Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 28 )

Широко известны режимы работы А, В, С. В режи­ме А коллекторный ток протекает непрерывно на про­тяжении всего периода усиливаемого сигнала; в режиме В — только в течение полупериода, а в режиме С — ме-нее полупериода усиливаемого сигнала. При использо-вании этих режимов следует иметь в виду, что лучшая линейность и худший КПД получаются при работе в режиме А и, наоборот, худшая линейность и более вы-сокий КПД — при работе в режиме С; очень часто для линейного усиления амплитудно-модулированных сигна-лов используется режим В, несколько уступающий режиму А по линейности усиления, но существенно пре­восходящий его по энергетическим характеристикам.

По степени напряженности режимы работы делятся на недонапряженный, критический и перенапряженный. Недонапряженный режим реализуется при таких на­грузках и напряжениях возбуждения, когда напряжение на коллекторе в любую часть периода усиливаемого сигнала остается все время выше напряжения насыще­ния транзистора. Соответствующая этому режиму на­грузочная характеристика, представленная на рис. 5.3,6 прямой HUи..п, не достигает линии критического режима ОК даже при максимальном из возможных (при задан­ном возбуждении) токах базы. Критический режим яв­ляется промежуточным между недонапряженным и пе­ренапряженным. В этом режиме напряжение на коллек­торе достигает напряжения насыщения, но только в одной точке — при максимальном токе базы. Соответст­вующая этому режиму нагрузочная характеристика (KUи. п на рис. 5.3,6) пересекает выходную характерис­тику транзистора, соответствующую максимальному то­ку базы, в месте ее наибольшей кривизны — при пере­ходе от почти горизонтальной части к участку резкой зависимости 1к(иэк). И наконец, перенапряженный ре­жим, получается, когда транзистор часть периода на­ходится в состоянии насыщения. В этом режиме нагру­зочная характеристика, представленная на рис. 5.3,6 прямой ПUи. п, пересекает линию критического режима ОК еще до достижения током базы своего максималь­ного (при заданном возбуждении) значения. Таким об­разом, в соответствии с рис. 5.3,6 область ниже прямой KUи. п — это область перенапряженного режима, а вы­ше — недонапряженного. Перенапряженный режим ха­рактеризуется большими значениями КПД, а недонапря­женный — меньшими, но недонапряженный, в отличие от перенапряженного, пригоден для линейного усиления. Поэтому нередко встречается сочетание недонапряжен­ного режима и режима В или А, когда на первый план выступает требование линейности усиления, и сочетание перенапряженного режима и режима С (или В), когда необходимо получить высокие энергетические характе­ристики. Последнее сочетание является необходимым для ключевого режима, для реализации которого тре­буется еще и быстрое переключение транзистора из со­стояния отсечки в состояние насыщения и, наоборот, из состояния насыщения в состояние отсечки.

Важной характеристикой транзистора при его работе в составе того или иного устройства является входное сопротивление. Входное сопротивление, как показано в [54], наиболее резко зависит от режима работы устрой­ства и частоты сигнала. В меньшей степени проявляется его зависимость от характера и величины нагрузки уси­лителя. И наконец, от характера выходного сопротив­ления источника сигнала входное сопротивление почти не зависит. Индуктивности выводов транзистора в об­ласти высоких частот оказывают большое влияние на входное сопротивление, увеличивая его активную и ре­активную (с учетом знака) составляющие. При этом коэффициент усиления по мощности всего устройства падает. Вывод о слабом влиянии источника сигнала на входное сопротивление представляется особенно важ­ным для практики, поскольку указывает сравнительно простой путь определения оптимального выходного со­противления источника сигнала (как комплексно-сопря­женного к входному сопротивлению, найденному при любом сопротивлении генератора), с помощью которого уже можно при заданном сопротивлении генератора найти параметры согласующего четырехполюсника [55].

Таким образом, в общих чертах мы рассмотрели ос­новные задачи, характеристики, схемы включения тран­зистора и режимы работы устройств на мощных тран­зисторах. Материал излагался с позиций применения транзисторов в каскадах усилителей мощности. Это не случайно. Во-первых, как уже отмечалось, усилители мощности служат основой большинства перечисленных устройств. А во-вторых, при использовании на высоких частотах в составе радиопередатчиков усилители в зна­чительной степени определяют параметры передающей аппаратуры и в этой связи заслуживают самого серьез­ного изучения. Учитывая это и принимая во внимание, что практически любые вопросы реализации ВЧ усили­телей мощности имеют самое непосредственное отноше­ние к другим радиотехническим устройствам на мощных транзисторах, остановимся на их изучении более под­робно.

5.2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

Высокочастотные усилители мощности строят по схеме, содержащей каскады усиления, фильтр и цепи автоматики. Усилители характеризуются номинальной выходной и минимальной входной мощностями, диапазо­ном рабочих частот, КПД, чувствительностью к измене­нию нагрузки, уровнем нежелательных колебаний, устой­чивостью и надежностью работы, массой, габаритами, стоимостью.

Получаемые в настоящее время максимальные зна­чения выходной мощности на частотах до 100 МГц со­ставляют несколько десятков киловатт. При существен­но меньшей мощности, отдаваемой отдельными транзи­сторами (не более 200 Вт), эти значения достигаются специальными устройствами сложения сигналов, среди которых наиболее распространены делители и суммато­ры мощности [46]. Существует множество разновидно­стей этих устройств [46 — 48, 56]. По величине фазово­го сдвига их делят на синфазные (с фазовым сдвигом суммируемых сигналов ф=0), противофазные (ф = я), квадратурные (ф = п/2) и др.; по виду исполнения — с распределенными и сосредоточенными элементами; по способу соединения с нагрузкой — на последователь­ные и параллельные и т. д.

Одним из основных требований, предъявляемых к устройствам сложения сигналов, является обеспечение наименьшего взаимного влияния отдельных модулей, мощности которых суммируются (так называемая раз­вязка модулей). Посмотрим, как выполняется это требование в простом синфазном сумматоре на транс­форматорах. Схема такого сумматора на трансформа­торах Т4 — Т6 вместе с делителем (на трансформато­рах Т1 — ТЗ) и суммируемыми каскадами (на транзи­сторах VT1 и VT2) без цепей смещения и питания показана на рис. 5.4. Трансформаторы Т4 — Т6 имеют коэффициенты трансформации соответственно 1,1 и 1/V2 (здесь rн — сопротивление нагрузки, RБ — бал­ластный резистор, сопротивление которого равно 2гн). При нормальных условиях работы, когда напряжения на коллекторах синфазны и их амплитуды равны, ток в балластном резисторе отсутствует. Трансформатор Т6 приводит к двум последовательно соединенным об­моткам трансформаторов Т4 и Т5 сопротивление 2rн, так что на коллекторе каждого транзистора сопротив­ление нагрузки составляет rн. Представим теперь, что коллектор транзистора VT2 оказался замкнутым с его эмиттером. В таком случае вторичная обмотка транс­форматора Т5 представляет собой крайне малое сопротивление для ВЧ сигнала, так что сопротивление 2rн, приведенное к первичной обмотке трансформатора Т6, полностью приводится ко вторичной обмотке трансфор­матора Т4, а следовательно, и к коллектору транзисто­ра VT1. Но параллельно VT1 при этом оказывается подключен балластный резистор такого же сопротивле­ния, т. е. несмотря на изменение режима работы, во втором каскаде условия работы первого каскада не изменились — он по-прежнему работает на нагрузочное сопротивление rн. Но, поскольку половина его мощно­сти теперь поступает в балластный резистор, в нагруз­ке остается только половинная мощность одного каска­да, что в 4 раза меньше мощности, отдаваемой усили­телем в нагрузку до изменения нормальных условий работы. Чем большее число каскадов используется для получения выходной мощности, тем меньше сказывает­ся изменение условий работы в том или другом каскаде на общей мощности в нагрузке. Например, в усилите­ле с выходной мощностью 4,5 кВт, получаемой в ре­зультате суммирования мощностей 32 транзисторных каскадов, при отказе одного каскада выходная мощ­ность снижалась всего лишь до 4,3 кВт. Таким образом, очень малое взаимное влияние каскадов в устрой­стве сложения мощностей позволяет, максимально используя усилительные свойства каждого транзистора, обеспечить высокую надежность его работы, а следовательно, безотказную работу усилителя мощности в целом.

Рис. 5.4. Схема усилителя со сло­жением мощности на трансформато­рах

Суммирующее устройство выбирается исходя из ха-рактера и условий работы усилителя, поскольку при решении главной задачи — сложения сигналов — можно, используя те или иные особенности конкретного вида сумматора, улучшить другие характеристики уси­лителя, например ослабить некоторые виды нежела­тельных колебаний или уменьшить чувствительность к рассогласованию нагрузки.

Удовлетворительная развязка модулей, а также ма­лый уровень нежелательных колебаний третьего по­рядка, низкая чувствительность к изменению нагрузки и слабое влияние суммируемых каскадов на предвари­тельный усилитель получаются при использовании квадратурных сумматоров мощности. Противофазные сумматоры при удовлетворительной развязке подавля­ют нежелательные колебания второго порядка. Чередо­вание квадратурных и противофазных устройств сло­жения, например, когда два модуля складываются противофазно, а объединенные таким образом пары мо­дулей — квадратурно, в значительной степени сочетает достоинства обоих видов суммирующих устройств. По этим причинам квадратурные и противофазные сумма­торы и делители мощности, выполненные, например, на длинных коаксиальных или полосковых линиях, трансформаторах, получили широкое распространение в усилителях с выходной мощностью от 10 Вт и выше.