автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Анализ и разработка усилителей мощности на полевых транзисторах для передатчиков с ОМ

ЯОРОНЕЯСКДО П0ЖГЕХШЧЕСШ1Й ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Саиойлоа Иван Васильевич

АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА УСИЛИТЕЛЕЙ НОВОСТИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ДЛЯ ПЕРЕДАТЧИКОВ С ОМ

Специальность 05.12.Т7 - Радиотехнические ц телевизионные системы и устройства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ворснел 1992

ГвООгу ьлюлнона в Тамбовском институте химического издано-

, 1! с' ;ния.

Шучшй руководитель - ка^цкдаг технических наук, ' доцект Роосш ВМ.

Официальные оппоненты -^дс.К'гор технических наук,

профессор Судаков К).И. (г,Рязань).

кандидат технических наук Крылов Г.и.. (г1 .Москва)

"'¿'о:цля организация указана в решении специализированного . совета

Защита диссертации соотоитоя 24 апреля 1992г. в 10 чалов ия заседании специализированного совета К063.61.05 по присуждению учялшй степени кандидата технических наук по специальном!! ГбЛйЛ? Воронежского политехнического института по адресу: '

34026, г.Воронек-26, Московский проспект, 14. .

*

С диссертацией можно ознакоьшться в библиотеке института Автореферат разослан "/<? "____1992х>.

Ученый секретарь специализированного совета 1C063.8I.05, кандидат технических наук, с.н.с. -- Плахотнюк О.Л.

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, В настоящее время радиопередатчики с однополосной модуляцией (ОМ), работающие в ВЧ диапазоне частот, широко используются на магистральных линиях связи а в системах низовой связи. Преимущества систем радиосвязи в КВ диапазоне с одеюполосиой модуляцией {СЫ) хорошо известны. Однако широкое ее применение Предъявляет повышенныз требования к предварительны* и оценочным усилителям (называемыми линейными) передатчиков, Особенно требуется иметь малый уровень кзмбинационних искажений ("35 дВ по методу двух тоноэ). Основное усиление ОМ сигнала в передатчиках происходит в так называемых линейных усилителях {ЛУ) порядка 50 дБ и более. К ЛУ предъявляются требования: заданная полезная мощностьР пол. на его выходе, получение достаточного высокого КЦД, малых нелинейных искажений (Кд^ » )» допустимая неравномерность А пол. в диапазоне рабочих частот и, наконец, обеспечение допустимого малого уровня побочных излучений.

Применение ламп о предварительных усилителях, работающих в режиме класса ¿»позволяет получить хорошую линейность АХ (К-^ 5 ^ -40 дБ), Предварительные усилителя на биполярных транзисторах в мощных многоканальных передатчиках имеют высокую нелинейность ЛХ (К^^ > -30 дБ), Для полностью транзисторных едноканалькых передатчиков нелинейность предварительных каскадов еще выше » -¿5 дВ). Чтооы повысить линейность ЛХ в зтих каскадах, используются: работа в режиме класса Л, двухтактные схрмы, трансформаторы для подавления четных гармоник в коллекторных цепях, неполной использование транзистора, автоматическое смещение.

Получить высокую линейность (К^ сР< -40 дБ) в предварительных линейных усилителях на лампах можно, используя режим класса с применением дополнительных мер. На биполярных транзисторах получение татсйЙ линейности или невозможно или представляет большие сложности, Следует заметить, что как в ламповых, тан и транзисторных ЛУ применяется режим класса.А, в котором КПД низок. Значит, КПД всего транзисторного передатчика тоже будет мал. Желательно имрть ЛУ.с высоким КЦД, минимальными искажениями (К^3-35»40 дБ) и достаточной полезной мощностью.

Таким образом, существует в настоящее время проблема разработки высокЬэф$еятибИого линейного усилителя мощности для КВ дпа-гтонз на твердатель.иых' приборах при работе колебаниями с однополюсной модуляцией, 'превосходящего по технически1* хэрактеристи-

г

кем усилитель на биполярных транзисторах*

Актуальность данной проблемы подтверждает и тот факт, что в соответствии с решением 2-8 сессии Всемирной административной радиоконференции по планировании 114 полос частот, распределенных радиовещательной службе (и/АвС~ НР/ВС) . , в период с 1990 по 2015 гг. планируется осуществить переход-в КВ радиовещании от системы с М сигналами к системе с ОМ ц частично подавленной несущей.

С учетом преимущества полььых транзисторов по сравнению с биполярными, представляется пер"че,«нбнш построение ЛУ на их основе.

Целью диссертационной работы явля- , ется анализ и разработка линей, л* усилителей мощности на полевых транзисторах с улучшенными характеристиками в КВ диапазоне с ОМ сигналом и выработка рекомендаций при их проектировании. Ддя ДО - • стижения поставленной цели решится следующие задачи:

1. Выбор эквивалентной схемы усилителя мощности на полевых транзисторах (с р~п переходом и ЦДЛ-структурой) для большого "игна-ла с упегом нелинейных емкостей и тока стока (Свх, Спр, Свых, 1с).

2. Разработка математической модели усилителя мощности дал создания кшшинной модели, с поыов^ю которой можно проводить Теоретические исследования вгого усилителя,

3. Разработка машинной модели по математической моДеди О разработкой программы ддя проведения исследований усилителя На ФМ.

4. Разработка и изготовление макетного образца усилителя мощности для экспериментальных исследований и проверки математических моделей на адекватность.

5. Исследование влияния элементов (эквивалентной схеыы и режимов работы усилителя мощности на качественные и количественные показатели выходных параметров.

6. Разработка рекомендаций и предложений по создание усилителя мощности для ОД сигнала на полевых транзисторах.

Методы исследования. Для анализа физических процеосов (переходного, стационарного режимов и устойчивости) и определения выходных параметре?, в усилителе мощности применялся математический аппарат, включиин^й математический анализ и уравнения математической физики.

При составлении и преобразовании систем интегродифференциаль-пых уравнений к виду Коши применилась общая теория, нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений (ИОДУ).

Для определения выходного напряжения усилителя мощности (УМ) применялся метод узловых потенциалов на основе первого закона Кирхгофа.

Система НОДУ, описывающая математическую модель УМ, решалась численным явная методом Рунге-Кутта с автоматическим изменением иага.

Определение уровня коэффициентов комбинационных искажений

1 проводилось с применением принципа квазистационарно-

го метода.

Аналитическое представление нелинейных зависимостей элементов эквивалентной схеш УМ (1с, Ск, Сси, Сзс), т.е. аппроксимация, проведена кусочно-кубической сплайн-функцией.

Научная новизна работы' заключается 9 следующем:

1. Разработаны по эквивалентном схемам математические модели УII На полевых транзисторах с р-п переходом и МДП-структурой, отличающиеся учетом большого числа нелинейных элементов атих схем.

2. Проведено исследование с помощью математических моделей УМ на полевых транзисторах с учетом влияния внутренних элементов эквивалентных схем транзистора и режимов усилителя на качественные й количественные показатели его выходных параметров.

3. Определены уровни коэффициентов комбинационных искажений Нд^ 4 Кд^ <} учетом формы кривой зависимое.л входной Ск, проходной Сзс емкостей от приложенных к ним напряжений.

ОЬуществлен с помощью машинного эксперимента анализ уровня Кд£ , В выходном сигнале УН, отличающийся введением искусственной линеаризации зависимости Сзся^(Цзс) "л доказавший, что эта линеаризация значительно уменьшает уровень

М • 1С5* • -

5. Определено, ч!го расчет УМ на полевых транзисторах без учета Нелйнейностей емкостей Ск, Сзс (т.е. по статическим характеристикам при постоянной величине емкостей Ск, Сзс) дает болыцую по -

грешность по величине уросня Кд,£ , Кд<Г .

6. Получено выражение для ориентировочного расчета нелинейных искажений КдЗ- , Кд 6 в УН на транзисторах МД1~структуры,отличающееся учетом только нелинейной входной емкости транзистора Ск. ■ ■

7. Предлоге« способ линеаризации входной Ск, проходной Сзс и выходной Сен емкостей полевого транзистора, позволяющий уменьшить уровень К^!- , £ в УМ при большой полезной мощности.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Математические модели (ММ) УМ на полевых транзисторах.

2. Влияние внутренних элементов эквивалентной схемы и режимов работы УМ на качественные и количественные показатели его выходных параметров с помощью ММ не £ВД и эксперимента,

3. Влияние частичной линеаризации зависимости нелинейных емкостей (Ск, Сзс) от приложенных к нлы напряжений на уменьшение уровня коэффициентов комбинационных искажений Кд^- *

4. Определение частотной'зависимости крутизны характеристик мощных полевых транзисторов в диапазоне частот от 1,5 до 50 ЫГ4 при средней и большой мощности и различных напряжениях на стоке и истоке.

5. Способ линеаризации внутренних нелинейных емкостей полевого транзистора (Ск, Сзс, Сси) длл уменьшения уровня Кд^-

при больших выходных мощностях усилителя. '

Практическая ценность.

I. Методика выбора эквивалентной схемы. УМ и разработки ^тематической модели и программы можно распространить на другие типы полевых транзисторов в УКВ диапазоне.

Программами, разработанндаи для анализа и расчета УМ на полевых транзисторах с р-п переходом '« Ц!Ц1гСтруктуроЯ, можно пользоваться при разработке новых усилителей с учетом рекомендаций, их также можно применять при решении задач оптимизации, синтеза и разработке новых типов полевых транзисторов.

3. Усилители мощности на полевых транзисторах с р-п переходом (2П903А) и МДО-структуры (ЗД901А, 2П9СИА), разработанные в макетном образце, можно использовать в пром1ШленностИ| как в качестве предварительных усилителей, так и в качестве выходных з передатчиках и других установках. .

4. Предложенный способ линеаризации внутренних емкостей транзистора (Ск, Сзс, Сси) при применении в промышленных образцах

УМ значительно уменьшит уровень К^ , К^ при больших полезных мощностях.

Реализация и внедр е н » е результатов исследования» Результаты диссертационной работе внедрены в ТНИИР "й^лр" при проведении НИР и ОКР по проектировании радиоаппаратуры специальной назначения, которые выполнялись в соответствии с планом, утвержденным директивными органами.

о

Программы, предназначенный для анализа и расчета усилителей мощности на половых транзисторах, использованы в учебном процессе по специальности 23.03 в Тамбовском институте химического машиностроении.

Апробация работы. Основные положении ииесер-тационной работы обсуждались на следующих научно-тсхнит>ски:' конференциях и семинарах: научно-техническая конференции про^ос-иор-ско-преподавательского составя, сотрудников и аспирантов 1440 (МЖС до ISS8 г.) в IS8X—1983 р.г., 1991 г.; Всесоюзная ипуччо-техническая конференция "Актуальные проблемы электронного приборостроения" е г.Новосибирске в 1990 г.; Научно-техиичсскиЯ нар "Широкополосные усилители мощности" павильон "Физике" АН СССР ив ВДНХ СОТ в г.Москве в 1983 г.; доклад'на кафедре РПдУ МИС 5 марта 1991 г.

П у б л и к а ц и и . По результатам диссертационной рзбеты опубликовано две статьи в центральной печати, одна находится ч печати, тезисы двух докладов hp Всесоюзных конференциях, .¡олу-^чо положительное решение по заявке на изобретение.

Структура и объем работы. Диссзртяцич состоит из введения, пяти глав, заключения, четьрох приложен Г;, списка литературы, изложенных ня 107 страницах основного мишиго-писного текста, содержит 73 рисункп, одчу'таблицу. В бяблногра{ич входит 46 кайме- званий литературы.

■ ■■ !■ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновьгеетсн актуальность работы, утаиваются цели и задачи исследования, приводятся научная новтни работы л основные положения, выносимые на защиту, рассылаются структура и объем работы. Приводятся сведения об апробацик работы, опубликовании основных положений диссертационной ребати.

Впервой главе приводится краткий обзор публикаций но вквивалентньм схемам полевых транзисторов и ус^литсгС, мощности на них.

Так кок полные эквивалентные схемы транзисторов и усилителей в целом очень сложны,то целесообразно их угтростгть до допустимых ироцелой. Что касается базисных переменных, то остановиться следует не х, которые наиболее пригодны для упр-х-етп'оЯ эьтиьчле-" ТЧЭЯ СГ?'П'Ы УМ Л ПОЗВОЛЯЮТ Г.острсить плгорит« {простой) -

нил ? эту" pc.'Jov^ р& ¡» ре й аткрл р г с я ''•"■ ускл;л"Оля л«ичэсг.»

о

иильшого сигнала с учетом существенно влияющих нелинейностей трак* iiiicropa на качество его работы (■)!' - входная емкость, Си о - про-;.однал, Сои - выходная емкссть, зависимость тока стока 1с от напряжений на затворе Еви и стоке

•Прежде всего обосновываете* 1ыбор эквивалентных схем полево-I и транзистора и усилителя в целом, исходя из соображений минимального содержания реактивных елг'мзктов С и L (так как от них зависит порядок дифференциальных ¿рутений, описывающих электрически процессы в этой схеме), и мпкаиыелького приближения к физичес-!-им процессам, происходящим ъ схем». Также учитывается диапазон ¡••а'оты У«У и особенности проходе нмя 0ÍJ сигнала, йцэ учитывается ' ¿т что модели транзисторов, описанных рядом авторов, пред-

лог.! ны для работы транзистора . условиях малого сигнала. Каждая структура транзистора имеет свою подробную екнивалентную схему.

На основе анализа известных работ, требован Ч, предъявляемых к iM (диапазон частот соспьллег: никний предел 1,5+3,4 МГц, а верхний - 30+55 КГц), на ИТ выбирается эквивалентная схема с учетом нелинейных емкостей Ок, Cao, Сои и-тока стока 1с. Эквивалента« схема УМ на транзисторе ¡¿ДП-структуры представлена на • рии.1.

Гэсг

С,с г & Й-Л

"

Рис.1. Эквивалентная схема УМ на транзисторе МДД-структуры

Эквивалентная схема состоит из эквивалентной схемы транзистора С ОСТ) и входящих в состав усилителя элементов.

Далее проводится выбор базиса переменных для разработки М?<', состоящей из системы нелинейных дифференциальных уравнений. Ни -бран базис узловых потенциалов как наиболее распространенней п настоящее время и имеющий преимущество в данном случае.

Для определения токов и напряжений в УМ составлена сисге>,-м уравнений методом узловых потенциалов по первому закону Кмркггф-; для узлов 1,2,3,4 (см.рис.1):

узел I. "¿г "¿1. +¿4 -О?

узел 2. ¿ц, -¿з - ¿з - ¿1б -0; ^ ^

узел 3. 4 + ¿з +¿5 -Ц узел 4. ¿з ~г? ~ ' ¿а После преобразований и приведения к нормальному пид/ МЧ

&1 +82 ы .

с! ь «Шг 1Ш ............... » Ы)

¿ь [А4] ' В* + В2 ы

«Щ» САД Цб т

иъь щ £да(м>з) «"v и5 (м>з)

и

и 5 —- - и аъ / С ~ /Л« шт 1 ы

(2)

П

где

V ' -ми ■ (м»з) (ьюз)/

В , ГА¡3 , С/141, САЗ , [А5] включены козфркциенты ягп{ гчен-

ми;л'В]шх сплгЯиоа нелинейные емкостей Ск,Сзс,Сси,тока стока 1с,

.а (до] - [АЗ];

Мзг.и'и видеть, что даже при существенном упрощении акривалекг-цсй зхсми полеього граноистора сисяемь нелинейных дифференциальных уравнений, описывающая физические процессы в УМ с одним резонансные контуром, имеет большой порядок (как минимум пятый порд-лок).

Вторая главе. пскнвденз разработке машинной модели ¿су.дигеяя ¡-'.арности на ИТ и огтсанио алгоритма программы.

Обосновывается численный метод рзаения нелинейных обыкновенных деДОер^-нциальных уравнений (НЭД?). К основным характеристикам численных петсдов решения ПОДО, относятся устойчивость и точность. Выбор численного метода решения НЭД/ сводится к выбору метода, збчсп^чнвавщего максимальную скорость решения при достаточной точное.'-;! и безусловном выполнени требования устойчивости. Однако

учесть, что с поведением порядка метода, т.е. точности, его устойчивость по сравнению с методом того же класч, но более низкого порядка ухудшается.

Численные» методы решения ПОД/ разделяются на явные и неявные, высокого или низкого порядка и т.д. Существует насколько явных чло-Л1нных нетодов решения обыкновенных дифференциальных уравнений. Распространен метод Эйлера я его модификации. Метод Адамса откосится к разностным методам. И большую Пилулярность получил метод Г'унгб-Нутты.

Выбран метод Рунге-Кутгы четвертого порядка с автоиатичаским изменение« шага интегрирования, т.к. дна определения коэффициентов комбинационных искажения Кд^ , Кд/ (порядка минус 25>г.г0дБ) требуется высокая точность у он более устойчив.

Креме решения численным методом НОЛУ, представляющих Ш усилителя мощности, в машинной модели решалась задача наиболее рацио-калькой аппроксимации нелинейных зависимостей емкостей (Ск, Сзс, Сой) от приложенных к ним напряжений и тока стока от напряжений затвор-исток. '

Выбрана аппроксимация методом кусочно-кубического сплайна, которая дает высокую точность аналитического представления вдепе-римон1альных характеристик зависимостей /(и), и = и обес-печиьает не только непрерывность аппроксимирующей функции, но и ее производных но второго порядка. В разработанных Ш нелрерыв- ■ ность производных имеет существенное значение, так как в ней от п,..|рокоимирую1них функций берется первая производная. При раэработ-ьр ч^иинной модели решалась задача определения коэффициентов кам-'¡»'ьх искажений Кд^ , К^ ^ в УМ. Математическая модель УМ,

описанная системой НОДУ (2), позволяет применять к&ч динам так и квазистационаринй метод. В разработанной мзпиниоЯ модели за основу определения комбинационных искакений К^ £ , Kr, i ныСрлч ие~ тод трех ординат по амплитудной характеристике (основанный из кла-аистационарном методе), широко применяемый при расчгге УМ ;) радиопередающих устройствах. Выбор определения 1Ц$ , Кц S по амплитудной характеристике обусловлен сокращением ?ремсня ЕЬ^нскеиия,бедует отметить, что система НОЛУ математической модели УМ вписывай.-? переходные, стационарные режимы и устойчивость их работы при «.-.ас-сах Л,B.C. При'определении K3J , Kg/ в мегскнноя модели'злв;-!стсл стационарный режим, который наступает после переходнего, .

• По разработанной машинной модели составлен алгоритм, г. пзм^цые которого разработана программа на уккворсальном машино-иг«!»'-висимом языке программирования ГШ/1. Эта программа ориентирован?, на SSM EC-I060 с оптимизирующим транслятором и системой ОС ЕС, С помощью этой программы определяются выходное- параметр» УМ т П? (Ц вых., Рпод., КЯЦ, Кд/ , K^f ), В программе также имеется процедура построения графиков величины искомых потенциалов в каелгайе реального времени. При небольших изменениях в разрушенной прогрчк* ме с ее помощью можно исследовать реакцию усилитяла «отгости на единичный входной сигнал в виде о1-функции и его устойчивость. Этой программой можно пользоваться и для ремония яадр.ц синтеза и оптимизации.

В третьей главе исследуется-усилитель мощности с помощью машинной модели по разработанной программа на См»!,

Целью про е о дим о го исследования является выявление влияния различных факторов в УМ на величину КЛД, Рпол,, , К^£ для выработки рекомендаций при разработке усилителя с улучшенными качает-вендами показателями.

Выли исследованы энергетические характеристики УМ; влияние-смещения цепи затвора Ези на К3 6- , Kg ¡Г {влияние внутренних элементов транзистора (Ск, Сзс,Сен, ,£г\ , £с ) к сопротивлений УМ на Kg i , Kg г . По результатам исследования усилителя мощности дяя 051 сигнал« на полевых транзисторах (¿П904А) кояно получить ьм-ходнуи мощность Рпол. ~ 36 Вг при КПД 6I*S'"> in ^'Дг^ 0,5; K3i*-33*3Ö дБ и оптимальном напрлктош на оптв'я.г- Ля г.пт, а КЗ диапазоне. Внягсчено, что минимальным анячен/ни i{5 £ , K-i при разлмчшж напряжениях на затворе М?*. б.ч. соогре-^струот раз., им-' ньй значения п яависумости от частоты, мо*цчос.ти, велгланы Harpjiv-*к <кл тра« ».агоре 2П90-ЗА).

2л::г~.к r'.fpjrwHvm cvesein« Ези н« затаен У!.' чч «рзнзисто-

рах с р~г; пвреходом такие имеется. Если задаться целью получения от УД на этих транзисторах (2П90-ЗА) максимальной мощности при минимальных искажениях,то ото определяется однозначно, т.е. рабочую точку надо выбирать на середина входной характеристики^*:?^«), рабогвя в к/лссс А. Возникновение комбинационных искажений обусловлено тем, что в реаньнкх транзисторах (физические величины эквивалентной схемы траНЕИстора) емкости, сопротивления, источник тока являлгся все нелинейными зависимостями от напряжений на элект-родэк транзистора.

Подбором соответствующей величины Ези, которая в конкретных условиях (при определении* Ян, Рпол.) является оптимальной, осуществляет как бы наилучшее компенсирующее действие друг на друга искажений,порожденных каждом нелинейным елементом (1с, , , й© , Я* » С,-с. Сен). Результаты исследований показали, что л.; величину Кду , оказывав существенное влияние нелинейное

емкости транзистора (Ск, Сэг., Сей,'.

• (Младая более сильно,*! нелиибЯкэсть», емкости Ск,Сзс по сравнении с нелинейностью Сек, т.косят и больший вклад в уровень яомби-нацкошвх иокекений Кд ^ ,Кг5 $ , Конечна, на эти емкости также оказываю? квитирующей Действа сопротивления зквивалентноЯ схемы УМ,Среди емкостей Ск и Сзс нбибояыавв ияияние оказывает емкость Ск, так как она имеет более рв.чгук: форму зависимости величины емкости от приложенного у'иеЯ напряжения. Проведение искусственная линеаризация формы зависимости величины емкости от приложенного к ней напряжения (пля Ск, Сзс) показала, что наблюдается существенное уменьшение уровня комбинационных искажений , Кд£Наибольшее влияние на величину коэффициентов комбинационных искажений оказывазот сопротивления кг, . Далее проводился анализ вли-

яния входной емкости МДД-трйнзистора на нелинейные искажения в УМ о П-образной цепочкой во входноД цепи.

Согласно ранее полученным результаты наибольшее влияние, на величину ,5%/ в УМ оказывает нелинейная входная емкость транзистора Ск. Полная эквивалентная схема входнпй цепи с П-с5раз-ной цепочкой для анализа сложна. По этой причине она была упрощена. В результате упрощения полной ©квизальнтной схемы физические процессы, протекающие во входной цепи, ыояно описать нелинейным дифференциальном уравнении,и первого порядка,сложив по величине вы*, х о дну о линейку г) емкость П-образной цепочки с неличсГ'чз;" входной екко'стыо транзистора Ск. Проведен анализ влияния полной еаиости УДЯ-транзистора на нелинейные искажения , Кг.} ■■. /! с ¡¡одаль«

решения нелинейного ли'МйрсйЦиальноро'уравнцчия входной цели численным методом на персональной ЭВМ по разработанной nporpüi/v.r. Увеличение выходной емкости Л-образной цепочки в •') раз по величина по сравнению с максимальной величиной входной ¿¡¿кости транзистора Ск существенно уменьшает (на I4f20 дЕ коэффициент 1Ц;р ) K^f, KgcP . Упрощенное уравнение, описывающее вхоцную цель, отрз;«ет физические процессы, происходящие в УМ, и ш можно пользоваться при ориентировочном расчете УМ с малыми затратами ».я ии rao го too-

f/еии и на простой вычислительной технике.

Расхождение результатов, полученных по упрощенно*, уравнения

и по системе ИОДУ (2), составляет IQ*I6 дБ для величины Кд/ б сторону уменьшения. Следовательно, эти 1С*1& дБ приходятся нн остальные нелинейные элементы транзистора. Система ИОД/ (2), описывающая физические процессы в УМ на ПТ, на устойчивость математически не прсверялась. Не проверялся также на устойчивость и численный метод реиення системы НОДУ. Проверка на устойчивость ограничилась только многократным повторением вычисления од'.г'акових параметров усилителя мощности по 1SM с помощь« £ЗМ. Наказано, что расчет У!.! без учета нелинейности емкостей Ск, Сзс (т.е. только по статический характеристика» и, если ежост'Си к Cao принять постоянными) будет давать существенную погрешность величин« уроинл коэффициентов К3 f , К-J около 15*20 дБ в сторону уменьшения.

В четвертой гляао проводятся эксперимента,чь-ныэ исследования УМ на ПТ и сопоставление результатов моделирования и эксперимента. При исследовании и расчете линейных усилителей мощности на полевых транзисторах с р-п переходом (2П03А) и МДП-структуры (2П901А, 2П904А) а КБ и У!© диапазоне неойходимо определить величину и чостотнук зависимость -крутизны характеристик при различных напряжениях на стоке и затворе. Величина ирутизни и частотная зависимость определялись экспериментально на установке в импульсном режиме в диапазоне частот от i МП; до 50 МГц. Эта зависимость является практически линейной в пологой области БАХ транзисторов, которой можно воспользоваться дщ исследование и

расчета усилителей мощности с пои'ощьо г.агемйтичгехях моделей.

Также экспериментально определялась злгивимиегь ^личины коэффициентов комбинационных искажений К2 f , K^J от врлют.нн на-пря.-гния из затворе Чли для транзисторов МДП-ст,.:,ггд.и (2П504А) rrpi; различных величинах не груз ни УМ Я„ , ptaomu* m.vshos-?« Рпол. ;< Величин» Ези, при которой воличкян 'i-} í , К*, í были

(•/••^•члннн, счит.'!".тся оптимальной. Рэзульгмы о'П'х г.зме/.-гнгй пру~

I.ч1.i; v пепле;4 '-'-ми ¡1.»;,

Применен«« оптимального смещения Ези опт. в УМ на ПГ дает учсньгаенин величины Кд $ , К?>/ (от б до 16 дБ для Кд^ ) для транзистор н Щ1-.ггрук7уры (И1904Л), Увеличение напряжения стока Еси в УК тякко приводит к уменьшению величины Кд^ , Кд£ .

Пыеерхе ММ усилителя по адекватность Проводилась на той же установи?, что к для определения величины оптимального смещения с аейденлем пополни ге.чькых приборов. Адекватность проверялась на УХ, построенные ка транзисторах с р~п переходом (2ПЭ03А) и МДЛ-стр.у ^тупн {2П904А) и диапазоне частот 31-30 МГц. Сравнительный анализ пока замет. что расхождение расчетных (по математической модели «<а сВМ) и акспериш нтвльиых данных Кд £ , составляет не боле«. 1(И25 а Рпоя. и К оьд. - не более 3+3 %. Следовательно, до« расчета й исследования у,М не полевых транзисторах модно пользоваться рврработяннтаи иатеу-атическшя моделями и программами.

Пятня глава посвпщонй рекомендациям по разработке УМ нп полевых трагаисторах, исход«' из результатов проведенных теоретических и окспер/.мйнгчлшн/. исследований.

При разработка линсйяух усилителей е ВЧ диапазоне (для усилителей йМ сигнал л) к ним предьяплямея повышенные требования по величина иомбвнационнцх иска>;ек«й Кд & , Кд^ (-35. ..-40 др), кроме остальных параметров (выходная мог.поеуь, КПД, устойчивость, стабильность и т.д.). В зависимости от назначения, заданной выходной . мощности и требований к УК выбирается элшзнтная Саза (тип транзистора с р-п переходом или ВД1-струхтура), Затем учитывается факторы, влияющие на релнчину Кд $ , Кр,3 , КПД, выходную мощность (полученные с помощью машинной модели я эксперимента на макете).

Определено, что согласно заданной выходной мощности усилителя надо выбрать тип транзистора (и схецу однотйктиув или. двухтактную), исходя и'! виходной полезной мощности, КПД и уровня коэффициентов коубшшциончык искажений К-а ^ , Кг^ , которые может обеспечить транзистор. Ориентироваться надо на'данные, помещенные р. табл.П.2л, табл.П.2.2 для мощности Ш,б Вт (транзистор ¿П903Л). . При мощности до 10. Вт надо пользоваться табл.П.2.3, учитывая те К" условия (транзистор 2Л£01А). Выходную мощность до 56+40 Вт при величинах Кд<г (-30...-35 пБ) получают, используя результаты тр.6л.П,2.4 (транзистор 2П901".). При иеп;>т. .оовйнии е УМ других типов, транзисторов с р-п переходил- я .'-^-структуры гетч-тствеиюл и. количественные параметра дошю получить с. гпкаЬ.ыс |:рсгго''.к» розрл-бэтанчке во 1?орой главе, при к-.т.мик «¡ч^хе.г.'/мнч д^ч-и;:'. :> уранз-.'.с-торг-.х, которые ВВОДЯТСЯ И Прогрчгг.!! .СЧ Г'.' «СХЗД>'Н<? ¿ч-Т.Г',. ?,. ТЗЧК$

зрения применения ябляются перспективными УМДП-транзнетори (ззр-тихальной структуры и с коротким каналом). Они имгкт бодыдуи крутизну, рассеиваемую мощность, малое сопротивление г открытом состоянии и малое время переключение.Малое остаточное напряжение Ц«*. у этих транзисторов позволяем строить усилители с высоким КЛД.

Если в усилителе мощности применять спедиальныэ мери (метод Кана), повывающие КПД, то можно получить УМ с хорошими показателями (ВДД, Кд & , Кд$ ), превосходящими усилитель на биполярнш транзисторах,

Дял разработки УМ с заданной мощностью и с минимальным уровнем К^^ » рекомендуется применять автоматическое оптимальное, смещение цепи затвора Етн опт. При применении транзистора 2П904А оно должно быть в пределах 0,1+1,6 В о точностью 10*12 Я р зависимости от частоты, величины нагрузки усилителя и полплиой выходной мощности. Оптияальное смещение Ези опт. для других типов транзисторов можно определить по ММ о помощью программ или акспе-риментально на установке, описанной а четвертой главе.

•Также можно уменьшить уровень коэффициентов Кд £ , К^/ в У!.;' пцдбором величины сопротивления Йг в пределах от 20 до Б0 Он (дчя

Т)заизистора. 2П904А), _______ .

Уменьшить Кд£ , » можно также увеличением в несколько

раз 'величины выходной емкости П-ойразной входной цепочки по сравнения о входной емкостью транзистора Ск.

Предлагается способ и устройство линеаризации емкостей транзистора {{5к, Сзс, Сси) дая снижения , Нд$ при больших мощностях. Сущность линеаризации емкостей заключается в уменьшении резкой зависимости их величины от приложенных к ним напряжений. Частичную линеаризацию можно осуществить с помощью варикапов, если их соответственно подключить к электродам транзистора.Варикапы подбираются из следующих соображений. Рабочая частота варикапоэ должна быть равна рабочей частоте транзистора или близка к не?. Добротность варикапов на рабочей частоте также должна быть по величине близка добротности емкостей транзистора (Ск, Слс, Сси). Форма кривой зависимости емкости варикапа т приложенного к неку напряжения (Св*^(М)) должна по возможности повторять яагиоимость соответствующей емкости транзистора от приложенного ч его электродам напряжения (Ст®НЮ ). Форму ьависю/ости ¡Ъ-{(Ц) юхнп повторить группой смешанного соединения (параллельного и посладпвз» тельного) варикапов одного или раяних типов. В идеальном случае рорма зависимости Св= /(К) должна б«<ть зеркальной относительно ^ормн зависимости От- {Ш ).

В йроцессе отладки усилителя варикапы, выравнивающие конденсаторы й напряжения смещения (Есм).на варикапах,необходимо подобрать такими, чтоби графики зависимостей суммарной емкости между электродами транзистора Соб. (см.рис.2) были бы зеркально симметричны Относительно ЛВ, точка I графика Соб соответствовала бы режиму транзистора (-1«,."О , в точки 2 и 3 - минимальному и максимальному режиму Транзисторе прй

С*,С»,

Рис.2; График линеаризации емкостей транзистора

В приложении 0.1 реваются вопросы разработки математической модели усилителя мощности на полевнх транзисторах с р-п переходом. Методика разработки ИМ такая же, как й -при разработке ММ усилителя мощности на НДГС-транзисгоре- Выбирается упрощенная эквивалентная схема УМ на транзистора с р-п переходом и . описывае-ся системой дифференциальных уравнений четвертого порядка. Эта система после преобразований « Приведения к виду Коти примет вид

«Ш, 62

—--г-, -С1-С2+СЗ;

Лк ш :

-— * -С*;

а бг ьз

1__

¿4 1А13 СА22

-Ы-Сг + СЬ)

<3)

5&-п I

■ ■ в1+в2+вз 3« ег-и|

где С| „ .-М«.™*;-

* ТИ 1)2 иг и,

ъг* р сг-гТ-;•» С5ы*г-мя; вз и [АН (АЛ £» Ям

В аппроксимирующих сплайнах нелинейной входной емкости Сзи, ' проходной емкости Сзс н тока стока 1с в выражениях ко^^мцие^ты оплайнов обозначены как СА21, ШЗ, ПАЗ] соответственно.

Для решения системы (3) КОД/ численным методом разрабатывалась программа по алгоритму, приведенному во второй главе, на языка ПЛ/1, Расчет параметров УМ по МЫ для транзистора с р-п переходом аналогичен расчету для ЩЩ-транзиетора,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. ..Обсуждены и выбраны эквивалентные охемы усилителя мощное-' »»' на полевых транзисторах (с р-п переходом,и МДП-структурн) для больлого сигнала с учетом нелинейных элементов транзистора {Ск, Сзс, Сси, 1с) наиболее подходящих для моделирования.

2. Разработаны математические модели усилителя мощности по эквивалентным схемам для полевых транзисторов, о помощью которых описаны ($1зические процессы. Математическая модель УМ на транзисторе с. р-п переходом описывается системой НОДУ четвертого порядка, а на транзисторе с МДП-структурой - системой шестого порядна. Эти математические модели позволяют исследовать УМ в стационарном и переходном режимах. Также позволяют решать задачи, связанные с определением чувствительности, устойчивости, и задачи оптимизации и синтеза.

3. По математическим моделям УМ разработаны машинные модели дяя проведения исследований их на ШМ.

4. На основании машинных моделей разработаны дво программы дая исследования усилителей мощности, выполненных на укапанных типах транзисторов на языке ПЛ/1 для мапич типа КО.

5. Получено упрощенное выражение для ориентировочного расчета коэффициентов Кд £ , Кд^ в УМ на МДП-транписторэх с учетом только нелинейной входной емкости транзистора Ск и разработана программа на языке Бейсик для персональны* машин.

б. Впервые исследовано глияние внутренних элементов эквивалентной схемы транзистора <Е* , , , >'Ск, Сэс) » режимов работы УМ нд качественные и количественные показатели его выходных .параметров с помощью Ш на ЗВЙ.

Определено влияние формы кривой зависимости входной Ск, проходной Сзс емкостей от приложенных к нии напряжений на уровень искажений Kg I , Kg i.

в. Показано с помощь» машинной модели на с£Н, что частичная . линеаризация зависимости Ск= Сзс* »Л существенно уменьшает уровень K^f , Kgf в выходном сигнале УМ в широком диапазоне частот.

9. Определено,что расчет УМ на полевых транзисторах (с р-п переходом и ЦДП-струхтуроЯ1 без учета нелинейности емкостей Ск,Сзс (т.е. по статическим характеристикам при постоянной величине, емкостей Ск,Сзс) дает бслыуь погрешность по величине уровня искажений K3Í , к5/...

10. Разработаны и изготовлены макетные образцы усилителей мощности на полевых транзисторах для яксперииентальных исследований

и проверки математических моделей на адекватность.

11. Определена частотная зависимость крутизны характеристик мощных полевых транэнсторов- в диапазоне от 1,5 до 50 МП? при средней «большой мощности и различных напряжениях на стоке и истоке.

12. Определена величина и зависимость оптимального напряжения смещения на затворе УМ от частоты,мощности,нагрузки при минимальных уровнях комбинационных искажений Kgí , K^f и сбъяскока эта зависимость. . "...'.

13. Предложен способ линеаризации входной Ск, проходной Сзс, выходной Сси емкостей полевого транзистора (различных типов) дня .уменьшения уровня Kg í , К§5 в-УИ при большой выходной мощности на нагруз е. •.

14. Разработаны рекомендации для.построения УМ на ÍIX.

СПИСОК ШШКЩйп ■

1. Самойлов И.В, Определение частотной'зависимости.Крутизны характеристик мощных полевых транзисторов// Радиотехника. - I5BU, - К' В. - С. 66-89, -•■'•

2. Самойлов И.В,'Математическая.'модел'ь-уС1ЦИТЕл*.-'лоцн0стк; к».. полевых транзлсторах//3лектросвязь, - 1990. • - J? '2,- 7, 14. .