Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 19 )

Таким образом, напряжение на эмиттерном переходе Uэб 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 Рвых.

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

  (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

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 Рвх 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 Рвх 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 Рвых(по). 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.

Форма сигнала для этого случая приведена на рис. 3.19. Она может быть записана следующими анали­тическими выражениями:

               (3.23)

(3.24)

Если для такого сигнала найти отношение действующе­го значения мощности за период Г, т. е. РВЫX к мощ­ности для синусоиды с амплитудой напряжения 2UcosQt1, то после алгебраических преобразований с учетом того, что t1/T<1, получаем

Рвых(по)/ Рвых~ 1/ (0,5+2t1 / Т) .

Отсюда следует, что уже при t1 = 10° погрешность оп­ределения рвых(по), если пользоваться формулой (3.12), будет более 10 %.

При измерении энергетических параметров мощных транзисторов форма сигнала с помощью осциллографа обычно не контролируется, а определяется его спектр путем использования анали­затора спектра. Поэтому представляет интерес во­прос об ограничении уровня значений М3(М5), при кото­ром дополнительная погреш­ность не превышает 10%. Экспериментальное сравне­ние формы и спектра сигна­ла показало, что если уро­вень М3(М5) больше — 21 дБ, пользоваться выра­жением (3.12) нельзя.

Погрешность измерения М3(М5). Переходя к рассмо­трению погрешности изме­рения коэффициента комби­национных составляющих М3(М5), так же как и в предыдущих разделах, оценива­ем отдельно инструментальную и режимную погрешно­сти. Анализ их значений проведем таким образом, что­бы показать возможные пути их уменьшения и одновре­менно сформулировать соответствующие требования к генератору возбуждения.

Рис. 3.19. Двухтоновый сиг­нал искаженной формы в на­грузке.

Инструментальная погрешность измерений Мз опре­деляется следующими слагаемыми: собственными ком­бинационными составляющими генератора возбуждения, разностью амплитуд основных тонов этого генератора, изменением коэффициента пропускания выходного со­гласующего устройства в рабочей полосе частот и по­грешностью измерения используемого анализатора спек­тра. Рассмотрим каждую из этих слагаемых в отдель­ности.

У реального генератора возбуждения в спектре вы­ходного сигнала всегда содержатся комбинационные со­ставляющие третьего и пятого порядков, которые не­избежно вносят погрешность при измерении комбинаци­онных составляющих транзистора. Если для упрощения считать, что выходной сигнал генератора содержит толь­ко основные тона и комбинационные составляющие третьего и пятого порядков, то в нагрузке сигнал кроме усиленных основных тонов будет содержать усиленные во столько же раз комбинационные составляющие третьего и пятого порядков входного сигнала (М3г и М5г), комбинационные составляющие третьего и пятого порядков, обусловленные нелинейностью исследуемого транзистора при поступлении на его вход основных то­нов (M3т и М5т), а также дополнительные слагаемые, обусловленные нелинейностью в транзисторе при по­ступлении на его вход комбинационных составляющих третьего и пятого порядков. Однако в связи с тем, что мы рассматриваем транзисторы с достаточно высо­кими линейными свойствами, значение последних сла­гаемых будет настолько мало, что при оценке погрешно­стей ими можно пренебречь. Каждому значению Мзг и М5г, MзT и М5т будут соответствовать амплитуды комби­национных составляющих U3г и U5T, U3т и U5т, которые можно найти, используя формулу (3.15). Для нахожде­ния результирующих значений U3 и U5 воспользуемся правилом сложения случайных величин (так как отно­сительный фазовый сдвиг каждой пары слагаемых, на­пример Uзг и Uзт, может иметь произвольное значение от 0 до 360°). В соответствии с этим правилом резуль­тирующая амплитуда комбинационной составляющей, например, третьего порядка будет равна  U3= VU2sr+U23T Определим теперь разность значения Мз. соответствующего амплитуде Us, и значения этого коэф фициента для идеального генератора. Путем несложных выкладок получим

                               (3.25)

Основываясь на выражении (3.25), можно показать, что для транзисторов, у которых значение М3 не превышает — 27 дБ, погрешность измерения не превышает ±1 дБ, если коэффициент комбинационных составляющих ге­нератора будет, по крайней мере, на 6 дБ ниже требуе­мого уровня М3 для транзистора (первое требование к генератору возбуждения).

Вторая возможная причина погрешности — разность амплитуд у основных тонов генератора возбуждения. Представим себе, что амплитуда тона с частотой он больше относительного среднего уровня U, а амплитуда лона с частотой w2 меньше. Для простоты расчета рас­смотрим часто встречающийся на практике случай, ког­да в формуле (3.19) k5<kз, что позволяет воспользо­ваться упрощенным выражением для нахождения наи­большей амплитуды комбинационной составляющей третьего порядка

                                               (3.26)

Наибольшую погрешность измерения можно получить, если найти отношение наименьшей амплитуды основ­ного тока Uw2 к наибольшей амплитуде комбинационной составляющей третьего порядка U2w1-w2. Значение Uв§ можно найти, использовав формулы (3.17) и (3.14):