20353

Режимы работы транзисторно гВВ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением 9. Ключевой режим работы высокочастотного транзисторного генератора 9. Методика расчета ВЧ генератора с биполярным транзистором 9. Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением 9.

Русский

2013-07-25

270.5 KB

152 чел.

Лекция 9. Режимы работы транзисторно гВВ

9.1. Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением

9.2. Ключевой режим работы высокочастотного транзисторного генератора

9.3. Методика расчета ВЧ генератора с биполярным транзистором

9.4. Сравнительный анализ трех типов генераторов с внешним возбуждением: лампового, с биполярным и полевым транзисторами

9.1. Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением

9.1.1. Три режима работы транзисторного генератора.

Две схемы ВЧ генераторов с внешним возбуждением - одна с биполярным, другая с полевым транзистором - приведены на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Схемы ГВВ на транзисторах: а)- с биполярным -б) с полевым транзистором

Исследование транзисторного генератора проводится как и в случае анализа работы лампового генератора, по плану, состоящему:

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

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

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) (см. рис. 8.4 и 8.8);

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. 9.2,б-г. При наличии только активной составляющей в нагрузке провал в импульсе располагается посредине (см. рис. 9.2,б), при добавлении к ней емкости - сдвигается влево (см. рис. 9.2,в), индуктивности - вправо (см. рис. 9.2,г).

Рис.9.2. 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:

.                                         (9.2)

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

,                                            (9.3)

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 (см. рис. 6.3, 6.4). В биполярном транзисторе характеристика коллекторного тока, служащая для определения , сдвинута вправо (см. рис. 7.4,б).

Рис. 7.20.

Рис. 7.21

Поэтому согласно рис. 7.21 косинус угла отсечки

           (7.26)

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

В полевом транзисторе при характеристике тока стока, выходящей из начала координат (см. рис. 7.17, б), значение =0.

В остальном методика расчета выходной цепи транзисторных генераторов совпадает с методикой расчета анодной цепи лампового генератора, рассмотренной в разд. 6.5.

Расчет входной цепи в трех типах генераторов значительно отличается друг от друга, что следует, в частности, из рассмотрения эквивалентных схем биполярного и полевого транзисторов (см. рис. 7.13 и 7.16). Поэтому остановимся на этом вопросе более подробно.

Ориентировочный расчет входной мощности генератора с биполярным транзистором при схеме с общим эмиттером (см. рис. 7.18,а). При открытом эмиттерном переходе его сопротивление весьма мало, и поэтому согласно рис. 7.13 можно принять активную составляющую входного сопротивления транзистора на высокой частоте: . Согласно (7.17) коэффициент передачи тока при  или . Будем считать, что данное соотношение справедливо и для первых гармоник коллекторного и базового токов: . В результате для мощности входного сигнала при  получим

.                      (7.27)

Для коэффициента усиления биполярного транзистора по мощности при  с учетом (7.27) имеем

,                              (7.28)

где  - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в коллекторной цепи.

Таким образом, согласно (7.28) коэффициент усиления по мощности в генераторе с биполярным транзистором уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала.

Ориентировочный расчет входной мощности генератора с полевым транзистором при схеме с общим истоком (см. рис. 7.18,б). В высокочастотном диапазоне при  согласно (7.23) амплитуда импульса тока стока по аналогии с ламповым генератором [см. разд. 6.3 и (6.10)]:

,                       (7.29)

где  - амплитуда входного напряжения затвор-исток.

Из (7.29) для требуемой амплитуды входного напряжения получим

,                                 (7.30)

где  - амплитуда 1-й гармоники тока стока;  - коэффициент разложения косинусоидального импульса (6.18).

Для коэффициента усиления полевого транзистора по мощности при  с учетом (7.30) имеем

,                     (7.31)

где  - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в цепи стока;  - входное сопротивление транзистора на частоте сигнала.

Согласно (7.31) в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициент усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала. Рассчитав с помощью (7.31) коэффициент усиления , можно определить требуемую мощность входного сигнала .

9.3. Методика расчета ВЧ генератора с биполярным транзистором

На основе проведенного анализа в разд. 7.1-7.4 составим методику расчета электрического режима работы ВЧ генератора с биполярным транзистором в граничном режиме работы. Порядок расчета генератора будем сопровождать типовым примером.

Исходные данные для расчета. Рабочая частота =300 МГц, выходная мощность =20 Вт.

Выбор типа биполярного транзистора. Исходя из заданной мощности и частоты сигнала, по справочнику выбираем тип транзистора. Останавливаемся на тетроде типа КТ925В, имеющем допустимые параметры:

импульсное (пиковое) значение коллекторного тока 8,5 А;

постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме 3,3 А;

пиковое значение напряжения коллектор-эмиттер и коллектор - база 36 В;

мощность , рассеиваемая коллектором, 25 Вт при , тепловое сопротивление =4,4 град/Вт.

Выбираем угол отсечки , для которого (см. Приложение): =0,318; =0,5; =1,57.

По характеристикам прибора определяется:

крутизна линии граничного режима =2 А/В или =0,5 Ом;

напряжение отсечки =0,7 В.

Выбираем граничный режим работы. Принимаем =15 В. Сопротивление базы =1 Ом, сопротивление =0,5 Ом. Расчет коллекторной цепи генератора.

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения, определяемый согласно (7.25):

2. Амплитуда коллекторного ВЧ напряжения:

=0,77 15=11,5 В.

3. Пиковое значение напряжения коллектор-эмиттер:

=15+11,5=26 В<=36 В.

4. Амплитуда 1-й гармоники коллекторного тока:

=2 20/11,5=3,48 А.

5. Амплитуда импульса коллекторного тока:

=3,48/0,5=6,96 А<=8,5 А.

6. Постоянная составляющая коллекторного тока:

=0,318 6,96=2,21 А<=3,3 А.

7. Мощность, потребляемая по коллекторной цепи:

=2,21 15=33,2 Вт.

8. Мощность, рассеиваемая коллектором:

=33,2-20=13,2 Вт<=25 Вт.

9. Коэффициент полезного действия:

=0,5 0,77 1,57=60%.

10. Сопротивление нагруженной коллекторной цепи, необходимое для реализации рассчитанного режима работы:

=11,5/3,48=3,3 Ом.

Расчет базы.

1. Коэффициент усиления транзистора по мощности, определяемый согласно (7.28):

или 7дБ.

2. Мощность входного сигнала:

=20/4,95=4 Вт.

3. Первая гармоника тока базы:

=3,48/1,5=2,32 А.

4. Амплитуда входного ВЧ напряжения база-эмиттер:

=2 4/2,32=3,5 В.

5. Напряжение смещения, определяемое согласно (7.26):

=0,7 В.

6. Входное сопротивление по 1-й гармонике сигнала:

=3,5/2,32=1,5 Ом.

Аналогичным образом рассчитывается генератор с мощным полевым транзистором.

Расчет электрического режима работы ВЧ транзисторного генератора с внешним возбуждением можно также провести по программе на языке Mathcad.

Программа расчета электрического режима работы ВЧ транзисторного генератора

Программа состоит из трех разделов: ввода исходных данных (DATE);

расчета параметров коллекторной цепи генератора (COLLECTOR); расчета параметров базовой цепи генератора (BASE).

В программе все напряжения имеют размерность в вольтах (V), токи - в амперах (А), мощность - в ваттах (W), сопротивление - в омах (), крутизна - в ампер/вольтах (А/V).

Отметим, что при данной методике производится только выбор транзистора и ввод исходных данных - требуемой выходной мощности ВЧ генератора и параметров транзистора, а весь расчет выполняется автоматически с дальнейшей распечаткой на принтере полученных значений параметров или выводом их на экран дисплея. Коэффициент усиления генератора по мощности рассчитывается в разах (КР) и децибелах (KPD). 

В программе в разделе (DATE) приняты следующие обозначения:

Pl - требуемая выходная мощность ВЧ генератора, Вт;

F - частота усиливаемого сигнала, МГц;

ЕК - напряжение питания коллектора, В;

EBC - напряжение отсечки, В;

SG - крутизна линии граничного режима, А/В; 

RH=1/SG - сопротивление насыщения транзистора, Ом; 

RB - сопротивление базы транзистора, Ом; 

RCT - стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера транзистора, Ом; 

- выбранный угол отсечки.

В двух других разделах все пункты расчета полностью совпадают, что позволяет не давать дополнительных пояснений.

По программе можно рассчитать электрический режим работы ВЧ генератора на любую мощность при любом типе транзистора с известными параметрами и проследить, как меняются параметры генератора при изменении угла отсечки, напряжения питания, чистоты.

9.4. Ключевой режим работы ВЧ транзисторного генератора

Помимо трех рассмотренных режимов работы ВЧ (недонапряженного, граничного и перенапряженного), в транзисторных гeнераторах, работающих в диапазонах волн от сверхдлинных до метровых, применяется также ключевой режим. Особенностью ключевого режима является выполнение следующего условия для тока и напряжения ключевого элемента:

при

при ,                              (7.32)

где  - малое остаточное напряжение на замкнутом ключе;  - момент переключения; Т - период колебаний.

В качестве ключевого элемента используются транзисторы и тиристоры (кремниевые управляемые вентили). Динамическая характеристика i=Ф(u) при ключевом режиме работы обусловливает работу транзистора только в двух областях - насыщения (ключ открыт) и отсечки (ключ закрыт) (см. рис. 7.8). Примеры диаграмм тока и напряжения в ключевом транзисторном генераторе приведены на рис. 7.22.

Следствием выполнения (7.32) является малая мощность, рассеиваемая в электронном ключе, поскольку согласно

(5.2) имеем

.             (7.33)

При соответствующих формах тока и напряжения в ключевом генераторе можно получить высокий КПД, достигающий 90-95% в диапазоне длинных волн

Одна из таких схем, называемая генератором инверторного типа, приведена на рис. 7.23, а. В схеме транзисторы - электронные ключи - включаются попеременно, замыкая электрическую цепь то на источник Ек, то на землю.

Рис. 7.23.

Эквивалентная схема ключевого генератора инверторного типа приведена на рис. 7.23, б, а диаграммы тока и напряжения в ней - на рис. 7.24.

Рис. 7.24.

За счет подачи в противофазе прямоугольных импульсов на базы транзисторов половину периода ключ в схеме находится в положении 1, другую половину - в положении 2. Напряжение на ключах имеет прямоугольную форму, а ток, протекающий через контур, при добротности Q>10 близок к синусоиде. КПД такого ключевого генератора:

,                       (7.34)

- напряжение насыщения транзистора, в 10 - 20 раз меньшее Ек.

Таким образом, малая мощность рассеивания в электронном приборе и высокий КПД - два преимущества, реализуемые при ключевом режиме работы, особенно ощутимы при повышенной мощности ВЧ генератора.

Реализация ключевого режима работы возможна при времени переключения , что ограничивает его использование с повышением частоты сигнала. При нарушении условия (7.32) значительно возрастает мгновенная мощность  в момент переключения (см. рис. 7.22), что неблагоприятно сказывается на ключевом элементе.

Ключевые генераторы находят широкое применение в радиопередатчиках длинных волн, мощность которых достигает нескольких киловатт.

9.5. Сравнительный анализ трех типов генераторов с внешним возбуждением: лампового, с биполярным и полевым транзисторами

Преимущества транзисторных генераторов перед ламповыми состоят:

в большей долговечности (срок службы генераторных ламп обычно не превышает нескольких тысяч часов, транзисторов - сотен тысяч часов);

низком значении напряжения питания, которое не превышает 30 В (у ламп это напряжение от нескольких сотен вольт до десятков киловольт);

практически мгновенной готовности к работе после подачи напряжения питания (у ламп требуется предварительное включение цепи накала);

высокой прочности по отношению к механическим перегрузкам; в значительном снижении массы и габаритных размеров аппаратуры и возможности ее миниатюризации на основе интегральной технологии.

К недостаткам транзисторных генераторов относятся: ограниченная мощность транзисторов и связанная с этим необходимость суммирования мощностей генераторов при повышенной мощности радиопередатчика;

температура корпуса мощных транзисторов не должна превышать 60...70C;

чувствительность к весьма кратковременным нарушениям эксплуатационного режима по причине пробоя р-n-переходов, в связи с чем требуется применение специальных схем защиты мощных транзисторов;

в низком коэффициенте усиления по мощности при приближении частоты усиливаемого сигнала к граничной частоте транзистора (обычно не более 3...6 дБ) и зависимости этого коэффициента от частоты согласно.

Обратим внимание на еще одно важное различие между двумя типами генераторов. Ламповые генераторы работают со сравнительно высокими напряжениями питания (от сотен вольт до десятков киловольт) и относительно малыми токами. Поэтому сопротивление анодной нагрузки в них  превышает 1000 Ом. Транзисторные генераторы работают при низких напряжениях питания (<30 В) и с относительно большими токами. Поэтому в них сопротивление коллекторной или стоковой нагрузки составляет от нескольких до десятков Ом. Таким образом, ламповый генератор требует высокоомной нагрузки, а транзисторный - низкоомной. Во втором случае можно обеспечить широкую полосу пропускания генератора.

Еще одно преимущество транзисторных генераторов состоит в возможности получения относительно большой полосы пропускания, что имеет важное значение при создании широкополосных систем радиосвязи.

Основное применение в современных радиопередатчиках при мощности не более нескольких сотен ватт находят транзисторные генераторы. С помощью способов суммирования сигналов это значение мощности может быть повышено на 2-3 порядка. И только в передатчиках повышенной мощности, например радиовещательных мощностью в несколько десятков и сотен киловатт используются электровакуумные приборы.

Преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными состоят в следующем:

в большем коэффициенте усиления по мощности и меньшем коэффициенте шума в СВЧ диапазоне;

лучшей линейности амплитудной характеристики;

лучшей температурной стабильности и радиационной стойкости.

В СВЧ диапазоне, начиная с частоты 1...2 ГГц все большее применение находят генераторы с полевыми транзисторами.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте схемы генератора с внешним возбуждением с биполярным и полевым транзисторами.

2. Назовите три режима работы по напряженности транзисторного генератора.

3. Как определяется граничный режим работы транзисторного генератора?

4. Почему с повышением частоты ухудшаются параметры транзисторного генератора?

5. Как определяется ключевой режим работы транзисторного генератора? В чем состоят его преимущества?

6. В чем состоят различия в трех типах генераторов с внешним возбуждением: лампового, с биполярным и полевым транзисторами?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40422. Італія 2 пол. 17-18 ст. 89.57 KB
  подъем начали переживать и традиционные для Италии виды ремесел связанные с рынком предметов роскоши тканей и одежды для представителей благородных сословий холодного оружия. Однако масштабы экономического оживления в Италии в целом оказались невелики. Очень заметным становилось отставание Италии и в развитии новой предпринимательской культуры которая по своим мировоззренческих и социальнопсихологическим основам была тесно связана с протестантским духом. Вследствие всех этих причин в Италии очень затянулся процесс перехода от...
40423. Французький абсолютизм 130.96 KB
  Він обіймав цю посаду 18 років продовжуючи політику Рішельє спрямовану на зміцнення Франції та посилення королівської влади. було скасовано кальвінізм заборонено а сотні тисяч гугенотів мусили виїхати з Франції. Зовнішня політика Франції в роки правління Людовіка XIV була відображенням його прагнень до особистої слави та бажання стати арбітром у європейських справах. за загарбання Голландії закінчилася для Франції поразкою.
40424. Північноамериканські колонії у кінці 17-середині 18 ст. 72.33 KB
  Посланник у Парижі де сприяв зміцненню міжнародного становища США. за яким Великобританія визнала США суверенною державою. Франкліна обирають президентом Законодавчих зборів штату Пенсільванія а двома роками пізніше він стає депутатом Конституційного конвенту по виробленню Конституції США 1787 р. Був губернатором штату Верджінія посланником США у Франції державним секретарем в уряді 1го Американського президента Дж.
40425. Австрійська імперія у 2й половині 17 - 18ст. 70.15 KB
  Чехії та частини Угорщини були найбільшою державою серед багатьох князівств Священної Римської імперії. Селянські заворушення виступи в різних частинах імперії в XVIIXVIII ст. австрійська частина імперії продовжувала залишатися аграрною. Переважання селянських господарств відміна особистої залежності селян слабкість поміщицького землеволодіння створили тут сприятливіші передумови для капіталістичної еволюції в селі ніж в решті всіх земель імперії.
40426. Вестфальський мир, його наслідки (вестфальська система) 104.58 KB
  Такі значні територіальні здобутки Бранденбургу неспіврозмірні з внеском у перемогу пояснюються прагненням Франції створити на майбутнє противагу Швеції. питання по Франції про Людовіка 14 61. Італійські території переходили до Франції а ерцгерцог залишав за собою всі інші володіння Іспанської імперії. Карл ІІ піддаючись тиску Австрії та Франції пішов на зустріч останній оскільки і французи і іспанці були католиками.