7.6. Содержание отчета

1. Цель работы, эскиз исследуемого транзистора, схема измерений.

2. Вольтамперные и вольтфарадные характеристики ПТШ.

3. Семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя.

4. Результаты измерений и расчетов на ЭВМ величин эквивалентной схемы транзистора.

5. Результаты расчета параметров рассеяния и максимального коэффициента усиления. Сравнение с коэффициентом усиления реального усилителя.

7. Выводы по работе.

7.7. Контрольные вопросы

1. Какие существуют системы описания свойства транзисторов на СВЧ?

2. Зависят ли параметры эквивалентной схемы ПТШ от частоты?

3. Почему возможно использование квазистатических измерений?

8. Исследование свч биполярного транзистора

Целью работы является изучение и исследование основных физических зависимостей и параметров СВЧ биполярного транзистора на основе математических моделей и экспериментальных измерений.

8.1. Основные положения

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. Отсюда их название – биполярные транзисторы (БТ). Биполярные транзисторыp-n-типа, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, являются основными элементами усилителей мощности в низкочастотной части СВЧ-диапазона. Современные БТ работают на частотах до 15 ГГц. Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме на частоте 1 ГГц достигает 300 Вт, на частоте 3 ГГц – 20 Вт, на 10 ГГц – 1 Вт и на 14 ГГц – 0,1 Вт. Коэффициент полезного действия превышает 50 % в диапазоне частот 1...3 ГГц. На верхней частотной границе КПД биполярного транзистора составляет около 20 %. Биполярные транзисторы СВЧ-диапазона имеют минимальный коэффициент шума 2,5…3 дБ на частотах 2…4 ГГц и порядка 7 дБ на частотах более 10 ГГц.

При проектировании и применении СВЧ биполярных транзисторов широко используются различные модели описания. Любая модель транзистора обычно предназначена для вполне определенных целей. Структурные модели, в которых для описания работы транзистора используются их внутренние параметры, позволяют разработчикам связывать характеристики модели с физико-технологическими параметрами БТ.

С другой стороны, использование биполярного транзистора как активного элемента в различных схемах СВЧ-электроники требует установления формальных связей между токами и напряжениями на внешних контактах, позволяющих производить анализ поведения транзистора в различных режимах работы, то есть применение бесструктурных моделей.

Выбор модели обусловлен ее адекватностью физическим процессам, требуемой точности и поставленной задаче.

8.1.1. Дифференциальные параметры транзистора

Бесструктурные модели более достоверны, поскольку их параметры могут быть измерены значительно точнее, чем параметры эквивалентной схемы. По отношению к внешней схеме транзистор представляет собой активный четырехполюсник, который обычно характеризуются системой дифференциальных параметров. Эти параметры определяют связь между малыми приращениями токов и напряжений на электродах БТ. Условие малых приращений токов и напряжений позволяет ввести линейные связи между ними. Существует три системы: -,- и-параметры. Значения параметров зависят от схемы включения БТ, от режима его работы и от частоты. На рис. 8.1 показан транзистор в виде четырехполюсника с входными (индексы 1) и выходными (индексы 2) напряжениями и токами для схем с общей базой (а) и общем эмиттером (б).

Вданной работе при исследовании транзистора используются две системы:- и-параметры. Рассмотрим систему-параметров. В этой системе независимыми величинами являются напряжения, а токи являются функциями от них. Дифференциалы токов можно записать в виде:

Если заменить приращения токов и напряжений комплексными амплитудами, а частные производные –-параметрами, то получим систему

При дополнительных условиях переменные этой системы имеют физический смысл. Параметр , определяемый как, является входной проводимостью транзистора при= 0. Параметр– обратной проводимостью при= 0, параметр– прямой проводимостью при= 0, параметр– выходной проводимостью при= 0.Все- параметры имеют смысл проводимостей при условии короткого замыкания на входе (= 0) или выходе (= 0) транзистора. Система-парамет-ров удобна для проведения расчетов транзисторных схем, однако их экспериментальное определение не представляется возможным.

В системе -параметров независимыми величинами являются ток входа и напряжение выхода и уравнения выглядят следующим образов:

В этой системе параметр – входное сопротивление транзистора при= 0, параметр– коэффициент обратной связи по напряжению при= 0, параметр– коэффициент передачи току при= 0, параметр– выходная проводимость транзистора при= 0. Условие нулевого входного тока соответствует режиму холостого хода и достаточно легко осуществимо. Такая система-параметров является смешанной системой, так как параметры имеет различную размерность. Заметим, величиныиявляются безразмерными. В общем случае, комплексные- и-параметры зависят от частоты. В диапазоне низких частот дифференциальные параметры не изменяют своего значения и имеют действительный характер. В этом случае их обозначают, соответственно,- и-параметрами. На рис. 8.2 приведены экспериментальные зависимости-параметров от коллекторного токатранзистора, включенного по схеме с ОЭ. Как видно, наибольшие изменения претерпевают параметрыи. Входное сопротивлениенепосредственно связано с нелинейной зависимостью вольтамперной характеристики эмиттерного перехода и отражает факт изменения производной к этой характеристике. Составной частью входного сопротивленияявляется сопротивление эмиттера, значение которого для бездрейфового транзистора равно, а для дрейфового –. С росток тока эмиттера или коллектора сопротивление эмиттера, следовательно, и величинауменьшаются. Выходная проводимость в схеме с ОЭ обусловлена эффектом модуляции ширины базы. Поскольку, то с ростом эмиттерного тока сопротивление коллекторного перехода уменьшается и проводимость, соответственно, растет.

В отличие от других систем -параметры измеряются просто. По измеренным-параметрам можно вычислить значения других систем. В частности, система-параметров выражается через-параметров: