U 1 7,5 420 65 1 13'5_ j Q,5 | 1 20 I <50 1 | 4,0 1 <0 <5° 1 1 I 3 3 I 1 44 1 <50 1 1 Г 2 I 4 1 A8 j 120 j 85 | 2 -| | 4 | 8 I <-9 120 85 — | 0,5 1 0.6 20 150 <25 I -4^- 400..400 |i 400 1 >25_ 400-400 И 400 1 3.2 400...400 [I 400 1 jO_ 200 400 II 320 1 >2 200-400 1 320 >7_ 200...400~|l 320 1 >20- <00... 500 1Г 500 1 2Л 400.- 500 || 500 [42 200-1000 || <000 | 3.3 3-6 >50 28 - 3,2 | 40 1 26 I 3 65 1 2£ J 6—9,5160-721 <2,6 4. .45 [60-72 <2jJ 3...4 60...8»! <2.6 I 2Л 60 28| ’ 2.< 60 2В_| 3.3 | 50 38 J 3 Г 50Т 26 _1
'j 4 1 1.2 1 <° 1 1501 125 1 -— 200... 4000 11 <000 1 6_.
Продолжение табл. 2.1
|ПРИБ0РА | Ь21Э -г~Ьн cd г 1 Srp см (rp _ мГц 2-f СИ п Ф О л пирчм - пф етры Сэ пФ и псфамептры эиь ~| ^5 1 уэ.Г^Г _1 0м 1 0м 1 0м иЬале> LJ мГн <<пной схемы ---кэ.1 I нос^ иГи 1 иПн F А. “рГм "
2T95Q&I 50 .КТ927А зр 0,7 1 >400 200 <60 <20 23 54 - 2b гв i if 11Qg J | I 4Г350 0,5 I |~ “ 56 .351 j 1 61... 400 1 26 23 -"А . ИО .Пэ зо ;; 1 -gg— g< 1 4 |H4-ai*Q2; 01ца|
2Т9 20 A po.jQfl 2Т920Б Ю,„Ю0 a Д00...90С й00...<20( 8.,, 15 <2... 25 3 2.9 J 0,4 | "] <7 I 24 1 ВЧ(20...i| 0) 1 1
-Lr^uOH0.2.<00| 2T950a4i5. .<Оо| gT^QB^m-fool Г 400... 700 Д5а„<350 600...4200’ 4Q...75 52,„ 6Q 120... 170 |<60200| | | ~ кб0...93<з| I 0J | IfSfiQ.2fOQ] | о hr [ 2.6 2Л 1,57 -U 24 ВЦ(0.8.„ 1,4) -to 24 B4(Q2.., Q5) 0,35 1.6 WaS-RU-in Г I 1 7... <2~] i] 9... <5~1 1 5..10 | 1 3... 20 I
7 T^A|5t„ 15D 2T93Ab |b... <501 1 500.-МО 5Gfl 14 ЛГ 5-9 I <5... 60 j - 1,42 ¥ Q24 Г 1,6 |НЧ-0,25; ВЦ-0,; f'3 I 2 5 H4-15?'25ffll-6
2Т934В 5..J50I [ F 2Т904А 30 | O S | 2Т907Д 50 J 06 1 2Т925А|8...7О j | 4Л sr, 1 Т HOU Ж..М4Ю 1ч 70 ПГ6 ...32 I Ж.. 160 p kuoo f 1 -g 65 2 0,1 1 з — L«° < . 0,4 1 1,5 28 5 5 26 <2 1 25 |нЧ'05^20;ВЧ-5
0.06 0,19 500 £00 ?00,.Р400 6 ' <5 4,5., <5 <-0 25 НЦ-Ц25-Лб;Вд-(5| 5... ?'Н з з 1 1 “Н Q8 1 3 I JO 1 л , IlHi . - 1 1
2Т925В 47,„45о| [ 2Т909Д Г 15 0,6 j О46 ' 2Т909Б j 20 | 0,6 | 0,92 2Т9УЗ А 1 1 Ду 1 ллсс 500... 2201 0Q..1500 650 650 4/ fl Гк 12..Л0 52-60 . 24 40 f Ct CD I / CH “*' s a о ° 2 0,1 | 1,0 __0.5 | Q05 [ 0,5 2,4 _ 24 4.7 17 [нччэ; он-э d'O 24 НЧ-1; ВЦ-1,5 -to 1 24 |нц-а5; ВЧ-n.YS 0,45 2 | > 0,35 | о 5,8-.20{ 7,2... 55~| 12... 40 |
2Т943 Б | 50 | цу 0J| '' нии <400 75 U [ 25 2.5 J 50 j 2 Q45 | 2 < | 0,2 [ j 5 2. 5 [ 0,52 | 3 j 0,25 Z5 ГЧ j
Продолжение табл-* 2.1
IB FTFI '7F~
' J |л 2T9I56 | И S ] "4 55 | 3.5 1 гз t 1 ~2 • 1 40 1 150 I 125 | 12 | 200-- ~1000__|[ ,<000 1 1L- 2,8 50 I 28 2 j 50 Г 28
2Т9<6 А 1 Э 60 1 315 I I 4*5 I 160 | 65 | 1 gQU-^l°Uu II IU1JU 1-*— . - - .Л “ И >400 II 1S00 1 со 2.5 | 30 28 2.5 30 1 28 ' 4,4 33 26_ 4 1 30 | 28 5 | 25 28
2Т911A W 401 3 од 0,2 53 I 1^1 1 Н- 1—— ~~|—П—1 лпл 1 1 1 700.. 2000 II 2000 Г >8 2000 •: 4,lZ "2000 1 2 2000 | 1 7
2Т942АЧ Б 45 | 3,5 1 30 —1 je I л? 1 Г5П I 1 10 1 ТОО- 2400_1L
2Т919А | Б 45 1 3.5 | <5__
2Т949Б Г Б 45 1 3.5 | 0.7 0,35 0.8 | 25 | 150 | М (0Ц- - L 1 лл I 3 1 700... 2400
2Т94961 Б| 45 I 3Л 1 ЦЦ _ 2Т948А°| Б1 45 I 2 1 5 2T949tH 61 45 2 1 2-5 КТ91&Б 1 Б| 30 I 2*5 I ° 5 —+ 4,5 2001 ,25 I 12.5 | 700 -2300 1 2000 1Д -уЯ F Q 2001 | 1 700... 230U Ipooo 8...15 ~ » о? кл 150 1 85 1 25 1 1000- jOOgirsOOO Q5- 3 |за„45| 28 3 |за..45[ 28 3,5 3? 1 20~ 3 | 35 I 15
2Т963А Б] 18 I 45 2Т937А-3 Б 25 2-5 1 . 02 74 180 1 | 2.1 | 200D...WUDU 1UQ0U ! — ,г‘Г1 1 36 900-.5000 || 5000 | И_ 2 *5 2<
025 0.2 34,5 1 15U J 1 J.Q 1 . 41— ~~ jhh— 1;;; । । jr| <«ю° 1 w 32..Л7|38-.50| 2<> *л 1 л с 1 40 А
2Т607А1 Э1 зи 4 1 2Т610Б|м| 26 1 4 [ 03 70.4 1 1501 .1 1.2 J 400 — —-— :4—' I 4ОЙ0. .5000 II 5000 Ъзд.ДЫ <0 | 45 1 "О 0$Л4 llZ5-34-l 20
2T654A-J Б 5° 5 1, °'^_ тт«7Ь*,)1 Б1 30 12Л 1 03 Ц15 1U | пи । । _ и ог1 1 62,51 150 1 1 1 <50°° .1 3000 |о.4„ЛО 2-5 j 35 1 20
ГТ 311 | Й| 12 | 2 _ 0,05 | 300 | 70 | и-15 л но Г 11 1 | 0i01?| j
КТ324 И Ю 4 3000 j 0,09 г | зо 1 у
ГТ387 И 12 олб <60 I wg 1 i ———| 2250 1 2.5 j 1 1
ГТ352 |Й| 6 | 0.2 0,011 1 1 gjJ L u-u 1 1
Окончание табл. 2.1
* 19 i< 32 "55“ 2« ' 58 “!Т“ "FT" ТГ“ ТГ" ЯГ" 5Г " 3P
2Т915В 50 Q7 0.2 Н00 7.5 Я5 60 I аг 1 2.5 0,23 Z5
2Т916А 55 0.7 ан >1100 20 <00 30 Q01 0.1 1.0 0,55 0,6 H4-Q4; ВЧЧ
2ТОП А и 0.7 0,03 2000 2 0,7 <0 2.5 05 5 2 03 2 НЧ-12,5;В4-4О
2Т942А2> 30... 50 Q.7 ймю-.. ... 4000 15... 20 «0 Q25 СЦ... 0.8 0,14 08 <5 ВЧ-2.7
2Т9Ш 07 0,15, <800 7.5 2,5 50 05 0,(4 Q7 0,14 04 07
2Т919Б 0.7 0.06 S<00 4,1 1,5 20 1 1,4 025 05 0,6
2T9I9B 07 0,05 2(00 , 2,8 а? <0 2 a 3 0,35 1,3 07
2Т94&А° а 7 ал газа. ... 4000 20... 30 (114 BW
2Т948 Б0 07 03 гооо^л 4000 14... <7 025 вч-зо
RTQ1S6 Q7 0,02 2000 2 0,7 <0 45 0,7 015 0,8 08 a
2Т965А 0,08 <0000 1,5 48 2 2 0.26 0.7 0,7
2Т957А-2 80 0,7 ап 6500 5,5 25 20 2 2 014 0,4 0,7
2Т607Д 0.1 ТОО.. 1500 12... 4,0 НЧ-10; ВЧ-25 6... 18
2Т6ЮБ 70 0 7 0,1 <000 3,8 1,5 15 6 2 2,5 07 £5
2Т634А * 2000 1,5... 2,5 t <8 ан 05 Q5 Q5...2.0
2Т637 30... 140 гая. зооо 2.4... 4,5 10 5... <7 2 0,11 аз 0,5 НЧ-9; ВЧ-137 0,7... 5,0
гтзп 50 0.3 а os 300... 800 2 1 4 60 <0 <0 10
КТ324 0.7 о, 001 «00 2,5 Z5 j 180
ГТ387 50 0.3 0,055 3000 1,7 0,3 4 10 5 0.5 09 09
ГТ362 40 0,3 0,005 4800 Q5 0,2 05 27 2 2 г
Примечания: I. Внутри корпуса имеется входная ооглаоуящая2Г-цепь. 2. Внутри кор-
пуса имеется входная и выходная согласующие^-цепи. 3. НЧ - в статическом режиме, ВЧ - на сред-
них и высоких частотах й)> 0,3 о>/р/А 4. При отсутствии значения/г,,, взять его равным 15...50.
б.Х-л дано для типового режима.
К первой группе параметров относятся:
ЪодопгЬоЭм, диапазон рабочих частот (^'V*)
при 7^>= 25 °C. Превышение допустимых напряжений приводит к элект-
рическому пробою транзистора или пробою эмиттерного перехода*
Превышение допустимых значений токов приводит к тепловому пробою
в переходах транзистора.
Частотные ограничения на использование транзистора обуслов-
лены сверху (частота^) в основном падением его усиления, а сни-
зу (частота.Дг) возможностью развития при более медленных процес-
сах вторичного пробоя иля перегрева структуры транзистора.
Превышение температуры Тп^приводит к деградации полупро-
водниковой структуры и потере ее рабочих свойств. Обычно герма-
ниевые приборы имеют 90°, а кремниевые
<200°С. Тепловое сопротивление переход-корпус Д’^С/Вт характе-
ризует способность транзистора передавать тепло от кристалла по-
лупроводника на корпус транзистора. В реальных условиях тепло
отводится в окружающую среду. Поэтому результирующее тепловое
сопротивление определяется суммой сопротивлений RaK и ^(кор-
пус-среда). Так как размеры корпусов транзисторов невелики,
тоRKC достаточно большое, что не позволяет полностью использовать
транзистор по току без дополнительного теплоотвода (радиатора).
Тепловое сопротивление переход-среда может быть рассчитано по фор-
муле [4]
RKCr *Rpt )
Здесь RKp>Rpc~ теълс&иъ сопротивления корпус-радиатор и радиа-
тор-среда. При правильном конструктивном креплении транзистора
к радиатору RKP - (0,5 - 1)°С/Зт. Сопротивление RPc зависит от кон-
струкции и площади радиатора (см. [б]). Зная Rnct можно опреде-
лить максимальную температуру переходов транзистора
7" Т + f? Р < Т з
пгпак п пс гк
где ТСр~ температура окружающей среды; F*. - мощность рассеяния
в транзисторе.
При-расчете режима транзистора температуру корпуса транзис-
тора Тк принимают равной Тк = TCf>+ (I0...20)°C с учетом перегрева
радиатора относительно окружающей среда. Допустимая мощность рас-
сеяния транзисторазависит от температуры корпуса транзисто-
ра и может быть определена как
14
Вторая группа параметров дает представление о некотором ти-
повом экспериментальном,режиме работы транзистора при условиях,
близких к. предельно допустимым по какому-либо из параметров
и ограничивающих мощность транзистора так, чтобы можно было га-
рантировать достаточную надежность его работы. Даются: рабочая
частота выходная мощность , КПД^ и коэффициент усиле-
ния по мощности Кр при напряжении коллекторного питания U'K0 ,
а также схема включения транзистора. Как правило, приводятся экс-
периментальные параметры на частоте близкой к , где Кр не ме-
нее 3. Эти параметры типового режима могут служить исходными для
выбора типа транзистора. Следует помнить, что превышение значе-
ния Pgb/* приводит к снижению надежности транзистора, а превыше-
ние частоты / z - к резкому снижению усиления. Выходная мощность
соответствует температуре корпуса транзистора около 20°С, с повы-
шением которой % снижается.
Третья группа: параметры идеализированных статических харак-
теристик транзистора. Эти характеристики приведены на рис. 2.1.
Там же пунктиром показаны аппроксимированные характеристики.
S эту группу параметров входят: коэффициент передачи по току k
схема ОЭ - схема ОБ), напряжение сдвига характерис-
тик (напряжение отсечки) определяющее границу между открытым
и закрытым состояниями полупроводникового перехода, крутизны ха-
рактеристик 51 и«5у, крутизна линии граничного режимаSrp(или со-
противление насыщения Т^ас )•£ связаны соотношением 5 =
В области частот с 0,5/лр наклон характеристи-
ки £*£-<&£)(см, рис. 2.1,а) определяется б основном оопротивления-
ми и (если оно еоть):^-//^
Наклон линии граничного режима (см. рис. 2.1,6) в области насыще-
ния транзистора определяется сопротивлениями коллектора 7% и ста-
билизирующим 7^. Крутизну линии граничного режима в этом ,случае
можно определить как
1/гнас,
где
Следует отметить, что в области частот 0,3 «^определяет-
ся более сложным образом, так как зависит от рабочей частоты
и мощности транзистора.
Для схемы ОБ (см, рис. 2.1,6) крутизна входной характерис-
тики
Л- //£ ъ + (4- ,
а
К четвертой группе параметров относятся высокочастотные па-
раметры транзисторов и параметры их эквивалентных схем. Это преж-
де всего, такие как частота /гр, барьерные емкости коллекторного
и эмиттерного переходов СК) С $ при определенных напряжениях на
переходах активная часть емкости , сопротивления
, индуктивностиL6tL3,L<t постоянная времени коллекторного
перехода Если значения сопротивлений неизвестны, то (
можно принять - 0, а Лу можно ориентировочно определить Из со-
отношения = ^г/^й,(если неизвестна, то принять(02...
. ..0,3)/7х). Сопротивление близко к^и обычно не превыша-
ет 1,3 Г&. Отметим, что паспортное значение^ обычно раза
в 1,5 меньше фактического.
Рабочие частоты транзистора достигают/гр (схема ОЭ), или
(2-3)/гд (схема ОБ). Инерционные свойства транзистора заметно
проявляются уже при ’(0,01...0,05)/rp.
При теоретических исследованиях весь диапазон рабочих час-
тот транзистора условно разделяют на три области.
"Низкие частоты”:
kztэ" О,Ъ/Гр IhS/9 3
где можно считать h£/s (<v)~ ;
"Средние частоты":
/hz^9 < /рО-& ^^/faэ ~ /гр / 21Э )
на которых нужно пользоваться формулой
г /раб //гр))
"Высокие частоты":
/раб ~ ^'•/гр /
где ~ ~/ /гр //*ра& •
Такое разделение удобно при выборе методики расчета режима
транзистора.
16
На низких частотах 0,01/Гр) можно не учитывать влия-
ние выходной емкости и индуктивностей выводов транзистора на его
работу. На средних частотах необходимо учитывать
их влияние. На высоких частотах (Дйу-//у>) влияние емкостей
транзистора и индуктивностей вводов в значительной степени усили-
вается, что усложняет проектирование генератора и требует обяза-
тельного их учета при расчете режима.
Напомним еще принятые обозначения в наименовании транзисто-
ров. Первая буква или цифра*. "К" или ”2" обозначает материал по-
лупроводника' - кремний, "Г” или "I" означает материал - герма-
ний. Высокочастотные транзисторы малой мощности имеют номер, начи-
нающийся с цифры "3", средний мощности - с "6", большой мощности -
с "9".
3. РАСЧЕТ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА
МОЩНОГО УСИЛИТЕЛЯ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
Расчет режима транзистора имеет два этапа: выбор типа тран-
зистора по заданным требованиям и порядок расчета режима транзис-
тора. Мощные транзисторы имеют низкие входные сопротивления (от
единиц до малых долей ома) и возбуждают их от генераторов гармо-
нического тока. Естественно, что эквивалентная схема и расчет ре-
жима мощного транзистора должны это обстоятельство учитывать.
Требуемая модность транзистора определяется исходя из
заданной модности усилителя :
^А/Х /” /Р< SbtX 7
где - КПД выходной согласующей цепи усилителя.
КПДможно принять равным 0,7...0,8 для выходного каскада
и 0,6...О,7 для предварительного.
Для выбора типа транзистора используют справочники (напри-
мер, [l2 - 14]) или справочные данные, приведенные в рабо-
тах [3 - 5]. вбирают тип транзистора, работающего в требуемом
диапазоне частот (желательно< (0,3...0,5)Др) и обеспечиваю-
щего выходную модность не менее заданной. Определяют схему вклю-
чения транзистора (ОЭ или ОБ). При выборе типа можно ориентиро-
ваться на экспериментальные данные типового режима транзистора
(е<ут они приводятся).
/ В справочниках приводится интервал рабочих частот, рекомен-
дуемых для каждого типа транзистора. Частота^ обычно не ме-
нее (0,2...0,3)/^, аблизка к/грдля схемы ОЭ и достига-
ет (2.. ,3)/гя для схемы ОБ. Как показывает практика, мощность
в интервале может меняться в два раза (наибольшее значе-
ние будет на ). Если необходимая мощность на заданной частоте
может быть обеспечена различными транзисторами, то предпочтитель-
ным будет транзистор с большим усилением, если он работает
в предварительном каскаде РПУ, или с более высоким КПД - при ра-
боте в выходном каскаде. Отметим также, что более высокочастот-
ные приборы имеют и более высокую стоимость. Мощные транзисто-
ры СВЧ, имеющие До ? 300 МГц, не рекомендуется применять в каска-
дах, работающих на^^з 30,. .60 МГц.
Для расчета режима транзистора используют различные методики
расчета, основанные на некоторых приближенных эквивалентных схе-
мах транзистора и допущениях, накладываемых на их работу. Наибо-
лее применяемыми являются методики расчета, изложенные в рабо-
тах [3, 5 - 7]. Надо отметить, что все эти методики, естественно,
не могут претендовать на строгий расчет режима, так как исходят
из приближенных моделей транзистора, не позволявших полно учесть
физические процессы, происходящие при работе транзистора в нели-
нейном режиме на достаточно высоких частотах. В связи с этим рас-
смотрим одну из методик расчета, хорошо известную на практике
и применяемую для расчета мошных транзисторов, работающих в кас-
кадах усиления мощности высокой час-
тоты [3, 4]. Эта методика справед-
лива при работе мощного транзистора
на частотах до <0,5...0,8)/Гр
На частоте / > I ГГц следует исполь-
зовать методику [5]. Предполагает-
ся, что транзистор возбуждается от
генератора гармонического тока
и работает в режиме отсечки коллек-
торного тока. Эквивалентная схема
транзистора показана на рис. 2,3,
В учебнике [1, 2 3 рассмотрены осо-
бенности работы генераторных тран-
зисторов, возбуждаемых гармоничес-
ким, током. Как следует иэ [2]> при
возбуждении транзистора гармоничес-
ким током форма импульсов коллектор-
ного, тока может отличаться от отрез-
ков симметричной косинусоиды с уг-
лом отсечки 6 (рис, 3.1). Эта неоим-
-f,
матричноеть в импульсах тока связана о переходными процессами
в моменты открывания и закрывания эмиттерного перехода, что в
свою очередь обусловлено различием постоянных времени при откры-
том закрытом эмиттерных переходах. В схеме
= ^/4^, » охеме 0Б^Л= 1/^(Чр=^Лх>»
гдвЛ^^ - сопротивление утечки эмиттерного перехо-
да , :* 1000... 100 Ом. Обычно Т?Лк оз >ТеГк „За .
На очень низких частотах *>< 0,3/^^сопротивление эмиттерно-
го перехода в открытом и закрытом состояниях близко к активному,
переходные процессы отсутствуют и импульсы тока будут близки к от-
резкам симметричной косинусоиды.
На низких и средних частотах^ так как^л- . будут на-
блюдаться переходные процессы и "перекос" импульса (рис. 3.1,г).
( На высоких частотах в открытом и закрытом состоянии сопротив-
ление эмиттерного перехода близко к емкостному. Переходные процес-
сы будут отсутствовать и импульсы близки к отрезку симметричной
косинусоиды.
Итак, перекос в импульсе коллекторного тока будет набладать-
оя в схеме ОБ практически во воем диапазоне частот 0.3/Г^,л^ <
<*><(0,3...!)*^» в схеме 03 только на низких и средних часто-
тах (0,3/$^^ На очень низких и высоких частотах
перекос отсутствует.
Перекос в импульсах коллекторного тока учитывается при расче-
че входной цепи транзистора (цепь смещения, входное сопротивление,
входная мощност^. В меньшей степени перекос импульса оказывается
в расчете коллекторной цепи транзистора.
В связи с тем, что перекос импульса тока является нередко
нежелательным в генераторах, например, в двухтактных широкополос-
ных генераторах, где затрудняется фильтрация нечетных гармоник,
его можно устранить введением корректирующего дополнительного со-
противления Хд. Значение/?д выбирается таким, чтобы были равны
постоянные времени открытого и закрыто-
го эмиттерного перехода. включается г° Г"°
между эмиттером и базой транзисто- . ZpS /КА
ра (рис. 3.2,а), при этом^аж^= ИК?!
—I—J —-*
О) Ь)
См. гл. Обозначения параметров
биполярных транзисторов и параметров рис< з#2
элементов эквивалентных схем. * ' „
Учитывая, что во многих практических случаях перекос вообще
отсутствует либо его устраняют, при рассмотрении методики расчета
режима транзистора полагают, что перекос в импульсе коллекторного
тока отсутствует. При этом в расчетах используются известные
коэффициенты разложения симметричного косинусоидального импуль-
са сб (&) И ^в).
Расчет режима транзистора ведется на заданную мощность f
на рабочей частоте/ для граничного режима работы. Предполагает-
ся, что тип транзистора выбран и известны его справочные парамет-
ры, необходимые для расчета. Сведем эти параметры в таблицу
в следующей последовательности: UK3dofftB; U*g
^Kodafjr^j &пк f T/j Зап, Cj Тк 7°Сj ?
U, 8) So„, В) frp, МГц ; /Аг/ 9 МГц,у CS,R$;
Л* нГн^31нГн; 1>*,нГн,
Ейбираем схему включения транзистора: ОЭ или ОБ. Напряжение кол-
лекторного питания U*o принимается исходя из параметров типового
режима. В случае недоиспользования транзистора по мощности, на-
пряжение У/са целесообразно несколько понизить (однако надо пом-
нить, что уменьшение может привести к снижению Кр ирэ тран-
зистора). Если рассчитывается режим транзистора усилителя проме-
жуточного каскада, то для упрощения схемы питания значение
транзистора рекомендуется принять несколько меньшим, приблизитель-
но, на 10%, но никак не большим, чем транзистора выходного кас-
када. В общем случае при выборе LQO должно выполняться условие
tycf * до/? ?
где - амплитуда первой гармоники коллекторного напряжения
транзистора.
Отметим, что напряжение источника коллекторного питания
должно быть вше на 0,1...0,5 В напряжения tfKO за счет падения
напряжения в блокировочных элементах в схеме усилителя. Перед
расчетом следует задаться углом отсечки В коллекторного тока.
8 выбирается в пределах 70...90° для получения достаточно высоко-
го электронного КПДД?. Для выбранного В по табл. 3.1 находят
коэффициенты (0), t(Q)M0(&)-
При расчете полагаем, что нагрузка транзистора RK у
активная (например, настроенная резонансная .колебательная систе-
ма) и на ней создается напряжение первой гармоники, которая име-
ет частоту, равную рабочей.
о i L0 CD 0? О- CO COCO CO <0 C0 com sr co су нОФ ao о- co НЧНННННОООО co СУ 00 to is CD CD HlO © 05 о CS CD Hi 0005 is IS С? СП О О О Ю^^СОСХ?С5МЫООООО ооооооoddodoo
o> О CO Ю Os? О CD CD CT? LO Hi IS cr> co CO 00 CO O-t>C0 co CD in tn О in О СО 05 03 03 IS О Ю Hi о П^^^СОСООЗОЗМЫООО
p s ’Ч гЧ г—1 гЧ 1—1'—i 1—11—1НЧ |~Ч *Н Ь—| t—i
co co ьч hi co ю er? oo is о ю о $o g> су in о oq co co cn sr о О О Hi Hi H МСУ CO CO sT to *• * * *1 РЧ *> Г» *1 № ooooooooooo Ы 05 00 о Ю СП GO СП СП 2> О ЛЫСОРЧСОО ^iScoC-COOO Л CD <0 IS IS СО CD СО СП СП СП ел О * ► * •» »* <* •<. «. *. * * «ч «. □ОООООООООООн
0-- ) co in co ф CO CD CT> co to о co S2 32 О co cd o> co fr- м OOOOH H4H-1f-4OQCQCO OOOOOOOOOOO Л 41 СО СП СО ф СП» со Ы1-4 1П О u5 Hi Ю О Ю С> ю О О oo sf со о го СО СО IS ОЭ СО Ф СП о □ОООООООООООн
di . _ .. . . L CO ЭННОГО ^HbCOOQ CO 00 £> toco 1—IQKWCQO HiHiHГНIN hOOOOO *t T* * « Bl ooooooooooo —————1 S О 0> LQ IS СО СУ is CQ 52 ЬЧ О zdCDO^^^srooojt-iOOO 3000000000000 * •* * * «ь ооооооооооооо
р’ c^z Ю 1 Hi to D- co О ^t^-COlD О СУ sf in co JS IS IS С0ЛЛ sT CO I—I СУ СУ СУ СУ CX? СУ 0Q05 05 CQ 05 О 0*000Q*ООО*oo -0 05 СУ 1—1 ы СУ CQ СУ Hi О Ф^ЮСПМСП£^1ОС0Н1ООФ ЧЧНННОООООООО эооЪЪоооооооо
75 sr о 1—f о CO 1—f st1 CDIOC5 <S О co Hi co <D О H1 CO Ю 2> СО О CO CD sT 44^ to ooooooooooo OOtOHi^tDCD ^СОООСУО Н 05 05 со СО со ел со СУ 05 НЧ О О -О tn Ю Ю Ю Ю Ю Щ ID to ID ID Up ЭОООООООФОООФ
О CO tS LOOQ4ICD CD CQ Ch to 05 О sj* СР <O О <-i CO LD CO CO О Hi Hi Hi НЧ СХ? 05 Ci 05 05 СУ CO CO » * •» ► * йч «« ач вь а» • ooooooooooo M1 о СП 05 CD CH J-ч CO 05 IS C0 О co m co s ф о Hi со ю is oo ф о CO co CO CO co Si* 'd* H1 Ю **<*>4р>*»»*а«аъ**«ь**» ooooooooooooo
U?S0 СУ CD С-CO о co C9 Ch IS О CO О sf ts О 05 хГ Lp s co о НМОЮЮ^СС?-}НОО о oo oo oo'Hooo 4 S s^cncyrnO^cntOtOOlDO g? IS in 0Q о zs <* co CO SJ* ОЭ о О Hi су CO sr tn LD C0 S CO СЬ o> О a»»*** ЭООООСЮОСЮООн r I i t i a e i ! i i I i
<5 CD Hi о оюоюедоЬюо! st* IQ Ю Щ CD CO St> to co Ch .У 1 oo-nOtoOiQ ocioooo фООьчнгСУ СУ co sr LD COS co hhhhhhhHhhhh
Расчет ведется в следующей последовательности (размерность
всех величин берется в системе СИ).
Коллекторная цепь (для схем ОЭ и ОБ): •
I. Напряженность граничного режима
2. Амплитуда первой гармоники коллекторного напряжения
и тока:
3. Постоянные составляющие коллекторного базового и эмиттер-
ного токов:
4. Максимальная величина коллекторного тока:
^ктах “ /°^о *лг max дао •
5, Мощности, потребляемая от источника коллекторного пита-
ния и рассеиваемая на коллекторе транзистора соответственно:
= ^ко , Рц." Pt>~ Pfi/K f -
6. КПД коллекторной цепи (электронный):
Рз s fP°~ °*5^rp$< <&)-
7. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки току
первой гармоники:
8. Максимальная температура коллекторного перехода (см.
гл. 2):
^7тт7лх' Тср * (Рг?к+?
где ^/>с- сопротивление радиатор-среда, выбираемое исходя из конст-
руктивных особенностей применяемого радиатора.
Если радиатор отсутствует, то
max ~ + Кпс ' п дап »
t Вазовая Цепь (схема ОЭ)
г I. Дополнительное сопротивление между базой и эмиттером:
? Яд = Ifгр ‘
На частотах/ > в реальной схеме можно не ста-
вить Яд, однако в расчетных формулах RA необходимо оставлять,
2. Амплитуда базового тока:
к"
где
яг- (e)2jtrfr/> ск .
3. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе:
СS+ CG* 9)
Л/7“Л' *//* (Иг/Зц/Гру
$9 доп
Если напряжениеи$9тл1Спревышает допустимое, необходимо умень-
шить ЯА'.
l+1
При этом, чтобы выполнялось равенство , параллель-
но сопротивлению &А следует включить дополнительную емкость^ »
Я.*
-г—;—о~’Л.В отличие от /?„ эту емкость на/ > 3/,Л /пнеобхо-
х-ЯггрКд э
димо включить во входную цепь (рис. 3.2,6).
4, Напряжение смещения на эмиттерном переходе:
г . „г. т „ 7 „
’° S'
5. Активная и реактивная составлю
ния транзистора ZgK / 1
ле входного сопротивле-
п и
гг •
А/
^г/9 /frp)
^(hzf9///rp)3’
элементы в эквивалентной схеме входного со-
противления транзистора на рис. 3,3. Через параметры транзистора
они определяются по формулам . «
Z^-z^+Z,/^;
’"(Г ~ Г(^+^(9)2/f/rp^K(1_2K/ + (9)2&J j
=J?r г9 ★(^Г/Юкг^г'Л-ге,* Ra Г *-f. (9)1;
^gx~ ^24$ /2frp fig* ,
Заметим, что здесь при определенных соотношениях возможны
отрицательные значения Rgx , £gx.
Рио. 3.3
6. Мощность возбуждения:
PffaO.S^
7. Коэффициент усиления по модности:
^ = //л/х/ /
Расчет входной цепи (схема ОБ):
I. Амплитуда тока эмиттера:
_ /?
где
/ъг/Ру ~ 1 + hgfg).
2. Максимальное обратное напряжение на эмиттере
гГэ max
' Л?/?
3. Напряжение смещения на эмиттерном переходе:
К (Л~0)
и<ю= 2я/с, ”/г/ г3.
4. Входное сопротивление транзистора для первой гармоники:
(рио* 3'3*б)
У - о (S/fa/f)
Z Л'^///Аг,,)г '
Чг±э + эеь3 , ^•Vkvsfa;
jW-в) / Ъ
е>г f,(e) ’z^„s Сэ i*hif3
5. Мощность возбуждения:
6. Коэффициент усиления по мощности:
•%;*< /ъ
Из-за положительной обратной связи через индуктивность М§-
на высоких частотах может получиться, что/^, < 0. Для сохранения
устойчивой работы усилителя включают (см. рис. 3.4) последова-
тельно с эмиттерным выводом транзистора сопротивления £Г^Х(,
так, чтобы Кр + составлял не более 10...
...20. Помогает избежать неустойчивости работы построение усили-
теля на основе квадратурных мостовых схем (так называемая схема
балансного усилителя, рис. 3.5).
Рис. 3.4
Для расчета режима мощного транзистора с частотной коррек-
цией во входной цепи можно использовать также методику расчета,
изложенную в учебном пособии [_б].
4. РАСЧЕТ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА МОЩНОГО УСИЛИТЕЛЯ СВЧ
Приводимая ниже методика расчета режима мощного транзисто-
ра СВЧ описана в учебных пособиях [б, 9, II]. Рассмотрение тео-
рии и работы усилителей на мощных биполярных транзисторах СВЧ да-
но в учебнике [_!].
Рассматриваемая методика может быть использована для расче-
та режима мощного транзистора усилителя, работающего на частотах
порядка сотен мегагерц, и позволяет получить параметры режима,
достаточно близкие к экспериментальным. На значениях частоты I...
...3 ГГц погрешность расчета возрастает из-за использования упро-
щенной эквивалентной схемы транзистора и недостаточной точности
при определении ее параметров. В диапазоне частот выше 3 ГГц эти
недостатки проявляются еще более резко. На режим начинает оказы-
вать сильное влияние даже сравнительно небольшой разброо значе-
ний индуктивностей вводов и емкостей корпуса, а также многочис-
ленные паразитные связи в конструкции транзистора. Эти обстоя-
тельства ограничивают верхний частотный предел применимости рас-
сматриваемой методики.
В методике расчета используется эквивалентная схема, пред-
ставленная на рис. 2.3 и дополненная некоторыми элементами, су-
щественными для диапазона СВЧ.
Для эквивалентного управляемого тока гг выполняется соотно-
шение
гдеД? - комплексная крутизна по переходу;З^З^вхр(:Jd>
фаза, определяемая временем пролета носителей
заряда; 11п~ мгновенное напряжение на переходе.
Уже отмечалось (см. гл. 2), что параметры эквивалентной схе-
мы транзистора зависят от протекающих токов и приложенных напря-
жений. Однако обычно считают, что в выбранном режиме транзистора
параметры схемы будут постоянными в пределах каждой области рабо-
ты: области рабочей (А* - замкнут) и области отсечки (А - разомк-
нут). Параметры эквивалентной схешь приводятся в оправочных дан-
ных (например [5, 91), а наименования их даны в разделе "Обозна-
чения" настоящего пособия. Некоторые параметры, которые отсутст-
вуют в.справочниках можно оценить по формулам:
э"* &u<p j £л* ла+ £л/? ?
5 3 5“ /р+ 3,66*/О~3Тп);
/Sw f Гр , т* ~ kg/st /6>л у
<$ = ?гг,э/[
При усреднении Зп ток рекомендуется принять равным поло-
вине высоты импульса коллекторного тока 2К7ПМ или амплитуде его
первой гармоники, которая в типичных режимах близка к Q,biKTnar: _
Емкость Ск определяют при выбранном напряжении lfKO. На часто-
тах/^ 3/р /кг,э сопротивление 7* слабо шунтирует емкости и им
можно пренебречь. Неравенство/3/гр/ЛгА? определяет нижнюю час-
тотную границу проводимого анализа. При расчете принимают, что
в диапазоне СЗЧ входной ток мощных транзисторов оказывается близ-
ким к гармоническому за счет подавления высших гармоник индуктив-
ностью входного электрода. Форма коллекторного напряжения прини-
мается гармонической. Поэтому далее будем полагать, что входной
ток и коллекторное напряжение не содержат высших гармоник и экви-
валентный генератор тока 3# 9 нагружен на активное сопротив-
ление. Расчет производим для граничного режима работы транзис-
тора.
Эквивалентная схема усилителя ОЭ для токов и напряжений пер-
вой гармоники показана на рис, 4.1,а, а усилителя ОБ -
на рис. 4.1,6. В схеме ОЭ при активной нагрузке будут отрицатель-
ные обратные связи через L3 и 6^ . В схеме ОБ имеет место значи-
тельная положительная обратная связь через при этом сопротив-
ление Т#* f будет сильно зависеть от частоты и при росте hg может
стать отрицательным, Это означает, что работа усилителя становит-
ся неустойчивой.
Рис, 4.1
Для обеспечения устойчивого режима применяют специальные ме-
ры, например, включение цепь эмиттера (см. рис. 3.4) или
нейтрализацию 2 $ включением емкости в базовую цепь. Можно исполь-
зовать выходное сопротивление моста делителя, если усилитель по-
строен по балансной схеме (см. рис. 3.5). Сопротивление с рос-
том мощности уменьшается (до долей ом),Х/х/ вблизи верхней частот-
ной границы имеет индуктивный характер из-за2^иХаи значитель-
но больше . Коэффициент усиления обратно пропорционален квад-
рату частоты. Поэтому, если известно из оправочных данных, что
транзистор на частотеимеет коэффициент усиления^, то на не-
которой, более низкой рабочей частоте / , его коэффициент усиле-
ния можно оценить примерно как Нр~К'р , т.е,' если/^ОЛ/'
то будет в 4 раза больше Кр, В схеме 03 верхняя рабочая часто-
та/^ при Кр- 2...3 не превышаету . В схеме ОБ - может дохо-
дить до 3 /Гр.
28
Тип транзистора выбирают по заданной выходной мощности FgbiK
на рабочей частотеопределяют схему включения транзистора, поль-
зуясь оправочными данными транзистора. Часто схема-включения тран-
зистора определяется его конструкцией, в которой о корпусом соеди-
няется один из электродов (эмиттер, база). При выборе типа тран-
зистора можно ориентироваться на данные экспериментального типо-
вого режима. Рекомендуется использовать СВЧ-транзисторы на мощ-
ность не менее (0,4...0,5)^/)f , указанной в справочнике. Силь-
ное недоиспользование транзистора приводит к снижению его усили-
тельных свойств. Интервал частот^.../, включает|/я=»(0,2...0,3)1^р
B.fg-(0,8...0,9)/гр для схеш 03 иjg-(2...3)frp для схемы ОБ.
Применение транзистора, имеющего /н выше рабочей, позволяет полу-
чить более высокое усиление, но при этом увеличивается вероят-
ность самовозбуждения усилителя и понижается его надежность.
Схема ОБ характерна для транзисторов, работающих нау> I ГГц.
Транзисторы, имеющие два вывода эмиттера (для уменьшения2э),
следует включать по схема 03. Для оценки параметров эквивалентной
схемы можно использовать следующие данные (ОД...0,4) нГн
(для OBZ^^Zj, для OBZ^^Z^) ,Z,K и входного вывода - в не-
сколько раз больше.(5... 10)^,/^»^,ту*0,3?у. Параметр£г/Э
в расчетах не критичен,44^0,6...0,9 В для приборов на основе
кремния,*^- 15где^^ и 1ГКО соответствуют рабочему
режиму (например, экспериментальные данные). Если требуемая мощ-
ность близка к той, которую может отдать транзистор, то
берется стандартным. При недоиспользовании транзистора по мощнос-
ти целесообразно снижать СГЫ для повышения надежности. Например,
если требуемая меньше на 30-40# мощности в типовом режи-
ме * го можно уменьшить на 20-30# по сравнению со стан-
дартным. Однако при снижении lfKo вдвое по сравнению со стандарт-
ным частота,/^ уменьшается на (5... 15#), а емкостьС* увеличивает-
ся на 20...25%. Напряжение смещенияlf$o часто выбирается нулевым.
При этом угол отсечки будет близок к 80-90°, при котором соотноше-
ние между близко к оптимальному. Кроме того, в этом
случае отсутствует цепь смещения, что упрощает схему усилителя
и не требует затраты мощности, на осуществление смещения. В отно-
шении Srp надо иметь в виду, что перед расчетом ее следует уточ-
нить, используя условие
(для схемы 03 - 0,7; для схемы ОБ - 0,8).
При этом/}>А/х<и С40 берутся для выбранного транзистора. При
невыполнении этого условияЗгр можно несколько увеличить (на 10...
Предлагаемая в [б] методика расчета исходит не из PgMKi ,
а из мощности F}- , развиваемой эквивалентным генератором тока £г.
Мощность/?, в схеме ОЭ надо брать на 10-20# меньше, чем требуе-
мая , которая имеет приращение из-за прямого прохождения
части входной мощности. В схеме ОБ Рг следует взять больше, чем
требуемая f^Kf , так как значительная часть мощности, развивае-
мая генератором тока поступает во входную цепь усилителя.
Иа / Л/гр в схеме ОБ Рг берется на 25.. .50% выше /^/х/, на / £frp
эта доля меньше.
К начальным параметрам расчета относится температура корпуса
транзистора. Ее можно задать как Тк =7^р+(10..,20)°С с учетом
перегрева радиатора относительно окружающей среды.
Если после проведения расчета на значения PgbM1 типовом
режиме отличается от справочного значения Кр не более, чем
на *20%, то можно считать, что параметры эквивалентной схемы,
принятые в расчете, оценены правильно. Если модуль пикового напря-
жения то это означает, что значение емкости
занижено. Для удобства расчета исходные данные целесообразно свес-
ти в таблицу в оледующе м порадке: Р£ик ,, Вт; % ,8т;£ ,МГ^ UKbSotl18;
УкЕдоп, 8; Upb дОп) 8; If, 8;Ugo, В; UKb , 8; Згр,^/в; Rhk, ? 0С/Вт) Тпt °С^
Тх, °C; hgjg f О1^ , ОКа• л7 **>п у j Ом , Омj
Рк дог? 9Вт.
Приводимый ниже порядок расчета граничного режима работы
при Ufa = 0 может быть использован для включения транзистора как
по схеме'ОЭ, так и по схеме ОБ. Там, где формулы расчета для
схем ОЭ и ОБ отличаются, будет сделана пометка "ОЭ" или "ОБ".
Все расчеты проводятся в системе СИ,
I. Напряженность режима:
fГр = Q,5-О,S/<-(бРг/Згри£ .
2. Амплитуда напряжения и тока первой гармоники эквивалент-
ного генератора:
3. Пиковое напряжение на коллекторе:
^tnUK ~ < ^К9 ffOft •
При невыполнении неравенства следует изменить режим или вы-
брать другой тип транзистора.
4. Параметры транзистора:
*S/7 = 5 Jr< /(4+Д,66 • fO 3Trt)) 71 = h.2f9 /$а у
*^s
5. Находим значения параметров А и в :
~"№g0-lJ,)<£rpCaIJri у Q = (огр
где (Vz-р-г^Лр,
Рио. 4.2
С помощью графика 4^)на рис. 4.2 определяем коэффициент
разложения (9) . Затем по табл. 3.1. для найденного опреде-
ляем значения &9coi& и коэффициент формы р, (&).
6. Пиковое обратное напряжение на эмиттере
ив, ion •
Затем в пп. 7...22 рассчитываются комплексные амплитуда токов
л напряжений на элементах эквивалентных схем (ом.рио. 4.1)
За вектор о нулевой фазой принят ток *7 и | |г <7ГУ г
где ы ?„= 0,4 = 2 гГ/,
в. Z7^= filtyWwC*.
$• ^ка = * ^nf
IOe ^хл ’
II • - J J?** -
12 . £>7*^ ~ -
is. ireK„ ~ if^s- * -
14. ^СкП =</ &c*,n •
1б.^=Г6^УЧГ'.
16. Л*'л ^&Скп /т\ . .
17 * = +^Скл *
18- ’
19. 3&f - j +jf-(~
20. */л?Хэ).
2i. ^f- *^*5- + •
22. я4л4>Л~ ’
23. Амплитуда напряжения на нагрузке и входное сопротивление
транзистора для первой гармоники тока:
оэ ~ ‘UrS'Uaf \ /оэ~ Utt f 3
ZgKf os=-Ugf/
24. Мощность возбуждения и мощность, отдаваемая в нагрузку:
PgA0t6V Re UgtReJfa.+Jfn LTftJrrz
Рём* R(?Re Zf^fiRrn iT^y]
для схемы 03 _
f ^кл^^кюэ)
для схемы ОБ •
Vf ^кг^юоб-
Еоли Pgwj будет отличаться от заданной более чем на ±20$,
расчет следует провести заново, скорректировав значение
25. Постоянная состав ля
I I II
(ая коллекторного тока, мощность
потребляемая от источника питания, и электронный КЦД соответст-
венно:
26. Коэффициент усиления по мощности, мощность, рассеивае-
мая транзистором и допустимая мощность рассеяния при данной тем-
пературе корпуса транзистора
PK = P»-Pf^Pt-> Р^.гТп^!Рпк.
Можно принять значение ~РПгпа^ Тп , где Тп - допустимое значе-
ние, взятое из справочных данных (табл. 3.1).
Следует убедиться, что РК7па31 < ркдоп-
27. Сопротивление эквивалентной нагрузки на внешних выводах
транзистора
где = для схемы ОЭ и £6^ для схемы ОБ.
Данный расчет исходил из нулевого смещения на входном элект-
роде транзистора. В ряде случаев этот режим может быть не опти-
мальным и желательно вести расчет на заданный угол отсечки (на-
пример в усилителе ОБ для стабилизации режима уменьшают угол от-
сечки). Тогда, выбрав угол отсечки В , находят по табл. 3.1
коэффициентами определяют
/ ~#Р 1
Затем е п. 5 находят напряжение
смещения Ugo из соотношения
где берут также из табл. 3.1 , для выбранного £
Бели напряжение смещения должно быть запирающим, то можно
применить автоомещение, включив сопротивление R3 забло-
кированное конденсатором. При отпирающем смещении требуется до-
полнительный источник напряжения.
4.1, Расчет режима мощного транзистора при условии
малого индуктивного сопротивления общего электрода
(упрощенная метопика расчета) >
Когда индуктивное сопротивление общего электрода
мало (напряжение первой гармоники на нём не превышает 3...5% ам-
плитуды коллекторного напряжения), расчетные формулы упрощаются.
Расчет режима транзистора после выбора его типа, ведется на задан-
ную мощность 1 на частоте/ при lfg0 & О.
Порядок расчета будет следующим f 5, II]:
Схема ОЭ. Условием допустим ости использования упрощенной ме-
/
тодики является значение ожидаемого на рабочей частоте коэ
ента усиления по мощности транзистора более 4...5. Поэтому оцени-
ваем возможный коэффициент усиления по мощности для выбранного
транзистора как
Если это условие выполняется, то далее расчет ведем в сле-
дующем порядке, исходя из мощности
I, Сопротивление потерь коллектора в параллельном эквива-
ленте (см. рис. 4.1,а):
2. Напряженность граничного режима:
$' tyc / ~ $rp tJ^a *
4.
5. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки и при-
веденное сопротивление соответственно:
6.
7.
Амплитуда первой гармоники
Параметр* и коэффициенты:
Лу
/+3,66-МГ9ТЯ
тока эквивалентного генератора:
л* = hSf3
8, Коэффициент разложения:
___________А________________
В~ (tffo-u'''jbJrp £э /Зп
Для полученного находим §f(8) Сом» табл. 3.1).
9. Амплитуда тока базы z
Ъ Ч-/>1 ГЦЛ гр к KiJ Л р J *
10. Модуль коэффициента усиления по току
^ = _ . шгрГ<^ /
II.
_ ?„(1+со4&) ,
^5э/?ик to С9 ¥“А&) &&эдйп'
12. Составляющие входного сопротивления транзистора первой
гармоники тока
_ ^гр ^ка ‘‘эГ,/в)*г3 .
V ^^грСкК'„р(в) '
13. Коэффициент усиления по мощности:
х<
(^/7^Лу]г Г ^/(RK^)-\ RK1
(h o>rp Ска R'uf, (S))+urp +Л,] [harpCK R'Kt f, (&)}
14. = «7r< /(&) T Pos^KoUKo , рэ~ Р(ЫК1/^в-
15. Входная мощность и рассеиваемая мощность
16. Составляющие сопротивления нагрузки, приведенные к внеш-
нему выводу коллектора в параллельном эквиваленте
[сОС!^(/-СО Calix') R ~ <О1лR Ki
*<= l^(^RK.f}RKf '
** <vc* /7- УЯ&иЬк
Схема ОБ. Упрощенная методика применима, если выполняются
условия:
. / #*' &(&) .
& * ^ГР Г * ^гр-^5 1+(^Гр
Расчет ведем в следующем порядке.
( Определяются величины и параметры: KI j Р/С1-?
это дано в пп. J...8 для схемы ОЭ.
9. Амплитуда тока эмиттера
10.
Модуль коэффициента усиления по току
^=4, /Ч,-
II.
_ /
и6зпик *U
12‘ = Wb (в) , P.’Jk. и», рэ- Р,ы„ /Р,.
13. _ кУРк1~^Р-^к\ + Rki
14. Составляющие входного сопротивления транзистора первой
гармонике тока:
+ *грМ>
fi(ty[h<OrpCKRK< ± &>C# Ы
15. Коэффициент усиления по мощности:
РД6 а, * RKf (в);
. ч 1~ff(9) <&гР
™ "гр С^Г< (*» ~^сГ~ sr Г<
V
16. Входная я рассеиваемая мощности соответственно:
''S’ ~ ’ ?<> “ +/4$’ < Рк&##~
Если в п. 14 /^<0, то возможно самовозбуждение. Как уже
ранее рекомендовалось, для исключения паразитной генерации можно
включить т^$Оп в цепь эмиттера (ом. рис. 3.4). При этом коэффици-
ент уменьшается, обеспечивая стабильность режима. В диапазо-
не СЕИ рекомендуется задавать Л^З.. .10. Затем, выполнив пп. I...
...8 расчета, определить амплитуду тока эмиттера (п. 9):
и составляющие входного сопротивления/£ху и Х/ху (п, 12).
Дополнительное сопротивление находится из соотношения
Гэ $ап~ % Р#ы*1 / ( •
Раооеиваемая мощность
. 1
5. РАСЧЕТ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА МАЛОМОЩНОГО УСИЛИТЕЛЯ СВЧ
В начальных каскадах РПУ мощность обычно достаточно мала
и каскады строятся на маломощных генераторных транзисторах» к ко-
торым относятся приборы о допустимой мощностью рассеяния ме-
нее 0,3 Вт. На входе и выходе транзисторов маломощных усилителей
напряжения близки к гармоническим, что обеспечивается применени-
ем в согласующих цепях резонансных колебательных систем или
П-образных цепей. Поэтому методика расчета режима маломощного
транзистора исходит из допущения о гармонической форме входного
и выходного напряжений.
Рассмотрим расчет режима маломощного транзистора, включенно-
го по схеме ОЭ на заданную выходную мощность рабочей час-
тоте / .
Для расчета режима маломощного транзистора, работающего на
частотах, не превышающих сотни МГц приу< (р,3...0,5)/г^ можно
использовать приближенную методику, изложенную в учебных посо-
биях [8, I0j. Для расчета режима транзистора, работающего на час-
тотах несколько сотен МГц, целесообразно применить методику, рас-
смотренную в работе [5]. При расчете режима транзистора, предна-
значенного для частот порядка нескольких ГГц, рекомендуется ис-
пользовать методику расчета для мощных транзисторов СВЧ [5] (ом.
гл. 4 настоящего пособия).
Приведем методику расчета режима маломощного транзистора,
работающего на частотах до сотен МГц, Для этих транзисторов
при /гр£ I ГГц характерно: значение верхней частотной границы
применения транзистора J-g^frp и . Методика позволяет
вести расчет без учета влияния индуктивности выводов
Рис. 5.1
если и о уче-
том Zfag * если неравенство
не выполняется. Расчет про-
водится для граничного ре-
жима работы. Принимается,
что транзистор работает
с нулевым смещением
Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ,
показана на рис. 5,1. Крутизна по переходу^ считается вещест-
венной величиной. Сопротивление нагрузки - активное. Транзистор
выбирается по требуемой мощности на рабочей час-
тота , Pfa* - выходная мощность усилителя, р* ^ых - КПД выходной со-
гласующей цепи,жОе0,5...0,6. При выборе типа транзистора мож-
но ориентироваться на экспериментальные данные (типовой режим).
После выбора типа транзистора рекомендуется выписать параметры,
необходимые для расчета, в виде таблицы в следующем порядке:
f , МГц, lfXa dtwjgj Ufa доп/В; И'* By ~ } Ът доп ,
Ъс > С , Рfix ,*С!Вту Р* Зап 1 Втj $ гр j Jrp , МГцу СХ/пФу
Ска.,пФ', -L^7hГн) 1>з,нГну U"X9/By h&fa •
Напряжение питания U~xo берется равным рекомендуемому для
типового режима, если ^/х/в этом режиме близка к требуемой.
Если требуемая модность меньше, чей указанная для типового режи-
ма, то напряжение lfx& можно уменьшить, что повысит надежность
транзистора. Например, если мощность меньше на 30...40%, тоС^
можно снизить на 20-30%.
5.1, Расчет режима транзистора по схеме ОЭ
без учета индуктивности вывода
Проверяем выполнение условия /^.’’й^/^.Еоли выполняется,
то расчет ведем в следующем порядке [5].
I, Напряженность режима:
г гр ко
2. Амплитуда напряжения и тока коллектора, эквивалентное
сопротивление коллекторной нагрузки:
3. Параметры эквивалентной схемы, граничная частота по кру-
тизне /у и параметры Qs ? £<94 <р3 , 6г?т .
; ан - ////*#/'.;
Эг те <ps = СО 4
ю
al
ст
S3
<з
«0
0,6 4,29 0,14 0,15 3,8 91*0 3,69 91'0 00 ш со 1> а ч 3,43 ES М а О •
0,55 3 «к со CD 1-4 а О со а СО СО а О * а со о- а О 3 а СМ сг> н а О 3 а см СП ы а О 10 С0 а СМ 8 а О
in а о см со «к о 3 а см о м а О ю а СМ см а О см см а СМ 8 а О 10 ы а СМ 8 а О см ш см а О
0,45 см * см ы см ' а о см 8 а О 3 а НН 8 а £ а 1-4 <D см а О <D а ы см а О а м СО а О
4# * о <0 «к 8 «к О м» ш * CD СМ а о СО м* а Ы СО см а О 8 а 1-4 со а О 00 а СО а О S а ы е- со а О
SE'O ю см «к 00 СМ «к О СП № ы 8 а СМ ы м ы со а О о а И 10 со а О 3 а О о со .а О см со а О 3 а О
0,3 |—1 со «к о 8 а о 3» п о 3 а О 55 а О £ а О о> со а О СП <0 а О ’М1 а О 3 а О ОО м< а О
3 «к О «к со * о £ а О ю СО а о сО а О СП СО а О 00 Ю а О 3 а О ы 10 а О о> а О о ю а О
1 0.2 г а О СО со а о ю ак О м* а О СП м< а О У а О 3 а О CD а О О- со а О ш а О 3 а О CD а О
0,15 со а о «к 'О in СО а О з а 3 а О ю м» а О СП см а О 8- а О in см а О Ш а О 8 а О 10 <D а О
'од S3 * о g «к О 8 «к О и> а О а а О 3 а О €0 к4 а О in ' in а О <D а О CD а О ы а О а О
ч. о. м * о 10 м* * о ы а о м* * о 1-4 а О й а О 8 а О CD а О & а О а> CD а О ё О о- а О
i qJ р о ю «к о о 3 а О о ю tn а О о 8 а О о tn а О о 3 а О
а 7 со а ю in «к о а 5 3 а О CD а О 1 3 а О м» и а О 1 8 а О см а 7 3 о н а О 1 со о> а О
СМ а <? см со * 7 3 «к О со а 8 а О 8 а О 1 а О см 7 3 а О 8 а О со а О СМ а О £ м
о? с? S & 3? гЭ <3? е- с» й а ^7 G- Г fate) г\? О-
а и с а > F 4 см О' If Э
4. Параметр ф{8м, Qs), определи
1Ий угол отсечка 6Н
&(e„,s?3')*-(vtl>-u')u,i Vj uKI.
для полученных!?^ и ^4,Рй)с помощью табл. 5.1 находим коэффи-
циент разложения Принимаем далее 9м " 6 •
5. Знаяу7^Й>, по табл. .3.1, определяем соответствующий ему
коэффициент а затем постоянную составляющую коллекторного
II и
тока:
Jk< Ш8)-
6. Фаза первой гармоники тока эквивалентного генератора:
(47,4-22/Sig )(33-^^(ff)).
7. Амплитуда напряжения возбуждения:
) z + (Мп <&/c#Ws а; 4а
8. Входная проводимость для тока первой гармоники:
Feasts
Г,(е) RK1-sintfs)
Vkiihtifa
9. Мощность возбуждения и коэффициент усиления по модности:
fZx/7 =
10. Мощность, потребляемая от источника питания, мощность
рассеяния на транзисторе, КПД
fy*^кдоп Z Рэ~ fybixi /•
II. Максимальное обратное напряжение на эмиттере
доп •
5.2. Расчет режима транзистора по схеме ОЭ
о учетом индуктивности выводов
Порядок определения параметров режима:
3. S„=42,5J„/('+3,M- tO^Tn)', r=h^9/;S„. (
4. Нормированные частоты
^гр/Нгрг 5?з'=Ьг<э$Ргр(1'*& +<&гр1*э}/(fg-* ?")•
5. (r^r^)^
По рассчитанным^ итабл. 5.1 находим #/£? и затем
по табл. 3.1 соответствующий ему коэффициент gf(9).
Примечание. Если угол отсечки задач (т.е. режим не
нулевого смещения), то по табл. 3.1 определяем ^}/#? и с учетом
найденногопо табл. 5.1 находимfi),Затем из формулы
для определяем требуемое напряжение смещения:
7. Активная и реактивная составляющие входного сопротивления
току первой гармоники
7^. (У★^грС-ка. Яш (&)} + ^гр-^э
(^^гРск/гх,)г^е>) '
~а s+ hif35?rp(hi>rpCKRxt)pl9y
8. Коэффициенты усиления по току и по мощности
9* ?Кр-
10. ^Ко ~ ^x-f ^О~^К-0 1ГК0 у Pfb/Kf^
Рэ-PgbiKf
пик ~ + ^^9 доп *
6. РАСЧЕТ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРА МАЛОМОЩНОГО УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЕ
Генераторные каскады малой мощности РПУ могут выполнять функ-
ции умножителей частоты, в основе которых лежит принцип выделения
гармоники.нужной частоты из импульсов коллекторного тока. На высо-
ких частотах на режим умножителя существенно влияет реакция на-
грузки, обусловленная действием емкостей переходов транзистора,
и ее следует учитывать.
При достаточно хорошей фильтрации нужной гармоники на выходе
(применение колебательных систем о высокой добротностью в коллек-
торной цепи) напряжение на коллекторной нагрузке будет близко
к гармоническому. Поэтому при расчете режима транзистора принима-
ют напряжения на входе и выходе транзистора гармоническими. Экви-
валентная схема умножителя с 03 частоты
Известно, что наибольшая мощ-
ность гармоники при заданной величине
максимума импульса коллекторного тока
зависит от угла отсечки 6 импульса.
Для определения оптимального угла от-
сечки для каждой гармоники можно
пользоваться формулой - 120°/П 7
где 7г- номер гармоники.
приведена на рис. 6.1.
Рис. 6.1
Расчет режима транзистора ведут на заданную выходную мощ-
ность тг-й гармоники £ на рабочей частоте тг/и выбранный угол
отсечки " рабочая частота входных колебаний).
Для расчета режима используем методику расчета, приведенную
в [б], и во многом повторяющую методику расчета маломощного тран-
зистора усилителя (ом. гл. 5 настоящего пособия).
Исходя из заданных и рабочей частоты тг/ по справочнику
выбирается транзистор. Параметры транзистора рекомендуется свести
в таблицу. Значение напряжения коллекторного питания 1Гке принима-
ется равным или близким к в типовом режиме транзистора.
Угол отсечки^^7гп.Из табл. 3.1 находятся коэффициенты
Р3-60™ принимают граничным. Проверяют усло-
вие, определяющее необходимость учета индуктивности выводов тран-
зистора. Если7*> 4> /з, то влиянием индуктивности -L3 можно пре-
небречь. * Р
Порядок расчета режима транзистора без учета индуктивности
выводов (^>й^>Х5) может быть следующим.
I. Напряженность граничного режима:
t мг
а / *nWSrpU?0
где
3 &>гр ^ка.
&=/+ —-------*
Я” -^п^^гр
2, Амплитуда коллекторного напряжения и тока п -й гармоники,
сопротивление коллекторной нагрузки
3. Следует убедиться, что
R*n опт “ /(^^гр ^ка. Л
Если это условие не выполняется, то надо принять^к^^колт-
При этом транзистор будет работать в недонапряженном режиме. Вос-
становить граничный режим можно, понизив напряжение питания Ukd'
4. Максимум импульса коллекторного тока:
• _*^кп, f 3 Гр <£ J
^ктплтГ^ * Л" r& j к ттгеск да? '
5. Постоянная составляющая коллекторного тока
6. Параметры транзистора
к ттг^хЛЗ ?
/+ 3 66
S=; s?s , cot y>s=‘in cot Vs.
d
7. Амплитуда и фаза первой гармоники коллекторного тока:
-,‘-s
8. Амплитуда напряжения возбуждения
9. Входная проводимость:
СОЛ <fs (cos </>f-j агг tp^
10. Мощность возбуждения:
prpo,s^(ReilKI,
II. Коэффициент усиления по мощности:
~~ TZ / *
12. По табл. 6.1 находим для известных
13. Напряжение смещения:
14. Максимальное обратное напряжение на эмиттере:
пик ~ ~ Ufa fan .
15. Мощность, потребляемая от источника питания, мощность рас-
сеяния транзистора, КПД:
р^РгРр^ + Р? ' Ро=^? )РЛ
V KQ КО/ К а fi/дтг в/ Л Сэ »ЫхП. Г 0
Если влиянием индуктивности выводов транзистора пренебречь
нельзя, то расчет можно вести аналогично предыдущему, за исключе-
нием пунктов 9, 10, II, которые с учетом влияния индуктивностей
выводов определяются так:
9. Активная и реактивная составляющие входного сопротивления
% / _ (ен ,Qrp)'
/ -^Э \ ^Гр-^Э 1"
h^sGrpr,(0u,Qrp}’
где
10. Коэффициент усиления по мощности
>£/р) \S 7 ___________________
II. Мощность возбуждения:
Р^гхп '
й
к
0,85 1—1 *« О j 0,12 0,13 1— 1 со W О
0,75 02 «ь о со ы о н * о М1 1—4 О
О СО 4 о Ы О ю Е—i О ю 10 ы о
о Ю о ю о СО Ы О со н о
со о сО ы «ъ о со ы о О- Ы О № о
ш L0 л о £> Ы № о ф н *1 о О> О ы 02 О
ю А о С9 О S3 о S3- о LO 02 О
10 № о 02 * О со 02 О 02 О СО О
* о со 02 ♦* О со *ч о 00 О СО О
0,35 со о Ш ГО о СО О 5! о
0,3 ГО о СП со о О СО о
Й г* о со со о ч о СП о 10 Ft О
0,2 ы о со о LO О' СО *> о
0,15 ю о со 10 О СО О 10 СО м о
1-1 о со о ш ю № о со о со № о
8 о ы ю о СО Ть о о> со о о- А. О
00*0 ю ш *. Q S Ь 1 ш о о со «к
ZE CD СЕ? <^pF
ч/> 3 ВЕ= 3S с>г о? lQ б?
в §
& §
Ф Щ
Ф <Й
1=4 Ш
О Л
1
7. РАСЧЕТ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА МОЩНОГО СВЧ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
В промежуточных каскадах радиопередающих устройств СВЧ при-
меняют умножители частоты с выходной мощностью до сотен милли-
ватт. Такие СВЧ-умножители являются уже мощными. Умножение часто-
ты в них достигается выделением нужной Zf-й гармоники из импульса
коллекторного тока. При расчете режима транзистора, работающего
на частотах 10®...10$ (сотни МГц), используют кусочно-линейную
модель транзистора. При этом дополнительно учитывают индуктивнос-
ти выводов транзистора, емкость закрытого эмиттерного перехода
и потери в материале коллектора. Предполагают, что транзистор
включен по схеме с общей базой (ОБ) и возбуждается от генератора
гармонического тока. Схема ОБ обеспечивает лучшие энергетические
параметры модного умножителя СВЧ, чем схема о общим эмиттером
(ОЭ). В схеме ОЭ за счет обратной связи через емкость импульс
коллекторного тока деформируется и имеет малые коэффициент фор-
мы а следовательно, и КЦД, и мощность в нагрузке.
Выходная мощность умножителя ограничена несколькими фактора-
ми. К ним относятся предельно допустимые значения обратного на-
пряжения на эмиттерном переходе модности расоеяния^^ ,
а также критический коллекторный ток .
При выборе угла отсечки £ надо учитывать следующее. Пиковое
обратное напряжение увеличивается при уменьшении угла от-
сечки & , что может ограничить мощность, отдаваемую умножителем
частоты. При больших углах отсечки уменьшается КПД и растет рас-
сеиваемая мощность , что может привести к нереализуемоети режи-
ма транзистора. Если при оптимизации мощности умножителя частоты
опираться только на ограничения по коллекторному току, считая
максимальный ток гхтак = , то оптимальным углом отсечки при
п = 2 оказывается 8- 60°, а при п =3-9 = 40°. При этих углах
отсечки КПД будет достаточно высоким, но надо не допустить пре-
вышение Щэдоп. Поэтому часто угол отсечки и для 7г = 2, и 7г - 3
выбирают равным Q- 60°.
Расчет режима транзистора ведут на заданную выходную мод-
ность транзистора на рабочей частоте тг/, определенную по вы-
ходной мощности умножителя^ и КПД его выходной согласующей
значение тока коллектора,при достижении которого час-
тота падает на 3 дБ (в два раза) по отношению к ее .максимальному
значению при заданном напряжении коллектор-эмиттер.
Для расчета используем методику, изложенную в учебном посо-
бии £б], которая имеет е своей основе следующие допущения:
интервал рабочих частот соответствует неравенствам ’
f>3frfJh„9 , П/
транзистор возбуждается от генератора гармонического тока;
крутизна по переходу считается вещественной;
напряжение на коллекторе - гармоническое;
схема включения транзистора - ОБ;
влиянием индуктивности общего вывода транзистора £,& прене-
брегают.
Исходя из заданных и п/ по справочникам выбирается
транзистор с учетом выполнения условий/^ Ъ/гр/Ь.г1Э и п/^/гр.
Вследствие больших потерь в материале коллектора на верхних часто-
тах транзистора целесообразно выбирать транзистор с запасом по вы-
ходной мощностипримерно в 2,0..,2,5 раза. Параметры выбран-
ного транзистора рекомендуется свести в таблицу в следующем поряд-
ке* Pfb/X > ^ко 1 Ру доп 7 Ру ЗоП?/ Ру кр
Т„ , ‘С; &гр , Л/й; frp ,МЪ; С,, „ Ф; Г-,, Ом; ГР,0м;Гк, Ом;
гнГн^М3 , нГну
Напряжение питания 1ГКО принимается равным или близким к Lf^o
в типовом режиме транзистора. Угол отсечки целесообразно выбрать
для тг=2итг=3б? = 60°. По табл. 3.1 определяют для выбранно-
го 3 коэффициенты , «г,, .
Расчет ведут в следующем порядке (режим работы принимают
граничным).
I. Сопротивление потерь коллектора в параллельном эквива-
ленте:
</ (псОСк} 7* .
2. Напряженность граничного режима
П
гдеЛ= (&)*
. 3, Амплитуда напряжения и тока тг-й гармоники, приведенные
к эквивалентному генератору (см. гл, 4)
5гР /Ъм
4. Сопротивление коллекторной нагрузки
~ ^Кп. !^КП-
Здесь необходимо убедиться, что При невыполнении этого
условия следует задать меньшую амплитуду на коллекторе.
5. Амплитуда п -й гармоники, высота импульса тока эквива-
лентного генератора, постоянная составляющая коллекторного тока
соответственно:
^гп ~)j 1 ктах ~^гп Уп ($j
^ко ~ t к гггах
<* , (0).
Провести проверку выполнения условия г’^^^^р.Еоли условие
не выполняется, то следует сменить транзистор, так как из-за умень-
шения частоты//^, нельзя получить заданную мощность.
6. Амплитуда тока возбуждения и коэффициента передачи по то-
ку в схеме ОБ:
7 -7
7. Пиковое обратное напряжение на эмиттере
5 ^/^гр СэГгМУК * Ufe fam -
8. Напряжение смещения:
'Jrp э\
-г)г^]
/
7
где
(1+ т*э ] /£п у
. - 5 4 , • - /7 -г .
АЗ" 66-М’3Т ?
9. Активная и реактивная составляющие входного сопротивления
транзистора:
10, Модность источника питания, КПД:
?о а ^Ко ^ко / рд - Р#ыхп /в •
II. Коэффициент усиления по мощности:
^хтг.
^А/
12.
Мощность возбуждения;
13. Модность рассеяния:
14. Активная и реактивная составляющие сопротивления нагруз-
ки, приведенной к внешнему выводу коллектора, в параллельном
эквиваленте: 3
^аяА/сл
па)Ск [ /- (n<t>) гСк
8. РАСЧЕТ РЕЖИМА БЕЗЫНЕРЦИОННОГО ТРАНЗИСТОРА
МАЛОМОЩНОГО АВТОГЕНЕРАТОРА
Автогенераторы многокаскадных РПУ являются наиболее маломощ-
ными каскадами, мощность которых составляет от нескольких единиц
до сотен мВт. Рабочую частоту автогенератора часто выбирают су-
щественно ниже частоты выходных колебаний РПУ. Это позволяет лег-
че обеспечить стабильность работы автогенератора. Повышению ста-
бильности частоты автогенератора способствует построение его на
безынерционном транзисторе. Биполярный транзистор можно считать
безынерционным, если его рабочая частота колебаний/<
граничная частота по крутизне) [5]. Рассмотрим методику расчета
режима безынерционного транзистора маломощного автогенератора,
приведенную в учебном пособии [5], на заданную выходную мощ-
ность Р?Ь1К t на рабочей-частоте / .
Известно, что любой транзистор характеризуется, кроме своих
частот и /Гр , группой предельно допустимых параметров, опреде-
50
ляющих его предельные возможности - током коллектора ^аи fo,,
напряжением на коллекторном Й^.э^даи эмиттерном переходах
и мощностью рассеянияF^^Qn для данной температуры среды Тср.
В пособии [5] показано, что выбор коэффициента обратной свя-
зи K-tyf [tfKf автогенератора ограничен одним ив этих предельно
допустимых параметров. Это обстоятельство является одним из опре-
деляющих при расчете режима транзистора.
Тип транзистора выбирается по справочнику, например [ 14,15],
исходя из требуемой на рабочей частоте/. Проверяется усло-
вие безынерционное™ транзистора/< 0,5^. Если оно удовлетворя-
ется, то выписываются необходимые для расчета режима транзистора
параметры: частота^ , крутизна^ статической характеристики
крутизнаЛу статической характеристики напряже-
ние предельные параметры JK Рк$оп
(при 25°С). Если значения Л и Sg отсутствуют в справочнике,
то они определяются из статических характеристик. В тех случаях,
когда статические характеристики не приводятся, можно воспользо-
ваться приближенными формулами Гб]:
=3/^г/з > /Згу , г к 777 (OtS,.,OtS№ктвлзт,
где £Л777ах- максимальное значение тока импульса;^,та*&О(т- допус-
тимое значение коллекторного тока.
Транзисторы автогенератора повышенной стабильности частоты
обычно работают в недонапряженном режиме при неполном использова-
нии как по току, так и напряжению:
ттгахt)\„ак 3m ,uK^(o,‘i...ol5')tfK33e„.
Поэтому выбираем напряжение коллекторного питанияб^с,=
Далее задаемся углом отсечки & , который в автогенераторах
обычно бывает 60...90°. Для выбранного# по табл, 3.1 находим
коэффициенты^/#/^, (Q)Вычисляем некоторые функции, за-
висящие только от угла & :
Fe (О) = (.1-СО4 еГа-/;(в)) ;
_ j —
^(ePC^coiG) ;
Расчет режима транзистора ведем в следующем порядке.
I. Определяем коэффициент обратной связи £ . Значения коэф-
фициентов обратной связи, соответствующие работе транзистора
в предельных режимах:
по току
с = (^ктпах. доп f(&) ,
по напряжению
*и= Г (Цъ gaa+^') Ш*. J (81
по мощности
кря (£ ^к.доп / $ ) Ер (&).
Рабочее значение коэффициента должно быть меньше наименьшей
из этих величин:
k*min[k;,ku,kp}.
2, Амплитуда напряжения возбуждения:
•% = к Ji- г< № '
3. Амплитуды коллекторного напряжения и тока первой гармо-
ники:
1 = 3 Ugf ft (&)*
4. Максимальное значение импульса коллекторного тока:
гЛГЛ7?ЛХ fo„ .
5. Выходная мощность:
U•
6. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки:
~ -
7. Электронный КПД
р3^ OfS/ико.
8. Мощность, рассеиваемая коллектором:
9. Напряжение смещения:
ut=-Uftcoie^u'.
10, Максимальное обратное напряжение между базбй и эмиттером:
пик. =4,-utt • -Uf, н+сме) < Us> 9о„.
II. Постоянные составляющие коллекторного и базового токов:
? ^5ъ ~^о ?
где h^/з *s/s^.
12. Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания:
~ *?К0 ^<О"
После расчета следует убедиться, что вое проверки (см.пп.8,
10) выполняются и значение полученной выходной мощности не
меньше заданного значения. В противном случае надо заменить тип
транзистора или задаться меньшим значением мощности
При проектировании расчет режима автогенератора ведут на его
выходную мощность , которая связана с выходной мощностью
транзистора^* (без учета мощности, идущей на возбуждение тран-
зистора) соотношением
A/JC ~ (Ь/Х < 2
где/?* - КПД ВЧ системы автогенератора, к которой подключена на-
грузка.
Поэтому мощность транзистора Pgb/1. , , из которой исходят при
расчете его режима, может быть определена, если заданы Pgbl* &рк.
Однако, если мощностьобычно известна, то КПД рк следует вы-
брать. Рекомендуемое значение^* зависит от желаемого режима
автогенератора: либо режим повышенной отдачи мощности в нагрузку,
либо режим повышенной стабильности частоты от влияний нагрузки.
При первом режиме принимаютрр* 0,8...0,9, а при втором -рк от
нескольких сотых до 0,1,
9. ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА ТРАНЗИСТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ
КАСКАДОВ НА ЭВМ
В помощь’проектированию транзисторных генераторных каскадов
на кафедре имеется библиотека готовых программ расчета этих кас-
кадов на ЭВМ, Программы позволяют рассчитать режимы работы тран-
зистора и параметры элементов согласующих ВЧ-цепей, выполненных
на катушках индуктивности и конденсаторах (цепи Г-, Т-, П-типа)
и на отрезках полосковых несимметричных линий (одношлейфовый,
трансформатор). В основе программ расчета режимов транзисторов
генераторных каскадов лежат методики расчета, рассмотренные
в гл. 3...8 настоящего пособия.
Для удобства выбора программы при расчете каскада приведем
краткие сведения о программах: назначение и требуемые входные па-
раметры. Полные сведения о программах можно найти в методических
указаниях к ним, имеющимся на кафедре. Программы написаны на язы-
ке "Бейсик" версии персонального компьютера (ПК) ’Ч1равец-8Д"
и "Фортран".
9.1. Программы для ПК "Правец-ЭД"
(язык программирования - Бейсик,"диалоговый" режим)
После загрузки программы от внешнего устройства следует на-
брать 'Ш" и " TI”. Входные данные вводить по мере сообщений на
экране ПК о вводимых параметрах, завершая ввод нажатием клави-
ши "ZJ ".
Программа "АГ", Расчет режима безынерционного транзистора
маломощного ВЧ автогенератора (схема с общим эмиттером).
Программа позволяет рассчитать параметры режима безынерцион-
ного биполярного транзистора маломощного автогенератора по задан-
ной выходной мощности транзистора на рабочей частоте у ,
углу отсечки тока & и справочным параметрам транзистора. В резуль-
тате расчета определяются параметры режима транзистора, необходи-
мые для расчета элементов ВЧ-цепи и цепей питания и смещения авто-
генератора.
Входными данными программы являются:/, 9 и параметры
транзистора доп * ^сдол ? &* Нк.эдоп>
Программа "УЧММТ". Расчет режима транзистора маломощного
умножителя частоты (схема с общим эмиттером).
Программа позволяет рассчитать режим работы транзистора
удвоителя (« = 2) и утроителя (Л£= 3) частоты по заданной выход-
ной мощности транзистора^М(П на рабочей гг-й гармонике (тг/), час-
тоте входных колебаний / , углу отсечки тока# и справочным пара-
метрам транзистора. В.результате расчета определяются энергетичес-
кие параметры режима транзистора и параметры, необходимые для рас-
чета элементов ВЧ-цепей и цепей питания и смещения умножителя час-
тоты ,
Входными данными программы являются: ft
ры транзистора £Ск,С^^з»гэ >
ЛмМ1 парамвт-
At j-^Э, frpj&rp;
W?Кь9&Г/ Tfl dor>fty*a •
Программа "УЧ MT”. Расчет режима транзистора модного
СВЧ-умножителя частоты (схема с общей базой).
Программа позволяет рассчитать режим работы мощного СВЧ-
транзистора, используемого в удвоителе (?t = 2) или утроителе
(тг= 3) частоты. Исходными данными для расчета являются выходная
мощность транзистора%ь/кП на рабочей п -й гармонике» выходная
частота/д/хи справочные параметры транзистора.
В результате расчета определяются энергетические параметры
режима транзистора и параметры, необходимые для расчета элемен-
тов СВЧ-цепей, цепей питания и смещения умножителя частоты.
Входными данными программы являются:^/х^/4в,
и параметры транзистора
Программа "УМ". Расчет режима транзистора усилителя ВЧ мод-
ности (схема с общим эмиттером).
Программа позволяет рассчитать для усилителя ВЧ мощности па-
раметры режима работы транзистора и параметры элементов и КПД
его согласующих цепей, выполненных на одном из видов цепей Г-,
Т-, П-типа. Расчеты выполняются в два этапа: первый - расчет ре-
жима работы транзистора, второй - расчет согласующих цепей.
Исходными данными для расчета на первом этапе являются:
выходная модность транзистора f на рабочей частоте / , угол
отсечки тока Q и справочные параметры транзистора. Для расчета
на втором этапе задают тип согласующей цепи, значение активных
составляющих сопротивлений на входе/?/ и выходеR2 цепи, значе-
ние добротности Q1 цепи и добротности катушки индуктивности це-
пи $ . Входными данными программы являются: для первого этапа -
и параметры транзистора
«“ второго этапа -
номер типа цепи Х,^/,
Программы "ГЯМЕМ" и "ГЛММИ”. Расчет режима транзистора
усилителя СВЧ мощности (упрощенная методика).
Программы позволяют рассчитать параметры режима транзистора,
включенного по схеме о общим эмиттером CT/haW) или по схеме
с общей базой ("TBWAf”)» усилителя СВЧ мощности. Исходными дан-
ными являются: выходная мощность транзистора1 да рабочей час-
тоте J , нулевое смещение на базе транзистора и оправочные
параметры транзистора. В результате расчета определяются энерге-
тические параметры и параметры режима транзистора, необхо-
димые для расчета СВЧ согласующих цепей и цепей питания усилителя.
Входными данными являются•
^кВоп> &гр у
частота у7 и коэффициент усиления Кр в типовом режиме.
Программа "РАНУ'. Расчет режима транзистора усилителя СВЧ
мощности (упрощенная методика; автоматический поиск типа транзис-
тора в электронном каталоге).
Программа позволяет рассчитать и оптимизировать параметры
режима работы транзистора усилителя СВЧ мощности, включенного
по схеме с общим эмиттером или по схеме с общей базой. При обра-
щении к программе должны быть заданы: выходная мощность транзис-
тора fyh/Xf , рабочая частота/.
Программа выполняет расчет, если не задано другое значение,
при напряжении смещения на базе U~go - 0.
Программа содержит электронный каталог генераторных транзис-
торов СВЧ, позволяющих проектировать усилители мощности в диапа-
зоне 100...3000 МГц и интервале мощностей от 0,2 Вт до 45 Вт.
В результате расчета определяются энергетические параметры
параметры режима транзистора, необходимые для расчета СВЧ
цепей и цепей питания усилителя.
Программа "Г-цепь". Расчет согласующих цепей Г-, Т-, П-типа.
Программа позволяет рассчитать параметры элементов согласую-
щей цепи в виде реактивного четырехполюсника Г-типа или на ее
основе Т- и П-типа. При заданных комплексных сопротивлениях гене-
ратора Хг и нагрузки %* (в последовательных схемах замещения)
определяются значения реактивных сопротивлений последовательной
и параллельной ветвей Г-цепи и распечатываются четыре возможные
схемы реализации цепи согласования, идентичные по трансформирую-
щим свойствам, но различные по частотным характеристикам. Расчет
Т— и П-цепей выполняют путем двукратного применения программы,
разделяя Т- или П-цепь на две Г-цепи с некоторым промежуточным
сопротивлением RQ в 2...5 раз больше наибольшей активной состав-
ляющей согласуемых сопротивлений для Т-цепи и во столько же раз
меньше меньшей активной составляющей сопротивления для П-цепи.
Исходными данными являются составляющие сопротивлений генератора
Rr,\r и нагрузки RNiX*,- рабочая частота/ и при расчете Т- или
П-цепи сопротивление^.
9.2. Программы на языке программирования "Фортран"
Программа Уб$7 41 *0Е*Расчет режима мощного СВЧ транзистора
усилителя. Схема о общим эмиттером.
Программа Расчет режима мощного СВЧ транзистора
усилителя. Схема с общей базой.
Программа IT6S7O7\ Расчет одношлейфового полоскового транс-
форматора ,
ПрограммамиT&R. Расчет геометрических размеров отрезков
полосковых линий.
Программа £#374$. Схемотехническое проектирование согласую-
щих цепей генераторов.
Эти программы описаны в учебных пособиях [16 - 18], где да-
но назначение программ, описание входных и выходных данных,
а также примеры расчета.
Программы и СГ63742ъ основе имеют методику расчета,
изложенную в гл. 4 настоящего пособия, и описаны в пособии [1б].
Программы&6STQT?JJ6ST6Rпозволяют рассчитать одношлейфо-
вый полосковый трансформатор. Сначала по программе "ОТ" определя-
ются относительные длины отрезков одношлейфового трансформатора,
а затем по программе "£>?” рассчитываются их геометрические разме-
ры (длина и ширина). Описание программ дано в [16].
Программа U6ST4ij позволяет выполнить для согласующей цепи:
анализ с определением АЧХ цепи, параметрический, структурный
и допусковый синтезы. Описание примеров выполнения параметричес-
кого и допускового синтеза цепи можно найти в [16, 18], структур-
ного синтеза в [17].
1
ОБОЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРОВ
%ых - мощность радиочастоты на выходе генераторного каскада
или модность, отдаваемая в нагрузку (выходная модность
каскада)
fyblK t- мощность первой гармоники на выходе транзистора (выходная
мощность транзистора)
^ыктГ мощность п —й гармоники на выходе транзистора
Р9 - мощность, потребляемая транзистором от источника питания
коллекторной цепи
Рх - модность, рассеиваемая в виде тепла на коллекторе тран-
зистора
PfK - модность радиочастоты, подводимая ко входу генераторного
каскада (модность возбуждения каскада)
Pgi - модность первой гармоники, подводимая ко входу транзис-
тора (мощность возбуждения транзистора)
Pg0 - мощность постоянного тока в цепи смещения транзистора
или мощность, рассеиваемая в источнике смещения
Ps - мощность рассеяния на базе транзистора
- коэффициент полезного действия транзистора (электронный
КЦД, КПД по первой гармонике)
р - коэффициент полезного действия генераторного каскада (об-
щий КПД) без учета потерь во входной цепи
- 'коэффициент полезного действия согласупце-траноформирую-
щей цепи (^£х- входной цепи,Д&/х - выходной цепи) гене-
ратора
К? - коэффициент передачи (коэффициент усиления) по модности
транзистора
р„ - коэффициент передачи (коэффициент усиления) по мощности
генераторного каскада
lfKO - постоянное напряжение на коллекторе
UK< - амплитуда первой гармоники коллекторного напряжения
ZTKTt~ амплитуда п-й гармоники коллекторного напряжения
Ur, - амплитуда напряжения первой гармоники эквивалентного гене-
ратора
- напряжение смещения на входном электроде транзистора
- амплитуда первой гармоники напряжения возбуждения тран-
зистора
If1 - напряжение сдвига аппроксимированной проходной характе-
ристики транзистора при кусочно-линейной аппроксимации
(напряжение отсечки)
Цсат/юЩзпик 1111X0206 напряжение на коллекторе и пиковое обрат-
ное напряжение на эмиттере
•^яг«д“ максимальное значение коллекторного тока
максимальное значение импульса коллекторного тока
JKO - постоянная составляющая коллекторного тока транзистора
- амплитуда первой гармоники коллекторного тока транзис-
тора
Jr< - амплитуда первой гармоники тока эквивалентного генера-
тора
~ амплитуда п -й гармоники коллекторного тока транзистора
- постоянная составляющая входного тока транзистора
«7/, - первая гармоника входного тока транзистора
Лд,- эквивалентное сопротивление коллекторной цепи транзис-
тора для первой гармоники
Якп- эквивалентное сопротивление коллекторной цепи для ^-й
гармоники
8 - угол отсечки коллекторного тока
(&) ~ коэффициенты
разложения
импульса при постоянном
импульса
Г-М.ГМГнЮ) - коэффициенты разложения
импульса
косинусандального
значении максимума
косинусоидального
коэффициент формы косинусоидального импульса для
первой и л? —й гармоник ~~ ) *
- коэффициент использования коллекторного напряжения (на-
пряженнооть режима)
. " напряженность режима при граничном режиме работы -
2^/х/- полное выходное сопротивление транзистора для первой
гармоники.^, =Г^;Х1 уЛ£,х- актиБ"
нал и реактивная составляющие 1
полная выходная проводимость транзистора для первой гар-
моники./д/х, =//„„, “ актив-
ная и реактивная составляющие
полное входное сопротивление транзистора для первой гар-
моники. Z/KV = t*gKi +/Л/яУ, где т^Х1 активная и ре-
шЕ
полная входная проводимость транзистора для первой гармо-
ники,ft* , + Jkg*/ ~ активная и реактивная состав-
ляющие
Zhi - полное сопротивление эквивалентной нагрузки на внешних
выводах транзистора. ZAr - '% где ~ актив-
ная и реактивная составляющие
- дополнительное корректирующее сопротивление во входной
цепи, позволяющее выравнять постоянные времени открытого
и‘закрытого эмиттерного переходов
СА - дополнительная емкость во входной цепи, позволяющая повы-
сить максимальное напряжение 2^ WdiX между базой и эмитте-
ром без пробоя эмиттерного перехода
ОБОЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ5?
цм )
УАл/з = Jj3
- статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ
к /JfT
- статический коэффициент передачи
тока в схеме ОБ
- предельная частота коэффициента передачи тока
в схеме ОЭ, при которой модуль коэффициента пере-
дачи тока уменьшается на 3 дБ по'сравнению с его
низкочастотным значением
>;_ = А. - предельная частота коэффициента передачи тока
... в схеме ОБ
коэффициент передачи тока на рабочей частоте
в схеме ОЭ
=й((г))~ коэффициент передачи тока на рабочей частоте
в схеме ОБ
= у r - граничная частота коэффициента передачи тока в схе-
ме ОЭ. На этой частоте)/г| = I. Если известно из-
меренное значение)hг^1изм яа некоторой частоте
JuSM г Т0 Угр 3 ) ^-£13 ।
=Дг/5-/(1,4., .1,6) - для дрейфовых транзисторов
ИА> »2 ” Для сплавных транзисторов
х^см. рис. 2.3, 4.1, 5.1, 6,1. табл. 2.1; ОЭ - схема с общим
эмиттером, ОБ - схема с общей базой
б0 а») Обозначение по ГОСТ,
- постоянная времени, l/SJrfj*
- постоянная времени, 'Г, - ^jr/^
максимальная частота генерации. Это наибольшая частота,
на которой транзистор способен работать в схеме автогене-
ратора. На этой частоте коэффициент усиления по мощнос-
ти Ад уменьшается до единицы. = (1,6., .1,8)/гр
максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер в не-
прерывном режиме (схема ОЭ)
^89оп максимально допустимое напряжение коллектор-база в непре-
рывном режиме (схема ОБ)
2^^- максимально допустимое напряжение база-эмиттер в непре-
рывном режиме
^кл&огГ максимально допустимая постоянная составляющая коллек-
торного тока
максимально допустимая постоянная составляющая базового
тока
7кгпах#оп- допустимое значение максимального коллекторного тока
Ал» “ критический ток коллектора
верхняя и нижняя частота использования транзистора, реко-
мендуемая изготовителем
$гр - крутизна линии граничного режима
S - крутизна проходной статической характеристики транзистора
Tn$OR- максимально допустимая температура переходов транзистора
Тк - температура корпуса транзистора
- тепловое сопротивление переход-корпус
допустимая рассеиваемая мощность на коллекторе
(при s 25°С)
- объемное сопротивление материала базы
т*3 - стабилизирующее сопротивление в эмиттере, являющееся эле-
ментом конструкции многоэмиттерных транзисторов
т*к - сопротивление потерь коллектора
- сопротивление насыщения
7* - сопротивление рекомбинации
Ск - емкость коллекторного перехода
С^~ активная часть емкости коллекторного перехода
~ . .4)
Скп - пассивная часть емкости коллекторного перехода
£кп ~ ск~с*ъ
Сэ ~ емкость эмиттерного перехода (барьерная емкость)
Cgup~ Диффузионная емкость
2^ - постоянная времени цепи обратной связи
Zj - индуктивность вывода эмиттера
- индуктивность вывода базы
- индуктивность вывода коллектора
S# - крутизна по переходу
- напряжение на переходе
- граничная частота по крутизне
- нормированная частота по крутизне 5?^ =//Xf
Qr- нормированная граничная частота &гр =// f >/>
zr - ток эквивалентного генератора
ЛИТЕРАТУРА
I. Радиопередапцие устройства / Под ред. М.В. Благовещенско-
го, Г.М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982.
2. Радиопередающие устройства / Под ред. В.В. Шахгильдяна.-
М.: Радио и связь, 1990,
3. Проектирование радиопередающих устройств / Под ред.
В .В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1984.
4. Шумилин М.С. .Козырев В.Б. .Вла-
сов В.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков.-
М«: Радио и связь, 1987.
5. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ / Под ред.
Г.М. Уткина. - М.; Советское радио, 1979.
6. П е т р о в Б.Е. .Романюк В.А. Радиопередающие
устройства на полупроводниковых приборах. - М.: Высшая школа,
1989.
7. Богачев В.М., Никифоров В.В. Транзистор-
ные усилители мощности. - М.: Энергия, 1978.
8. Н е й м а н М.С. Полупроводниковые каскады радиопередаю-
щих устройств. - М.: МАИ, 1977.
9. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных
антенных решеток) / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио
и связь, 1981.
10. Г р а но в с к а я Р.А. Радиопередатчик с амплитудной
модуляцией на транзисторах: Учеб, пособие. - М.: МАИ, 1973.
II. Коптев Г.И., Панина Т.А. Расчет и конструиро-
вание транзисторных передатчиков: Учеб, пособие. - М.: МЭИ, 1976.
12. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой
мощности: Справочник / Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио
и связь, 1989.
13. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справоч-
ник / Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985.
14. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник / Под
ред. Н.П. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
15. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справоч-
ник / Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981.
16, Проектирование генераторов СЕЧ на ЗВМ: Учеб, пособие
/ Под ред. Р.А. Грановской. - М.: МАИ, 1983.
17. Полупроводниковые генераторы о внешним возбуждением:
Учеб, пособие / Под ред. В.Н. Шпаликова. - М.: МАИ, 1986.
18. Управление радиочастотными колебаниями генераторов:
Учеб, пособие / Под ред. Р.А. Грановской. - М.: МАИ, 1987.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ........................................... 3
I. Общие сведения о генераторных транзисторах........... 4
2. Параметре транзисторов. Эквивалентные схемы
транзисторов и параметры их элементов ....................... 6
3. Расчет режима транзистора мощного усилителя
высокой частоты .......................................... 17
4. Расчет режима транзистора мощного усилителя СВЧ .... 26
\ / 5. Расчет режима транзистора маломощного усилите-
ля СВЧ .................................................... (эВ
6. Расчет режима транзистора маломощного умножи-
теля частоты ................................................ 43
7. Расчет режима транзистора мощного СВЧ умножи-
теля частота .............................................. 47
\1 8. Расчет режима безынерционного транзистора
маломощного автогенератора..................................<50
9. Программы расчета транзисторных генераторных
каскадов на ЭВМ ........................................... 53
Обо значения параметров режимов транзисторов .......58
Обозначения параметров биполярных транзисторов
и параметров элементов их эквивалентных схем ............... 60
Лит ература..................................... 63
I
Тем. план 1993, поз.107
Грановская Роза Алексеевна
РАСЧЕТ КАСКАДОВ РАДИОПЕРШЮЩИХ
УСТРОЙСТВ
Редактор Л.Н. Перцева
Техн’, редактор А.А. Крапоткина
Подписано в печать 24.03.93
Бум. офсетная. Формат 60x84 I/I6. Печать офсетная
Уол. печ. д. 3,95 . Уч.-изд. л. 4,16 * Тираж 500
Зак. 2132 / 541. C3I - Отпускная цена для реализации в МАИ 20 р.
Типография издательства МАИ
I2B87I, Москва, Волоколамское шоссе, 4
ДЛЯ ЗАМЕТОК