Рис. 3.17. Типовая зависимость ±jx=f(n) для эквивалентного двухполюсника

Методика измерения zBX, основанная на методе замещения, может быть использована не только тогда, когда измерение энергетических параметров транзистора проводится в режиме согласования по входу. Часто для получения наилучших значений параметров используется режим, отличающийся от согласованного. В этом случае с помощью метода замещения можно определить эквивалентное сопротивление генератора zro, включенного на входе транзистора. Порядок измерений остается таким же, так же определяются элементы эквивалентного двухполюсника, а сопротивление zR.3KB является комплексно-сопряженным с сопротивлением эквивалентного двухполюсника.

Отметим, что если наилучшее сочетание значений параметров получено в режиме, где Г=/=0, то разработчику аппаратуры желательно знать не входное сопротивление zBX> а сопротивление zr;MCB, потому что именно с его помощью можно спроектировать аппаратуру оптимальным образом.

3.9. ОСОБЕННОСТИ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Все методы измерений электрических параметров, рассмотренные в гл. 3, практически реализованы в стандартной или нестандартной измерительной аппаратуре, используемой при разработке и производстве ВЧ транзисторов. Из стандартных приборов следует назвать измеритель Л2-42, предназначенный для измерения статических параметров мощных транзисторов. В нем используется импульсный метод измерения статического коэффициента передачи тока h2j9- а обратные токи измеряются при подаче постоянного напряжения.

Принципы построения измерителей, предназначенных для измерения Л21Э, Ск, Сэ, в общем достаточно ясно следуют из рассмотрения соответствующих методов измерения и поэтому не требуют специального обсуждения. Общие требования к контактным устройствам достаточно подробно рассмотрены в [23]. Наиболее сложной и наименее освещенной в литературе является аппаратура, предназначенная для измерения энергетических параметров транзисторов.

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

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

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

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

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

Рис. 3.18. Структурная схема генератора возбуждения:

1, 3 - генераторы основных частот ионов); 2. п

-блоки питания генераторов и усилителей мощности; 4 - блок управления амплитудой опорного тока; 5, 7 - усилители мощности; S - блок управления амплитудой регулируемого тона: 9 - бл задания амплитуды опорного тока; 10 - блок калибровки;11

-смеситель: 12 - контактное устройство; 1 3 - блок питания и контроля.

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

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

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

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

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

Каждое контактное устройство содержит элементы, с помощью которых задается режим смещения по постоянному току на испытуемый транзистор. Последовательно с коллектором обязательно включается индуктивность, сопротивление которой на рабочей частоте должно быть, с одной стороны, достаточно большим, чтобы обеспечить работу транзистора в режиме В (индуктивность l3 на рис. 3.4). С другой стороны, при увеличении индуктивности возрастают мгновенные напряжения на коллекторе, что создает опасность выхода транзистора из строя при настройке измерительной схемы.

Для обеспечения режима смещения входной цепи транзистора в контактном устройстве имеется индуктивность (l2 на рис. 3.4). Она выбирается достаточно большой, чтобы не вызывать уменьшения переменного сигнала на входе транзистора. Напряжение смещения иБ поступает от источника постоянного тока

через делитель ri, r2. Сопротивления выбираются по возможности малыми, обычно около 1 Ом. Необходимость этого связана с детектированием сигнала на эмиттерном переходе, имеющем диодную характеристику. Вследствие разных прямого и обратного напряжений потенциал базы уменьшается по отношению к эмиттеру при увеличении амплитуды сигнала, т. е. транзистор несколько подзапирается.

Таким образом, напряжение на эмиттерном переходе u3b в режиме измерений является алгебраической суммой двух величин: открывающего напряжения и запирающего, определяемого детектированием. Именно эта сумма напряжений контролируется вольтметром постоянного тока непосредственно после получения требуемого уровня Рвь,х.

3.10. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ

Вопросы, связанные с общей методикой расчета погрешности измерения параметров транзисторов, достаточно подробно освещены в литературе. В то же время погрешности измерения энергетических параметров именно мощных транзисторов нигде отдельно не рассмотрены. В связи с этим целесообразно дать оценку возможных значений частных и общих погрешностей этих измерений. Для простоты рассмотрения вопроса примем допущение, что расчет общей погрешности измерительной аппаратуры может быть произведен по формуле

1(3.22)

где би. а - погрешность измерительной аппаратуры; б, - частная погрешность.

Остановимся специально на одной стороне вопроса, недостаточно четко изложенной в [25]. Речь идет о различии понятий общей погрешности измерения и общей погрешности измерительной аппаратуры. Как известно, при измерении параметров транзисторов может возникать частная погрешность от неточности задания или поддержания режима измерений. Эта погрешность определяется зависимостью измеряемого параметра от величин, характеризующих режим измерений и, следовательно, полностью зависит от свойств транзистора. Поэтому такую составляющую погрешности нельзя рассматривать как частную погрешность, присущую измерительной аппаратуре, а следует трактовать как отдельную режимную погрешность и учитывать при расчете общей погрешности измерения по формуле

. = K8*h.a + eV

где бизм - общая погрешность измерения; бр - режимная погрешность.

Погрешность измерения Рвых и КуР. Вначале рассмотрим вопросы, связанные с аппаратурной погрешностью при измерении Рвых, а затем остановимся на режимной погрешности, определяемой зависимостью отдаваемой мощности от напряжения питания транзистора.

Для стрелочных измерителей мощности первая составляющая погрешности составляет ±10%. Использование цифровых измерителей мощности позволяет снизить это значение до ±5%. Режимная погрешность, если считать, что зависимость Рвых от напряжения питания в первом приближении квадратична, будет близка к ±(1 - 2) %, так как точность установки напряжения коллектора с использованием современных цифровых вольтметров составляет ±(0,5 - 1) %.

Из приведенных данных следует, что доминирующей погрешностью в данном случае является погрешность измерителя мощности, и поэтому использование более точных приборов позволяет решающим образом уменьшить общую погрешность измерения.

Из определения кур следует, что основными частными составляющими являются погрешности измерения рвых и Рвх. Предполагая, что РВЫх и рех измеряются либо одним и тем же прибором, либо приборами одинакового класса, можно считать, что каждая из этих составляющих находится в пределах от ±5 до 10%. При измерении Рвх появляется еще одна частная погрешность, определяемая точностью градуировки индикатора падающей мощности, если кур измеряется в режиме согласования по входу или точностью отсчета Рет по положению регулятора мощности входного генератора, если измеряется курком. И в том, и в другом случаях при тщательном выполнении процесса градуировки эта составляющая погрешности может быть сделана менее ±5%. Используя формулу (3.22), получим погрешность измерения кур в наихудшем случае не более ±15%.

Погрешность определения РВых(по). Величина, Рвых(по), ка-к сказано в § 3.3, обычно не измеряется непосредственно измерителем мощности, а вычисляется по значению Рвых согласно формуле (3.12). Однако, поскольку далеко не всегда в процессе измерения контролируется форма выходного напряжения, использование этого соотношения может привести к появлению дополнительной погрешности при определении Рцыхш). Следовательно, вообще говоря, нужно в каждом конкретном случае находить коэффициент, связывающий величины рвых и рвых(по). Один из наиболее часто встречающихся случаев, когда надо находить такую связь, - это искажение формы двухтонового сигнала в виде уплощения вершины огибающей.