Идеализация статических характеристик электронных приборов

 

При не слишком высоких радиочастотах электронные свойства генераторного триода определяются функциями

 

i_а=f_а(u_g, u_a),

i_g=f_g(u_g, u_a),

 

называемыми статическими характеристиками. Они определяются для каждой конкретной лампы экспериментально при помощи измерения напряжений и токов в статических режимах и изображаются в виде графиков зависимости токов i_а и i_g от напряжений u_g и u_а.

Так как токи являются функциями двух переменных, то статические характеристики представляют собой семейства кривых.

Одно из напряжений u_g или u_а откладывается по оси абсцисс, другое напряжение принимается за параметр.

Наиболее простой метод анализа работы ГВВ с различными ЭП основывается на использовании простейшей аппроксимации статической характеристики (СХ), которая называется идеализацией. Эта аппроксимация выполняется по следующим правилам:

 

Рисунок 5.10 Статические характеристики тетрода типа КТ-920

 

1. Каждая из СХ заменяется отрезками прямой, которые наиболее точно аппроксимируют участки статических характеристик с наименьшей крутизной.

2. Линия граничного режима аппроксимируется отрезком прямой.(1)

3. В тех областях, где семейство СХ расходится веерообразно из одной точки (рис 2.3,б и 2.5,а,б), все СХ аппроксимируются одним отрезком прямой. Который является аппроксимацией СХ в середине веера.

4. В активной области (в области ННР) все отрезки аппроксимирующих прямых должны быть параллельны и находиться на одинаковом расстоянии друг от друга, если перепады между напряжениями, при которых снимались СХ, одинаковы.

 

Рисунок 5.11 Статические характеристики полевого транзистора типа КП-904

 

Так как СХ токов управляющих сеток триодов и тетродов и токов экранирующей сетки тетрода существенно нелинейны, их обычно не идеализируют. Имеющиеся методы расчета параметров цепей этих сеток очень просты и дают достаточно точные для расчетов результаты. На рисунке 5.10. показаны примеры идеализации СХ различных ЭП. Для генераторных триодов (рисунок 5.10,а,б) каждая СХ анодного тока аппроксимируется тремя отрезками: e_а< 0; второй совпадает с линией граничного режима; третий аппроксимирует СХ в активной области. Линия граничного режима исходит из точки i_а= 0, e_а= 0. В системе анодно-сеточных координат (см. рисунок 5.10,б) линия граничного режима проходит в области e_с> 0.

Семейство идеализированных характеристик триода полностью определяется следующими четырьмя параметрами:

- крутизной характеристики анодного тока S=Δi_а/Δe_с|ea=const;

- проницаемостью управляющей сетки D=Δе_с/Δe_а при i_а+ i_с≈i_а=const;

- крутизной линии граничного режима S= Δi_а/Δe_с|ea=const;

- сеточным или анодным напряжением приведения E_co или E_ао.

Напряжения приведения определяются следующим образом: сеточное напряжение приведения E_co равно напряжению на управляющей сетке, при котором идеализированная характеристика анодного тока в координатах i_а, е_а проходит через точку е_а=0; i_а=0. Анодное напряжение приведения E_ао соответственно равно напряжению на аноде, при котором идеализированная характеристика в анодно-сеточной системе координат проходит через точку е_а=0; i_а=0.

Идеализированные характеристики анодного тока для типового генераторного тетрода показаны на рисунке 5.10 в,г. Вследствие малой совместной проницаемости управляющей (D₁=Δe_с/Δе_с2 при į_а=const) и экранирующей (D₂= Δe_с2/Δе_а при į_а=const) сеток (D₁D₂ ≈0) идеализированные характеристики į_а, горизонтальные на рисунке 5.10,в, представлены одной прямой на рисунке 5.10,г. При обсуждении явления перераспределения катодного тока приведено объяснение, почему линия граничного режима (см.рисунок 5.10,в) может быть принята вертикальной прямой, исходящей из точки е_а= е_{а гр}≈Е_с2.. В анодно-сеточной системе координат все идеализированные характеристики тока i_а начинается в точке Е^|_с (напряжение отсечки); правее точки Е^|_с (е_с>Е_с) все характеристики собраны в одну, от которой характеристики при разных напряжениях на аноде.

Все семейство идеализированных характеристик тетрода характеризуется также четырьмя параметрами:

- напряжением на экранизирующей сетке Е_с2, при изменении которого изменяется напряжение отсечки анодного тока:

 

Е_с2= - D₁(Е_с2-Е_с20);

 

- напряжением приведения экранирующей сетки Е_с20, т.е. напряжением на экранизирующей сетке, при котором наклонная часть характеристики i_а в координатах е_с , i_а исходит из нуля;

- совместной проницаемостью управляющей и экранирующей сеток D(D=D₁ D₂);

- крутизной характеристики анодного тока

 

S=∆i_а⁄∆е_а при е_а= const и E_с2 = const.

 

При идеализации характеристик выходного тока БТ и ПТ обычно учитывают. что при сравнительно малых значениях выходной ток не зависит от напряжения на выходном электроде (коллекторе, стоке). Поэтому идеализированные характеристики выходного тока в координатах е_вых, i_вых представляют собой горизонтальные прямые, соответствующие тому или другому входному току i_Б (для БТ) или напряжению на затворе е_з (для ПТ) (см. рисунок 5.10,д). На рисунке 5.10,е приведены идеализированные входные и проходные характеристики для БТ. Аналогичные характеристики можно построить и для ПТ.

Для описания семейства идеализированных характеристик БТ используют:

- крутизну линии граничного режима S_гр =i_к⁄е_{к гр} ;

- крутизну характеристики коллекторного тока S_i =∆i_к⁄i_Б при e_к =const. Чаще эту величину Si=β₀ называют усилением транзистора по току в схеме с ОЭ;

- напряжение отсечки, т.е. напряжение на базе е_Б =E^|_з, при котором имеет место отсечки коллекторного тока.

Для ПТ с этой же целью применяются крутизна линии граничного режима S_гр =i_с∕e_{с гр}, напряжение отсечки e_з = E^|_з и крутизна характеристики тока строка S=∆i_с∕∆e_з при е_с =const.

При использовании идеализированных характеристик для анализа ГВВ на транзисторах следует учитывать, что результаты анализа имеют достаточную точность для БП лишь в области низких частот (десятки-сотни килогерц), для ПТ- в диапазоне ниже 50…60 МГц, а для ПТ с барьером Шотки – ниже нескольких гигагерц.

 

Методы расчета режимов ГВВ

 

ГВВ в передатчиках выполняют различные функции:

- усиление напряжения и мощности;

- умножение частоты;

- модуляция и др.

Вследствие этого анализ работы ГВВ применительно к той или иной реализуемой им функции обычно сводится к решению следующих задач:

1. Рассматриваются режимы работы ЭП в ГВВ, собранных по различным схемам, определяются характеристики этих режимов и связь их с энергетическими показателями ГВВ. Выбираются энергетически эффективные режимы.

2. Анализируются особенности управления режимами ГВВ, определяются связи между характеристиками режимов ГВВ и результирующими модуляционными характеристиками, а также условия минимума нелинейных искажений.

3. Устанавливается спектральный состав колебаний на выходе ГВВ – необходимый показатель для проектирования колебательных систем.

Однако общего метода, который бы позволил выполнить анализ ГВВ с различными ЭП без упрощений и приближений пока не существует. Главной причиной такого положения являются инерционность процессов в ЭП и нелинейность их характеристик. И поскольку инерционность процессов в ЭП прежде всего приводит к понижению выходной мощности и КПД ГВВ с такими приборами. То для понижения зависимости параметров ГВВ от степени инерционности ЭП их стали выпускать для различных диапазонов частот с различной инерционностью (в лампах для более высокочастотных диапазонов уменьшают расстояние между электродами. в БПТ уменьшают толщину базы. В ПТ делают короче канал и уменьшают толщину области дрейфа). Вследствие этого при использовании в ГВВ. Например, лампы с граничной частотой 250МГц можно считать, что она безинерционна. Если рабочая частота ГВВ не превышает 200 – 250 МГц. Похожая ситуация имеет место и для транзисторов.

Таким образом, практическая необходимость учета инерционности процессов в ЭП была значительно снижена. В большинстве современных методов анализа ГВВ предполагают, что ЭП – безинерционный, и учитывают лишь его нелинейные характеристики. В ГВВ с БТ учет инерционности процессов сведен к учету частотной зависимости параметров транзистора.

Все имеющиеся и разрабатываемые методы анализа и расчета ГВВ, учитывающие только нелинейные свойства ЭП, различаются в основном лишь способом аппроксимации характеристик ЭП.

Различают:

- графоаналитический метод;

- аппроксимация отрезками прямых параллельных линий;

- аппроксимация веерообразно расходящимися прямыми;

- аппроксимация степенными рядами;

- аппроксимация математическими функциями.

В настоящее время продолжают совершенствоваться машинные методы анализа и расчета ГВВ с нелинейными и инерционными ЭП, использующие математические модели электронных приборов. Это направление наиболее перспективно, поскольку позволяет учитывать максимум особенностей ЭП, рассчитывать с желательной точностью характеристики, которые невозможно получить при использовании более простых методов.