2. Ознакомиться с измерительной установкой и инструкцией по проведению измерений.

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

7.5. Основное задание

1. Снять зависимости токов стока и затвора от напряжения на стоке при нескольких значениях напряжений на затворе .

2. Провести измерения токов стока и затвора от напряжения на затворе при 3 значениях напряжения на стоке. Одно из напряжений стока должно соответствовать линейной части характеристик , а два других – области насыщения тока стока. Напряжение на затворе изменять от напряжения перекрытия до напряжения, превышающего контактную разность потенциалов барьера Шоттки на 0,3…0,5 В, т. е. до напряжений 1…1,2 В.

3. Провести диодные измерения дли определения контактных сопротивлений и параметров барьера Шоттки (согласно инструкции по проведению измерений).

4. Провести измерение вольтфарадной характеристики при напряжении на стоке, равном нулю.

5. Провести измерение зависимости коэффициента усиления от напряжения на стоке и затворе.

6. Обработать результаты измерений по пп. 1…4 с помощью ЭВМ по соответствующей программе.

7. Рассчитать параметры рассеяния и максимального коэффициента усиления по эквивалентной схеме, полученной в результате измерений и расчетов.

7.6. Содержание отчета

1. Цель работы, эскиз исследуемого транзистора, схема измерений.

2. Вольтамперные и вольтфарадные характеристики ПТШ.

3. Семейство амплитудно-частотных характеристик усилителя.

4. Результаты измерений и расчетов на ЭВМ величин эквивалентной схемы транзистора.

5. Результаты расчета параметров рассеяния и максимального коэффициента усиления. Сравнение с коэффициентом усиления реального усилителя.

7. Выводы по работе.

7.7. Контрольные вопросы

1. Какие существуют системы описания свойства транзисторов на СВЧ?

2. Зависят ли параметры эквивалентной схемы ПТШ от частоты?

3. Почему возможно использование квазистатических измерений?

8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Целью работы является изучение и исследование основных физических зависимостей и параметров СВЧ биполярного транзистора на основе математических моделей и экспериментальных измерений.

8.1. Основные положения

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. Отсюда их название – биполярные транзисторы (БТ). Биполярные транзисторы p- n-типа, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, являются основными элементами усилителей мощности в низкочастотной части СВЧ-диапазона. Современные БТ работают на частотах до 15 ГГц. Максимальная выходная мощность в непрерывном режиме на частоте 1 ГГц достигает 300 Вт, на частоте 3 ГГц – 20 Вт, на 10 ГГц – 1 Вт и на 14 ГГц – 0,1 Вт. Коэффициент полезного действия превышает 50 % в диапазоне частот 1...3 ГГц. На верхней частотной границе КПД биполярного транзистора составляет около 20 %. Биполярные транзисторы СВЧ-диапазона имеют минимальный коэффициент шума 2,5…3 дБ на частотах 2…4 ГГц и порядка 7 дБ на частотах более 10 ГГц.

При проектировании и применении СВЧ биполярных транзисторов широко используются различные модели описания. Любая модель транзистора обычно предназначена для вполне определенных целей. Структурные модели, в которых для описания работы транзистора используются их внутренние параметры, позволяют разработчикам связывать характеристики модели с физико-технологическими параметрами БТ.

С другой стороны, использование биполярного транзистора как активного элемента в различных схемах СВЧ-электроники требует установления формальных связей между токами и напряжениями на внешних контактах, позволяющих производить анализ поведения транзистора в различных режимах работы, то есть применение бесструктурных моделей.

Выбор модели обусловлен ее адекватностью физическим процессам, требуемой точности и поставленной задаче.

8.1.1. Дифференциальные параметры транзистора

Бесструктурные модели более достоверны, поскольку их параметры могут быть измерены значительно точнее, чем параметры эквивалентной схемы. По отношению к внешней схеме транзистор представляет собой активный четырехполюсник, который обычно характеризуются системой дифференциальных параметров. Эти параметры определяют связь между малыми приращениями токов и напряжений на электродах БТ. Условие малых приращений токов и напряжений позволяет ввести линейные связи между ними. Существует три системы: -, - и -параметры. Значения параметров зависят от схемы включения БТ, от режима его работы и от частоты. На рис. 8.1 показан транзистор в виде четырехполюсника с входными (индексы 1) и выходными (индексы 2) напряжениями и токами для схем с общей базой (а) и общем эмиттером (б).

В данной работе при исследовании транзистора используются две системы: - и -параметры. Рассмотрим систему -параметров. В этой системе независимыми величинами являются напряжения, а токи являются функциями от них. Дифференциалы токов можно записать в виде:

Если заменить приращения токов и напряжений комплексными амплитудами, а частные производные – -параметрами, то получим систему

При дополнительных условиях переменные этой системы имеют физический смысл. Параметр , определяемый как , является входной проводимостью транзистора при = 0. Параметр – обратной проводимостью при = 0, параметр – прямой проводимостью при = 0, параметр – выходной проводимостью при = 0. Все - параметры имеют смысл проводимостей при условии короткого замыкания на входе ( = 0) или выходе ( = 0) транзистора. Система -парамет-ров удобна для проведения расчетов транзисторных схем, однако их экспериментальное определение не представляется возможным.

В системе -параметров независимыми величинами являются ток входа и напряжение выхода и уравнения выглядят следующим образов:

В этой системе параметр – входное сопротивление транзистора при = 0, параметр – коэффициент обратной связи по напряжению при = 0, параметр – коэффициент передачи току при = 0, параметр – выходная проводимость транзистора при = 0. Условие нулевого входного тока соответствует режиму холостого хода и достаточно легко осуществимо. Такая система -параметров является смешанной системой, так как параметры имеет различную размерность. Заметим, величины и являются безразмерными. В общем случае, комплексные - и -параметры зависят от частоты. В диапазоне низких частот дифференциальные параметры не изменяют своего значения и имеют действительный характер. В этом случае их обозначают, соответственно, - и -параметрами. На рис. 8.2 приведены экспериментальные зависимости -параметров от коллекторного тока транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Как видно, наибольшие изменения претерпевают параметры и . Входное сопротивление непосредственно связано с нелинейной зависимостью вольтамперной характеристики эмиттерного перехода и отражает факт изменения производной к этой характеристике. Составной частью входного сопротивления является сопротивление эмиттера, значение которого для бездрейфового транзистора равно , а для дрейфового – . С росток тока эмиттера или коллектора сопротивление эмиттера, следовательно, и величина уменьшаются. Выходная проводимость в схеме с ОЭ обусловлена эффектом модуляции ширины базы . Поскольку , то с ростом эмиттерного тока сопротивление коллекторного перехода уменьшается и проводимость , соответственно, растет.

В отличие от других систем -параметры измеряются просто. По измеренным -параметрам можно вычислить значения других систем. В частности, система -параметров выражается через -параметров:

8.1.2. Гибридная схема замещения транзистора

Рассмотренные выше системы параметров устанавливают формальную связь между токами и напряжениями на входе и выходе транзистора. Существенным недостатком этих параметров является их зависимость от режима работы транзистора, частоты и температуры. В формальных системах отсутствует связь самих параметров со структурой транзистора. Поэтому применяют эквивалентные схемы БТ, учитывающие способ включения, технологию изготовления и частотную зависимость. Эквивалентные схемы (схемы замещения) составляют таким образом, чтобы токи и напряжения, протекающие в них, в достаточной мере отвечали процессам в транзисторе. Схему замещения целесообразно строить, моделируя сначала активную область транзистора, расположенную под вводом эмиттера, а затем учитывать области транзистора в поперечном направлении
. Одна из таких схем транзистора, включенного по схеме с ОЭ, предложенная Джиаколетто, носит название гибридной П-образной схемы (рис. 8.3)

Схема имеет две базовые точки: б – внешний вывод базы и б' – внутреннюю точку базы. Базовый ток протекает от базового вывода через пассивную область, имеющую сравнительно большое сопротивление. Это поперечное сопротивление увеличивается по мере удаления от края эмиттера к его середине, и следовательно, является усредненным по сечению эмиттера сопротивлением базы . Падение напряжения, создаваемое базовым током на этом сопротивлении, приводит к уменьшению потенциала эмиттерного перехода (в точке б’) по сравнению с приложенным к базе напряжением (в точке б). Так как потенциал базы у эмиттерного перехода зависит от поперечной координаты вдоль ширины эмиттера, потенциал также является усредненной величиной. Эмиттерный переход представлен здесь сопротивлением (проводимостью ) и емкостью , а коллекторный переход – сопротивлением (проводимостью ) и емкостью . Генератор тока отражает влияние входной цепи на выходной ток. Величина называется внутренней крутизной, так как она определяется по потенциалу внутренней точки б'. Емкость эмиттерного перехода , работающего в прямом включении, в основном определяется диффузионной емкостью, связанной с процессами накопления заряда подвижных носителей в базе. Коллекторный переход смещен, как правило, в обратном направлении, поэтому его емкость обусловлена барьерной емкостью перехода. Сопротивление (проводимость ) характеризует воздействие коллекторного напряжения на ток эмиттера за счет изменения ширины коллекторного перехода и эффективной ширины базы.

Значения элементов эквивалентной схемы можно определить из геометрических размеров и конструкции транзистора. Но их можно найти и экспериментальным путем с помощью -параметров.

Крутизна является обратной величиной от сопротивления эмиттера. При комнатной температуре сопротивление превышает сопротивление эмиттера во столько раз, во сколько эмиттерный ток больше базового. По определению параметра , можно записать и тогда

где – постоянная составляющая тока эмиттера, мА.

На низких частотах емкостью можно пренебречь и записать:

Это сопротивление лучше замерить непосредственно на высокой частоте, когда зашунтировано емкостью и в этом случае

Сопротивление коллекторного перехода можно найти с помощью коэффициента обратной связи по напряжению , который определяется в режиме холостого хода на входе транзистора =0:

В соответствии со схемой (рис. 8.3) выходная проводимость с учетом большой величины сопротивления база-эмиттер и база-коллектор:

Емкость может быть найдена из условия равенства проводимости база-коллектор и проводимости емкости эмиттера, которое выполняется на некоторой граничной частоте , когда выходной ток транзистора уменьшается по абсолютной величине в раз, по сравнению с током на низких частотах.

Для этого случая граничную частоту удобно находить по экспериментальной характеристике .

8.2. Экспериментальное определение -параметров в схеме с ОЭ

Параметры и определяются в режиме короткого замыкания выхода. Схема такого соединения показана на рис. 8.4, а. Режим короткого замыкания выхода обеспечивается конденсатором , который осуществляет замыкание коллектора по переменной составляющей коллекторного тока.
Последовательно с конденсатором включено сопротивление << для измерения этого тока . Необходимый статический режим работы транзистора ( и в рабочей точке) устанавливается подбором значений сопротивления . Входной сигнал на базу подается от генератора ГНЧ через блокирующий конденсатор и сопротивление . Это сопротивление применяется для измерения входного тока . Проведя с помощью осциллографа измерения напряжений , и , можно найти параметры и :