14.3.4. Режимы работы дг в генераторной схеме

Эквивалентная схема (ЭС) ГДГ (рис. 14.13, а) включает в себя собственно диод, источник ЭДС и сопротивление нагрузки . Кристалл ДГ обычно имеет ЭС в виде отрицательной проводимости по первой гармонике шунтированной емкостью (рис. 14.13, б), поэтому требуется нагрузка типа параллельного колебательного кон­тура. Оба элемента ЭС ( и ) помечены как нелинейные, поскольку зависят от амплитуды переменного напряжения на чипе .

Режимы работы ДГ в генераторной схеме различаются по типу образующегося домена. Решающее влияние на тип домена оказывает относительный уровень высокочастотного напряжения на нагрузке . Важно понять, что один и тот же ДГ может работать в различ­ных режимах, которые последовательно переходят один в другой по мере изменения .

Обычно в непрерывном режиме . При таком напряжении питания зависимость чаще всего «жесткая» и имеет протяженную область практически постоянной отрицатель­ной проводимости (рис. 14.14). Предельная (максимальная) ампли­туда колебаний, при которой меняет знак,

Область малых соответствует режиму отрицательной проводи­мости со статическим доменом (обычно у анода). На малом сигнале

(14.24)

где — сопротивление ДГ в слабом поле, измеряемое при .

Рис. 14.13. Эквивалентные схемы генератора на диоде Ганна (а) и кристалла диода Ганна (б)

Рис. 14.14. Колебательная характеристика диода Ганна

По мере увеличения уровня колебаний статический домен посте­пенно уменьшается. При к нему добавляется бегу­щий домен, существующий в течение той части периода колебания, когда рабочая точка находится в области ОДП.

При статический домен окончательно подавляется. Остается лишь нестационарный бегущий домен, достигающий наибольшего развития при . Это зона так называемых гибрид­ных режимов, в которых и работают реальные ДГ, отдающие полезную мощность близкую к максимальной.

Для приближенного расчете ДГ в гибридном режиме можно при­нять, что при движение рабочей точки описывается кри­вой , поскольку на этой части периода домен еще не успел заметно вырасти (рис. 14.15, а). При последующем убывании мгно­венного напряжения на диоде вплоть до затем сле­дует участок рассасывания домена в области .

Рис. 14.15 Вольт-амперная характеристика ДГ и гибридном режиме (а) и соотвущая ей форма импульсов тока (б)

Наличие провалов в импульсах тока ДГ и «пьедестала» приво­дит к низким значениям коэффициента формы импульса: при , поэтому даже максимальное значение электронного КПД ГДГ η_Э не превышает 17 %.

Дальнейшее приближение U_Д к U_M сопровождается подавлением домена, так как увеличивающееся время пребывания рабочей точки левее порога снижает «затравочное» напряжение u_{Д 0}, с которого начинается рост домена при очередном заходе в область ОДП. В итоге при в ДГ обычно устанавливается режим ограни­ченного накопления объемного заряда (ОНОЗ) с близким к равномер­ному распределением поля . Соответственно ВАХ диода совпадает в этом случае с зависимостью .

Амплитудные характеристики весьма многообразны. Для ориентировки можно принять ( — «холодная» емкость ДГ при выключенном питании) в области существования статиче­ского домена с дальнейшим возрастанием до в районе максимума отдаваемой мощности.

Начиная с частоты 15 ГГц, наблюдается дополнительное увеличение , обусловленное проявлением инер­ционности междолинного перехода.

В «длинных» ( мкм) относительно низкочастотных ДГ первых лет освоения эффекта Ганна при возникал пролетный режим, заключающийся в периодическом зарождении на катоде дипольного домена, движении его через активный слой диода и втя­гивании в анод. Частота пролетных колебаний в основном опреде­ляется временем движения домена через активный слой и соответ­ственно оценивается как

(14.25)

где частота измерена в гигагерцах, a s — в микрометрах. В современ­ных ДГf_пр примерно соответствует середине рабочего диапазона. По

сравнению с ЛПД [см. (14.16)] активный слой ДГ примерно вдвое толще.