U2 - Z2ilx+Z22l2-

При условии il=0 (т. е. холостой ход на входе транзистора) и включении генератора малого переменного сигнала на выходе можно вычислить выходное сопротивление транзистора z22, измерив напряжение u2 и ток i2. Практически такое измерение вполне осуществимо для транзистора, работающего в режиме А. Иначе обстоит дело при работе в режимах АВ, В или С. В этих режимах во входной цепи транзистора смещение по постоянному току отсутствует полностью или оно настолько мало, что эмиттерный переход закрыт. В результате включение генератора в выходную цепь не дает возможности получить токи i2, соответствующие по своим значениям рабочим режимам. Следовательно, само понятие «выходное сопротивление» становится настолько неопределенным, что не может быть использовано. Из этого следует, что и понягие «согласование» теряет обычный смысл (как это принято для малосигнальной модели транзистора).

-7

Рис. 3.3. Форма

двухтонового сигнала в нагрузке

Для характеристик работы мощных транзисторов, работающих в режимах АВ, В и С, приходится пользоваться только понятиями «сопротивление эквивалентролировать форму сигнала, однако низкая точность подобных измерительных приборов, их ограниченный частотный диапазон, большая собственная индуктивность привели к тому, что такой способ измерений не получил широкого распространения.

В настоящее время наибольшее распространение получил калориметрический способ измерения мощности. Он основан на использовании измерителей мощности, в состав которых входят элементы, поглощающие попадающую в них высокочастотную энергию (резисторы, водяной поток, терморезисторы и т. д.), Значение мощности определяется по температуре нагреваемого ею тела. Основными достоинствами этого метода являются достаточно большой динамический диапазон измеряемых значений (от 10 Вт до 6 кВт) и относительно малая погрешность.

Рассмотрим особенности измерения выходной мощности линейных транзисторов Рвых(по), т. е. транзисторов, работающих в двухтоновом режиме. Для них форма сигнала в нагрузке существенно отличается от синусоидальной и может быть записана в следующем виде:

U, = U, sin »,< +U, sin0,t = 2№in

v .w, - <i>. j

Xcos n "

Для двухтонового сигнала, показанного на рис. 3.3, справедливы следующие соотношения: частота ВЧ сигнала w= (w1 + w2) /2; частота низкочастотной огибающей Q=(w1 - w2) /2. Амплитуды обоих тонов соответствуют следующему условию: ui = u2 = u.(3.9)

Величина РВых(по), представляющая собой действующую мощность синусоиды с максимальной амплитудой 2u, равна:

Рвьпо))2.(3.10)

Вообще говоря, определить непосредственно РВых(по) можно, используя вольтметр для измерения максимального значения напряжения на известной нагрузке. Однако этот способ не получил широкого распространения по причинам, изложенным ранее, так как в этом случае требуется еще более строгий контроль формы сигнала. На практике поступают иным образом. Измеряют значение действующей мощности за период T=2ii/Q, а затем вычисляют значение Рвых(ПО). Чтобы найти соотношение этих величин, определим Рвых как сумму действующих мощностей каждого тона:

Рвых = Рвых1 + Рвых2=и(3.11)

Из формул (3.10) и (3.11) следует, что значение Рвых(по) может быть определено как

Рвых(по) 2Рвых.(3.12)

Заметим, однако, что использование соотношения (3.12) возможно только в том случае, если форма сигнала описывается выражением (3.8). В противном случае возникает значительная погрешность.

3.4. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КУР И nK

Для характеристики способности транзистора усиливать сигнал используется коэффициент усиления по мощности Кур. В обозначение кур добавляется индекс (по), если речь идет о линейных транзисторах. Так как методы измерения кур и Кур(ПО) во многом совпадают, то будем рассматривать метод измерения кур, дополняя его особенностями измерения Кур(ПО),

Существуют различные способы определения коэффициентов усиления по мощности в зависимости от конкретных условий измерения на входе и выходе [24]. Для определения кур необходимо найти значения входной и выходной мощностей. Вопросы, связанные с измерением Рвь,х и РВьгх(по), были рассмотрены в 3.3, поэтому остановимся только на измерении Рвх и РВХ(П0), а также на условиях, при которых на вход транзистора может быть передана достаточно большая доля мощности от генератора возбуждения.

Чтобы получить необходимые значения мощности непосредственно на входе транзистора от генератора возбуждения со стандартным выходным сопротивлением, необходимо включить между ними согласующее устройство, аналогичное выходному. Входное согласующее устройство также является трансформатором сопротивлений, и, следовательно, схема измерения кур в целом является узкополосным усилителем мощности (рис. 3.4). Необходимо заметить, что, несмотря на практическое отсутствие потерь активной мощности во входном согласующем устройстве, не вся она поступает с выхода генератора возбуждения на вход испытуемого транзистора из-за неизбежного присутствия отраженного сигнала. Амплитуда этого сигнала может составлять до 1/3 амплитуды падающего сигнала; она уменьшает мощность на входе транзистора в соответствии с выражением Лшх=А-(1 - Г2), где рг - мощность генератора.

Рис. 3.4. Структурная схема установки для измерения РВых, Кур, м3(м5) и пк:

1 - генератор возбуждения; 2 - ослабитель входного сигнала; 3 - фильтр высоких частот; 4 - измеритель мощности проходящего сигнала; 5 - контактное устройство (а и г - входное и выходное согласующие устройства; б и в - элементы для задания режима 1Б и ug); 6 - блок питания Ек 7 - фильтр высоких частот; 8 - анализатор спектра; 9 - ослабитель выходного сигнала; 10 - измеритель поглощаемой мощности

Из этого следует, что для измерения Рвх необходимо иметь во входной цепи измеритель Г или ваттметр проходящей мощности, что не всегда возможно из-за отсутствия приборов с необходимыми характеристиками. По этой причине для мощных транзисторов принято определять номинальный коэффициент усиления по мощности

Курном Рвых/Рвх.ном.(3.13)

Здесь Рвых - действующее значение мощности сигнала в нагрузке; Рвхном - действующее значение номинальной мощности генератора возбуждения. Под номинальной мощностью генератора понимается мощность сигнала, которую он может отдать на согласованную нагрузку.

Для мощных линейных транзисторов значение Курном(по) по существу определяется по той же формуле (3.13), что и Кур. Это объясняется тем, что Рвх(по) находится так же, как и Рвых(по), согласно выражению (3.12). Иногда для краткости индекс «ном» у кур и Рвх опускается, но нужно иметь в виду, что для мощных линейных транзисторов всегда используется выражение (3.13).

Значения кур и Курном будут совпадать только в том случае, если Г=0. На практике значение Курном всегда ниже значения кур, особенно если по условиям измерения других параметров, определяемых одновременно с

Дурном, не всегда целесообразен режим, при котором Г=0. Различие между кур и может достигать 20 - 25 %.

Таким образом, практически методика измерения кур состоит в подборе эквивалентных комплексных сопротивлений нагрузкии генератора z, которые позволяют получить необходимую мощность в

нагрузке при минимальной амплитуде входного сигнала [31]. После того, как подбор сделан, определяется номинальная мощность Рвх генератора возбуждения, соответствующая данному положению регулятора амплитуды, и по формуле (3.13) рассчитывается значение кур или K). При измерении Km) во входную Цепь испытуемого транзистора может быть подано смещение по постоянному току, если это оговорено условиями измерения.

Одновременно с измерением РВых, кур, характеризующими усилительные свойства транзистора, измеряется коэффициент полезного действия коллекторной цепи, являющийся энергетическим показателем режима работы: пк = РкАЩ), где РВЬ1Х - мощность сигнала в нагрузке; um.n - напряжение питания коллекторной цепи; /к - постоянная составляющая тока коллектора. При измерении параметров транзисторов в режиме однотонового сигнала пк = 60 - 70 %, а в режиме двухтонового, когда предъявляют более жесткие требования к форме сигнала, пк=45 - 55 %.

3.5. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ Мз И М5

Принцип измерения коэффициентов комбинационных составляющих м3 и м5 заключается в том, что на вход транзистора подается сигнал, состоящий из суммы двух синусоид равной амплитуды с близкими значениями частот, т. е.

UBX=U1sinw1t+U2sinw2t(3.14)

На выходе транзистора, работающего при большом уровне мощности, спектр сигнала будет содержать различные гармоники с частотами mw и nw2 и их комбинационные составляющие mw1+nw2, где т и п принимают любые целые значения, начиная с нуля. Так как выходное согласующее устройство обладает узкополос-ной частотной характеристикой, то в нагрузку без изменения пройдут лишь некоторые составляющие. Это будут прежде всего усиленные по мощности основные тона w1 и w2, а также комбинационные составляющие с частотами (l+l)wl - lw2 и (l+1)w2 - lw1 где значения l=1, 2, 3,... (Порядковый номер комбинационных составляющих принято определять как 2l+1.) Полоса пропускания согласующего устройства на выходе транзистора должна быть такой, чтобы соотношение амплитуд основных тонов и близких им по частоте комбинационных составляющих сохранялось в нагрузке таким же, как на выходе транзистора.

На рис. 3.5 показан пример спектра сигнала на входе транзистора, а на рис. 3.6 часть спектра выходного сигнала, прошедшая без изменений в нагрузку. На рис. 3.6 показаны только амплитуды комбинационных составляющих третьего, пятого, седьмого и девятого порядков. Их амплитуда достаточно быстро убывает с возрастанием порядкового номера, поэтому для оценки линейных свойств транзистора обычно достаточно измерить амплитуды наибольших из них, а именно третьего и пятого порядков.

Принцип измерения M3 состоит в том, что после достижения требуемого уровня мощности РВых измеряется отношение наибольшей из двух амплитуд комбинационных частот 2w1 - w2 и 2w2 - w1 к амплитуде основных тонов u (см. рис. 3.6). Выражение для определения м3 (в децибелах) имеет вид

Рис. 3.5. Спектр сигнала на входе транзистора

Рис. 3.6. Часть спектра сигнала в нагрузке

M3=20 lgOUs/U),(3.15)

а для M5 m5=20 ig(u/u).(3.16)

Стремясь получить минимальные значения величин М3 и MS, изменяют элементы согласующих устройств, подбирая соответствующие эквивалентные сопротивления на входе и выходе транзистора и, кроме того, меняя смещение входной цепи транзистора по постоянному току. Как правило, наилучший режим измерений соответствует примерно равным значениям mz и м5 и значительно меньшим значениям всех остальных составляющих. Непременным условием измерения является поддержание постоянного уровня мощности сигнала в нагрузке.