Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 12 )

Совокупность параметров, входящих в систему, це­лесообразно разделить на параметры, значения кото­рых нормируются и контролируются в процессе произ­водства, и параметры, значения которых при­водятся в документации на транзистор как справочные, полученные либо расчетным путем, либо на основе обработки статистических данных. Как пра­вило, для справочных параметров приводятся типовые значения.

Из нормируемых обычно выделяется группа пара­метров, максимальные значения которых не должны превышаться при эксплуатации во избежание сниже­ния гарантированного срока службы или выхода тран­зистора из строя. Эта группа параметров называется предельно допустимыми параметрами режимов экс­плуатации.

Установившаяся в последнее время система парамет­ров мощных ВЧ транзисторов развивалась и 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 Iкэя, обратный ток змиттера IЭБО 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 h21Э 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 fгр, 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 г|к-

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 UкэRmах, постоянное напряжение эмиттер — база UЭБmах, постоянный ток коллектора Iкmах, импульсный ток коллектора Iк, и max, импульсный ток базы IБ, и max, напряжение питания Uи. птах, постоянная рассеиваемая мощность коллектора Ркmах, средняя рассеиваемая мощность коллектора в динамическом режиме Рк, ершах, минимальная рабочая частота fmin, коэффициент стоя­чей волны по напряжению КСВН коллекторной цепи рmах. Максимально допустимые значения электрических параметров дополняются максимально допустимыми тепловыми параметрами: максимально допустимой температурой перехода tП max и минимально допусти­мой температурой окружающей среды tокр-cp min. 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 mах 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 рmах и РК, ер mах. Наибо­лее важен из них параметр рmах. 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=(zн-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 zн (если zн — комплексная величина). Эта связь становится более простой, если zh является чисто омическим сопротивлением. В этом случае Г = = (Rн-W)/(Rн+W);

Р=[1 + |(Rн-W)/(Rн + W)|]/[1-|(RН-W)/(RН + W)|]

Если Rн>W, то p=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 |Zн| 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.