§1. Особенности работы транзисторов в каскадах передатчика.

В настоящее время радиотехническая промышленность выпускает широкий ассортимент кремниевых и германиевых транзисторов, применяемых для работы в каскадах передат­чиков малой и средней мощности в километровом, гектометровом и декаметровом диапазонах частот. Однако в ме­тровом и тем более дециметровом диапазонах существующие транзисторы имеют весьма малую колебательную мощность, поэтому транзисторные передатчики в этих диапазонах яв­ляются маломощными (не более 10 Вт).

Если транзисторы работают при больших амплитудах сигнала на электродах, то их следует рассматривать как нелинейные элементы, для которых метод расчета, основан­ный на малосигнальных параметрах Z, Y, h, неприменим. Поэтому при расчете каскадов транзисторных передатчиков используется известная из теории ламповых схем кусочно-линейная аппроксимация нелинейных характеристик транзи­стора с применением аппарата функций углов отсечки косинусоидального импульса коллекторного тока.

Рассмотрим сначала особенности расчета низкочастотных каскадов. В передатчиках любых диапазонов частот наиболее широкое применение нашли каскады, собран­ные по схеме с общим эмиттером. Основными статическими характери­стиками транзисторов, ко­торые используются при определении расчетных параметров для подобных схем, являются следующие:

1. проходная i_c=f(e_b) при е_с=const и входная i_b=f(e_b) при е_с=const (рис. 1):

Рис.1. Проходные и входные характеристики активного элемента

2. выходная характеристика i_c=f(e_c) при е_b=const (рис. 2):

Рис.2. Выходная характеристика активного элемента

В справочниках чаще всего отсутствует проходная харак­теристика, однако ее можно легко построить, если дана выходная характеристика i_c=f(e_c) при е_b=const или та же характеристика при i_b=const. Для построения зависимости i_c=f(e_b) необ­ходимо в этом случае знать только величину входного сопротивления транзистора. Специфика поведения тока коллектора и базы в широком диапазоне изме­нений напряжений на пере­ходах сказывается на ре­жимах работы и качественных показателях, как генераторов независимого возбужде­ния, так и автогенераторов на транзисторах.

«Правое» расположение характеристик i_c=f(e_b) свиде­тельствует о существовании базового тока почти во всей области изменения коллекторного тока. В связи с этим мож­но говорить о сравнительно низком входном сопротивлении каскада, о невозможности создания буферного усилительного каскада.

При малых остаточных напряжениях на коллекторе или больших мгновенных напряжениях на базе, что имеет место в перенапряженном режиме работы генератора, ток коллек­тора изменяет свое направление и в импульсах появляется отрицательный выброс (рис. 3, a).

Рис.3. Форма импульсов коллекторного тока транзистора в различных режимах

В связи с существованием прямого и обратного токов базы форма импульсов этого тока отличается от косинусоидальной (рис. 3, б), что затрудняет расчет базовой цепи, а, кроме того, вызывает трудности при создании автосмеще­ния как в автогенераторах, так и в маломощных предвари­тельных усилителях.

Для обеспечения мягкого режима самовозбуждения транзисторного автогенератора на базу транзистора необхо­димо подать небольшое прямое напряжение и тем самым обеспечить в начальный период самовозбуждения угол отсечки Θ_с>90°. Так как в установившемся режиме угол отсечки из энергетических соображений должен быть мень­ше 90°, то необходимо наличие запирающего базового сме­щения. Следовательно, в транзисторных автогенераторах смещение на базе должно быть комбинированным: от отдель­ного источника и автоматическое.

При расчете генераторов на транзисторах даже на низких частотах необходимо принимать во внимание существование объемного сопротивления области базы, включенного после­довательно с входной цепью транзистора.

При работе генераторов на частотах, близких к гранич­ным частотам транзисторов, необходимо учитывать инер­ционные свойства их, связанные с конечным временем рас­пространения носителей в области базы.

Инерционность транзистора приводит к следующим результатам:

1. импульс коллекторного тока отстает по фазе от им­пульса эмиттерного на угол , где t_др – время дрейфа носителей в области базы;

2. амплитуда импульса коллекторного тока уменьшается по сравнению с низкочастотным значением, а угол отсечки увеличивается на величину Θ_др 0,5·φ_др;

3. импульс базового тока сильно деформируется, так как появляется значительный отрицательный выброс, обусловлен­ный уже не компонентой обратного тока коллектора, как на низких частотах, а явлением накопления и рассасывания но­сителей в базе. Осциллограммы токов транзистора, поясняю­щие вышесказанное, представлены на рис. 4.

Рис.4. Импульсы токов в инерционном транзисторе

Кроме явлений, связанных с инерционностью, на высоких частотах при расчете следует учитывать влияние некоторых паразитных элементов транзистора, показанных на эквивалентной схеме рис. 5, а.

Рис.5. Эквивалентные схемы транзистора и p – n перехода

Появляется необходимость введения в расчет дополнительных высокочастотных параметров, ко­торыми являются:

1. граничная частота по коэффициенту передачи базового тока f_h21B;

2. предельная частота f_T, при которой коэффициент уси­ления по току в схеме с общим эмиттером h_21E достигнет единицы;

3. максимальная частота генерации

Возрастает влияние объемного сопротивления базы r_B, включенного последовательно с входной цепью. На низких частотах сопротивление входного p-n-перехода Z_eb (рис. 5, б) много больше r_B, поэтому при Z_eb>r_B можно считать, что U_bm U’_bm.

На высоких частотах справедливо неравенство Z_eb<r_B и U_bm U’_bm, поэтому появляется необходимость введения в расчет коэффициента передачи напряжения возбуждения от входных зажимов транзистора на его входной p-n-пере­ход: .

И, наконец, в связи с большой величиной эмиттерного то­ка по сравнению с коллекторным, как следствие возрастания тока базы, при определении напряжения возбуждения необхо­димо учитывать максимальное значение тока эмиттера, а не коллектора.