Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением

Лекция № 4

Транзисторные генераторы с внешним возбуждением, их режимы работы

 

Учебные вопросы:

Типы мощных биполярных и полевых транзисторов, используемых в генераторах.

Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением.

Методика расчета ВЧ генератора с биполярным транзистором.

Сравнительный анализ трех типов генераторов с внешним возбуждением.

 

Введение

 

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

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

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

 

 

ТИПЫМОЩНЫХ БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГЕНЕРАТОРАХ

В ГВВ могут использоваться биполярные и полевые транзисторы.

В биполярных транзисторах происходит перенос как основных носителей заряда в полупроводнике, так и неосновных; в полевых - только основных. Управление током прибора в биполярных транзисторах осуществляется за счет заряда неосновных носителей, накапливаемых в базовой области; в полевых - за счет действия электрического поля на поток носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале, причем поле направлено перпендикулярно этому потоку.

Для увеличения мощности прибора в биполярных транзисторах используют многоэмиттерную структуру, а в полевых - многоканальную. Материалом для мощных ВЧ транзисторов обоих типов служит кремний, в СВЧ приборах применяют также арсенид галлия. Задача повышение выходной мощности сигнала и максимальной частоты усиления в полупроводниковом приборе решена путем создания кремниевых и арсенид-галлиевых транзисторов с многоэмиттерной и многоканальной структурой. Другое направление в развитии генераторных транзисторов связано с повышением их линейных свойств при усилении сигналов повышенной мощности. В табл. 1 приведены четыре основных параметра - максимальная частота усиления , выходная мощность , коэффициент усиления по мощности , КПД нескольких типов ВЧ мощных биполярных и полевых транзисторов. Основные сведения для мощных транзисторов, необходимые для анализа работы ГВВ, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип транзистора	Частота, МГц	Мощность , Вт	Коэффициент усиления, дБ	КПД, %
КТ927В КП904А КТ922В КТ931А КТ930В

Биполярные транзисторы

Принцип действия биполярных транзисторов. Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа n-р-n и р-п-р. Под n понимается электронная проводимость материала, под р - дырочная. Мощные биполярные транзисторы являются, как правило, типа п-р-п.

В основе работы биполярного транзистора типа n-р-n лежат три явления: 1) инжекция электронов из эмиттера в область базы, 2) их накопление в базовой области (по отношению к проводимости типа р электроны становятся неосновными носителями заряда); 3) перенос электронов под действием внешнего электрического поля из базы к коллектору (см. рис. 1,а).

Рис. 1 – Зависимость скорости движения электронов в полупроводнике от напряженности электрического поля.

 

Здесь имеют место два ограничения, не позволяющие увеличивать мощность прибора при одновременном повышении частоты сигнала. Первое ограничение связано с предельной скоростью движения электронов в полупроводнике. Так, для кремния эта скорость, зависящая от напряженности электрического поля, не превышает см/с (рис.1,б). Второе ограничение связано с предельным значением напряженности электрического поля , при превышении которого наступает электрический пробой. У кремния В/с.

Предельная или граничная частота усиления транзистора непосредственно связана со временем переноса носителей заряда через базовую область толщиной W (рис. 1, а):

, (1)

где - время переноса носителей через базу.

Для напряженности электрического поля запишем (1) как

, (2)

где - напряжение коллектор-база.

Совместно решив уравнения (1) и (2) с учетом указанных значений и и приняв Е=0,6 , получим

, (3)

которое определяет предельные возможности биполярного транзистора.

Согласно (3) чем выше частота, тем меньше должно быть напряжение питания, а, следовательно, и мощность биполярного транзистора. Так, при напряжении питания коллектора транзистора =20 В его граничная частота усиления составит =5 ГГц.

С помощью специальной, очень сложной технологии при создании СВЧ транзисторов удалось приблизиться к теоретическому пределу, определяемому соотношением (3). В качестве примера укажем, что в транзисторе =400 МГц толщина базовой области W=0,7 мкм; при =1...2 ГГц W= 0,2...0,3 мкм.

Помимо двух названных (предельная скорость переноса носителей заряда и допустимая напряженность электрического поля), есть еще два ограничительных фактора, не позволяющих увеличить мощность транзистора: допустимая температура р-n -перехода (у кремния не выше ) и эффект оттеснения. Сущность последнего сводится к тому, что с возрастанием плотности тока перенос носителей заряда оттесняется ко внешнему краю эмиттера. В результате значение тока определяется периметром, а не площадью эмиттера, что не позволяет увеличивать мощность с повышением частоты. Последнее ограничение удалось преодолеть путем создания так называемых многоэмиттерных структур, в которых существенно увеличен периметр эмиттера без увеличения его площади. Одна из таких структур, называемая полосковой, показана на рис. 2.

Рис. 2 – Полосковая многоэмиттерная структура р-n-перехода

 

В этой структуре эмиттер 1 имеет гребенчатую структуру. Такую же форму имеют контактные площадки выводов базы 2. Коллектор в приборе общий. Общее число полосков-эмиттеров в приборе может достигать нескольких десятков. В качестве примера приведем параметры типичного СВЧ транзистора полоскового типа: размеры одного эмиттерного полоска 16х240 мкм; число полосков-эмиттеров 18; площадь коллектора 0,22 ; общий периметр всех эмиттеров 8 мм, площадь 0,065 .

Для повышения выходной мощности СВЧ транзистора на одном кристалле располагают несколько структур, а в одном корпусе размещают несколько кристаллов. Тепло, рассеиваемое в кристалле транзистора, необходимо отвести на его корпус. При этом обеспечивается электрическая изоляция электродов относительно корпуса прибора, для чего используется бериллиевая керамика - диэлектрик с высокой теплопроводностью (такой же, как у латуни). В зависимости от схемы применения в мощных транзисторах с корпусом соединяется эмиттер или база. Внешний вид двух типов транзисторов показан на рис. 3. Работа транзистора описывается большим числом характеристик и параметров, которые позволяют произвести расчет режима работы прибора в каскадах различного назначения и установить правильные условия его эксплуатации. Рассмотрим наиболее важные характеристики и параметры мощных транзисторов с рассеиваемой мощностью более 3...5 Вт.

Рис. 3 – Внешний вид двух типов транзисторов

 

Статические характеристики биполярного транзистора. При схеме транзистора с общим эмиттером различают два вида семейств характеристик: выходные – зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и тока базы (рис. 4, а) и входные – зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и коллектор-эмиттер (рис. 4, б). У кремниевых транзисторов напряжение отсечки =0,5...0,7 В.

Рис. 4 – Статические характеристики биполярного транзистора

 

При изменении температуры происходит смещение характеристик. Так, входная характеристика смещается влево при повышении температуры и вправо с ее понижением.

Биполярный транзистор представляет собой структуру из двух р-n -переходов. Сначала рассмотрим отдельно взятый р-п-переход, статическая характеристика которого описывается функцией

, (4)

где - обратный ток, или ток насыщения; - напряжение, приложенное к р-n-переходу; =25,6 мВ - температурный потенциал. Статическая характеристикар-n -перехода, приведенная на рис. 5, имеет два участка: один соответствует открытому р-n -переходу при приложении к нему прямого напряжения, другой - закрытому р-n -переходу при обратном напряжении.

Рис. 5 – Статическая характеристика р-n-перехода

 

Обратное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение , приводит к электрическому пробою р-n-перехода. В реальной модели значение тока ограничено сопротивлением активных потерь р-n-перехода. Закрытый р-n -переход характеризуется барьерной, или зарядовой, емкостью

, (5)

где - начальная емкость р-n -перехода; u – обратное напряжение, приложенное к р-n -переходу; - контактная разность потенциалов ( - 0,5...0,8 В – для кремния); - коэффициент перехода, зависящий от состава примесей в переходе (обычно =0,5).

График функции (5) приведен на рис. 6.

Рис. 6 – Зависимость зарядовой емкости от обратного напряжения.

 

Модель транзистора, как структура из двух р-n-переходов, может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.

Рис. 7. Модель транзистора из двух р-п-переходов

 

Каждый из р-n-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения - прямого или обратного. Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу - прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (3), инверсная (4) (рис. 8).

Таблица 2

Коллекторный переход- вид включения	Эмиттерный переход- вид включения	Область на характеристиках
Обратное Обратное Прямое Прямое	Обратное Прямое Прямое Обратное	Отсечки (1) Активная (2) Насыщения (3) Инверсная (4)

 

Рис. 8 – Четыре состояния биполярного транзистора

 

Область насыщения (3) характеризуется сопротивлением насыщения: . При обратном напряжении, приложенном к р-n-переходу, превышающем обратное напряжение , происходит электрический пробой, сопровождаемый резким увеличением носителей заряда - их лавинному умножению. Эта область обозначена на рис. 8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку пробой р-n -перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя.

Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общей базой (см. рис. 9, а; где – ЭЦ - электрическая цепь), могут быть описаны двумя уравнениями:

; (6) ; (7)

где - заряд базы; - среднее время жизни неосновных носителей заряда в области базы (в транзисторе типа n-р-n ими являются электроны); - ток эквивалентного генератора в коллекторной цепи; - время пролета носителями заряда базовой области, определяемое согласно (1).

Рис. 9 – Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой.

 

Уравнение (6) определяет накопление заряда в базовой области, (7) - их дальнейший перенос к коллектору под действием внешнего электрического поля. Для составления эквивалентной схемы транзистора рассмотрим цепь из параллельно соединенных сопротивления R и емкости С (см. рис. 10), для которой согласно правилам электротехники запишем:

; ; ; .

Из последнего выражения получим

, (8)

где Q - заряд, накапливаемый емкостью; = CR - постоянная времени цепи.

Рис. 10. Рис. 11.

 

Сравнивая уравнения (6) и (8), устанавливаем их полное совпадение, что позволяет сделать следующий вывод: эквивалентная схема открытого р-n-перехода есть параллельная цепь из сопротивления и емкости , произведение которых и есть постоянная времени , где , называются диффузионной емкостью или сопротивлением открытого эмиттерного перехода. Сказанное позволяет от схемы на рис.9, а) перейти к эквивалентной схеме на рис.9, б.

Совместно решая уравнения (6) и (7), получим дифференциальное уравнение, связывающее ток на выходе транзистора (ток коллектора ) с входным током (ток эмиттера ):

, (9)

где - коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой (); - граничная частота, определяемая согласно (1); - граничная частота в схеме с общей базой.

В операционной форме уравнение (9) примет вид

. (10)

Формальной заменой р на из формулы (10) получим зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой от частоты:

. (11)

Для модуля той же величины из (11) получим

. (12)

График функции (12) построен на рис. 11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току , и по напряжению :

. (13)

где

Из (13) следует, что в схеме с общей базой коэффициент усиления сигнала по мощности .

Зарядовая модель транзистора в схеме с общим эмиттером. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общим эмиттером (рис. 12, а), могут быть описаны тремя уравнениями: (6), (7) и дополнительным - для тока базы , который является входным в данной схеме:

. (14)

Совместное решение уравнений (6), (7) и (14), проведенное по той же методике, что и в предыдущем случае, приводит к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 12, б. По аналогии с предыдущим случаем для коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером и для модуля данной величины получим:

; (15) , (16)

где - коэффициент усиления по току на низкой частоте в схеме с общим эмиттером; - граничная частота в схеме с общим эмиттером.

Рис. 12 – Схема с общим эммитером

 

График функции (16) построен на рис. 11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . При частоте из (16) получим

. (17)

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером по аналогии с (13):

. (18)

Из сравнения (13) с (18) следует, что коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой. Однако в области высоких частот, близких к граничной частоте как это следует из приведенных формул и графиков на рис. 11, они различаются мало. Граничная частота , является самым важным параметром, характеризующим частотные свойства транзистора. Значение , можно определить экспериментальным путем согласно (17). Для этого следует измерить модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (см. рис. 12, а) и умножить полученное значение на частоту, при которой проводились измерения. Максимальная частота усиления генератора, как правило, не превосходит значения . При , коэффициент усиления мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов обычно находится в пределах 3...6 дБ, т.е. в 2 — 4 раза по мощности.

Теоретическая, идеализированная модель транзистора (ТМ), показанная на рис. 9 и 12, отражает наиболее важные процессы, протекающие в его структуре. В реальной эквивалентной схеме биполярного транзистора помимо этой модели следует также учесть: индуктивности выводов электродов (, , ); сопротивления потерь в базе () и коллектора (, ); стабилизирующие сопротивления, включаемые последовательно с эмиттерами и отображаемые в виде общего сопротивления (); зарядную или барьерную емкость закрытого коллекторного перехода (, ). Такая модель транзистора при работе в активной области и схеме с общим эмиттером приведена на рис. 13.

Рис. 13 – Модель транзистора для схемы с общим эмиттером

 

Предельно допустимые параметры транзистора. У мощного биполярного транзистора ограничены токи, напряжения на р-n- переходах и мощность рассеяния. К их числу относятся:

- импульсное (пиковое) значение коллекторного тока;

- постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме;

- пиковые значения напряжения коллектор-эмиттер и коллектор-база (не более 45..65 В), не превышающие напряжение пробоя (см. рис. 8);

- пиковое значение обратного напряжения база-эмиттер (обычно не более 4...6 В), не превышающее напряжение пробоя этого p-n-перехода;

- мощность , рассеиваемая коллектором.

Остановимся подробнее на последнем параметре. Часть подводимой к транзистору мощности от источников питания и возбуждения рассеивается в нем в виде тепла. В результате температура переходов и корпуса транзистора превышает температуру окружающей среды. Мощность , рассеиваемая коллектором, и температура р-n -перехода связаны в транзисторе соотношением

, (19)

где -температура корпуса транзистора; - тепловое сопротивление участка р-n-переход-корпус, град/Вт. При температуре корпуса (обычно -50...70 ) максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, снижается по закону:

. (20)

График функции (20) построен на рис. 14.

Рис. 14

 

При работе транзистора в составе генератора недопустимо превышение ни одного из перечисленных предельно допустимых параметров. Нарушение этого правила приводит или к резкому сокращению долговечности полупроводникового прибора, или к его внезапному отказу и выходу из строя аппаратуры в целом.

Полевые транзисторы.

Принцип действия и эквивалентная схема. Полевой транзистор относится к разряду униполярных полупроводниковых приборов, в которых осуществляется перенос только основных носителей заряда. Материалом для СВЧ полевых транзисторов обычно служит арсенид галлия (GaAs), позволяющий снизить активные потери в приборе и поднять максимальную частоту усиления до 6...8 ГГц. Основное различие в нескольких типах полевых транзисторов связано с методом управления потоком носителей заряда, движущихся в полупроводниковом канале. Структура одного из полевых транзисторов, называемого металлополупроводниковым, с затвором типа барьера Шоттки приведена на рис. 15.

Рис. 15 – Структура полевого транзистора с затвором Шоттки.

 

Электрическое поле, создаваемое напряжением, приложенным к затвору , направлено перпендикулярно потоку зарядов в канале. Изменяя значение , воздействуют на этот поток, движущийся от истока к стоку, увеличивая или уменьшая выходной ток прибора. Эквивалентная схема полевого транзистора ВЧ диапазона, приведенная на рис. 16, включает в себя: - емкость затвор-исток, - емкость сток-исток, - емкость затвор - сток (проходная емкость), - емкость затвор-канал, , - сопротивления потерь, - эквивалентный генератор тока стока. Частотные свойства полевого транзистора определяются постоянной времени:

, (21)

где - постоянная времени цепи затвор-канал (см. рис. 16); - время пролета носителями заряда по каналу от истока к стоку.

Рис. 16 – Эквивалентная схема полевого транзистора ВЧ диапазона

 

Ток эквивалентного генератора определяется напряжением, приложенным непосредственно к участку затвор-канал (см. рис. 15). Поэтому в ВЧ диапазоне, пренебрегая вторым слагаемым, для генератора стока имеем

, (22)

где - крутизна статической характеристики; - напряжение между затвором и каналом; - напряжение на входе прибора.

Согласно (22) зависимость амплитуды тока стока от частоты сигнала определяется выражением

. (23)

Из (23) следует, что в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициент усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты.

Статические характеристики полевого транзистора. При схеме транзистора с общим истоком различают два вида семейств характеристик: зависимости тока стока от напряжения сток-исток и затвор-исток (рис. 17, а) и зависимость тока стока от напряжения затвор-исток (рис. 17, б).

Рис. 17 – Статические характеристики полевого транзистора

 

Тангенс угла наклона линейного участка характеристики есть статическая крутизна . По внешнему виду статические характеристики полевого транзистора близки к характеристикам биполярного транзистора (см. рис. 4). Однако следует иметь в виду, что биполярный транзистор управляется входным током (при схеме с общим эмиттером - током базы), полевой - входным напряжением затвор-исток.

 

Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением

Три режима работы транзисторного генератора. Две схемы ВЧ генераторов с внешним возбуждением - одна с биполярным, другая с полевым транзистором - приведены на рис. 2.1.

Рис. 2.1 – Схемы ГВВ на транзисторах: а) биполярном, б) полевом

Исследование транзисторного генераторапроводится по плану, состоящему:

- в определении с помощью вольт-амперных характеристик прибора форм тока и напряжения на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- в расчете энергетических параметров генератора: выходной мощности 1-й гармоники , потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора ;

- в определении мощности входного сигнала и коэффициента усиления генератора по мощности ;

- в построении динамических, нагрузочных, амплитудных и частотных характеристик.

Несмотря на разный физический характер процессов, протекающих в электровакуумном приборе, биполярном и полевом транзисторах, ввиду формального сходства их ВАХ анализ выходной цепи во в основном совпадает. Так, в транзисторных генераторах, как и в ламповых, возможны недонапряженный, граничный и перенапряженный режимы работы. При внешнем сходстве этих режимов в трех типах генераторов следует знать разный физический механизм их протекания. При биполярном транзисторе динамическая характеристика располагается:

- в случае недонапряженного и граничного режимов работы в двух областях - активной (2) и отсечки (1);

- в случае перенапряженного режима работы в трех областях - отсечки (1), активной (2) и насыщения (3). При этом провал в импульсе коллекторного тока происходит по причине захода рабочей точки (координаты ) в область насыщения и перехода коллекторного р-n -перехода в открытое состояние.

В недонапряженном и граничном режимах импульсы коллекторного тока при работе с отсечкой имеют косинусоидальную форму. Примеры форм импульса коллекторного тока в перенапряженном режиме работы показаны на рис 2.2, б-г. При наличии только активной составляющей в нагрузке провал в импульсе располагается посредине (см. рис. 2.2,б), при добавлении к ней емкости - сдвигается влево (см. рис 2.2, в), индуктивности - вправо (см. рис. 2.2,г).

Рис. 2.2 – Импульсы коллекторного тока при работе с отсечкой в перенапряженном режиме

В транзисторных ГВВ с повышением частоты усиливаемого сигнала и приближении к граничной частоте уменьшается КПД и снижается выходная мощность .

Ухудшение данных параметров генератора связано как с увеличением потерь в цепи коллектора при биполярном транзисторе или цепи стока при полевом транзисторе, так и с изменением форм выходного тока и напряжения. В первом приближении это изменение параметров генератора можно учесть с помощью зависимости крутизны линии граничного режима от частоты . При этом вместо крутизны можно использовать обратный ей параметр - сопротивление насыщения, определяемое согласно:

. (2.2)

В результате формула по определению коэффициента использования напряжения питания в граничном режиме для транзисторного генератора примет вид

, (2.3)

где в случае биполярного транзистора: - напряжению питания коллектора, коэффициент ; в случае полевоro транзистора: - напряжению питания стока, коэффициент .

Имеется отличие и в определении угла отсечки . В ламповом гeнераторе анодно-сеточная характеристика, с помощью которой определяется угол отсечки, сдвинута влево. В биполярном транзисторе характеристика коллекторного тока, служащая для определения , сдвинута вправо (см. рис. 2.4, б).

 

Рис. 2.3. Рис. 2.4.

 

Поэтому согласно рис. 2.4 косинус угла отсечки

, (2.4)

где ; - напряжение отсечки; - внешнее смещение; - амплитуда входного ВЧ напряжения.

В полевом транзисторе при характеристике тока стока, выходящей из начала координат значение =0. В остальном методика расчета выходной цепи транзисторных генераторов совпадает.

Расчет входной цепи в трех типах генераторов значительно отличается друг от друга, что следует, в частности, из рассмотрения эквивалентных схем биполярного и полевого транзисторов. Поэтому остановимся на этом вопросе более подробно.

Ориентировочный расчет входной мощности генератора с биполярным транзистором при схеме с общим эмиттером. При открытом эмиттерном переходе его сопротивление весьма мало, и поэтому можно принять активную составляющую входного сопротивления транзистора на высокой частоте: . Коэффициент передачи тока при или . равен . Будем считать, что данное соотношение справедливо и для первых гармоник коллекторного и базового токов: . В результате для мощности входного сигнала при получим

. (2.5)

Для коэффициента усиления биполярного транзистора по мощности при с учетом (2.5) имеем

, (2.6)

где - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в коллекторной цепи. Таким образом, согласно (2.6) коэффициент усиления по мощности в генераторе с биполярным транзистором уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала.

Ориентировоч