WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Рис.1. Эквивалентная схема СВЧ транзисторного генератора с внутренней обратной связью (1- транзистор, 2 – колебательная система, 3 – выходной трансформатор связи, 4 – внешняя нагрузка).

Величина входной проводимости транзистора, как и величины других его электрических параметров, в диссертации определяется с помощью математической модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

В случае генератора с внутренней обратной связью величины проводимости колебательной системы, подключенной к входу прибора, и входной проводимости транзистора связаны между собой условиями (1) и (2). Последнее определяет специфику моделирования такого генератора, при котором на первом этапе решается задача синтеза.

Рис.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора для анализа его работы в

недонапряженном режиме с отсечкой тока.

Используемая модель биполярного транзистора строится на базе эквивалентной схемы, представленной на рис.2. Ключи в этой схеме отражают смену состояний транзистора в течение одного периода. Замкнутый ключ в левой, коллекторной части эквивалентной схемы соответствует открытому состоянию эмиттерного перехода, т.е. открытому состоянию транзистора, разомкнутый ключ – закрытому состоянию прибора. Ключ в правой, эмиттерной части схемы в положении «а» соответствует открытому состоянию транзистора, в положении «б» - закрытому. При этом полагается, что в открытом состоянии эмиттерный переход характеризуется лишь диффузионной емкостью. Поскольку коллекторный переход транзистора при работе в недонапряженном режиме закрыт, в коллекторной части схемы конденсатор учитывает лишь барьерную емкость коллекторного перехода, а в эмиттерной части схема рис.2 отсутствует источник тока.

В модели нелинейности, наряду с введением ключей в эквивалентную схему, учитываются зависимостью от электрического режима величин сопротивления эмиттерного перехода и барьерной емкости коллекторного перехода. Их величины усредняются за время ВЧ периода. Параметром, характеризующим электрический режим прибора принимается амплитуда открытого эмиттерного перехода.

Вторая глава посвящена усовершенствованию модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

Параметры, аппроксимирующие вольт-амперную характеристику открытого эмиттерного перехода, унифицированы с параметрами теории p-n перехода, которые используются в работах отечественных авторов. С учетом этого соотношение для сопротивления эквивалентной схемы рис.2, усредненное за время пребывания эмиттерного перехода в открытом состоянии, записывается в виде

, (3)

где – амплитуда напряжения открытого эмиттерного перехода; – ток насыщения обратно смещенного перехода; – тепловой потенциал; – коэффициент, учитывающий «неидеальность» перехода.

Для определения усредненной величины барьерной емкости коллекторного перехода необходимо знание величины ВЧ напряжения, действующего на этом переходе в интервале фаз, когда транзистор находится в открытом состоянии. В свою очередь величина этого ВЧ напряжения зависит от сопротивления цепи, на которую нагружен источник токаэквивалентной схемы рис. 2. Для определения сопротивления нагрузки источника токапредложено использовать эквивалентную схему, приведенную на рис.3, согласно которой

, (4)

где, – сопротивление коллекторного электрода, - сопротивление эмиттерной части эквивалентной схемы транзистора и цепи на его входе.

Рис.3. Эквивалентная схема выходной цепи биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ

Значение барьерной емкости коллекторного перехода предлагается определить по соотношению

, (5)

где - величина напряжения на коллекторном переходе, усредненная за ВЧ период.

. (6)

В соотношениях (5) и (6)

- барьерная емкость коллекторного перехода в отсутствие на нем напряжения;

- контактная разность потенциалов;

- напряжение источника коллекторного питания;

- коэффициент передачи тока;

- амплитуда первой гармоники эмиттерного тока;

- коэффициент, определяющий уровень первой гармоники напряжения открытого эмиттерного перехода;

, где - время жизни рабочих носителей заряда;

- угол отсечки;

.

Величины параметров, и являются функциями электрического расчета транзистора и зависят от амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода.

В модели биполярного транзистора, работающего в недонапряженном режиме с отсечкой тока, используются усредненные значения нелинейных элементов эквивалентной схемы. Это дает возможность линеанизировать решение задачи моделирования транзистора и представить связь между первыми гармониками эмиттерного и коллекторного токов, а также напряжениями эмиттер – база и коллектор – база системой двух уравнений

, (7)

, (8)

где соотношения для - коэффициентов имеют вид:

, (9)

, (10)

, (11)

. (12)

Уравнения (9) – (12) для Z – параметров эквивалентной схемы рис.2. с учетом полученных соотношений, определяющих величины барьерной емкости коллекторного перехода и сопротивления цепи, на которую нагружен источник тока, положены в основу уравнений, позволяющих провести расчет основных электрических параметров транзистора при его работе в режимах классов АВ, В и С при закрытом коллекторном переходе. В частности, расчет входной проводимости транзистора, компоненты которой входят условия (1) и (2), проводится с использованием соотношения

, (13)

На рис.4 приведены электрические характеристики усилителя мощности на транзисторе типа КТ-919А, работающего в режиме класса В, рассчитанные с использованием полученных уравнений усовершенствованной модели, а также экспериментальные данные. Расчет зависимостей выходной мощности, постоянного эмиттерного тока и КСВН на входе транзистора от напряжения источника коллекторного питания проведен для тех значений этого напряжения и входной мощности, при которых прибор работает в недонапряженном режиме. Видно, что данные расчета вполне адекватны экспериментальным. Особо следует отметить это соответствие в части зависимости КСВН, значение которого определяется величиной входной проводимости транзистора.

Рис.4. Расчетные (——) и экспериментальные (- - - -) зависимости выходной мощности (а), постоянного эмиттерного тока (б) и КСВН (в) на входе усилительного каскада от напряжения коллекторного питания для ряда значений входной мощности

Проведенное сравнение расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о возможности использования усовершенствованной модели биполярного транзистора при моделировании СВЧ устройств, в которых он работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока.

Третья глава посвящена моделированию СВЧ генератора с внутренней обратной связью, в котором биполярный транзистор работает в недонапряженном режиме с отсечкой тока. При этом решаются следующие задачи его синтеза:

- определения параметров электрического режима транзистора, работающего в составе генератора и обеспечивающего задаваемые значения выходной мощности и напряжения источника коллекторного питания;

- определения параметров элементов входной цепи постоянного тока, обеспечивающих устойчивость работы генератора.

При решении первой из этих задач проводится расчет зависимостей

активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, его выходной мощности и коллекторного напряжения от реактивной проводимости нагрузки на выходе прибора при фиксированных значениях активной проводимости нагрузки, напряжения эмиттер – база, барьерной емкости коллекторного перехода и амплитуды напряжения открытого эмиттерного перехода (Рис. 5.). Варьированием фиксированных значений параметров достигается получение отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора в интервале значений реактивной проводимости нагрузки, в котором обеспечиваются требуемые величины выходной мощности и коллекторного напряжения. В этом интервале выбираются значения параметров электрического режима транзистора, что иллюстрируется построениями на рис.5.

а. б.

в. г.

Рис.5. Расчетные зависимости активной (а) и реактивной (б) компонент входной проводимости транзистора, напряжения питания его коллектора (в) и мощности на выходе генератора (г) от реактивной проводимости цепи на выходе прибора.

Определяемые значения активной и реактивной компонент входной проводимости транзистора, а также активной и реактивной компонент проводимости нагрузки, используются в качестве исходных данных при проектировании топологии колебательной системы и выходного трансформатора связи. Определяемые величины напряжения эмиттер-база и постоянного тока эмиттера необходимы для выбора значений параметров элементов входной цепи постоянного тока.

Анализ зависимостей на рис. 5а и 5б дает основание заключить, что отрицательная величина активной компоненты входной проводимости транзистора, при которой обеспечивается работа прибора в составе генератора с внутренней обратной связью, получается при наличии на генерируемой частоте резонанса в выходной цепи, включающей нагрузку и барьерную емкость коллекторного перехода. Подтверждением этого могут служить результаты расчета резонансной частоты контура рис.3, приведенные в табл.1. В таблице величины реактивной проводимости нагрузки соответствуют значениям, при которых достигается максимум отрицательной величины активной компоненты входной проводимости транзистора. Видно, что расчетная величина резонансной частоты контура практически совпадает с частотой 1 ГГц, для которой проводились расчеты.

Таблица 1.

Результаты расчета резонансной частоты выходной цепи транзистора.

Ск, Ф

Lб, Гн

Lк, Гн

Gн, См

Bн, См

Lн, Гн

Fрас, ГГц

5,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,02

-0,046

2,9*10-9

1,06

7,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,02

-0,062

2,3*10-9

0,985

9,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,02

-0,078

1,91*10-9

0,935

7,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,01

-0,064

2,23*10-9

0,995

7,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,03

-0,060

2,1*10-9

1,01

7,6*10-12

0,13*10-9

1,0*10-9

0,02

-0,066

2,23*10-9

0,983

Значения параметров элементов входной цепи постоянного тока, какими являются напряжение источника смещения и сопротивление резистора смещения, определяются по результатам анализа расчетных зависимостей активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды ВЧ напряжения открытого эмиттерного перехода,, приведенных на рис.6. Значения этих параметров выбираются при условии выполнении неравенства, при котором обеспечивается устойчивость работы генератора

. (14)

Варьируемые величины параметров и выбираются с учетом соотношения

, (15)

при выполнении которого обеспечивается сохранение ранее выбранного режима работы транзистора. В этом соотношении – напряжение эмиттер-база, – постоянный эмиттерный ток, определенные при решении первой задачи.

Рис.6. Расчетные зависимости активной компоненты входной проводимости транзистора от амплитуды напряжения на открытом эмиттерном переходе:

1-= 0 Ом, =0,525В; 2-= 1 Ом, =1,7310В;

3-= 4Ом, =3,452В.

В результате решения первых двух задач определяются значения параметров, соответствующих номинальному режиму. Однако данный режим с учетом действия факторов, свойственных производству и эксплуатации, не всегда обеспечивается. В связи с этим проведено моделирование работы генератора при отличии значений параметров режима от номинальных, результаты которого отражены в таблице 2. Проведенное исследование выявило, в частности, особую критичность работы генератора к изменению величины реактивной проводимости цепи на выходе транзистор, что обусловлено резонансом этой цепи, при котором обеспечивается отрицательная величина активной компоненты входной проводимости прибора.

В обеспечение решения перечисленных задач моделирования СВЧ генератора с внутренней обратной связью, были разработаны необходимые методики, алгоритмы и комплект программ, выполненный на языке С++. При этом решение задач синтеза проводится в диалоговом режиме, что обеспечивает его эффективность.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.