О петлевых динамических характеристиках (дх) в ГВВ на биполярных транзисторах (БТ) в перенапряженном (ПНР) и сильноперенапряженном режиме (СПНР) с фазой инверсного режима (ФИР)

О петлевых динамических характеристиках

Рассматривается физика перехода на линию граничного режима петлевых ДХ ГВВ на БТ в ПНР. Показывается, что при недогруженной, колебательной нагрузке ГВВ возможно появление еще одной петли в инверсной области вольтамперных характеристик (ВАХ) БТ. Результаты доклада могут быть адаптированы в ГВВ на МДП активных структурах.

Ключевые слова: Генератор с внешним возбуждением

Груздев В.В.

Метод ДХ эффективен и общепринят при исследовании колебательных процессов, как в ламповых, так и транзисторных ГВВ [1,2].

Работа биполярного транзистора на большом сигнале, когда рабочая точка на ВАХ может переходить из одного режима (активный, насыщенный, отсечка, инверсный) в любой другой из перечисленных, сложна для исследования. Здесь наиболее целесообразен метод припасовки (Method of Alignment) [3,4] т.к. использование других приближенных методов анализа может приводить к потерям наиболее эффективных режимов и схем ГВВ.

Режимы с колебательной LCR нагрузкой, когда вынужденные колебания в параллельном колебательном контуре ГВВ описываются системами дифференциальных уравнений невысоких порядков в каждом из режимов транзистора. Однако и в этом случае представляют сложность определение моментов переключения решений одной системы дифференциальных уравнений в другую.

Инерционные свойства БТ начинают проявляться уже на низких частотах рабочего диапазона. Форма импульса коллекторного тока ik искажается и с повышением рабочей частоты имеет все более удлиненный фронт нарастания и более быстрый спад. Длина импульса ik увеличивается, а его амплитуда падает. В докладе [5] показано, что такая форма тока коллектора вызывает появление петлевых ДХ.

На рисунке 1 приведена ДХ в транзисторном ГВВ при отставании максимума ik от максимума ek. Сдвиг фаз ф на рис. 1 показывает, что пиковое значение тока ik отстает по времени от минимального значения колебательного напряжения между коллектором и эмиттером генераторного БТ.

Из рисунка 1 видно также, что в ГВВ БТ открывается в точке 1 при большом напряжении между коллектором и эмиттером ek , однако и

ток ik еще мал. В точке 2 ток коллектора достигает максимума, но напряжение ek приближается к минимуму. В точке 3 колебательное напряжение ek достигает минимума, но ток коллектора попадает в фазу быстрого уменьшения. В результате ДХ ГВВ описывает характерную для БТ петлевую кривую, которая позволяет значительно уменьшить мощность, рассеиваемую в генераторном транзисторе, т. к. отодвигает ДХ между точками 2 и 3 влево, ближе к линии граничного режима.

Теперь рассмотрим колебательные процессы в транзисторном ГВВ с петлевыми ДХ, но работающем в ПНР. На рисунке 2 приведены эпюры токов и напряжений в ГВВ на БТ с петлевыми ДХ в ПНР.

Из рисунка 2 видно, что БТ в ГВВ открывается в точке 1 при значительном ek, но ток ik в точке 1 еще мал. В точке 2 ДХ выходит на линию граничного режима. Из-за малой величины ek коллекторный переход БТ перестает втягивать электроны из базы в p-n переход К-Б, а затем открывается. БТ попадает в режим насыщения, где величина ik определяется величиной напряжения К-Э. В точке 3 ток, определяемый малой величиной уменьшающегося колебательного напряжения ek, достигает минимума, а затем, вместе с повышением ek, начинает возрастать. В точке 4 транзистор выходит из насыщения. Переход К-Б начинает втягивать электроны из базы из-за возрастания запирающего напряжения ek . Транзистор выходит из насыщения и попадает в активный режим. В точке 5 генераторный транзистор выключается. Из рисунка 2а видно, что в фазах активного режима ДХ имеет петлевой характер. На практике случаи, когда колебательная нагрузка ГВВ оказывается в недогруженном состоянии. Тогда транзистор ГВВ периодически, в такт с управляющим сигналом, закачивая импульсы тока в колебательный контур, развивает в нем вынужденные колебания большей амплитуды, чем в штатном режиме. Такое может случиться, например, если ветром сорвет антенну в работающем РПдУ. В этом случае транзисторный ГВВ попадает в сильно перенапряженный режим (СПНР).

На рисунке 3 приведены эпюры токов и напряжений в ГВВ на БТ

Рис. 2. Форма петлевых ДХ в ПНР в ГВВ на БТ

Рис 3. Форма петлевых ДХ в СПНР с ФИР на БТ

с петлевыми ДХ в СПНР и с ФИР.

Из рисунка 3 видно, что ДХ в ГВВ на БТ формируется аналогично ДХ в случае с ПНР, приведенном на рис. 2. Однако из-за недогру-женности колебательной нагрузки колебательное напряжение между К-Э ek в момент 3 превышает напряжение питания ek и заходит в область отрицательных значений, при этом БТ заходит в область инверсных ВАХ. В области инверсных ВАХ электроны могут впрыскиваться в область базы как из эмиттерного, так и из открытого коллекторного р-п перехода. В теле базы БТ формируется избыточный заряд электронов и из-за увеличения рекомбинационных процессов увеличивается ток базы. Ток коллектора ik в ФИР становится отрицательным, а ДХ делает вторую петлю, как показано на рис. 3а.

Для увеличения усиления по току генераторный транзистор

имеет сильно легированный эмиттер и более слабо легированную область коллектора. Поэтому пробойные напряжения эмиттерных р-п переходов малы и не превышают нескольких вольт. В то же время коллекторные р-п переходы слабо легированы и их пробойные напряжения на порядок выше и обычно составляют десятки вольт, иначе говоря мощность колебательных процессов в коллекторе транзисторного ГВВ намного больше, чем допустимая в р-п переходе базы.

В ФИР когда открыт р-п переход коллектора, большое напряжение К-Э попадает на переход Б-Э БТ, закрывает его, и если это

напряжение превышает допустимое, то пробивает его. Поэтому ГВВ с генераторным БТ следует избегать СПНР с ФИР т. к. коллекторным колебательным напряжением может пробиться и более слабый p-n переход Э-Б.

Все рассмотренные процессы в генераторном БТ с одно- и двухпетлевыми ДХ могут быть адаптированы в ГВВ с МДП активными структурами.

Выводы

1. Рассмотрены колебательные процессы в КР, ПНР и СПНР с ФИР ГВВ на БТ для режима класса С с одно- и двухпетлевыми ДХ.

2. Использование ГВВ с петлевыми ДХ в КР и ПНР позволяют снизить мощность рассеиваемую в генератором транзисторе.

3. При работе ГВВ на БТ в режиме класса С с двухпетлевыми ДХ следует избегать СПНР с недогруженной колебательной нагрузкой из-за возможного пробоя эмиттерного p-n перехода колебательным напряжением в коллекторе.

4. Полученные результаты могут быть адаптированы в ГВВ, построенные на МДП активных структурах с учетом особенностей их характеристик.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хмельницкий Е.П. Работа лампового генератора на расстроенный контур. — М.: Связьиздат, 1962. — 111 с.

2. Каганов В.Н. Транзисторные радиопередатчики. Изд. 2-е переработанные и доп. — М.: Энергия, 1976. — 448 с.

3. Лисицкая К.Н., Синицкий Л.А. Анализ электрических цепей с магнитными полупроводниковыми элементами. — Киев, 1969. — 434 с.

4. Николаевский Н.Ф. Параметры и предельные режимы работы транзисторов. — М.: Советское радио, 1971. — 384 с.

5. Груздев В.В. О петлевых динамических характеристиках (ДХ) ГВВ на биполярных транзисторах в недонапряженном (НДР) и критическом (КР) режимах. Труды 5-ой отраслевой конференции "Технологии информационного общества", посвященная 90-летию МТУСИ. — Москва. — 9-10 февраля 2011 г.

About loop dynamic characteristics of separately-excited electric generators constructed with bipolar junction transistors in overvoltage and heavy overvoltage modes with phase inverse mode

Gruzdev V.V.

Abstract: In this report the physic nature of transition to the line of critical mode of loop dynamic characteristics (DC) of separately-excited electric generator constructed with bipolar junction transistors (BJT) in overvoltage mode is being examined. It is shown that if underloaded oscillatory load is used, there is a possibility of second loop appearing in the inverse part of transistor's current-voltage characteristic. Those result may also be adapted for using in the electric generators with MOS-FET field effect transistors.