Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретические сведения

Малошумящим называется усилитель СВЧ-диапазона, используемый на входе радиоприемного устройства с целью усиления слабого сигнала.

При проектировании к МШУ предъявляются следующие требования:

· обеспечение необходимого усиления в заданной полосе частот;

· обеспечение коэффициента шума в заданной полосе частот, не превышающего заданный уровень;

· обеспечение требуемых КСВН по входу и выходу в заданной полосе частот.

Разнообразные схемы усилителей могут быть приведены к единой структурной схеме, состоящей из входной согласующей цепи, транзистора, выходной согласующей цепи и цепей питания и смещения, как это показано на рис.1.

Если коэффициент усиления по мощности не зависит от уровня входной мощности, то такой усилитель относится к классу линейных. Анализ линейного усилителя проводится с использованием S -параметров. С помощью этихпараметров можно определить основные характеристики усилителя, такие как коэффициент усиления, коэффициент устойчивости и коэффициент шума.

Рис.1. Структурная схема МШУ

Как показано на рис.1, ко входу и выходу транзистора подключены цепи согласования для обеспечения согласования входного и выходного сопротивлений транзистора с сопротивлением генератора и нагрузки соответственно. Входной согласующей цепью также обеспечивается согласование по шуму.

Согласующие цепи на входе и выходе МШУ строятся таким образом, чтобы обеспечить заданное согласование, и коэффициенты усиления и шума. Получить минимальный коэффициент шума при максимальном коэффициенте усиления невозможно вследствие того, что значение коэффициента шума зависит от величины выходного импеданса источника сигнала. Однако значение выходного импеданса источника сигнала, необходимое для получения минимального КСВН, а значит и максимального коэффициента усиления, не совпадает с значением импеданса, которое соответствует минимальному значению коэффициента шума. Следовательно, входная согласующая цепь усилителя может быть спроектирована либо для получения минимума коэффициента шума, либо для получения малого значения КСВН и максимального коэффициента усиления. Но при этом невозможно получить и то и другое одновременно.

В связи с этим при проектировании МШУ принимается компромиссное решение, согласно которому получают необходимый коэффициент усиления при приемлемом коэффициенте шума.

Формулы для расчета параметров транзистора и МШУ

Для абсолютно устойчивого транзистора можно обеспечить как режим двухстороннего согласования, так и режим согласования по входу на минимум коэффициента шума, а по выходу на максимум усилителя.

Устойчивая работа МШУ реализуется при выполнении трех условий:

где - коэффициент отражения по входу при условии согласования на выходе; - обратный коэффициент передачи транзистора при условии согласования; - коэффициент передачи транзистора; - коэффициент отражения по выходу при условии согласования на входе; - коэффициент устойчивости, который определяется по формуле

(1)

где Δ = S ₁₁ S ₂₂ – S ₁₂ S ₂₁.

В этом случае максимально возможный коэффициент усиления по мощности усилителя

, (2)

где S - параметры относятся к транзистору, K - коэффициент устойчивости.

Фактический коэффициент усиления по мощности усилителя, равный отношению мощности в нагрузке к мощности на входе усилителя:

(3)

Важнейшим параметром МШУ является коэффициент шума, который зависит от сопротивления (проводимости) источника сигнала в плоскости включения транзистора.

Коэффициент шума NF усилителя при произвольном значении сопротивления источника сигнала может быть рассчитан по формуле

, (4)

где и - активная и реактивная составляющие проводимости генератора, пересчитанной ко входу транзистора; и - активная и реактивная составляющие проводимости генератора, пересчитанной ко входу транзистора при минимальном коэффициенте шума; - минимальный коэффициент шума, R_n - шумовое сопротивление транзистора.

Изучение МШУ с помощью
программы Microwave Office

При моделировании МШУ требуется сделать следующие шаги:

· создать схему МШУ, разместить и отредактировать элементы, входящие в усилитель;

· добавить графики и инструменты измерения;

· провести анализ МШУ;

· провести настройку МШУ на соответствие требованиям технического задания.

Основные операции при создании схемы МШУ

Перед созданием схемы МШУ необходимо создать новый проект, дать ему имя и определить единицы измерений в проекте. Далее следует создать новую схему и присвоить ей имя. На рабочем поле появится окно схемы и в папке Circuits Schematics в дереве проекта появится папка новой схемы. Ввод элементов и портов в схему достаточно подробно описан в лабораторной работе № 1 и [1, 3]. Здесь же рассмотрены вопросы размещения и редактирования свойств элементов. Кроме того, в проект усилителя потребуется ввести файл с данными по S - параметрам транзистора

Файл S-параметров транзистора, или файл данных - это текстовый файл с S-параметрами транзистора, измеренными в диапазоне частот. Файл данных представлен как элемент, расположенный в папке data file дерева проекта. Файл данных имеет свое название, которое отображается со значком файла данных в проекте.

Добавить файла с S-параметрами транзистора можно с помощью команды Project - Add Data File - Import Date File или контекстного меню, щелкнув правой кнопкой мыши на папке Data File и выбрав вкладку Import Date File (рис.2).

Рис.2. Добавление в проект файла с S-параметрами

После открытия диалогового окна (рис.3) выберем файл Nec710.s2p, находящийся в папке Amplifiers в примерах MWO2002.

Рис.3. Выбор внешнего файла

В дереве проекта в папке Date File появитсяновая папка (рис.4).

Дважды щелкнем левой кнопкой мыши на этой папке и на рабочем столе появится окно с описанием S-параметров транзистора (рис.5).

Файл, который мы импортировали, называется Nec710.s2p, буква “s” означает, что в данном файле содержатся S - параметры транзистора; цифра “2” свидельствует о том, что описываемый многополюсник имеет два порта, т. е. является четырехполюсником; буква “p” - является сокращением слова parameters.

Основная информация о типе и формате записи параметров содержится в заголовке файла в строке

# GHZ S MA R 50,

где «#» - признак заголовка; GHZ - размерность частоты (в данном случае ГГц); S - это S - параметры транзистора: S ₁₁, S ₁₂, S ₂₁, S ₂₂. S - параметры транзистора являются комплексными числами, и сочетание букв «MA» означает амплитуду и фазу комплексного числа. Комплексные значения S - параметров представлены в виде пар модуль - фаза (фаза - в градусах). Параметр «R 50» задает сопротивление нормировки.

Рис.5. Файл с S - параметрами транзистора

Представление результатов моделирования

Графики являются отражением результатов моделирования МШУ. Для создания графика необходимо выполнить следующие действия:

· перейти в дерево проекта Project;

· выбрать папку Graphs и щелкнуть правой кнопкой мыши;

· выбрать команду Add Graphs;

· в диалоговом окне Create Graphs выбрать тип графика, дать ему название и нажать OK.

Типы графиков могут быть следующими: прямоугольный или полярный, гистограмма, диаграмма Смитта, диаграмма направленности антенны. Выбор прямоугольного типа графика в диалоговом окне Create Graphs показан на рис.6. В узком окне Graph name указано имя графика.

После нажатия кнопки OK пустой график появится на рабочем поле экрана, и папка с именем графика будет встроена в дерево проекта.

При моделировании усилителя нас будут интересовать следующие характеристики: коэффициенты усиления GP, GT и др., коэффициент устойчивости K,коэффициент шума NF и КСВН по входу VSWR1 и выходу VSWR2. Поэтому названия графиков должны отражать названия данных характеристик.

После создания графика необходимо добавить измеряемую характеристику. Для этого следует щелкнуть мышкой на поле графика и в появившемся окне выбрать команду Add Measurement (рис. 7).

В появившемся диалоговом окне (рис.8) необходимо указать тип измеряемой характеристики, название схемы и единицы измерения.

Результаты заполнения диалогового окна для расчета, например, коэффициента усиления GT отражены на рис.8.

Рис.8. Добавление в график измерения - GT

После заполнения указанных окон требуется нажать кнопку Add для добавления измеряемой характеристики (в нашем случае - коэффициента усиления GT).

После выполнения всех перечисленных действий можно наблюдать график расчетной зависимости коэффициента усиления от частоты (рис.9).

Рис.9. График частотной зависимости коэффициента усиления

Аналогичным образом создаются графики для расчета коэффициента устойчивости - K и КСВН по входу VSWR1 и выходу VSWR2. Эти характеристики являются безразмерными, поэтому галочка в окне dB не устанавливается. Для характеристик VSWR1 и VSWR2 в окне Port Index указывается номер порта: 1 или 2.

Экспериментальная часть

Описание схемы МШУ

Схема МШУ по переменному току приведена на рис.10.

Схема МШУ реализована на транзисторе f 360772a. В схеме использована модель транзистора в виде S -параметров. Для обеспечения устойчивости в схему введены сопротивления R 1 и R 2. Согласующие цепи выполнены на отрезках МПЛ с геометрическими размерами W ₁, L ₁ и W ₂, L ₂. Цепи питания выполнены на отрезках микрополосковых линий с геометрическими размерами W ₃, L ₃ и W ₄, L ₄.

Рис.10. Схема МШУ

Длины отрезков L ₁ и L ₂ приближенно равны четверти длины волны l₁ в МПЛ на средней частоте f ₀ рабочего диапазона частот.

Длины отрезков L ₃ и L ₄ равны четверти длины волны l₂ в МПЛ на средней частоте f ₀ рабочего диапазона частот.

Выбор материала подложки и толщины проводящего слоя проводится в соответствии с заданным вариантом согласно табл.1. Частота f ₀ указана в той же таблице.

Таблица 1

Варианты заданий

Номер варианта
Частота f 0, ГГц
Материал подложки	Поликор	RO 3010
Диэлектрическая проницаемость ε	9,8	10,2
Тангенс угла диэлектрических потерь δ	0,001	0,0035
Толщина подложки h, мм	0,5		0,5		0,5		0,25
Толщина проводника t, мкм	2,5	2,5			2,5	2,5

Лабораторное задание

1. С помощью блока TXLine вычислить длины четвертьволновых отрезков МПЛ на частоте f ₀ Для отрезков с длинами L ₁ и L ₂ выбрать волновое сопротивление линии 50 Ом, для отрезков с длинами L ₃ и L ₄ выбрать волновое сопротивление линии 75 Ом.

2. Собрать схему МШУ.

3. Рассчитать коэффициент усиления GP(dB), коэффициент устойчивости K, коэффициент шума NF(dB) в полосе частот.

4. Настроить МШУ на коэффициент усиления GP больше 10 dB и коэффициент шума NF не более 1 dB.

5. Снять зависимости NF(L ₁) и GP(L ₂) на заданной частоте.

Методика выполнения работы

Перед проведением работы изучить методические указания [1, 2]

1. Вызвать на экран монитора программу Microwave Office. (Путь запуска программы: Start → All Programm →AWR →MWO 225).

2. Создать свой проект, как описано в [1, 2]. Дать имя проекту lna_n, где n - номер варианта. Определить единицы измерений в проекте.

3. Рассчитать длину четвертьволнового отрезка МПЛ с волновыми сопротивлениями 50 и 75 Ом с помощью программы TXLine (см. лаб. работу № 1).

4. Создать схему МШУ.

4.1. Создать схему и присвоить ей имя ln_n, где n - номер варианта.

4.2. Ввести в проект файл f360772a.s2p с описанием транзистора в S-параметрах:

· вызвать дерево проекта;

· выбрать папку Date files, щелкнуть мышкой и выбрать вкладку Import Date files;

· указать адрес папки с местом нахождения файла f360772a.s2p ивыбрать этот файл.

4.3. Разместить транзистор с S -параметрами в схеме:

· вызвать дерево элементов;

· выбрать папку subcirquits, щелкнуть мышкой и открыть окно, расположенное под деревом элементов, с перечнем подсхем;

· кликнуть на f360772a и, не отпуская мышку, перетащить подсхему с описанием транзистора на поле схемы.

4.4. Продолжить набор схемы МШУ:

· найти в дереве элементов microstrip, кликнуть на значке “+” ивыбрать Lines;

· раскрыть Lines и кликнуть на модели линии MLIN и, не отпуская мышку, перетащить линию на поле схемы;

· разместить линию в нужном месте схемы и кликнуть еще раз, подтверждая размещение в этом месте;

· скопировать линию четыре раза;

· отредактировать параметры линий в соответствии со схемой и номером варианта

4.5. Ввести в схему сопротивления. Варианты сопротивлений находятся в папке Lamped Elements.

4.6. Подключить порты и земли к усилителю.

4.7. Определить тип линии и свойства подложки.

При создании схемы пользоваться описаниями [1] и [2].

5. Переключиться на дерево проекта и определить частотный диапазон моделирования f_{min -} f_max с приблизительным шагом 0,01 f ₀ Частота f ₀ задана в табл.1.

6. Создать график в соответствии с [1] и выбрать ln_n. Добавить измерения коэффициента усиления GP(dB), коэффициента устойчивости K, коэффициента шума NF(dB).

7. Провести анализ схемы. На экране появятся графики коэффициента усиления GP(dB), коэффициента устойчивости K, коэффициента шума NF(dB).

8. Провести настройку схемы:

8.1. с помощью кнопки Tool Tune и курсора указать параметры схемы, которые будут меняться;

8.2. выбрать команду меню Simulate ® Tune. С помощью рычагов настройки изменять величину параметров схемы и наблюдать за изменением графиков.

Настройка коэффициента К осуществляется изменением величины сопротивления R ₁. Коэффициент К должен быть больше единицы.

Настройка коэффициента усиления GP осуществляется изменением длины отрезка L ₂. Коэффициент GP должен быть больше 10 dB.

Настройка коэффициента шума NF осуществляется изменением длины отрезка L ₁. Коэффициент NF должен быть не больше 1dB.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) схему МШУ;

2) частотные зависимости характеристик настроенного усилителя;

3) зависимости NF( L ₁) и GP (L ₂)

Контрольные вопросы

1. Какое устройство называется малошумящим усилителем СВЧ?

2. Изобразите структурную схему МШУ и объясните назначение цепей, входящих в эту схему.

3. Перечислите основные характеристики МШУ.

4. В каких случаях МШУ настраивают на максимум усиления, а в каких на минимум коэффициента шума?

5. Чем отличаются коэффициенты усиления G_max и G_p?

6. Перечислите основные операции при создании схемы МШУ в программе Microwave Office.

7. Объясните полученные зависимости NF ( L ₁)и GP(L ₂)

Литература

1. Бахвалова С.А. Описание пакета программ Microwave Office 2002 для исследования СВЧ-устройств. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Приборы СВЧ- и оптического диапазона». - М.: МИЭТ, 2003.

2. Баженов П.Ю., Бахвалова С.А. Линейное моделирование СВЧ-усилителя мощности при помощи программы Microwave Office 2002. Методические указания к лабораторным работам по курсу “Приборы СВЧ- и оптического диапазона”. - М.: МИЭТ, 2004.

3. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. - М.: Солон-Пресс, 2003.

Лабораторная работа №3

Исследование транзисторного усилителя мощности

Цель работы: изучить основные характеристики транзисторного усилителя мощности; приобрести практические навыки моделирования и настройки нелинейных схем в пакете программ Microwave Office (MWO).

Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретические сведения

Усилитель мощности (УМ) предназначен для усиления мощности высокочастотных электромагнитных колебаний, возбуждаемых задающим автогенератором, путем преобразования энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний. Следовательно, в состав УМ должен входить элемент, способный производить подобное преобразование. Элементы, преобразующие энергию постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний, называют активными элементами (АЭ).

В качестве АЭ в усилителях мощности наиболее часто применяют биполярные и полевые транзисторы.

В состав УМ помимо АЭ, входят согласующие цепи, а также цепи питания и смещения рис.1.

На вход усилителя поступают электромагнитные колебания частоты от предшествующего каскада, называемого возбудителем. Нагрузкой УМ является входное сопротивление последующего каскада либо линии, ведущей к антенне. В технике СВЧ принято использовать линии с волновым сопротивлением 50 Ом, поэтому, как правило, все устройства СВЧ-тракта имеют входное и выходное сопротивления 50 Ом.

Рис.1. Структурная схема усилителя мощности

Параметры усилителя мощности. Для характеристики УМ применяются следующие основные параметры (см.рис.1):

· выходная мощность (мощность в нагрузке) ;

· входная мощность ;

· коэффициент усиления мощности ;

· мощность постоянного тока , потребляемая АЭ от источника питания;

· полный КПД усилителя мощности

,

так как ;

· электронный КПД (собственно КПД транзистора, отличающийся от тем, что не учитывает потери во входной и выходной цепях УМ)

,

так как , где - мощность, непосредственно подаваемая на транзистор, - мощность, непосредственно снимаемая с транзистора;

· мощность, рассеиваемая в АЭ ;

· диапазон частот .

Одним из важных параметром УМ является выходная мощность , которую обычно стремятся увеличить. В УМ на полупроводниковых приборах велика также роль электронного КПД , увеличение которого способствует снижению рассеиваемой в АЭ мощности и, следовательно, облегчает решение проблемы отвода теплоты. В диапазоне СВЧ наряду с выходной мощностью и электронным КПД существенное значение имеет коэффициент усиления мощности .

Логарифмическое представление параметров УМ. В связи с тем, что коэффициент усиления по мощности может изменяться в широких пределах, его удобно выражать в децибелах. Это уменьшает диапазон его изменения и, следовательно, делает его более наглядным. Коэффициент усиления по мощности, выраженный в децибелах, есть десять логарифмов отношения выходной мощности к входной:

.

Логарифмические величины имеют ряд преимуществ перед абсолютными. Например, абсолютные величины, которые нужно перемножать, в логарифмическом представлении надо складывать. Величина, выраженная в децибелах, может принимать и отрицательные значения, это всего лишь свидетельствует о том, что данное устройство является не усилителем, а ослабителем.

Так как входная мощность имеет достаточно маленькую величину, то ее удобно выражать в логарифмических единицах (децибелах) относительно 1 мВт. Такая величина называется децибел-милливатт (обозначается дБм). Аналитически это выражается следующим соотношением

.

Например, если на вход усилителя подается мощность , то в логарифмических единицах это составит 3,9 дБм.

Цепи согласования

Согласующие цепи выполняют две основные функции:

· согласуют (преобразуют) сопротивления для наиболее полной передачи входной мощности к АЭ и выходной мощности от АЭ к нагрузке. При этом входная согласующая цепь преобразует входное сопротивление АЭ в сопротивление, равное внутреннему сопротивлению возбудителя, а выходная согласующая цепь - сопротивление нагрузки в некоторое сопротивление, необходимое для получения оптимального режима АЭ;

· обеспечивают совместно с цепями питания и смещения колебания тока и напряжения на электродах АЭ такой формы, которая характерна для оптимального режима.

Наиболее просто преобразовать сопротивление в требуемое сопротивление можно, подключив к параллельно или последовательно реактивное сопротивление (индуктивность или емкость). Действительно, последовательная цепочка с комплексным сопротивлением эквивалентна параллельной цепочке, имеющей проводимость

,

где

, .

Таким образом, сопротивление преобразуется в . Одновременно последовательное реактивное сопротивление преобразуется в параллельное реактивное сопротивление , причем связь с и с устанавливается следующими соотношениями:

, (1)

, (2)

где

- (3)

добротность последовательной или эквивалентной ей параллельной цепочки.

Аналогично, если параллельно сопротивлению подключить реактивное сопротивление , то будет преобразовано в сопротивление , определенное соотношением (1). Чтобы входное сопротивление согласующей цепочки было чисто активным, нужно компенсировать влияние реактивного сопротивления, включив, например, второе реактивное сопротивление противоположного знака. Итак, простейшая согласующая цепь содержит два элемента: и .

Г-образная согласующая цепь - это наиболее простое устройство, которое можно реализовать, используя изложенный способ преобразования сопротивлений. Допустим, требуется преобразовать сопротивление нагрузки в некоторое большее сопротивление . Подключим к сопротивлению Г-образную -цепочку, как показано на рис.2, а. Здесь индуктивность преобразует сопротивления, а емкость компенсирует влияние индуктивности, обеспечивая на заданной частоте действительный характер входного сопротивления. Чтобы входное сопротивление Г-образной цепи было равно заданному значению , необходимо выполнить соотношения, вытекающие из (1) и (3):

, , .

Как видно из рис.2, а, Г-образная цепочка совместно с сопротивлением образует колебательный контур. При высокой его добротности () реализуется и вторая функция согласующей цепи - фильтрация, причем гармоническую форму имеют входное напряжение и ток, протекающий через сопротивление нагрузки .

Рис.2. Простейшая согласующая цепочка

Если включить Г-образное звено, как показано на рис.2, б, то , а гармоническими являются входной ток и напряжение на нагрузке.

Инвертирующие согласующие цепи. Представим согласующую цепь в виде четырехполюсника. Согласующую цепь называют инвертирующей, если выполняется соотношение

, (4)

где - входное сопротивление согласующей цепи; - сопротивление нагрузки; - характеристическое сопротивление согласующей цепи.

Отметим особенности инвертирующих цепей: входное сопротивление изменяется обратно пропорционально сопротивлению нагрузки; знаки и противоположны, например, индуктивное сопротивление нагрузки преобразуется в емкостное входное сопротивление, активное сопротивление преобразуется в активное же сопротивление.

Примером инвертирующей цепи является Г-образный согласующий четырехполюсник при . Более сложные инвертирующие цепи - это П- и Т-образные звенья (рис.3). Можно показать, что подобные цепи инвертируют сопротивления при выполнении соотношений , при этом характеристическое сопротивление .

Рис.3. П- и Т-образные согласующие цепи

Инвертирующие согласующие цепи реализуются из последовательно включенных индуктивностей и параллельно включенных емкостей (рис.4).

Рис.4. Реализация П- и Т-образных согласующих цепей

Трансформирующие согласующие цепи. Согласующую цепь называют трансформирующей, если выполняется условие

, (5)

где - коэффициент трансформации.

Особенности трансформирующих цепей: входное сопротивление изменяется пропорционально изменению сопротивления нагрузки; знак мнимой части совпадает со знаком мнимой части ; при мнимая часть входного сопротивления .

Примером трансформирующей цепи может быть каскадное соединение двух Г-образных четырехполюсников (рис.5). Можно показать, что условие (5) выполняется, если элементы цепи удовлетворяют соотношению

.

Рис.5. Схема трансформирующей цепи

Цепи питания и смещения

Цепь питания (рис.6) содержит источник постоянного напряжения и блокировочные элементы , , разделяющие цепи постоянного и переменного токов.

Рис.6. Схемы цепей питания и смещения

Цепь смещения состоит из источника фиксированного напряжения смещения и блокировочных элементов , .

Благодаря блокировочным элементам исключаются потери мощности высокой частоты в источнике питания и устраняется нежелательная связь между каскадами системы через источник питания. Разделительные емкости , в схеме усилителя нужны для развязки по постоянному току активных элементов данного, предыдущего и последующего каскадов. Блокировочные и разделительные элементы не должны влиять на режим работы АЭ по переменному току.

Кроме того, в состав УМ могут входить и другие цепи, например цепи коррекции, антипаразитные цепочки (препятствующие возбуждению паразитных колебаний), элементы защиты АЭ от перегрузок.

Режимы работы активного элемента

Активными элементами большинства усилителей мощности на полупроводниковых приборах являются биполярные и полевые транзисторы. В недалеком прошлом в качестве активных элементов использовались и электронные лампы, но в связи с низким КПД, большими габаритами, невысокой надежностью и рядом других неудовлетворительных параметров они перестали применяться[*]. В данной лабораторной работе используется полевой транзистор. В связи с этим весь анализ режимов работы будем проводить относительно полевых транзисторов. Для этого все токи и напряжения снабжены индексами, соответствующими выводам полевого транзистора: с - сток, з - затвор, и - исток.

Как видно из структурной схемы УМ (см.рис.1), один из электродов АЭ - общий для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой из электродов является общим, существует три схемы включения полевых транзисторов: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Схемы включения полевых транзисторов приведены на рис.7. В этой лабораторной работе полевой транзистор будет включен по схеме с ОИ.

Электрические режимы работы АЭ различаются, во-первых, формой колебаний токов и напряжений на входном и выходном электродах, во-вторых, численными значениями электрических величин , , , . Оптимальным является режим, соответствующий максимальным значениям выходной мощности, электронного КПД и коэффициента усиления мощности (последнее в диапазоне СВЧ). Надо иметь в виду, что требования к вышеуказанным параметрам противоречивы, поэтому если вы добились максимума какого-либо из параметров, не факт, что этот режим является оптимальным, и скорее всего другие параметры имеют неудовлетворительные значения.

Из теории усилителей известно, что , если рассеиваемая мощность [2]. Добиться, чтобы , можно, если в каждый момент времени либо напряжение на стоке , либо ток стока равны нулю. Существуют ключевые режимы работы АЭ, при которых напряжение на выходе АЭ имеет форму меандра, а ток противофазен и имеет форму меандра либо импульсов косинусоиды. Однако такие режимы применяют в УМ на частотах примерно до 200 МГц.

Рис.7. Схемы включения полевых транзисторов: а) ОИ; б) ОС; в) ОЗ.

В современных УМ на полупроводниковых приборах, работающих на достаточно высоких частотах, где не удается получить меандровые формы колебаний, наибольшее распространение получили режимы с гармоническим выходным напряжением

(где ; f - частота входных колебаний; - амплитуда первой гармоники стокового напряжения) и негармоническим током , имеющим вид периодической последовательности импульсов с периодом , представляющих собой отрезки косинусоиды (рис.8). Эти режимы похожи на ключевые, поскольку часть периода колебаний стоковый ток отсутствует. Однако когда , напряжение тоже не равно нулю, то теоретический электронный КПД .

Рис.8. Зависимости и , характерные для режимов с
гармоническим выходным напряжением и отсечкой выходного тока

Достоинством режимов с гармонической формой стокового напряжения является отсутствие выходной мощности на гармониках основной частоты. Поэтому электронный КПД - это КПД по первой гармонике.

Существует два вида режимов работы транзистора с гармоническим выходным напряжением - это режимы с отсечкой и без отсечки выходного тока. Режим без отсечки заключается в том, что форма выходного тока полностью повторят форму входного напряжения за исключением возникших нелинейных искажений обусловленных кривизной переходной характеристики. Режим с отсечкой состоит в том, что форма выходного тока не повторяет входное напряжение, так как на определённую часть периода транзистор закрывается и форма тока на выходе будет представлять собой последовательность косинусоидальных импульсов. В качестве аргумента выходного тока удобно использовать произведение , а не время t, в этом случае анализ можно проводить независимо от частоты входного напряжения.

В зависимости от того, какая часть выходного тока обрезана, различают несколько классов режима работы транзистора, для чего удобно ввести понятие угла отсечки. Половина длительности импульса выходного тока (размерностью переменной ) называется углом отсечки. Он изменяется в пределах от 0 до . Зависимость класса режима работы транзистора от угла отсечки приведена в табл.1.

Таблица 1