Замедляющие системы. Генераторы с электрическим управлением электронным потоком. Методы и устройства стабилизации частоты и фазы колебании в задающих генераторах простых и сложных сигналов, страница 9

Согласование входной и выходной цепи транзистора осуществляется с помощью трансформаторов  В схеме рис. 3.32 конденсатор— разделительный, а цепочкаобеспечивает напряжение смещения на базе за отсчет тока базы.

3.5. Особенности работы транзисторных генераторов в   диапазоне   СВЧ.

С повышением частоты начинает проявляться зависимость величины токов коллектора и базы от частоты входного сигнала, обусловленная влиянием инерции носителей зарядов.

При увеличении  частоты уменьшается амплитуда  первой гармоники коллекторного тока, увеличиваются потери в цепи   базы, появляется фазовый сдвиг между током коллектора и напряжением база—эмиттер. Это приводит к уменьшению мощности и КПД генератора.

Уменьшение первой гармоники коллекторного тока происходит по следующим причинам: увеличение частоты вызывает увеличение тока через емкость эмиттерного перехода. При этом увеличивается падение напряжения на базовом сопротивлении, а напряжение на переходе вследствие этого уменьшается. В результате уменьшается поступление носителей тока из эмиттера в базу, уменьшается ток эмиттера, а следовательно, ток коллектора и его первая гармоника; при больших углах пролета часть носителей зарядов при смене полярности напряжения на базе возвращается обратно в эмиттер, что также приводит к уменьшению величины тока коллектора.

Следующая особенность работы транзистора на СВЧ заключается в появлении фазового сдвига между током коллектора и напряжением  возбуждения. Вследствие влияния инерции носителей зарядов ток коллектора    отстает   от    напряжения   на    базе    на угол .

Изменение угла приводит к изменению частоты генерируемых колебаний; генератор работает на расстроенную нагрузку, так как , и его мощность

 на высоких частотах уменьшается.

Кроме отмеченных факторов, с повышением частоты начинает сказываться так  называемый эффект оттеснения проявляющийся в вытеснении носителей зарядов к краям эмиттера.    Проявляется и в том, что из-за распределенного характере сопротивления базы эффективно работает лишь край эмиттерного перехода,   близкий базовому выводу, увеличение же площади эмиттерного перехода увеличению емкостей Ска и Скп   (активной и пассивной мощей емкости коллекторного перехода) и ухудшению свойств транзистора. В результате плотность тока определяется не площадью эмиттера, а его периметром.

Можно указать следующие    способы    повышения    частотного предела транзисторов: уменьшение расстояния между эмиттером и коллектором; обеспечение коротких внутренних выводов электродов, особенно эмитторного. Короткие выводы необходимы для сведения к минимуму величины их индуктивности. Сравнительно большая индуктивность приводит к резкому снижению усилительных свойств транзистора. В транзисторах СВЧ диапазона для снижения индуктивности используется полосковая конструкция выводов, расположенных в радиальных направлениях. В транзисторах со штыревыми выводами величина индуктивности составляет 2...3 нГ, в с полосковыми — ее значение снижено до 0,2...0,3 нГ; использование многоструктурных транзисторов, когда на одном кристалле создается несколько структур; использование транзисторов с многоэмиттерной структурой.

Устройство транзистора с многоэмиттерной структурой изображено па рис. 3.33.

При использовании транзисторов с многоэмиттерной структурой частично разрешается противоречие, связанное с ухудшением характеристик транзисторов при повышении частоты.

В транзисторах многоэмиттерной структурой увеличение тока происходит не за счет увеличения площади  эмиттера, что приводило бы к увеличению емкости и ухудшению частотных свойств транзистора, а за счет увеличении периметра  ячеек без увеличения площади эмиттера (рис. 3-ЗЗ. а и б).

Использование    транзисторов  с  многоэмиттерной структурой позволяет существенно повысить частоту и мощность   транзисторов. Однако дальнейшее повышение мощности и частоты ограничено затруднениями принципиального характера,

Для повышения частоты следует уменьшать расстояние между эмиттером и коллектором, однако такое уменьшение ограничивается величиной напряженности электрического поля, при которой наступает пробой.

В идеализированной модели дрейфового транзистора  определяется соотношением

где — время пролета неосновных носителей заряда через базу;  — скорость пролета носителей через базу;  — толщина базовой области.

Поскольку максимальное значение   скорости  заряда  ограничено величиной порядка  107 см/с, то для повышения следует уменьшать толщину базовой области.   Минимальное значениеограничено критическим значением   напряженности    электрического поля, при повышении которого наступает пробой

 . В результате теоретический предел произведения максимально  допустимого   напряжения   коллектор-база     на    граничную      частоту  есть  .

Для   кремниевого   транзистора     величина . Из  этого  соотношения видно,  что  повышение граничной частотынеизбежно приведет к снижению постоянного напряжения ,   что влечет за собой уменьшение выходной мощности транзистора.

В СВЧ диапазоне применяются схемы, как с общим эмиттером, так и общей базой. Сравнительный анализ этих схем показывает, что в некоторых случаях более предпочтительным оказывается использование схемы с общей базой, имеющей больший коэффициент усиления по мощности при частоте, близкой к граничной частоте транзистора

В твердотельных СВЧ устройствах широкое применение находят гибридные интегральные схемы   (ГИС), в которых сочетаются пленочные и навесные элементы. В зависимости от соотношения между числом тех и других элементов можно условно выделить несколько типов ГИС СВЧ.

В первом типе схем по пленочной технологии выполнены только контактные площадки и общая заземляющая поверхность, все пассивные и активные элементы навесные. Основой конструкции является фольгированная диэлектрическая плата с низкой диэлектрической проницаемостью, что позволяет уменьшить емкость контактных площадок, которые формируются путем травления фольги на одной или на обеих поверхностях платы.