Оптимальные режимы биполярного транзистора в мощных усилителях

В предшествующем рассмотрении предполагалось, что на вход транзистора поступает гармоническое напряжение

Если транзистор мощный (Р_вых > 0,5 Вт), то в те промежутки времени, когда он открыт, его входное сопротивление становится весьма малым, так что вершины положительных полуволн срезаются и напряжение оказывается негармоническим.

Детальное рассмотрение показывает, что наиболее близкой к гармонической форме является физическая величина, имеющая размерность заряда.

где г_Б (t) — входной ток транзистора.

Физический смысл величины Q (t) — заряд на суммарной емкости С_Э1 эмиттерного р-п перехода, которая является суммой барьерной и диффузионной емкостей.

В соответствии с теорией р-п перехода коллекторный ток.

где q_д — заряд на диффузионной емкости эмиттерного р-п перехода; со, — круговая граничная частота транзистора.

Поскольку.

где q₆ = С_эи._м — заряд на барьерной емкости; С_э — барьерная емкость эмиттерного перехода, U_m — напряжение на эмиттерном переходе, то несложно получить.

причем.

Если.

то.

Углы отсечки для получения максимальных Р^гиК_р такие же, как было отмечено в параграфе 6.7. То же можно сказать и об оптимальных сопротивлениях нагрузки.

Согласование транзистора с источником сигнала и нагрузкой

Для наиболее полной передачи энергии электромагнитных колебаний от источника к транзистору требуется преобразовать входное сопротивление транзистора в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника R_nCT. Обычно входное сопротивление транзистора имеет комплексный характер, a R_llCT — число активное. Поэтому входная согласующая цепь должна преобразовать комплексное сопротивление в активное (рис. 6.12, а).

Рис. 6.12. Входная (а) и выходная (б) цепи усилителя С целью получения оптимального режима работы по выбранному критерию оптимальности требуется нагрузить транзистор на некоторое определенное сопротивление R. Для этого предназначена выходная согласующая цепь, которая преобразует сопротивление нагрузки усилителя R_n в сопротивление Л_ор1(рис. 6.12, б).

Кроме функции преобразования сопротивлений, согласующие цепи формируют временные зависимости напряжений или токов, обеспечивающих оптимальные режимы работы транзистора.

Согласующие цепи должны преобразовывать сопротивления в полосе пропускания усилителя. Если полоса пропускания невелика и составляет единицы процентов от центральной частоты, то цепи согласования получаются наиболее простыми.

Идея преобразования сопротивлений на одной частоте

Предположим, требуется преобразовать сопротивление R в большее сопротивление R'. Добавим последовательно к сопротивлению R мнимое сопротивление iX(индуктивность или емкость) и получим комплексное сопротивление Z = R + iX.

Комплексная проводимость

Запишем Y в виде где

Q = — = — — добротность цепочки R, X (или эквива- R X.

лентной ей R', X').

Согласно (6.21) получим R' > R, однако имеется и мнимое сопротивление X', которое компенсируем параллельно подключенным сопротивлением iX'. В результате получаем узкополосную Г-образную согласующую цепочку (рис. 6.13), состоящую из реактивных элементов с сопротивлениями iX и — iX'.

Рис. 6.13. Построение узкополосной согласующей цепи Г-образные цепочки

На практике Г-образные цепочки строят из индуктивностей и емкостей. Поскольку эти цепи взаимны, то возможно их прямое и обратное включение и соответственно преобразования меньшего сопротивления R в большее R', и наоборот (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Г-образные согласующие цепи различных видов (а —г) Помимо функции преобразования сопротивлений, изображенные цепочки играют роль фильтров, поскольку представляют собой колебательные контуры. При этом имеется возможность создавать на электродах транзистора гармоническую форму напряжения либо тока. Например, при построении входной цепи мощного усилителя целесообразно воспользоваться цепочками, показанными на рис. 6.14, а, б.

Действительно, для мощных транзисторов нужно обеспечить гармоническую форму входного тока. Это возможно, если LC-контур имеет достаточно высокую добротность, что реализуется при применении этих цепочек, поскольку входное сопротивление мощного транзистора мало.

В маломощных усилителях, где входное сопротивление транзистора велико и ко входу подводится гармоническое напряжение, удобна схема рис. 6.14, в. Для создания гармонической формы выходного напряжения целесообразно применение схемы рис. 6.14, г.