7.2.2.3 Эквивалентная схема генератора.

Исходя из вышеизложенного эквивалентную схему ГЛПД можно представить в виде схемы изображенной на рис. 7.20, где и - активное и реактивное сопротивления контура, соответственно.

Рис. 7.20

7.2.2.4 Условия возбуждения автогенератора.

ГЛПД относится к диодным автогенераторам. Поэтому условия возбуждения выражаются следующим неравенством:

, (7.13)

где .

Поскольку , а и , то с увеличением постоянного тока величина должна также увеличиваться, как изображено на рис. 7.21.

Рис.7.21

Из рисунка видно, что условие (7.13) можно трансформировать в условие:

, (7.14)

где - предельный ток, при превышении которого нарушаются условия, обеспечивающие физическую реализацию отрицательного сопротивления

.

7.2.2.5 Работа глпд в режиме большего сигнала.

С ростом амплитуды колебаний увеличивается индуктивность (см. приложение П.1) и уменьшается , что приводит к уменьшению и поэтому устанавливается стационарная амплитуда колебаний, как изображено на рис. 7.22.

Рис. 7.22

Уравнение баланса амплитуд, из которого можно определить выглядит следующим образом:

, (7.15)

а уравнение баланса фаз, из которого можно определить частоту колебаний представляет следующее выражение:

(7.16)

На рис. 7.23 изображены переменное напряжение и ток через ЛПД в режиме большего сигнала.

Рис.7.23

При периодических колебаниях электрического поля относительно среднего значения коэффициент ионизации практически мгновенно отслеживает колебания поля. Однако концентрация носителей отстает от электрического поля приблизительно на , по тем же причинам, что и в режиме малого сигнала. То есть концентрация приблизительно максимальна, когда поле почти уменьшилось до среднего значения. Инжектированный в этот момент в пролетную область ток лавины вызывает, двигаясь через область дрейфа, почти прямоугольные импульсы наведенного тока во внешней цепи. Они будут в противофазе с приложенным переменным напряжением, что и обеспечивает наличие отрицательного сопротивления.

7.2.2.5 Основные характеристики глпд в impatt-режиме.

Рассмотрим зависимость выходной мощности и частоты колебаний

от среднего тока , протекающего через ЛПД.

Из физических соображений ясно, что с ростом растет мощность источника питания и если к. п. д. ГЛПД слабо зависит от , то должна расти и выходная мощность ГЛПД. Это подтверждают выкладки, приведенные ниже.

Выходную мощность можно определить из соотношения

, (7.17)

где - модуль первой гармоники полного тока проходящего через сопротивление , к. п. д. контура.

Первую гармонику полного тока можно определить, как сумму конвекционного лавинного тока и тока смещения области лавинного умножения (см. рис. 7.16)

, (7.18)

где - эффективная лавинная частота при большем сигнале.

В соответствии с приложением П1, конвекционный лавинный ток может быть записан в виде следующего соотношения

.

Поэтому полный ток при больших средних токах, когда параметр , а отношение близко к единице, почти пропорционален , а выходная мощность пропорциональна квадрату среднего тока, как изображено на рис. 7.24 сплошной линией.

Рис.7.24.

Используя уравнение баланса мощностей (7.15), можно установить зависимость между параметром и средним током . Это позволяет получить зависимость во всем диапазоне токов, обеспечивающих адекватность модели лавинного тока, изложенной в приложении П.1, В).

Рассмотрим этот вопрос более подробно. В соответствии с (7.15) и (7.12) можно записать следующее соотношение

. (7.19)

Используя выражение для лавинной эффективной частоты

и выражение (п.18) для эффективной лавинной индуктивности, выражение (7.19) можно преобразовать к виду

, (7.20)

где - пусковой ток .

Используя (7.20), можно рассчитать зависимость , которая приведена на рис. (7.25).

Рис. 7.25.

Подставляя эту зависимость в (7.18) и (7.17), получаем зависимость , которая приведена на рис. 7.26.

Рис. 7. 26.

Однако, как видно из рис.7.24, в экспериментальных зависимостях с ростом среднего тока наблюдается ограничение роста выходной мощности. Это связано с тем, что с ростом растет температура ЛПД и соответственно падает коэффициент ударной ионизации и производная . В соответствии с (7.20) это приводит к росту и соответственно уменьшению параметра и уменьшению при одном и том среднем токе. При очень больших токах приближения, рассмотренные в приложении П.1, теряют смысл и необходим численный расчет. Он показывает, что при очень больших токах за счет сильной зависимости от электрического поля наблюдается уменьшение отношения .

Расчет частоты с помощью (7.16) и ( 7.12) приводит к выражению

. (7.21)

При выводе (7.21) полагается, что . Действительно, в соответствии с (7.12)

При =

. ,

поскольку и , то .

Из (7.21) видно, что при постоянных параметрах , , , частота колебаний не зависит от постоянного тока. Наблюдаемое на практике незначительное изменение частоты может быть объяснено влиянием температуры на эти параметры и влиянием реактивной составляющей области умножения.

Для оценки к. п. д. воспользуемся тем обстоятельством, что ток во внешней цепи имеет форму прямоугольных импульсов (см. рис. 7.23). При оптимальных углах пролета = скважность импульсов близка к двум. Поэтому отношение первой гармоники тока к постоянному току равно . Электронный к. п. д. может быть оценен по формуле

,

где , - постоянное напряжение и амплитуда переменного напряжения, приложенных к ЛПД. Если предполагать, что не превышает 0.5 то к. п. д. ГЛПД, работающим в IMPATT-режиме не должно превышать 30%.