Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 ... 33

проектирование радиопередатчиков

Курсовой и дипломный проекты представляют собой сложный комплекс вопросов принципиального, схемного, расчетного и конструкционного характера: выбор схем, ламп и транзисторов, элементов колебательных систем, способа модуляции или манипуляции, источника питания, путей обеспечения работоспособности передатчика при Заданных внешних условиях (изменении питающих напряжений и параметров антенны, изменении температуры окружающей среды, механической тряске или ударах и Др.). Квалифицированно решить эти вопросы, пользуясь только учебниками, затруднительно. Данное пособие облегчает студентам процесс проектирования.

В связи с быстрым ростом сети радиопередающих станций, резким ужесточением требований электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных устройств, повышением требований к качеству и надежности их работы особое внимание студентов обращается на необходимость использования в разрабатываемых ими проектах последних достижений отечественной и зарубежной техники в области радиопередатчиков, таких как применение новых мощных радиоламп и генераторных транзисторов; выбор экономически более выгодных режимов выходной (коллекторной, анодной) цепи (например, ключевого или би-гармонического); широкое применение транзисторов и микросхем, экранированных ламп, в том числе новых высокоэффективных ламп для линейного и широкополосного усиления, быстродействующей электронной защиты; применение широкополосных усилителей (например, с распределенным усилением) и др.

Главная задача курсового и дипломного проектирования состоит в выборе наиболее эффективных с технико-экономической точки зрения путей реализации технических условий на проектируемое устройство. Прежде всего на основе действующих в момент проектирования общесоюзных норм [1.9-1.12], государственных стандартов и других нормативных Документов необходимо составить технические условия (технические требования) для проектируемого радиопередатчика. Обычно эти требования содержат указания о назначении и условиях эксплуатации проектируемого передатчика, его мощности, диапазоне рабочих радиочастот,



видах модуляции. Обязательны требования по обеспечению электромагнитной совместимости - допустимые нестабильность радиочастоты и уровни побочных и внеполосных излучений. В соответствии с назначением передатчика и видами модуляции и манипуляции следует указать требования к показателям качества (например, глубине модуляции и допустимым нелинейным искажениям, полосе модулирующих частот и допустимой неравйомерности ее воспроизведения), указать также источник питания и его напряжение, нагрузку для передатчика - характер и входное сопротивление антенно-фидерного тракта, требования к промы- шлейному коэффициенту полезного действия (КПД) передатчика и др.

Ряд стандартов на радиопередатчики и радиостанции введен в действие в 1979-1984 гг. [1.22; 1.23]. Позднее, в 1985-1987 гг. на основе международных рекомендаций по ЭМС радиоэлектронных средств введены Государственные нормы на ЭМС [1.9-1.12]. Наконец, в 1991 г. принят новый вариант стандарта на показатели качества каналов и трактов звукового вещания [1.24]. Поэтому сейчас при использовании действующих (но старых ) стандартов [1.22; 1.23 и др.] для составления технических требований на проектируемый передатчик следует вносить коррективы на требования ЭМС [1.10-1.12] и показатели качества радиовещания [1.24].

По литературе, в учебной лаборатории, а также в процессе производственной и преддипломной практики студенты изучают существующие передатчики такого же назначения, как проектируемый, и близкие по мощности и диапазону частот и перспективы их развития.

На этой основе определяют возможные пути реализации каждого из пунктов технических условий. Как правило, таких путей оказывается несколько; заданную мощность можно получить как от генераторных радиоламп, так и от транзисторов или от электронных приборов СВЧ; заданный вид модуляции - несколькими способами и т.д. Следовательно, необходимо технико-экономическое обоснование выбора по каждому пункту технических требований наиболее целесообразного варианта решения. В результате.анализа составляется обоснованная структурная схема передатчика, определяются конкретные безусловно современные и перспективные типы активных приборов для всех каскадов, выбираются стандартные напряжения питания отдельных цепей от электросети при минимальном числе выпрямителей (или от гальванических элементов, аккумуляторов).

Далее следует рассчитать электрические режимы ступеней, выбрать стандартные по нормалям и ГОСТам детали и измерительные приборы. При расчетах следует пользоваться вычислительной техникой на основе стандартных программ.

В проект кроме расчетно-пояснительной записки входят электрические схемы, компоновочные и конструктивные чертежи, выполняемые в соответствии с ЕСКД.

1.2. Основные характеристики передатчика, определяющие выбор схемных и режимных

решений

Основными электрическими характеристиками передатчика, определяющими его конструкцию, являются мощность, диапазон несущих частот, вид и требуемое качество модуляции, требования обеспечения ЭМС - допустимые нестабильность частоты и уровни побочных и внеполосных излучений. Наряду с этим существенную роль играют назначение передатчика и соответствующие этому условия его будущей эксплуатации. При курсовом и дипломном проектировании передатчиков применительно к специальности 2011 Радиосвязь, радиовещание и телевидение могут быть поставлены задачи проектирования передатчиков следующего назначения;

магистральная радиосвязь в декаметровом (коротковолновом) диапазоне волн; тропосферная, космическая, радиорелейная связь в диапазонах УВЧ и СВЧ;

низовая народнохозяйственная связь в декаметровом диапазоне с однополосной модуляцией (ОМ) или в метровом и дециметровом диапазонах с частотной модуляцией (ЧМ);

связь с подвижными объектами (суда, самолеты, автомобильный и железнодорожный транспорт);

сотовая и транкинговая связь;

связь в гражданском диапазоне (СВ, 27 МГц);

радиовещание на длинных, средних и коротких волнах при амплитудной модуляции (AM), в метровом диапазоне с ЧМ, телевизионное вещание (изображение и звуковое сопровождение). Могут быть поставлены и другие задачи.

В соответствии с назначением передатчики могут эксплуатироваться в различных условиях:

на стационарном радиопередающем центре при постоянном присутствии специального квалифицированного обслуживающего персонала ( обслуживаемый передатчик );

на стационарном центре при автоматическом или дистанционном управлении без постоянного присутствия обслуживающего персонала ( необслуживаемый передатчик );

на борту подвижного объекта (автомобиля, самолета, судна, спутника) при наличии или отсутствии специального работника (радиста-оператора);

в помещении диспетчерского пункта морского, речного, авиапорта, карьера по добыче полезных ископаемых или большого строительства;

на базе геологической экспедиции; в помещении лесничества; в руках индивидуального пользователя сотовой или транкинговой связью, геолога-разведчика, лесника-обходчика, составителя поездов на сортировочной железнодорожной станции, лоцмана и т.д.



Перечисленным выше возможным местам расположения радиостанций (передатчиков) соответствуют определенные температура окружающего воздуха (-1-15.. .-Ь35 °С в стационарных условиях, -50.. .--50 °С в полевых условиях и др.), влажность, вибрации и удары и другие внешние условия. Максимальная температура окружающей среды учитывается при расчете системы охлаждения; минимальная - при выборе некоторых деталей, например электролитических конденсаторов, гальванических батарей или аккумуляторов. Влажность, наличие в окружающем воздухе брызг воды (особенно морской) обусловливают требования к герметизации аппаратуры, выбору влагостойких деталей и коррозионно-стойких конструкционных материалов или защитных покрытий (эти вопросы, так же как механическая прочность, выходят за пределы данного пособия).

Передатчики разного назначения могут либо часто перестраиваться с одной рабочей частоты на другую, либо длительное время (годы) работать на одной неизменной частоте. Зависит от назначения передатчика и время, отводимое на смену рабочей волны. Так, магистральные коротковолновые передатчики перестраиваются по многу раз в сутки и на перестройку отводится ограниченное время (несколько минут). Радиовещательные средневолновые передатчики имеют две рабочие волны; дневную и ночную. Длинноволновые и телевизионные вещательные передатчики работают на одной фиксированной частоте. Фиксированы частоты и передатчиков тропосферных, космических, радиорелейных систем связи.

Во многих современных системах радиосвязи частота передатчика меняется автоматически и очень часто в соответствии с командами центрального управляющего устройства.

У широкодиапазонных часто перестраиваемых передатчиков, у передатчиков подвижных объектов, где нет специального работника - радиста, необходимо при проектировании предусматривать предельную простоту и быстроту перестройки. Для этого могут применяться широкополосные каскады усиления, полосовые фильтры, системы автоматической настройки и др. Подробнее эти вопросы рассмотрены в [1.1] и в гл. 3 настоящего пособия.

Очень важным является требование всемерного повышения промышленного (полного) КПД передатчика и его отдельных каскадов, естественно, не в ущерб другим требованиям. Дело не только в том, что повышение КПД соответственно снижает затраты на оплату электроэнергии, которая во всем мире систематически дорожает. В бортовых и носимых радиостанциях более важен меньший расход энергии от источника с ограниченной энергоемкостью, например аккумулятора. При низком КПД, т.е. при больших потерях энергии на тепло, возникает необходимость в более эффективной системе охлаждения, для чего приходится ставить более мощные вентиляторы или насосы системы принудительного охлаждения, т.е. затрачивать дополнительную энергию на их работу, что, в свою очередь, приводит к дополнительному снижению КПД. Наконец, при работе транзисторов, ламп и других деталей при

температуре, близкой к предельно допустимой, существенно снижается надежность этих деталей и передатчика в целом. Передатчик с низким КПД, как правило, имеет большие габариты и массу за счет больших радиаторов, больших электродвигателей и вентиляторов (насосов) и др.

Главным путем обеспечения высокого КПД является рациональный выбор режима транзисторов и ламп, использование катушек индуктивности и электрических конденсаторов с малыми потерями (с высокой добротностью), стремление по возможности не использовать активные сопротивления (резисторы) в цепях с большими токами. Применительно к транзисторам и радиолампам наиболее целесообразен граничный или слегка перенапряженный режим при угле отсечки около 90° или несколько меньше. Там, где это возможно, применяется ключевой или бигармонический режим, а в модуляционных устройствах ;- режим D.

1.3. Полупроводниковые приборы в мощных каскадах передатчиков

В мощных каскадах передатчиков из полупроводниковых приборов используют биполярные и полевые транзисторы. Биполярные транзисторы применяются от самых низких частот до ориентировочно 10 ГГц. По мощностным параметрам на частотах приблизительно до 1,5 ГГц к ним приблизились, а по многим другим параметрам и опередили МДП-полевые транзисторы, а на частотах выше 5...6 ГГц их превзошли полевые транзисторы с барьером Шоттки. Последние такую же величину мощности, как у биполярных транзисторов, обеспечивают на частотах примерно в 3 раза выше. У транзисторов с барьером Шоттки верхняя рабочая частота доходит до 60 ГГц и выше [1.2-1.5].

Кроме биполярных и полевых транзисторов в каскадах передатчиков применяют еще ряд полупроводниковых приборов, таких как тиристоры, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, варикапы, варакторы и туннельные диоды. Тиристоры используют как генераторные приборы на частотах до 100 кГц, а также в импульсных модуляторах. Однако их все в большей степени вытесняют биполярные и главным образом полевые транзисторы, специально разработанные для импульсных, переключающих схем, ключевых усилителей радиочастот и ключевых усилителей низких частот, усилителей класса D. Лавинно-пролетные диоды и тем более диоды Ганна, которые могут работать до предельных частот 200. ..250 ГГц, также вытесняются транзисторами с барьером Шоттки. Варакторные (диодные) умножители, использующие нелинейную емкость закрытого и открытого р-п-перехода, которые устанавливались ранее после транзисторных усилителей мощности на частотах выше 20...30 ГГц, также вытесняются транзисторами СВЧ. Сейчас варакто-РЬ, а также варикапы используются главным образом для перестройки частоты и частотной модуляции в мощных и маломощных высокостабильных автогенераторах. На туннельных диодах, одним из преимуществ которых является более высокая радиационная стойкость, строят



усилители и автогенераторы, в том числе высокостабильные прецизион^ ные кварцевые на очень низкие мощности при работе от низковольтных источников питания (около 1 В) со специфическими дополнительными требованиями к источнику питания.

Таким образом, основными мощными генераторными полупроводниковыми приборами являются биполярные и полевые транзисторы.

Преимущества транзисторов перед лампами в мощных радиопередатчиках не столь бесспорны, как в радиоприемных, вычислительных или других маломощных устройствах. Безусловным достоинством транзисторов является устойчивость к механическим воздействиям и большой срок службы (при условии защиты от превышения предельно допустимых напряжений и токов). В условиях правильной эксплуатации их не приходится менять на протяжении всего срока службы аппаратуры. Однако в мощных каскадах передатчиков транзисторы часто используй ют на пределе по току, напряжению, температуре, и поэтому здесь нет оснований рассчитывать на такую же высокую надежность транзисторов, как в маломощных устройствах. Транзисторам присуще постепенное медленное ухудшение свойств (деградация), которое у мощных транзисторов из-за работы на предельных режимах происходит интенсивнее, чем у маломощных.

Отсутствие цепи накала у транзисторов обусловливает их немедленную готовность к работе, но не приводит к заметной экономии электроэнергии питания, так как затраты энергии в цепях накала современных мощных ламп составляют 4... 5 % и меньше их номинальной мощности.

Низкие питающие напряжения резко упрощают систему защиты обслуживающего персонала. Возможность работы всех каскадов передатчика от одного или небольшого числа источников постоянного тока, в том числе непосредственно от батарей или аккумуляторов автомобиля или самолета, заметно упрощает его устройство. Кроме того, низкие питающие напряжения при относительно большой мощности определяют малые нагрузочные сопротивления (десятки, единицы и даже доли ома). По этой причине вредное действие паразитных емкостей, шунтирующих нагрузку, существенно меньше, чем в лампах, что позволяет в широком диапазоне частот (до 100... 1000 МГц) использовать нерезонансные схемы, в том числе двухтактные генераторы с резистивной (апериодической) нагрузкой, исключить перестраиваемые входные, межкаскадные и выходные цепи связи, что улучшает надежность и конструктивные характеристики передатчика в целом и упрощает его настройку. Вместе с тем малые входные и нагрузочные сопротивления затрудняют согласование транзисторов с другими элементами передатчика и друг с другом. Одновременно сильно сказываются индуктивности выводов и монтажа. Меньший (как правило) коэффициент усиления по мощности транзисторов (по сравнению с лампами) приводит к,большему числу каскадов, т.е. к дополнительным затратам энергии и мощности, рассеиваемой внутри передатчика. Большие токи, неизбежные при больших мощностях и малых напряжениях, приводят к дополнительным трудностям при конструировании источников питания для транзисторных передатчиков.

Г

В наиболее современных мощных транзисторных передатчиках сейчас практикуется питание каждого каскада, каждого блока (модуля) оконечного каскада от отдельного выпрямителя.

Апериодическая (резистивная) нагрузка позволяет строить генераторы, в которых транзисторы работают в режимах с негармоническими формами напряжений. Среди этих режимов особенно интересен ключевой режим, который отличается малой рассеиваемой мощностью, меньшей критичностью к амплитуде входного сигнала и к усилительным свойствам транзистора и отсюда более высокой надежностью. Однако он обладает меньшим коэффициентом усиления по мощности и непригоден в каскадах, предназначенных для усиления колебаний с переменной амплитудой.

В передатчиках мощностью приблизительно до 1 кВт полная замена ламп транзисторами приводит к уменьшению габаритов и массы, тем более заметному, чем меньше их мощность. В мощных передатчиках с их блочным (модульным) построением габариты и масса определяются не только активными приборами, но и в значительной степени деталями цепей связи и фильтрующей системы, деталями цепей сложения и разделения мощности, радиаторами, электровентиляторами и другими элементами системы охлаждения. !/1з-за низких допустимых температур транзисторов системы их охлаждения оказываются более массивными и могут потреблять больше энергии питания, чем лампы этой же мощности. Поэтому применение транзисторов может не приводить к существенному выигрышу в массе и габаритах передатчика в целом. Однако в качестве радиаторов маломощных передатчиков иногда можно использовать непосредственно корпус корабля, танка и т.д.

Недостатки транзисторных передатчиков прежде всего связаны с высокой стоимостью мощных транзисторов из-за чрезвычайно сложной технологии их производства. Другие их недостатки по сравнению с лампами определяются малой мощностью одного транзистора и высокой чувствительностью их к перегрузкам. Транзисторы, как правило, не допускают даже кратковременных перегрузок по токам, напряжениям и рассеиваемой на них мощности. Отсюда критичность к рассогласованиям с нагрузкой, к изменениям режимов работы и т.д. Транзисторам присуща большая склонность к паразитным колебаниям, в том числе параметрическим автоколебаниям, и главное, выход из строя при их появлении, а также из-за наведенных ЭДС (атмосферное электричество, от Других передатчиков). Это требует сравнительно сложных схем сложения мощностей на выходе передатчика и создания систем защиты транзисторов от превышения напряжений, токов и температуры при работе в изменяющихся условиях (изменения нагрузки, питания, охлаждения и др.), и поэтому дополнительно повышается стоимость, снижается надежность всего передатчика.

Существенный разброс параметров транзисторов, их температурная зависимость, а также зависимость усилительных свойств от частоты и режима усложняют построение передатчиков. Из-за низкого коэффициента усиления по мощности транзисторов увеличивается число каскадов



передатчиков по сравнению с ламповыми. Транзисторы заметно хуже по линейности амплитудной модуляционной характеристики, им присуща большая паразитная фазовая модуляция. Наконец, следует отметить чувствительность транзисторов к проникающей радиации.

На данное время как у нас в стране, так и за рубежом выпускают передатчики, в которых все маломощные каскады транзисторные; во многих передатчиках значительных мощностей (до 10. ..100 кВт) в диапазоне частот приблизительно до 500 МГц транзисторы установлены и в выходных каскадах. Важно, что полная транзисторизация определяется не только уровнем колебательной мощности, но и ее целесообразностью, в первую очередь там, где требуются необслуживаемые передатчики (на космических кораблях и спутниках, при установке в ненаселенной местности и т.д.), или когда время перестройки с одной частоты на другую должно быть малым. Наоборот, например в телевизионных и радиовещательных передатчиках, работающих на фиксированной частоте либо предусматривающих сравнительно редко переход с одной частоты на другую, при эксплуатации которых выделяется время для профилактических работ и перестройки по частоте, полная транзисторизация экономически оправдана при уровнях мощности не выше 1... 10 кВт. Если в оконечных каскадах передатчиков применяются лампы, то транзисторные каскады целесообразно строить на мощность не выше порядка 1,0 кВт.

В настоящее время отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают мощные генераторные транзисторы как широкого применения, так и узкоспециализированные. Это в первую очередь определяет диапазон рабочих частот, который для первых и главным образом для вторых жестко связан с их назначением. Специализация коснулась биполярных и всех типов полевых транзисторов. Выпускаются транзисторы, предназначенные для работы в радиочастотных каскадах передатчиков, в импульсных устройствах, стабилизаторах напряжения, во вторичных источниках питания и переключающих схемах.

В связи с интенсивным развитием связи на одной боковой полосе в диапазоне от 1,5 до 30.. .80 МГц выпускается широкий набор так называемых линейных транзисторов на мощности до нескольких сот ватт [1.2-1.5], обеспечивающих линейность амплитудной характеристики и паразитную фазовую модуляцию, при которых уровень составляющих третьего порядка Ksj при испытаниях на двухтоновом сигнале ниже -28. ..-32 дБ. Аналогично широкое развитие телевизионного вещания с выходной мощностью передатчиков от единиц ватт до единиц киловатт привело к разработке линейных транзисторов для совместного усиления радиосигналов видео- и звукового сопровождения в диапазонах 100.. .200, 170.. .230, 40.. .860 МГц с коэффициентом комбинационных составляющих не более -53... -60 дБ при усилении трехтонового испытательного сигнала [1.1, с. 493]. Применительно к этим и другим типам передатчиков выпускается небольшой набор так называемых сверхлинейных транзисторов, предназначенных для работы в режиме класса А, т.е. с весьма низким КПД как в широкодиапазонных (от 10 МГц до

1 .2 ГГц), так и относительно узкодиапазонных, обеспечивающих не-яинейные искажения на уровне комбинационных составляющих третьего порядка Ksj не выше -50. ..-60 дБ.

Выпускаются УВЧ транзисторы, предназначенные для радиоимпульсного режима работы с относительно короткими длительностями (ги < 5 . 20 мкс) и с относительно длинными (r < 100 ... 250 мкс) при скважности импульсов Q от 5 до 100 и выше. Благодаря снижению средней рассеиваемой мощности и некоторому (около 1,5 раз) форсированию по напряжениям и токам импульсные транзисторы обеспечивают в 2.. .3 раза больше мощности. Диапазон рабочих частот этих транзисторов ограничен частотами, выделенными для радиолокации. Для некоторых из них он составляет всего ±50 МГц при средней частоте 1,5 ГГц.

В последнее время в связи с интенсивным развитием систем связи с подвижными объектами, в том числе сотовой, разрабатываются специальные транзисторы для работы в диапазонах 450 МГц, 900 МГц и 1800 МГц и главное при низких напряжениях питания = 5; 7,5 В [1.55].

Верхняя рабочая частота /в в генераторных транзисторах, как правило, ограничивается его усилительными возможностями, нижняя /н для биполярных транзисторов -опасностью перегрева его структуры за время протекания одного импульса тока и развитием вторичного пробоя. У многих типов биполярных и полевых транзисторов внутри корпуса устанавливаются дополнительные LC-элементы в виде ФНЧ в цепи базы или эмиттера у биполярных или в цепи затвора у полевых транзисторов, повышающие резистивную составляющую его входного сопротивления до 0,5... 1,0 Ом. Одновременно они компенсируют его реактивную составляющую до 1...2 Ом (обычно индуктивного характера) в рабочей полосе частот, которая может составлять десятки-сотни мегагерц. У ряда СВЧ транзисторов LC-элементы устанавливают как на входе, так и на выходе, соответственно повышая входное и нагрузочное сопротивления, например до стандартной величины 50 Ом. Использование транзисторов со встроенными внутри корпуса цепями связи на других частотах, отличных от указанных в паспортных данных, исключается.

Мощности современных биполярных транзисторов ограничиваются 200.. .500 Вт в диапазоне частот до 100 МГц, примерно ста ваттами на частотах до 1 ГГц и единицами - долями ватт по мере приближения к верхней предельной частоте порядка 10 ГГц. Изготовление транзисторов еще большей мощности не оправдано по ряду причин. Во-первых, усложняется проблема отвода тепла. Геометрические размеры корпуса остаются те же, а допустимые тепловые сопротивления корпус-кристалл, корпус-радиатор падают до единиц - долей градусов Цельсия на ватт. Попытки перейти к водяному охлаждению непосредственно корпуса самого транзистора не дали в совокупности положительного результата. Во-вторых, мощность наращивается путем параллельного включения десятков-сотен элементарных транзисторов, так называемых мно-гоэмиттерных транзисторов, размещенных в одном корпусе. При этом резко падает процент выхода годных приборова значит, их цена растет



гораздо быстрее, чем мощность. В-третьих, пропорционально снижаются входные и нагрузочные сопротивления транзисторов, которые сейчас составляют десятые доли и единицы ом, что затрудняет взаимное согласование каскадов. Кроме того, все сильнее сказываются индуктивности выводов, и в первую очередь индуктивность общего вывода, несмотря на непосредственное соединение этого электрода с корпусом прибора, позволяющее уменьшить ее до десятых долей наногенри.

Частично проблема повышения мощности решается размещением на одном основании с максимальной близостью к друг Другу либо вообще в одном корпусе двух одинаковых, одного типа проводимостей транзисторов, предназначенных для работы в двухтактных схемах.

Такие транзисторы называют сборками или балансными . П сравнению с одним обычным транзистором, во-первых, у каждого и двух, рассчитанных на половинную мощность, в 2 раза большие входные и нагрузочные сопротивления. Во-вторых, при последовательно! их включении по входу результирующее входное сопротивление возрЗ' стает еще в 2 раза. Таким образом, при одинаковой выходной мощност! входное сопротивление балансного транзистора в четыре раза выше, чем обычного. В-третьих, максимально близкое размещение двух транзисторов упрощает задачу обеспечения короткого замыкания на частотах четных гармоник и позволяет повысить рабочую частоту двухтактных генераторов до 1.. .2 ГГц. В-четвертых, в общем корпусе оба транзистора конструктивно размещаются так, что значительная часть индуктивности общего вывода оказывается общей на оба транзистора. Поскольку в двухтактной схеме при противофазной идентичной работе транзисторов через эту часть индуктивности протекает разностный ток, теоретически равный нулю, то эквивалентную индуктивность общего вывода удается снизить в несколько раз. Рассмотрим параметры и технические характеристики мощных генераторных биполярных и полевых транзисторов, выпускаемых отечественной промышленностью [1.2-1.5].

Биполярные транзисторы. Биполярные генераторные транзит сторы мощностью до 250...500 Вт по своей конструкции значительно отличаются от транзисторов других назначений. Во-первых, транзисторы выполняют по планарной технологии, при которой площадь коллекторного перехода в 3...5 раз больше площади змиттерного перехода. Избыточная площадь создает так называемую пассивную часть коллекторного перехода, которую можно рассматривать как отдельный р-п-переход (диод), включенный между базой и коллектором.

Во-вторых, для обеспечения возможности работы при больших плотностях тока из-за эффекта оттеснения тока к периферии змиттерной области на высоких частотах транзисторы выполняют по многоячеечной (многозмиттерной) структуре в виде гребенки, сетки и др., при которой достигается наибольшее отношение периметра электродов к площади. Структура такого транзистора представляет собой параллельное соединение большого числа элементарных транзисторов, у которых коллекторы и базы соединяют непосредственно, а последовательно с эмиттерами

часто включают резисторы г*- или г*С*-цепочки для создания отрицательной обратной связи по постоянному току и по радиочастоте или только по постоянному току с целью выравнивания токов элементарных транзисторов. С одиночной многозмиттерной структуры площадью О 03 мм обычно снимается полезная мощность не более единиц ватт. Увеличение мощности до десятков ватт достигается в многоструктурных (многоэмиттерных) транзисторах. Например, 30-ваттный транзистор КТ946 содержит 16 параллельно включенных структур, расположенных в ряд, но на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы можно было эффективно отводить тепло. Наращивание числа структур для получения большей мощности в одном приборе ведет к снижению входных и нагрузочных сопротивлений, что затрудняет согласование транзистора с внешними LCR-цепями. Поэтому в СВЧ транзисторах мощностью в десятки-сотни ватт устанавливают внутри корпуса специальные трансформирующие LC-цепи (так называемые внутрисогласованные транзисторы (КТ979, КТ975 и др.)).

В-третьих, при низких нагрузочных и входных сопротивлениях сильно сказываются индуктивности выводов транзисторов. Для их снижения у транзисторов, предназначенных для работы на частотах выше 100 кГц, выводы делают в виде полосок. Для снижения индуктивности общего вывода транзистора (по отношению к входной и выходной цепям генератора) его выполняют в виде нескольких полосок либо непосредственно соединяют с корпусом прибора. Все это позволяет снижать индуктивность выводов до единиц и десятых долей наногенри и применять такие транзисторы только при включении по схеме с общим эмиттером (ОЭ) или с общей базой (ОБ) в зависимости от того, какой электрод соединен с корпусом.

В-четвертых, в мощных транзисторах стремятся снизить тепловое сопротивление кристалл-корпус транзистора до единиц градусов Цельсия на ватт и меньше. При этом сам кристалл помещают (приклеивают) к корпусу прибора через прокладку из оксибериллиевой керамики, обладающей малым тепловым сопротивлением и одновременно хорошими изоляционными свойствами по постоянному току и на радиочастотах. В то же время корпус транзистора обычно имеет сравнительно малые размеры. Поэтому создается очень большое тепловое сопротивление корпус-среда. Для мощных транзисторов оно даже не указывается в паспортных данных, поскольку для его снижения транзисторы всегда необходимо устанавливать на специальные теплоотводы - радиаторы, а иногда применять еще и принудительное охлаждение радиатора (обдув потоком воздуха от злектровентилятора). Для уменьшения теплового сопротивления, возникающего между корпусом транзистора и радиатором, транзистор конструктивно выполняют в виде болта, фланца и т.д., чтобы его можно было плотно, без зазора, крепить к радиатору. С этой целью применяют также специальные смазки.

Наконец, в-пятых, мощные генераторные транзисторы выпускаются только п-р-п-проводимости. Транзисторы с р-п-р-проводимостью оказываются существенно хуже по частотным свойствам. Это, а также



различные температурные зависимости основных параметров затрудняют изготовление комплементарных биполярных транзисторов для радиочастотного диапазона.

Мощные биполярные транзисторы обычно работают с относительно большими токами, протекающими через р-п-переходы в открыто! состоянии, и с относительно большими напряжениями, приложенным! к р-п-переходам в закрытом состоянии. При этом дифференциально! сопротивление р-п-переходов, определяемое параллельно включенным! сопротивлениями рекомбинации Гр и диффузионными емкостями Сд в' открытом состоянии, относительно мало (близко к короткому замыка-; нию), поскольку Гр О и Сд схз, и, наоборот в закрытом состо-j янии относительно велико (близко к разрыву), поскольку Гр схз и Сд 0. Это позволяет для приближенных инженерных расчетов составлять эквивалентные схемы транзистора в виде комбинации эквивалентных лине!Яных схем для четырех возможных состояни!Я: отсечки, активного, насыщения и инверсного. В частности, на низких частотах можно пользоваться линеаризованными статическими характеристиками. Нелине!лные сво!лства транзистора проявляются главным образом при переходе из одного состояния в другое при некоторых напряжениях на эмиттерном и коллекторном переходе и Ск, близких к напряжению отсечки Еотс, составляющему 0,5...0,7 В для кремниевых и 0,2...0,3 для германиевых транзисторов.

Для мощных генераторных транзисторов основным является работа с отсечкой тока в недонапряженном и граничном режимах. При этом транзистор поочередно находится в двух состояниях - отсечки (эмит-терный и коллекторный переходы закрЬ1ть!) и активном (эмиттерный открыт, а коллекторный закрыт). Перенапряженный режим, когда транзистор на некоторую часть периода высокочастотных колебаний попадает в состояние насыщения (оба перехода открыть:), а в ряде схем генераторов и в инверсное состояние (эмиттерный закрыт, коллекторный открыт), как правило, может возникать при рассогласовании нагрузки, в процессе настройки генератора. Специально перенапряженный режим используется только для осуществления коллекторной AM. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме рассматривается в § 2.6.

На рис. 1.1,а,б \л 1.2,а,б приведены условные обозначения и эквивалентные схемы биполярного транзистора при включении с ОЭ и ОБ, отражающие два его состояния - активное и отсечки. Эквивалентные элементы ГрСд-цепочки, отражающие электрические свойства эмиттерного перехода, в открытом состоянии можно считать; Гр О, Сд схз, в закрытом Гр схз, Сд - 0. Параллельно добавлены барьерная емкость эмиттерного перехода Сэ и показанное штриховой линией сопротивление утечки Дуэ, которое для мощных генераторных транзисторов составляет всего 1000... 100 Ом и ниже. Активная и пассивная части закрытого коллекторного перехода представлены только барьерными емкостями Ска и Скп- Сопротивление утечки коллекторного перехода обычно велико, и им пренебрегают.


Г- fi

т /в

те


у

Г

Г

У

*

Рис. 1.1

На схемах рис. 1.1,6 и 1.2,5 показаны сопротивление Материала базы Гб, условно разделяющее коллекторный переход на активную и пассивную части, а также эквивалентное стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера Гэ многоэмиттерной структуры и сопротивление тела коллектора Гк.

Для транзисторов, работающих приблизительно до 300 МГц, включаемых по схеме с ОЭ, достаточно эквивалентную схему его кристалла на рис. 1.1,5 дополнить индуктивностями выводов Ьэ, Ьб, Ьк- В диапазоне выше 300 МГц учитываются как индуктивности выводов и соединительных проводников, так и паразитные емкости. В качестве примера на рис. 1.3,а приведена схема транзистора с ОЭ с изолированными выводами. Исходная схема на рис. 1.1,5 дополнена емкостью Скэ между эмиттерной и коллекторной площадками кристалла. Индуктивности £б1, Ьэ1, к1 определяются проволочными соединениями Контактных площадок кристалла с контактными площадками корпуса. Емкости Сбо, Сэо, Ско учитывают емкости между корпусом и металлизированными площадками, к которым припаиваются внешние выводы, создающие индуктивности £б2. ъ2< к2-

Во внутрисогласованных транзисторах LC-элементь! входной и выходной цепей образуют или являются элементами более сложных повышающих сопротивления на внешних выводах транзистора до единиц-десятков ом в рабочей полосе частот. На рис. 1.3,5 показан



о -о


у

KB Son KS


% 3z ht

T I

3 K

Ki Цг /fj

Рис. 1.3

I I

пример эквивалентной схемы такого транзистора с ОБ. Индуктивности Ьэ1. э2. эз. Ьк1. Lk2, образованы параллельным соединением группы проводников, а емкости Ci, Ci и Cri, Ск2 выполняют в виде МОП-конденсаторов.

В табл. 1.1 приведены следующие параметры мощных биполярных транзисторов. Первая буква или цифра в наименовании транзистора обозначает материал (кремний либо германий), из которого он сделан. Мощные биполярные транзисторы имеют п-р-п-проводимость.

1. Параметры идеализированных статических характеристик: коэффициент передачи по току /121э0 в схеме с ОЭ на постоянном токе, сопротивление материала базы Гб, стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера Гэ, сопротивление утечки Дуэ эмиттерного перехода. Если значения сопротивлений не приводятся, то надо принять Гэ = О, Дуэ = ОЭ, а сопротивление Гб можно приближенно определить по известным Гк и Ска (см. ниже) или принять равным нулю. Здесь же дается сопротивление насыщения Гнас. когда транзистор находится в состоянии насыщения в схеме с ОЭ или ОБ на низких / < (0,3 121эо)/т и в скобках на высоких / > (3 121эо)/т частотах. На низких частотах величина Гнас может определяться непосредственно по выходным характеристикам к (ск). На высоких частотах величину Гцас увеличивают в 1,5...3 раза. Это объясняется следующим образом. На высоких частотах при гармоническом напряжении на коллекторе оптимальным можно также считать граничный режим, в котором достигаются мощность и КПД, близкие к максимальным. Однако коэффициент усиления по мощности Кр оказывается значительно меньше, чем тот, который можно достигнуть при работе в недонапряженном режиме, что связано с резким ухудшением усилительных свойств Транзистора при низких остаточных напряжениях на коллекторе вк.ост-

Поскольку при работе транзистора на высоких частотах, в том числе вблизи своей верхней частотной границы, Кр снижается до единиц, оптимальным по совокупности КПД, Р\ и Кр оказывается недонапряженный режим с определенным соотношением между Ск.ост и импульсом тока коллектора /кmax, которые

и определяют Гнас = Ск.ост/ктах-

2. Высокочастотные параметры: граничная частота передачи по току в схеме с ОЭ /т и барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов Ск, Сэ при соответствующих напряжениях на переходах Ск и Сэ, постоянная времени коллекторного перехода Гк, позволяющая, если не дается гб, ориентировочно определить гб = Тк/Ска, где Ска = (О, 2 .. .0, 3)Ск - барьерная емкость активной части коллекторного перехода, а также индуктивности выводов L, Le, Ьк-

3. Допустимые параметры: предельное напряжение на коллекторе £кб.доп или £кэ.доп соответственно при включении транзистора с ОБ или ОЭ; кратковременное (импульсное) значение напряжений кб.имп.доп или £кэ.имп.доп; Напряжение коллекторного питания £к.доп; обратное напряжение на эмиттерном переходе £бэ.доп. Фактически при пробое эмиттерного перехода ограничивается значение тока эмиттера.



N>

Параметры идеализированных

Тип

статических характеристик

транзис-

нас

Ск. пФ

кОм

МГц

(при

Ек, В)

2T926A

0,15

>0.02

12...60

2T947A

(0,03...0,1)

>0,04

10... 160

680 (27)

2T9126A

<0,05

>10

>100

>500

Пульса-

10... 50

(50) 500 (60)

ция 2

В

KT902AM

0,8 (1,4)

>0,05

>15

150 (12,6)

2T965A

>0,4

10... 60

100... 300

50... 100

50... 100

2Т951Б

(2.4)

>0.1

90... 420

90. ..420

60... 70

2T955A

(2.4)

>0,4

10... 250

100... 300

(28) 50...75 (28)

2T966A

>0.027

10... 70

100...300

150... 250

(12,6)

2Т950Б

0,1...0,2

0,15

>0.04

10... 100

90...360

130. ..220

(0.8)

(28)

2T912A

0,05

>0,02

10... 50

90... 165

<200

(0,5...0,6)

(27)

2T967A

0,08

>0,03

10... 100

180... 240

200... 500

(12,6)

KT927A

0,05... 0,07

>0,1

15...30

100...180

120...190

(0,4)

(28)

2T944A

0,15...0,25

>0.03

10... 80

100...150

<350

(0,4...0,5)

(28)

2T956A

0,3...0,4

>0,12

10... 80

100...160

340. ..400

2T957A

>0.12

10...80

>100

\Щ 450. ..600

(0,3)

(28)

2T980A

0,62

>0.008

15...60

150... 270

300...450

2T9131A

<0,1

>10

>100

(50) 800

2T903A

>0,08

15...70

>120

(50) 50... 180

(2,5...5,0)

(30)

KT996A-2

>5

4800

2T921A

1,8 (3,4)

>0,2

10...45

90... 300

40...50 (20)

2T951B

(10)

>0.4

30... 200

150... 540

9...12

2T951A

(1.4)

>0,1

15...100

150... 420

(28) 60...70

(28)

2T981A

>0,02

10... 90

250... 400

(12,6)

2T950A

0,1...0,2

0.15

>0,04

15...100

150...360

130... 165

(0.4)

(28)

2T9111A

0,4...0,5

>0,008

>10

>300

<150 (50)

2T964A

0,5...0,6

0.15

>0.008

10...50

150... 300

220... 290

(40)

Таблица 1.1

----

Высокочастотные параметры

Сэ, пФ (при В)

Тк. ПС

(при Ек. В)

нГн

нГн

нГн

£к6.доп (кб.иип).

в

£кэ.доп (Вкэ.имп).

в

100000 (0)

<1,5

<2.5

<0,9

160(200) 100 100

1500 (4) 100...350

20 2

20 2.4

(НО) 36

2,8...3,8

2,1...3,2

1,3...3,2

(65)

160...320 (4) 800...2000

2,0 1,25

(70) 36

(4) <1100

(0) 1200

700...2500

1,6...2,1 5

1.3...2,3 5

3.2... 4,0 5

(65)

70 (80) 36

1700... 2850

(0) <1500

(0) 800... 1600

1000... 2250 (4)

13000... 15000

(0) 10000

400 12

200...450 (3) 70...90

(0) 600

400... 1200

(4) <1100

(0) <1000 (0) <4000 (0)

2,8 1,4

2.8 2,2

2.6 2.0

(100)

(100)

(60)

(30)

<1.5 <10

<2.4 20

<2,6 5

60 (80)

<22 (10)

3.5 4,2... 5,2

3,5 3,5...4.5

3,0 1.3... 3,2

65 (80) (60)

2,8...3,8 <2,0

2,1... 3,2 <2,2

1,3...3,2

(60) (36)

1,6... 2,1

1,3...2.3

3,2... 4,0

(60)

1,6 2,8

3,7 1,9

2,8 1,6

120 80



Тепловые

Доп

устимые параметры

параметры

а

а о

КО.ДОП

бо .доп

Диапазон

(к max).

(4inax),

раб. частот.

°с

°С/Вт

МГц

А

А

МГц

15 (25)

7(12)

20 (50)

0,1...1,5

0,75

0,1...1,5

0,45

(ДВ-СВ)

0,1...1,0

-

0,1...1,5

5(8)

12,6

1.5... 30

13,5

1,5...30

4,25

(1,5...>30)

1,5...30

6,07

12,6

1,5...30

2,26

1,5...30

1,75

(1,5...>30)

1,5...30

1,42

12,6

-

1,5...30

1.5...30

(30)

12,5

1,5...30

1,67

(20)

(10)

0,15...1,5

1,5...30

1,68

1,5... 30

1,42

1.5...30

0,57

7

1,5... 30

(40)

3,33

(10)

4...60

(0,3)

1,5...60

30... 80

12,1

(1,5...>80)

30...80

2,83

(1,5...>80)

12,6

30... 80

2,5...5,0

30... 80

1,25

(1,5... >80)

1,5...80

0,75

80; 30; 1,5

30... 80

0,75

(1,5...>80)

Продолжение табл. 1.1

Экспериментальные параметры

Схема включения

Режим работы

Кр (К'р)

В

Ключевой

>250

Класс В

>13

>60

Класс В

250... 300

20... 30

80... 70

Ключевой (ПН)

(16,5...22)

60... 70

Класс В

Ключевой (ПН)

>20

>7

Класс В

>20

13... 100

65...90

12,6

Класс В

>10

30... 450

35... 70

ЛинейН1у1й -45...-32 дБ

>20

10...25

>40

Линейный -30...-33 дБ

>20

>20

>25

Линейный -33... -38 дБ

>40

16... 60

55...70

12,6

Класс В

20... 100

35...50

Линейный -45... -32 дБ

>50

10... 25

>40

Линейный -30 дБ

>70

10... 13

50...80

Линейный -25... -30 дБ

18... 30

50...70

12,6

Класс В

>70

20...35

20...40

Линейный -32... -36 дБ

>75

13,4...14,5

40...50

Линейный -30... -32 дБ

70...140

10... 13

>60

Линейный -30 дБ

>100

>15

85...90

24... 30

Ключевой

>100

20... 30

>45

Линейный -33.. .-36 дБ

>125

>17

>50

Линейный -33 дБ

>250

16...30

Класс В

>250

25...35

35...60

Линейный -30 дБ

>400

>10

>60

Класс В

>40

Линейный < -30 дБ

>10

>3

Класс В

Линейный < -30 дБ

Класс А <-58 дБ

>12,5

>8

50... 75

Линейный <-30...-39 дБ

15...40

50... 60

Класс В

Линейный <-27... -33 дБ

>25

8,3... 25

60... 80

Класс В

>15

Линейный <-30i..-35 дБ

>50

5...7,5

60... 70

12,6 .

Класс В

>50

6...8

40... 50

12,6

Линейный <-27...-33 дБ

>70

7... 11

65... 80

Линейный <-27...-33 дБ

>150

>10: 30; 50

>58; >40

Линейный <-27...-30 дБ

>150

5...8

40... 60

Линейный <-27. ..-30 дБ



1 2 3 4 ... 33
Яндекс.Метрика