Режимы работы транзистора

Класс режима работы транзистора	Значение угла отсечки
A
AB
B
C

Получение косинусоидальных импульсов тока поясняет рис.9.

На затвор транзистора подается гармоническое напряжение с амплитудой , так же на затворе имеется постоянное напряжение смещения :

,

где - мгновенное напряжение на затворе. Переходную характеристику транзистора для простоты рассуждения можно представить в виде двух прямых, пересекающихся в точке . Это можно сделать в связи с тем, что переходная характеристика имеет экспоненциальный вид. Как известно, экспоненциальная функция является самой быстровозрастающей, и ниже напряжения выходного тока практически нет (транзистор закрыт), а выше ток очень быстро растет (транзистор открывается). Линейный вид характеристики транзистора в открытом состоянии свидетельствует о том, что выходной ток является гармонической функцией или представляет собой последовательность косинусоидальных импульсов, а в случае экспоненциальной характеристики начнутся искажения ее гармонического вида (нелинейные искажения). На самом же деле в любом режиме работы транзистора возникают нелинейные искажения, просто в случае малого сигнала они несущественны, а в режиме большого сигнала имеют колоссальное значение.

Рис.9. Пример получения стокового тока в виде косинусоидальных импульсов

Согласно графическому методу расчета нелинейных цепей импульсы стокового тока будут иметь вид, показанный сплошными линиями на рис.9. Собственно угол отсечки определяется выбором напряжения смещения , но при его выборе следует учитывать и амплитуду напряжения на затворе , так как при больших значениях могут возникнуть провалы в импульсах выходного тока, вызванные выходом стокового напряжения в перенапряженный режим динамической ВАХ транзистора [2]. Для того чтобы ток на нагрузке имел гармонический вид, необходимо поставить фильтр, который бы пропускал на выход основную и задерживал высшие гармоники выходного тока (обычно эту функцию выполняет выходная согласующая цепь).

Иллюстрация классов режима работы транзистора с гармоническим выходным напряжением показана на рис.10. Кроме того, существует и другая терминология: класс А называют линейным, класс АВ - квазилинейным, класс В - нелинейным, класс С - существенно нелинейным.

Рис.10. Иллюстрация выходного тока транзистора в зависимости
от класса режима работы: а) В; б) С; в) АВ; г) А.

Можно представить следующую картину процессов в УМ (см.рис.1). Входная согласующая цепь фильтрует колебания возбудителя так, что напряжение на управляющем электроде АЭ имеет гармоническую форму. Выбором обеспечивается режим работы АЭ с отсечкой выходного тока (класс АВ, В или С). Импульсы выходного тока , проходя через выходную согласующую цепь, создают падение напряжения на ее входном сопротивлении. При этом напряжение получается гармоническим, если выходная цепь обладает фильтрующими свойствами[†]. Вместе с напряжением источника питания оно оказывается приложенным к выходным электродам АЭ.

Нелинейное моделирование
в программе Microwave Office

Модель полевого транзистора

Для того чтобы проводить нелинейный анализ усилителя в программе Microwave Office, нужно выбрать модель транзистора и задать ей параметры соответствующие данному транзистору. В MWO имеется ряд моделей, обладающих теми или иными особенностями, как для биполярных, так и для полевых транзисторов. Для полевых транзисторов хорошо себя зарекомендовала модель Ангелова, эквивалентная схема которой приведена на рис.11.

Рис.11. Эквивалентная схема модели Ангелова

Как известно, полевой транзистор имеет три вывода: затвор (gate), сток (drain) и исток (source). В связи с тем, что программа MWO является англоязычной, все индексы токов и напряжений заменяются на первые буквы названий соответствующих выводов: g - gate (затвор), d - drain (сток), s - source (исток). В эквивалентной схеме приняты следующие обозначения: LG, LD, LS - индуктивности выводов затвора, стока и истока соответственно; RG - сопротивление потерь в металлическом контакте затвора; RD и RS - сопротивления потерь неуправляемых участков канала со стороны стока и истока; CGD, CGS - емкости обедненного слоя под затвором со стороны стока и истока; RI - сопротивление управляемой части канала и переходного слоя между каналом и обедненной областью со стороны истока (аналогичным сопротивлением со стороны стока RGD пренебрегаем из-за его малости по сравнению с сопротивлением емкости CGD); CDS - емкость между контактами сток - исток. Диоды VD1 и VD2 моделируют выпрямляющие свойства контактов затвор - сток и затвор - исток. Свойства полевого транзистора как активного элемента отражены включением в схему генератора тока стока , зависящего от управляющего напряжения затвор - исток на емкости CGS, и напряжения затвор - сток на емкости CGD как параметра.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) транзистора (источника тока) задается выражением:

,

где - аппроксимированное представление входного напряжения транзистора; - напряжение на затворе; P 1, P 2, P 3 - полиномиальные коэффициенты; VPK - пороговое напряжение затвора; - нормирующий коэффициент для напряжения стока; - напряжение на стоке; IPK - максимальный ток стока.

Метод гармонического баланса

Для анализа нелинейных усилителей мощности в установившемся режиме используют частотные методы, в том числе метод гармонического баланса [2].

При анализе методом гармонического баланса схема разбивается на две подсхемы: линейную, которая содержит все линейные элементы, и нелинейную, содержащую только нелинейные элементы. Две подсхемы соединены между собой рядом выводов (рис.12).

Рис.12. К анализу УМ методом гармонического баланса

В качестве переменных используются напряжения на соединениях между подсхемами, и программа решает систему уравнений относительно данных напряжений. Токи в соединениях подсхем используются для того, чтобы определить, является ли найденное решение правильным: если это так, токи в нелинейных и линейных подсхемах для каждой гармоники удовлетворяют первому закону Кирхгофа.

Напряжения в портах линейной и нелинейной подсхем трактуются как переменные состояния схемы на разных частотах (нулевой, основной и на частотах гармоник). Процесс решения заключается в итерационном подборе вектора этих напряжений, который должен одновременно удовлетворять линейным (обычно описываемых многочастотной матрицей полной проводимости) и нелинейным уравнениям соответствующих подсхем. Линейные уравнения легко решаются в частотной области, но нелинейные уравнения должны быть решены во временной области. Результаты во временной и частотной областях связываются преобразованием Фурье.

Метод гармонического баланса обладает следующими особенностями:

· итерационный процесс решения не всегда является сходящимся;

· при двух- и более частотном воздействии возникают сложности с преобразованием Фурье;

· точность преобразования Фурье ограничена потерями компонентов сигнала с малыми амплитудами на фоне шумов вычислений;

· обращение больших матриц обуславливает низкую скорость вычислений;

· необходимы большой объем памяти и высокая производительность компьютера;

· возможен анализ только заведомо устойчивой схемы.

При использовании метода гармонического баланса общее количество гармоник должно быть разумно ограничено. Выбор количества гармоник для анализа нелинейного усилителя мощности зависит от уровня нелинейности АЭ и обычно составляет пять - восемь гармоник.

Экспериментальная часть

Описание схемы УМ

На вход УМ поступает гармонический сигнал с частотой (основной гармоникой) . Амплитуда входного сигнала не превышает 30 дБм. Усилитель соединяется с источником сигнала и нагрузкой при помощи линии с волновым сопротивлением 50 Ом.

В УМ используется полевой транзистор MRF9030 фирмы Motorola, который обладает следующими важными для моделирования характеристиками: входное сопротивление на основной гармонике ; выходное сопротивление на основной гармонике ; емкость затвор - исток 49 пФ; емкость сток - исток 26,5 пФ; емкость затвор - сток 1 пФ; максимальная выходная мощность 30 Вт; максимальный коэффициент усиления 19 дБ. При моделировании пренебрегаем индуктивностями и сопротивлениями выводов транзистора, а также сопротивлением затвор - сток.

В УМ имеется два источника энергии, подающих постоянное напряжение смещения и напряжение питания . Источники обладают внутренним сопротивлением 1 Ом.

Блокировочные емкости , (см.рис.6) можно не использовать, потому что на выходе реального источника питания, как правило, имеется емкость очень большого номинала, которая для переменного тока является хорошей перемычкой на землю. Блокировочные индуктивности выбираются номиналом . Разделительные емкости .

Методика расчета согласующих цепей

1. Для простоты расчета примите, что входное и выходное сопротивление транзистора, сопротивление источника сигнала и сопротивление нагрузки имеют чисто активный характер, т.е. . Рассчитайте характеристическое сопротивление согласующей цепи по формуле (4).

2. Далее с учетом того, что и (см.рис.3), рассчитайте номиналы конденсаторов и катушек согласующей цепи согласно следующим формулам:

, , (6)

где - циклическая частота; - основная гармоника.

Лабораторное задание

1. Соберать схему усилителя мощности с полевым транзистором, включенным по схеме с ОИ согласно рис.6, 7 и табл.2 в соответствии с заданным вариантом.

2. Рассчитать неизвестные значения элементов согласующих цепей для вашего варианта в табл.2.

3. Получить амплитудные характеристики УМ: зависимость выходной мощности от входной и зависимость коэффициента усиления мощности от входной мощности.

4. Настроить входную и выходную согласующие цепи для получения максимальной мощности на выходе УМ.

5. Получить зависимость выходного тока транзистора от времени.

Методика выполнения работы

1. Запустите Microwave Office. Добавьте рабочее поле для создания электрической схемы, вызвав в командном меню Project → Add Schematic → New Schematic… или нажав кнопку <New Schematic>;на панели инструментов. В появившемся окне введите имя для схемы (например Power Amplifier). Затем сохраните ваш проект под именем pa-n, где n - номер варианта, вызвав в командном меню File → Save Project или нажав кнопку <Save Project>;на панели инструментов. Не забывайте во время работы периодически сохранять ваш проект.

Таблица 2

Варианты заданий

№	Входная согласующая цепь	Выходная согласующая цепь

2. Задайте параметры вашего проекта. Перейдите на вкладку Proj в левом нижнем углу окна программы.

Нажмите два раза левой кнопкой мыши на блоке Project Option (опций проекта) и перейдите на вкладку Frequency Values. В графе Modify Range установите флаг Single Point и в поле Point (GHz) установите рабочую частоту 0,945 (945 MHz). Нажмите кнопку <Apply>;и затем <Ok>;.

Нажмите два раза левой кнопкой мыши на блоке Circuit Schematics и в открывшемся окне Circuit Option перейдите на вкладку Harmonic Balance. В графе Number of harmonics установите 5 в поле Number of tone 1 harmonics и нули в полях Number of tone 2 harmonics и Number of tone 3 harmonics. Нажмите кнопку <Ok>;.

3. Соберите схему усилителя согласно рис.6 и табл.2 в соответствии с вашим вариантом. Для чего перейдите на вкладку Elem.

В дереве подключенных библиотек выберите Circuit Elements → Nonlinear → FET, среди доступных моделей выберите модель Ангелова (Angelov) и перенесите ее на рабочее поле схемы. Двойным нажатием левой кнопки мыши откройте свойства данной модели. На вкладке Parameters нажмите кнопку <Show Secondary>;, чтобы показывать параметры модели. Далее измените параметры модели согласно табл.3, которые соответствуют транзистору MRF9030 фирмы Motorola.

Таблица 3

Параметры модели Ангелова

P1	P3	VPK	ALPHA	IPK	CGS0	CGD0	RI	RDSF	CDS
0,3	0,03	7,1 V	0,1	1е4 mA	49 pF	1 pF	1,36 Ohm	1е10 Ohm	26,5 pF

Параметры модели ISG, RG, RS, RD и RGD0 принять равными нулю.

Добавьте в вашу схему конденсаторы и катушки индуктивности, выбрав в дереве подключенных библиотек Circuit Elements → Lumped Element, где в разделах Capacitor, Inductor выберите модели соответственно CAP, IND. В свойствах этих элементов укажите их номиналы в соответствии с вашим вариантом из табл.2 и результатами расчета, а также присвойте разделительным емкостям , номинал 47,5 pF, а блокировочным катушкам , - 12,5 nH.

Добавьте в вашу схему источники постоянного напряжения. Для чего выберите в дереве подключенных библиотек Circuit Elements → Sources → DC модель DCVS. В свойствах источников укажите их номиналы: для источника питания () V=26 V, а для источника смещения () V=3,8 V. Поставьте последовательно с источниками резисторы, выбрав в дереве подключенных библиотек Circuit Elements → Lumped Element, где в разделе Resistor выберите RES. В свойствах резисторов укажите их величину R = 1 Ohm. Не забудьте добавить в схему земли, нажав кнопку GND на панели инструментов.

Добавьте в вашу схему входной и выходной порты. В связи с тем, что необходимо выполнять моделирование в диапазоне мощностей, выберите в дереве подключенных библиотек Circuit Elements → Ports → Harmonic Balance порт PORT_PS1 и поставьте его на входе усилителя. В свойствах порта PORT_PS1 укажите имя P = 1, сопротивление подводящей линии Z = 50 Ohm, изменение входной мощности () PStart = 0 dBm, PStop = 35 dBm, PStep = 1 dB. В качестве выходного порта установите обычный порт, нажав кнопку PORT на панели инструментов. В свойствах выходного порта укажите имя P = 2, сопротивление нагрузки Z = 50 Ohm

4. Для анализа схемы необходимо получить зависимость выходной мощности от входной и зависимость коэффициента усиления мощности от входной мощности . Для добавления графика вызовите в командном меню Project → Add Graph… или нажмите кнопку <New Graph>;на панели инструментов. В появившемся окне задайте имя графика и его тип Rectangular в графе Graph Type. После появления графика перейдите на вкладку Proj. В блоке Graph выберите ваш график и нажмите правую кнопку мыши. В появившемся меню выберите Add Measurement…

а) В появившемся окне в поле Meas. Type выберите Nonlinear Power, а в поле Measurement выберите PCompSP. Эта характеристика как раз и показывает выходную мощность при изменении входной. В поле Data Source Name - имя вашей схемы. В поле Measurement Component - порт, в котором будет измеряться мощность (PORT_2). В полях Harmonic Index и Frequency Swp Index укажите 1, что соответствует основной гармонике (945 MHz). В графе Complex Modifier установите Mag.

б) Для построения второго графика выполните п.4 до п.п.а). Далее в появившемся окне в поле Meas. Type выберите Nonlinear Power, а в поле Measurement выберите PGainSP. С помощью этой характеристики можно построить коэффициент усиления по мощности в зависимости от входной мощности. В поле Data Source Name - имя вашей схемы. В поле Power In Component - порт, на который подается входной сигнал (PORT_1), в поле Power Out Component - порт, в котором будет измеряться коэффициент усиления (PORT_2). В поле Frequency Swp Index укажите 1, что соответствует основной гармонике (945 MHz). В графе Result Type - флаг DB.

Проведите анализ схемы, нажав клавишу <F8>; или кнопку <Analyze>; на панели инструментов. В результате вы можете наблюдать построенные графики.

5. Теперь нужно настроить схему. Для это рекомендуется сначала настроить трансформирующую согласующую цепь (цепь с известными параметрами) (см.табл.1), а затем откорректировать инвертирующую (рассчитанную вами) согласующую цепь. Для удобства и наглядности воспользуемся тюнером. Для каждого элемента настраиваемой цепи откройте его свойства, перейдите на вкладку Parameters и в столбце Tune установите флажок напротив номинала. Теперь выведите на экран график выходной мощности и нажмите клавишу <F9>; или кнопку <Tune>; на панели инструментов. В появившемся окне вы можете установить начальные (Min), конечные (Max) и номинальные (Nom) значения изменяемых параметров. Перемещая ползунки, вы можете наблюдать изменение графика. Установите пределы изменения параметров примерно . Добейтесь, чтобы при входной мощности ,на выходе было, согласно описанию на данный транзистор, (45 dBm). Если этого сделать не удается, изменяя параметры трансформирующей цепи установите ее параметры, соответствующие максимальной выходной мощности, а затем настраивайте инвертирующую цепь. Для достижения лучшего согласования меняйте в разном порядке параметры элементов в согласующей цепи, так как на результат влияет не оптимальное значение каждого номинала, а их взаимная комбинация.

6. Получите зависимость выходного тока транзистора от времени t. В связи с тем, что выходная емкость транзистора сильно искажает форму стокового тока, ее следует вынести из модели транзистора. Для этого надо в параметрах транзистора положить CDS = 0 и добавить конденсатор номиналом 26,5 pF между стоком и истоком транзистора. Для измерения выходного тока надо включить измерительный прибор - амперметр - в стоковую цепь транзистора (между стоком и цепями питания и согласования). Перейдите на вкладку Elem. В дереве подключенных библиотек выберите Circuit Elements → MeasDevice, а там I_METER. Далее выполните п.4 до п.п.а). Затем в появившемся окне в поле Meas. Type выберите Nonlinear Current, а в поле Measurement выберете Itime. Эта характеристика показывает нелинейную зависимость тока от времени . В поле Data Source Name - имя вашей схемы. В поле Measurement Component выберите подключенный амперметр I_METER.AMP1. В поле Frequency Swp Index укажите 1, что соответствует основной гармонике, а в поле Power Swp Index откройте список и выберите индекс, соответствующий входной мощности . После чего снова проведите анализ схемы, нажав клавишу <F8>; или кнопку <Analyze>; на панели инструментов. Затем наблюдайте график выходного тока транзистора.

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) название и цель лабораторной работы;

2) эквивалентную схему модели транзистора;

3) расчет согласующей цепи;

4) схему настроенного усилителя мощности со всеми номиналами;

5) полученные в результате моделирования графики (схематично), с указанием всех характерных точек и масштаба.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные составляющие части УМ и раскройте их назначение.

2. Перечислите основные параметры усилителей мощности и дайте их определения.

3. Переведите в разы 5 дБ, 15 дБ, 25дБ. Переведите мощность в дБм: 10 мВт, 25 мВт, 30 мВт.

4. Каковы функции цепей согласования и их назначение? Перечислите их виды и особенности каждого вида.

5. Для чего нужны цепи питания и смещения? Из каких элементов они состоят? Для чего нужен каждый из этих элементов?

6. В чем различие между ключевыми режимами и режимом с отсечкой выходного тока?

7. Перечислите классы режима работы транзистора с отсечкой выходного тока. Проведите сравнительную характеристику этих классов.

8. Перечислите составляющие модели Ангелова. Каково их назначение?

9. В чем суть метода гармонического баланса?

10. Оцените, в каком классе работает транзистор УМ, моделируемого в данной лабораторной работе.

Литература

1. В.Д. Разевиг, Ю.В. Потапов, А.А. Курушин. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В. Д. Разевига. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003.

2. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Уч. пос. - М.: Высшая школа, 1989.

Лабораторная работа № 4

Исследование петлевого фазовращателя

Цель работы:освоить особенности моделирования фазовращателей в программе Microwave Office; изучить характеристики и освоить процедуру настройки петлевого фазовращателя.