Главная Промышленная автоматика.

преимуществ, даваемых методами оптимизации. Типичный порядок применения этого подхода заключается в следующем.

1. Определяются входное и выходное сопротивления, и находятся их эквивалентные схемы в соответствующей полосе частот.

2. Выбирается реализуемая конфигурация согласующих цепей, и проводится ее параметрический синтез с использованием табличных данных или машинных программ (например, Ampsyn, Cadsyn фирмы Compact Engineering) методами, которые были описаны ранее. В результате получается согласующая цепь, реализуемость которой следует проверить. Если были получены реактивные элементы, которые трудно реализовать на практике, то всю процедуру проектирования необходимо повторить еще раз, изменяя структуру согласующей цепи.

3. В случае линейных усилителей их характеристики могут быть определены с использованием программ прямого анализа (например, программы Compact) схемы, состоящей из эквивалентной схемы транзистора и схемы согласующих цепей, которые бьши получены на предьщущей стадии проекти-ровашя. Такой расчет покажет, как изменятся характеристики усилителя с учетом влияния внутренней связи транзистора, что может привести к необходимости проведения дальнейшей оптимизации.

4. Если такая необходимость имеется, то осуществляют еще раз оптимизацию с использованием методов, описанных ранее.

Подытоживая сказанное, можно сделать вывод о том, что в настоящее время хотя и достигнут существенный прогресс в создании методик синтеза усилителей, но они далеки от полностью автоматизированных и требуют в большой мере вмешательства разработчика усилителей в процесс их проектирования. Во всяком случае, возможны и такие варианты, когда существенные затраты времени и средств могут не привести к достижению желаемых результатов.

14.2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Проектирование усилителей мощности значительно сложнее, чем проектирование линейных усилителей и пока еще не достаточно полно теоретически обосновано. Это можно объяснить следующими двумя причинами;

А. Обычно предъявляются требования к коэффициенту усиления не только для определенного уровня выходной мощности, но и для некоторого ее диапазона. Следовательно, необходимо предпринять меры для соответствующего выбора сопротивлений, обеспечивающих компромиссное рещение. Для проектирования цепей используются методы линейного синтеза. В данном случае очень трудно предсказать изменение коэффициента усиления, даже применяя на конечном этапе обычные методы маншн-ной оптимизации, так как отсутствует достоверная информация о параметрах транзистора.

Б. Транзистор работает в нелинейном режиме, т.е. его 5-параметры зависят от уровня мощности. Пока не найдены методы описания характеристик транзистора при больших мощностях, достаточно полно удовлетворяющие существующим требованиям, хотя определенный прогресс в этой области уже есть (см. разд. 14.1). В стандартных линейных методах изменение коэффициента усиления определяется степенью согласования. В усилителях мопцюсти возникает дополнительная причина изменения коэф-



с()ициента усиления из-за влияния изменения уровня мощности на параметры транзис-юраи, следовательно, на коэффищ1ент усиления.

В данном разделе будут обсуждены способы выбора режима транзистора по по-1тоянному току, влияние выходного сопротивления на уменьшение (сжатие) коэф-1ИЩ1ента усиления при увеличении входной мощности. Будут рассмотрены методики, обеспечивающие одновременный выбор режима по постоянному току и выходного сопротивления, необходимых для вьшолнечия требований к уровню мощности, соответствующему определенному сжатию коэффициента усиления. В последнем подразделе будут кратко обобщены возможные способы реализации усилителей мощности.

14.2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ

Выходная мощность и коэффициент усиления транзистора зависят от определенного числа параметров, которые необходимо контролировать при проектировании усилителя мощности. Для оптимального проектирования необходимо знать о влиянии этих параметров на характеристики усилителя.

Напряжения на стоке, соответствующее максимальной выходной мощности, может быть легко определено из анализа вольт-амперной характеристики транзистора (рис. 14.8). Оно может соответствовать средней величине между напряжением перегиба характеристики сипер " напряжением пробоя /.j, (например, напряжение сток-исток, при котором обратный ток перехода затвор-сток становится сравнимым с током стока). На практике этот максимум не столь явно выражен, так как обратный ток перехода не всегда резко увеличивается с ростом напряжения, что зависит от параметров транзистора. Увеличение напряжения на стоке практически всегда приводит к росту коэффициента усиления, соответствующего большой мощности на входе (даже при низком уровне сжатия коэффициента усиления). Пределом увеличения является возникновение режима тестового или электрического пробоя. Для увеличения коэффициента усиления на малом сигнале такой подход не является необходимым. На практике можно рекомендовать использовать рабочую точку, напряжение в которой существенно ниже пробивного напряжения, которое может изменяться не только со временем, но и от экземпляра к экземпляру транзистора даже для одного типа прибора.

Ток стока. Коэффициент усиления на малом сигнале возрастает при увеличении тока стока (рис. 14.9). Это объясняется соответствующим ростом крутизны тран-


Напряжение перегида

Продибное напряжение

Гис. 14.8. Идеализированные вольт-амперные характеристики ПТШ с нагрузочной 1рямой(7),соо1ветствующеймакоималь-ной выходной мощности

P = ЮдВм

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.81,А

Рис. 14.9. Зависимость коэффициента усиления от тока стока на частоте 4 ГГц при входной мощности Р =10дБм для ПТШ

типа WE с шириной затвора 6 мм



зистора S. Оптимальное значение тока стока для обеспечения максимального коэффициента усиления будет соответствовать току снас- конечно, можно выбрать ток стока стах больший снас увеличит коэффициент усиления. Однако обычно это не делается, так как приводит к возникновению тока затвора, что может привести к пробою транзистора.

В усилителях мощности оптимальная точка соответствует току /J, стах/ (• рис. 14.8). Отметим, что сшах отличается от /снас в несколько раз, а их отношение зависит от характеристик канала транзистора и определяется отдельно для каждого типа транзистора. Для средних уровней мощности существует компромиссное решение получения максимального коэффициента усиления и наибольшей выходной мощности, В случае, когда выходная мощность близка к мощности насыщения, возможна реализация режима автоматического смещения, когда входной сигнал из-за работы затворной части транзистора в качестве выпрямителя приводит к появлению потенциала на затворе. Значение этого потенциала близко к оптимальному по уровню выходной мощности и коэффициенту усиления. На практике рекомендуется проверить экспериментальным путем возможность надежной работы усилителя при больших токах затвора, так как при этом может произойти ухудшение параметров транзистора.

14.2.2, СЖАТИЕ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ И ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Как бьшо отмечено ранее (см. разд. 14.1), выходное сопротивление транзистора существенно зависит от уровня мощности. На рис. 14.10 показана часть круговой диаграммы, на которую нанесены окружности, соответствующие оптимальным выходным сопротивлениям для получения требуемых коэффициентов усиления (на малом сигнале) , и показаны сопротивления для коэффициента усиления при различных уровнях входной мощности. Эти данные получены для ПТШ, помещенного в корпус 131 фирмы Western Electric. Смещение по постоянному току при этом ие изменялось. Анализ характеристик показывает, что наряду с изменением действительной части выходного сопротивления, которое обусловлено характеристиками по постоянному току, изменяйся и реактивная часть сопротивления. Как следствие, даже при фиксированной


Рис. 14,10. Оптимальные выходные сопротивления при различных уровнях выходной мощности с соответствующими коэффициентами усиления для ПТШ типа WE с суммарной шириной затвора 6 мм (/ = 4 ГГц, U = = 14 В, 1 = 600 мА). Показаны окружности постоянного коэффициента усиления на малом сигнале на круговой диаграмме сопротивлений





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 [90] 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0037