Анализ работы и режимы работы транзисторного генератора с внешним возбуждением

Три режима работы транзисторного генератора. Две схемы ВЧ генераторов с внешним возбуждением - одна с биполярным, другая с полевым транзистором - приведены на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Схемы ГВВ на транзисторах: а) с биполярным,

б) с полевым транзистором

Исследование транзисторного генератора проводится как и в случае анализа работы лампового генератора, по плану, состоящему:

- в определении с помощью вольт-амперных характеристик прибора форм тока и напряжения на его выходе при подаче на вход синусоидального сигнала;

- расчете энергетических параметров генератора: выходной мощности 1-й гармоники , потребляемой мощности от источника постоянного тока и КПД генератора ;

- определении мощности входного сигнала и коэффициента усиления генератора по мощности ;

в построении динамических, нагрузочных, амплитудных и частотных характеристик.

Несмотря на разный физический характер процессов, протекающих в электровакуумном приборе, биполярном и полевом транзисторах, ввиду формального сходства их ВАХ анализ выходной цепи во в основном совпадает. Так, в транзисторных генераторах, как и в ламповых, возможны недонапряженный, граничный и перенапряженный режимы работы. При внешнем сходстве этих режимов в трех типах генераторов следует знать разный физический механизм их протекания. При биполярном транзисторе динамическая характеристика располагается:

- в случае недонапряженного и граничного режимов работы в двух областях - активной (2) и отсечки (1);

- в случае перенапряженного режима работы в трех областях - отсечки (1), активной (2) и насыщения (3). При этом провал в импульсе коллекторного тока происходит по причине захода рабочей точки (координаты ) в область насыщения и перехода коллекторного р-n-перехода в открытое состояние.

В недонапряженном и граничном режимах импульсы коллекторного тока при работе с отсечкой имеют косинусоидальную форму. Примеры форм импульса коллекторного тока в перенапряженном режиме работы показаны на рис. 8.2,б-г. При наличии только активной составляющей в нагрузке провал в импульсе располагается посредине (см. рис. 8.2,б), при добавлении к ней емкости - сдвигается влево (см. рис. 8.2,в), индуктивности - вправо (см. рис. 8.2,г).

Рис.8.2. Импульсы коллекторного тока при работе с отсечкой в

перенапряженном режиме

В транзисторных ГВВ с повышением частоты усиливаемого сигнала и приближении к граничной частоте уменьшается КПД и снижается выходная мощность .

Ухудшение данных параметров генератора связано как с увеличением потерь в цепи коллектора при биполярном транзисторе или цепи стока при полевом транзисторе, так и с изменением форм выходного тока и напряжения. В первом приближении это изменение параметров генератора можно учесть с помощью зависимости крутизны линии граничного режима от частоты . При этом вместо крутизны можно использовать обратный ей параметр - сопротивление насыщения, определяемое согласно: . (8.2)

В результате формула по определению коэффициента использования напряжения питания в граничном режиме для транзисторного генератора примет вид

, (8.3)

где в случае биполярного транзистора: - напряжению питания коллектора, коэффициент ; в случае полевоro транзистора: - напряжению питания стока, коэффициент

Имеется отличие и в определении угла отсечки . В ламповом гeнераторе анодно-сеточная характеристика, с помощью которой определяется угол отсечки, сдвинута влево (см. рис. 6.3, 6.4). В биполярном транзисторе характеристика коллекторного тока, служащая для определения , сдвинута вправо (см. рис. 7.4,б).

Рис. 8.3.

Рис. 8.4.

Поэтому согласно рис. 8.4. косинус угла отсечки (8.4)

где ; - напряжение отсечки; - внешнее смещение; - амплитуда входного ВЧ напряжения.

В полевом транзисторе при характеристике тока стока, выходящей из начала координат значение =0. В остальном методика расчета выходной цепи транзисторных генераторов совпадает с методикой расчета анодной цепи лампового генератора, рассмотренной в разд. 6.5. Расчет входной цепи в трех типах генераторов значительно отличается друг от друга, что следует, в частности, из рассмотрения эквивалентных схем биполярного и полевого транзисторов. Поэтому остановимся на этом вопросе более подробно. Ориентировочный расчет входной мощности генератора с биполярным транзистором при схеме с общим эмиттером. При открытом эмиттерном переходе его сопротивление весьма мало, и поэтому можно принять активную составляющую входного сопротивления транзистора на высокой частоте: . Коэффициент передачи тока при или . Будем считать, что данное соотношение справедливо и для первых гармоник коллекторного и базового токов: . В результате для мощности входного сигнала при получим

. (8.5)

Для коэффициента усиления биполярного транзистора по мощности при с учетом (8.5) имеем

, (8.6)

где - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в коллекторной цепи. Таким образом, согласно (8.6) коэффициент усиления по мощности в генераторе с биполярным транзистором уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала. Ориентировочный расчет входной мощности генератора с полевым транзистором при схеме с общим истоком. В высокочастотном диапазоне при амплитуда импульса тока стока по аналогии с ламповым генератором

, (8.7)

где - амплитуда входного напряжения затвор-исток.

Из (8.7) для требуемой амплитуды входного напряжения получим

, (8.8)

где - амплитуда 1-й гармоники тока стока; - коэффициент разложения косинусоидального импульса.

Для коэффициента усиления полевого транзистора по мощности при с учетом (8.8) имеем

, (8.9)

где - сопротивление нагрузки по 1-й гармонике сигнала в цепи стока; - входное сопротивление транзистора на частоте сигнала.

Согласно (8.9) в полевом транзисторе, как и в биполярном, коэффициент усиления прибора по мощности уменьшается с повышением частоты усиливаемого сигнала. Рассчитав с помощью (8.9) коэффициент усиления , можно определить требуемую мощность входного сигнала .