совершенствовалась одновременно с развитием технологии производства приборов и расширением области их применения. Особенно заметно повлияло на систему параметров и на методы их измерения появление мощных ВЧ линейных транзисторов, предназначенных для использования в широкополосных усилителях радиопередатчиков. Их широкое распространение привело к разделению ВЧ мощных транзисторов на две группы в зависимости от класса и режима работы [22, 23].

Одной из этих групп являются ВЧ генераторные транзисторы с высоким КПД. Другая группа - это усилительные линейные транзисторы, обеспечивающие линейную передачу сигнала. Вначале рассмотрим систему параметров генераторных ВЧ транзисторов, а затем те дополнения, которые введены для характеристики линейных транзисторов. Прежде всего остановимся на параметрах, контролируемых в процессе производства [24, 25]. Эти параметры разделяются на статические и динамические, которые чаще называют высокочастотными. К статическим параметрам относятся: обратный ток коллектор - эмиттер !кэя, обратный ток змиттера !ЭБО и статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ Л21Э Обратные токи являются характеристиками качества переходов транзисторов и входят в систему параметров традиционно. Как правило, их контроль сочетается с контролем соответствующих предельно допустимых параметров, о которых будет сказано далее.

Параметр 1121Э характеризует усилительные свойства транзистора на большом сигнале в области нижней границы рабочего диапазона частот.

К ВЧ параметрам относятся граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ £-р, емкость коллекторного перехода Ск, емкость эмиттерного перехода Сэ, выходная мощность РВых, коэффициент усиления по мощности кур и коэффициент полезного действия коллектора цк. Параметры frp, Ск, Сэ относятся к параметрам малого сигнала и, естественно, не могут характеризовать свойства мощного транзистора, работающего на большом сигнале. Они являются параметрами эквивалентной схемы транзистора, работающего на малом сигнале, и включены в систему параметров мощных транзисторов из-за их достаточно простой связи с конструктивными параметрами, с одной стороны, и удобства их измерения, с другой. Параметры ск и сэ используются не только для контроля в процессе производства, но и для расчета схем, в которых используются транзисторы.

Параметры рвых, кур и т]к измеряются в режимах, близких к рабочим, и непосредственно характеризуют эксплуатационные свойства транзистора. Их называют энергетическими параметрами или ВЧ -параметрами большого сигнала. В противоположность малосигнальным энергетические параметры очень сложным образом зависят от сочетаний конструктивных и технологических параметров транзистора, что сильно затрудняет возможность корректировки производственного процесса по контролируемым значениям РВыХ, кур и гк-

Особенности энергетических параметров состоят в том, что их значения определяются не только свойствами транзистора и режимами его питания, но и тем устройством, в котором этот параметр измерен. Например, если известно значение коэффициента усиления по мощности кур, но не указано, в каких условиях этот параметр получен, то разработчик аппаратуры не сможет в полной мере воспользоваться такой информацией. Другой особенностью параметров большого сигнала является зависимость их значений не только от выходного сопротивления источника сигнала и нагрузки на основной частоте, но и от условий, созданных на входе и выходе транзистора для высших гармоник, ибо режим работы существенно нелинейный. Поэтому, характеризуя свойства транзистора энергетическими параметрами, указывают наряду с их значениями условия, в которых они измерены.

Перейдем к предельно допустимым параметрам режимов эксплуатации. В число таких параметров для мощных ВЧ транзисторов включены максимально допустимые: постоянное напряжение коллектор - эмиттер ЦоШпек, постоянное напряжение эмиттер - база иЭБтах, постоянный ток коллектора 1ктах, импульсный ток коллектора 1к и max, импульсный ток базы 1Б и max, напряжение питания ии.птах, постоянная рассеиваемая мощность коллектора Рктах, средняя рассеиваемая мощность коллектора в динамическом режиме рк, ершах, минимальная рабочая частота fmin, коэффициент стоячей волны по напряжению КСВН коллекторной цепи ртах. Максимально допустимые значения электрических параметров дополняются максимально допустимыми тепловыми параметрами: максимально допустимой температурой перехода % max и минимально допустимой температурой окружающей среды токр-ср mm. Состав этих параметров определяется тем, что ВЧ транзисторы могут работать в широкополосных усилителях как на низких, так и на высоких частотах. Поскольку механизмы выхода из строя транзисторов на постоянном токе и на высокой частоте могут быть различны (причем наиболее опасна работа в области низких частот и постоянного тока), введено ограничение частотного диапазона параметром fmin.

В системе имеются и предельно допустимые параметры на постоянном токе. Из них предельно допустимые напряжения и постоянная рассеиваемая мощность Рк тах контролируются в процессе производства, чем обеспечивается, в определенной мере, надежность выпускаемых транзисторов. Однако использование одних параметров постоянного тока в качестве предельно допустимых привело бы к довольно существенным ограничениям использования транзисторов во всем рабочем диапазоне частот. Например, известно [26], что на высокой частоте транзисторы выдерживают напряжения, много большие, чем на постоянном токе. Как показывают эксперименты [27], отношение этих величин может превышать 2. Известно также [28], что допустимые мощности, рассеиваемые в транзисторе на постоянном токе и на высокой частоте, могут быть различны, причем допустимая рассеиваемая мощность на высокой частоте может быть больше в первую очередь из-за малого времени нахождения транзистора в опасном режиме и конечного времени развития вторичного пробоя

(см. гл. 4). Все эти обстоятельства заставили ввести в систему параметры ртах и рк ер тах. Наиболее важен из них параметр ртах. Рассмотрим его более подробно.

Нагрузку ВЧ транзистора вместе с трактом, подводящим энергию к этой нагрузке, можно рассматривать как отрезок длинной линии. Коэффициент стоячей волны по напряжению р характеризует процессы, происходящие в этой линии. Если сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению линии w, то стояча» волна отсутствует и по определению р=1. Если же сопротивление нагрузки не равно w, то коэффициент стоячей волны по напряжению р определяется как отношение напряжений в максимуме и минимуме стоя-чей волны. Отсюда следует, что всегда р>1. С величиной нагрузки р связано соотношением

р=(1+ Г)/(1- Г),(3.1)

где Г - коэффициент отражения (комплексный), равный t=(zu-w)/(zh+w).(3.2)

Из соотношений (3.1) и (3.2) следует в общем случае неоднозначная связь КСВН с величиной zh, поскольку одно и то же значение р может соответствовать разным значениям (если zh - комплексная величина). Эта связь становится более простой, если zh является чисто омическим сопротивлением. В этом случае Г = = (rn-

w)/(rh+w);

Р=[1 + КДнЛЛДн + W)]/[1-(Rh-W)/(Rh + w)l] Если rn>w, тоp=rh/w. Если же rh<w, то р = = w/rh.

Параметр ртах используется для характеристики? режимов работы ВЧ транзисторов. В процессе настройки устройства либо в аварийных режимах нагрузка может меняться, что приводит к изменению электрического режима транзистора. Подробно влияние изменения нагрузки будет рассмотрено далее. Здесь же только укажем на то, что изменение нагрузки транзистора сопряжено с возможностью попадания его в опасный режим и, следовательно, с выходом из строя. Так как каждому значению нагрузки соответствует определенное значение р, то всему диапазону безопасных значений нагрузок соответствует определенный интервал значений р. Этот интервал может быть определен из соотношений (3.1) и (3.2). Верхняя граница интервала и является величиной ртах, определяющей те изменения нагрузки, при которых транзистор не попадает в опасный режим. Значение ртах может устанавливаться исходя из двух возможных условий работы. ° одном случае ртах устанавливается из условия, что любое изменение нагрузки может сохраняться в течение достаточно долгого времени. В другом исходят из того, что возникающее при настройке или аварии рассогласование и связанное с ним изменение нагрузки может длиться лишь ограниченное (обычно достаточно короткое) время. Такое дополнительное условие очевидным образом позволяет увеличить максимально допустимое значение КСВН.

При комплексном характере нагрузки допустимый диапазон ее изменений (т. е. допустимое рассогласование) характеризуется не только интервалом возможных значений р, но и допустимым диапазоном фаз коэффициента отражения Г, так как для комплексных нагрузок связь р и Z неоднозначна.

В зависимости от устройства, где используется транзистор, значение ртах изменяется, поскольку, как указывалось ранее, режим работы и, в частности, ВЧ напряжения на транзисторе зависят от условий для высших гармоник. Поэтому в документации на мощные ВЧ транзисторы помимо значения ртах указывают мощность рвых, область изменения фаз коэффициента отражения и допустимое время пребывания в рассогласованном режиме. Все эти данные устанавливаются экспериментальным путем в определенной схеме, которая также приводится в документации. Часто в литературе вместо параметра ртах используется параметр «допустимая степень рассогласования». Под этим параметром понимается значение ртах, указанное в предположении, что изменяемая при рассогласовании нагрузка является чисто активной. Так, если W = 50 Ом и Р„ = 5 Ом, степень рассогласования равна 10.

В отличие от ртах, обычно характеризующего экстремальные условия работы транзистора в момент перегрузки, параметр рк, сртах характеризует стационарные условия работы транзистора на высокой частоте. По отношению к максимально допустимой постоянной рассеиваемой мощности Рктах значение рк. сртах по экспериментальным данным больше на 20 - 25 %. Отметим, что значения ртах и рк, сртах зависят от напряжения питания. В связи с этим в систему параметров вводится параметр uw.nmax.

В состав справочных данных помимо типовых значений нормируемых параметров включаются параметры, характеризующие конструкцию транзистора, а также параметры, позволяющие по известным их значениям более точно рассчитывать схемы. К конструктивным параметрам относятся емкости эмиттер - корпус, коллектор - корпус, база - корпус, индуктивности эмиттера ьэ, коллектора LK и базы LQ. Кроме того, в систему справочных материалов включены последовательное активное сопротивление эмиттера Аг и входное полное сопротивление транзистора на большом сигнале zbx. Параметр Дг - это расчетное суммарное внутреннее балластное сопротивление, включенное в эмиттерную цепь. Знание его иногда бывает полезным для расчета или оценки усилительных свойств собственно кристалла транзистора. Знание входного сопротивления позволяет потребителю ориентировочно оценить необходимые параметры входного согласующего трансформатора.

Из теории цепей известно, что наибольшая мощность поступает во входную цепь каскада, когда его входное сопротивление комплексно сопряжено с выходным сопротивлением источника сигнала. Определение входного сопротивления транзистора обычно не вызывает затруднений, если работа происходит в режиме А при сравнительно небольших уровнях сигнала. Однако в усилителях мощности, использующих, как правило, энергетически более выгодные режимы В и С и работающих при больших токах и напряжениях, определение входного сопротивления существенно усложняется. Действи-тельно, с временной точки зрения здесь каждому новому значению ЭДС источника сигнала соответствует свое мгновенное значение входного сопротивления;

при этом в общем случае с учетом инерционности переходных процессов в цепях существенную роль играет состояние входной цепи в предыдущие моменты времени. С точки зрения гармонического анализа в рассматриваемом случае даже при моногармонической ЭДС источника сигнала во входной цепи наряду с основным сигналом действуют его гармоники. При этом амплитуды напряжений всех этих составляющих с изменением уровня возбуждения изменяются непропорционально соответствующим токам, а фазовые сдвиги между напряжениями и токами не остаются постоянными. В этом случае понятие входного сопротивления теряет четкость. Тем не менее характеристика входной цепи каскада здесь все же необходима, поскольку от согласования зависит одна из основных функций - усиление мощности. В этой связи в последнее время все шире используется термин «эквивалентное входное сопротивление». Оно характеризует входное сопротивление, определяемое как отношение значения напряжения первой гармоники на входе транзистора к значению первой гармоники входного тока с учетом фазового сдвига между ьими. Даже сравнительно простой анализ показывает, что при таком определении эквивалентное входное сопротивление в общем случае будет зависеть не только от типа используемого транзистора, но и от схемы каскада, напряжения и выходного сопротивления источника смещения, напряжения питания, сопротивления нагрузки, ЭДС и выходного сопротивления источника сигнала.

К транзисторам, предназначенным для усиления однополосного сигнала [22], предъявляются определенные требования, касающиеся их линейных свойств. Понятие линейности транзистора, работающего в режимах АВ и В, существенно отличается от принятого для режима А. Для линейного четырехполюсника, работающего в режиме А на малом сигнале, форма входного сигнала сохраняется и в выходном сигнале, а появление каких-то отклонений будет характеризовать нелинейность. Для оценки нелинейности в режиме А наиболее часто используются коэффициенты гармоник. Коэффициентом п-и гармоники называется отношение напряжения этой гармоники к напряжению сигнала основной частоты. При работе в режимах АВ и В принято (см. гл. 1) использовать коэффициент комбинационных составляющих третьего М3 и пятого м5 порядков. Коэффициентом комбинационной составляющей называется отношение напряжения я-й комбинационной составляющей к напряжению сигнала основной частоты при подаче на вход двух сигналов равных амплитуд и разных частот.

При работе транзистора в режиме В форма выходного сигнала принципиально отличается от формы входного, даже если передаточная характеристика открытого транзистора является идеально линейной. Действительно, если подать на вход транзистора, работающего в режиме В, синусоидальное напряжение, то на выходе мы получим полусинусоиду, спектр которой может быть представлен в виде

т. е. содержит кроме сигнала основной частоты только четные составляющие спектра. Если же передаточная характеристика открытого транзистора отлична от линейной (точнее, если в передаточной характеристике имеются члены нечетных порядков), то в спектре выходного сигнала появятся и нечетные составляющие. Именно поэтому, как указывалось ранее, за основу характеристики линейности транзистора приняты коэффициенты нечетных комбинационных составляющих третьего и пятого порядков. (Обычно выходные каскады ВЧ усилителей мощности строятся по двухтактной схеме. При этом в первом приближении, считая, что оба транзистора идентичны и находятся в одинаковых режимах, четные составляющие в выходном сигнале будут отсутствовать, т. е. члены выражения (3.3), начиная с третьего в выходном сигнале в двухтактной схеме, взаимно компенсируются. В связи с этим нелинейность выходного сигнала может проявиться только в виде нечетных составляющих.)

При работе с двухчастотным (двухтоновым) сигналом энергетические параметры транзистора должны быть дополнены такими параметрами, как выходная мощность в пике огибающей РВых (по) и коэффициент усиления по мощности в пике огибающей КУР(ПО) в режиме двухчастотного сигнала. За мощность в пике огибающей принимается действующая мощность одно-частотного (однотонового) сигнала с амплитудой, равной амплитуде двухчастотного сигнала. Коэффициент усиления Кур (по) определен как отношение рвых(по)/Рвх (по). Таким образом, система параметров Для линейных ВЧ транзисторов содержит помимо обычных параметров мощных ВЧ генераторных транзисторов параметры mz, m5, РВых(ПО), кур (П0) (или РВх(по)). Отметим, что введение этих параметров связано и с тем, что реальные условия работы транзисторов в усилителях однополосного сигнала близки к режиму двухчастотного сигнала.

Из энергетических параметров одночастотного сигнала для линейных транзисторов в нормируемых остается лишь рвых как характеристика энергетических возможностей транзистора, а параметры Кур и Рвых указываются обычно в справочных данных.

3.2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ВЧ ПАРАМЕТРОВ МАЛОГО СИГНАЛА

Рассмотрим подробно лишь те методы, которые специфичны для мощных ВЧ транзисторов и недостаточно полно описаны в литературе. На измерении остальных параметров мы остановимся кратко.