транзисторов. Если при этом не будет обнаружено никаких изменений в характеристиках и параметрах транзисторов, то с довольно большой степенью достоверности можно считать, что таких изменений испытания на устойчивость к рассогласованию нагрузки не вызывают.

Если же испытания на устойчивость к рассогласованию транзисторов, работающих в номинальном режиме, приводят к их деградационным изменениям или катастрофическим отказам, то целесообразно проверить устойчивость транзисторов к рассогласованию в режимах со сниженным уровнем отдаваемой мощности и в результате установить тот уровень, при котором они выдерживают любой или заданный уровень рассогласования в течение заданного интервала времени достаточно надежно.

Итак, при выполнении конструктивных и технологических мер, направленных на обеспечение высокой надежности, а также при правильном конструировании аппаратуры и соблюдении правил эксплуатации, несмотря на незначительность запасов мощных ВЧ транзисторов по основным их параметрам, эти приборы будут работать в аппаратуре с достаточно высокой надежностью.

ГЛАВА ПЯТАЯ

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСТРОЙСТВАХ НА МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРАХ

На мощных транзисторах строят тракты усиления мощности ВЧ сигналов радиопередатчиков [46 - 48J, преобразователи напряжения питания подвижной и стационарной аппаратуры [49], блоки развертки телевизионных приемников [50J, системы зажигания двигателей внутреннего сгорания [51] и т. п.

Основными энергетическими характеристиками этих устройств являются мощность выходного сигнала и коэффициент полезного действия. Кроме того, в зависимости от назначения и условий эксплуатации аппаратуры нередко используются и другие, среди которых в первую очередь следует отметить уровень нежелательных колебаний, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям, восприимчивость к посторонним сигналам, сохранение работоспособности в аварийной ситуации, массогабаритные и стоимостные характеристики. В зависимости от того, какие из указанной сово-купности характеристк определяющие, выбираются схема построения, тип полупроводниковых приборов и режим работы того или иного устройства.

Что касается схемы построения, то практически для большинства из перечисленных устройств она содержит один из таких узлов, как усилитель мощности или мощный автогенератор. Нередко эти узлы используются вместе [49].

В усилителях мощности, работающих на частотах до 100 МГц, основной схемой включения транзистора является схема с общим эмиттером (ОЭ). Реже используется включение по схеме с общей базой (ОБ) и крайне редко - по схеме с общим коллектором (ОК). Напомним, что термин «общий» характеризует электрод, являющийся общим для входного и выходного сигналов. На рис. 5.1,а например, показана схема простейшего усилителя с ОЭ. Здесь входной сигнал через конденсатор С1 подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал через конденсатор С2 снимается с промежутка эмиттер - коллектор транзистора. Цепь смещения из источника ЭДС с входным сопротивлением R1 и цепь питания из источника ЭДС Ujj.n с дросселем L1 служат для установления требуемого режима работы усилителя. Конденсатор С1, пропуская входной ВЧ сигнал, разделяет по постоянному току источник сигнала и входную цепь усилителя, а конденсатор С2, пропуская усиленный ВЧ сигнал в нагрузку, разделяет по постоянному току выходную цепь усилителя и нагрузку. Поэтому указанные конденсаторы нередко называют разделительными.

Аналогичные функции выполняют элементы С1, С2, UCM, Uj,.n, R1, L1 в других усилителях - усилителе с ОБ (рис. 5.1,6) и усилителе с ОК (рис. 5.1,в).

Термин «общий» не следует путать с термином «заземленный» хотя обычно общий электрод, как это видно из рис. 5.1,а - в, является одновременно и заземленным по высокой частоте, а нередко и по постоянному току. Тем не менее встречаются усилители, в которых один из электродов - общий, а другой - заземленный. Например, на рис. 5.1,г показана используемая иногда на практике схема усилителя с ОЭ и заземленным коллектором. В таком усилителе входной сигнал действует между базой и эмиттером, а выходной - между эмиттером и коллектором, как в усилителе по схеме рис. 5.1,а; в то же время здесь заземлен коллектор, как в усилителе по схеме на рис. 5.1, в, хотя, в отличие от этой схемы, он не является общим. Указанное включение приходится использовать в тех исключительных случаях, когда необходимо обеспечить хороший теплоотвод от транзистора, корпус которого гальванически соединен с коллектором, и в то же время сохранить высокие усилительные свойства, обеспечиваемые при включении транзистора по схеме с ОЭ.

ЛAl vr

Рис. 5.1. Включение транзистора по схеме ОЭ (а), ОБ (б), ОК (в) и по схеме ОЭ при заземленном коллекторе

Применяя в усилителе мощности положительную обратную связь из выходной цепи во входную и увеличивая ее глубину, можно добиться самовозбуждения усилителя и получить из него таким образом мощный автогенератор [52]. Анализируя устойчивость таких усилителей в отсутствие внешнего сигнала и выявляя на основе такого анализа неустойчивые схемы и режимы работы, можно проектировать устройства, наиболее пригодные для работы в качестве мощных автогенераторов [53]. В этой связи изучение автогенераторов не требует какого-либо специального подхода и может быть проведено на основе тех же схем и с помощью того же аппарата, которые используются при анализе усилителей мощности.

Преобладающим видом приборов, применяемых в усилителях мощности и мощных автогенераторах, являются биполярные транзисторы. Эти приборы обеспечивают высокие энергетические характеристики, имеют широкую градацию номиналов напряжения питания, легки и просты в управлении, а в случае нормирования линейных характеристик обеспечивают усиление ампли-тудно-модулированных сигналов с минимальными нелинейными искажениями. Тем не менее в ряде случаев предпочтение может быть отдано появившимся в последнее время мощным полевым транзисторам, отличаюхЩим-ся меньшим уровнем шума и возможностью работы не только на высоких, но и на низких частотах (вследствие меньшей вероятности вторичного пробоя). Нередко лучшими характеристиками обладают устройства, в которых одновременно используются оба вида полупроводниковых приборов.

Рис. 5.2. Схема простейшего усилителя (с источником сигнала и нагрузкой)

Наиболее эффективным режимом работы для устройств на мощных транзисторах является ключевой режим. Работу в этом режиме можно проиллюстрировать с помощью простейшего усилителя, схема которого показана на рис. 5.2. Здесь входной сигнал и напряжение смещения подаются на базу транзистора от соответствующих источников через сопротивление гг; нагрузкой служит резистор гн, соединяющий источник питания с коллектором транзистора. Считая известными ЭДС источника сигнала и смещения, найдем значение и форму напряжения на нагрузке и выходного тока усилителя. Для этого, пользуясь входной характеристикой транзистора 1Б (иБэ). представленной на рис. 5.3,а кривой У, и вольт-амперной характеристикой резистора гг, показанной на том же рисунке прямой II, сложим абсциссы то-чек этих характеристик, соответствующие одной и той же ординате. Соединяя полученные таким образом точ-ки кривой, построим вольт-амперную характеристику

входной цепи 1Б(иг. UCM). Она представлена на рис. 5.3,а кривой III.

Теперь обратимся к семейству выходных характерис-тик транзистора 1к (U) (рис. 5.3,6) и нанесем на него нагрузочную характеристику усилителя. Она, как из-вестно, представляет собой прямую, проведенную через две точки на осях координат - (Ujj.n, 0) и (0, Uu.u/r„).

Рис. 5.3.

транзистора

Определение формы выходного сигнала с помощью входной и выходных характеристик

Из трех показанных на рис. 5.3,6 нагрузочных характеристик усилителя, соответствующих различным значением нагрузочных сопротивлений и представляющих работу усилителя в недонапряженном (HUji.n), критическом (KUu,„) и перенапряженном или ключевом (UUu.n) режимах, в рассматриваемом случае воспользуемся последней. Принимая Ua,=0 и полагая, что иг, Как показано на рис. 5.3,#, изменяется по синусоидальному закону, через точки кривой III (рис. 5.3,а) с ординатами, соответствующими токам базы, при которых построены выходные характеристики (рис. 5.3,6), проведем вертикальные прямые до пересечения с кривой ur(t) на рис. 5.3,0. Из этих точек кривой ur(t) проведем горизонтальные прямые до пересечения с перпендикулярными прямыми, проведенными через точки пересечения нагрузочной характеристики с выходными характеристиками, полученными при исходных значениях тока базы. Соединяя найденные таким образом точки, построим кривую (рис. 5.3,г), представляющую изменение коллекторного напряжения uk(t). Если же через точки пересечения нагрузочной характеристики ГЩи.п с выходными характеристиками транзистора провести горизонтальные прямые до пересечения с вертикальными прямыми, построенными, как показано на рисунке, с помощью прямых, пересекающих ur(t)f и соединить полученные точки, то получится кривая (рис. 5.3,д), представляющая изменение тока коллектора (t).

Как видно, кривые на рис. 5.3,г и д имеют форму, близкую к П-образной, причем при максимуме тока наблюдается минимум напряжения и, наоборот, при максимуме напряжения - минимум тока. В этом случае мощность рассеивания, определяемая произведением ик(гдк(г), мала. Еще меньше она получается при П-об-разной форме ur(t), когда транзистор, работая практически в чисто ключевом режиме, находится то в состоянии отсечки, то в состоянии насыщения. При этом вовсе не обязательно, чтобы и ток, и напряжение на коллекторе имели бы П-образную форму: достаточно, чтобы в одну часть периода ток, а в другую - напряжение, имели бы по возможности близкие к нулю значения [46]. При этом КПД каскада будет тем выше, чем меньше напряжение насыщения транзистора в открытом состоянии и чем меньше его начальный ток в состоянии отсечки. Важную роль при этом играет длительность переходных процессов из состояния отсечки в состояние насыщения и наоборот: чем она меньше, тем выше КПД. Когда ток закрытого транзистора, напряжение насыщенного транзистора и длительность переходных процессов близки к нулю, может быть получено значение КПД, близкое к 100%. В практических устройствах при существующих типах транзисторов на невысоких частотах при ключевом режиме работы КПД достигает 95 - 98%. С повышением частоты из-за возрастающего влияния барьерных, диффузионных емкостей и индуктивностей выводов прибора относительная длительность переходных процессов уве-личивается, что приводит к увеличению мощности рассеивания, а следовательно, и к снижению КПД всего устройства. В настоящее время верхняя граница обла-сти частот, в которой реализуется ключевой режим с КПД не хуже 80%, составляет 30 МГц. В отличие от ключевого, другие режимы работы ха-рактеризуются меньшими значениями КПД. Однако для них более просто получить высокие значения некоторых других характеристик.