книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

теля. При широкополосном усилении резонансную частоту обычно выбирают из условий со0 ^ (0,3 -Ь 0,5) со11ред и <о0 (0,2 0,3)(орет.

Иногда более удобным оказывается рассмотрение поведения полной входной проводимости, определяемой формулой

«VRpn и Ьд « соСрп.

Схемы и конструкции усилителей

В настоящее время наибольшее применение находят регенератив­ ные усилители на туннельных диодах, которые делятся на усилители проходного и отражательного типов. УТД в виде усилителей бегущей волны не получили пока распространения [10]. Резонансные системы регенеративных усилителей выполняются главным образом на рас­ пределенных элементах в виде коаксиальных, полосковых и объемных резонаторов. В отличие от параметрических усилителей УТД не тре­ буют специальной высокочастотной накачки; они имеют малые габа­ риты и вес и характеризуются малым потреблением энергии.

На рис. 4.21 изображена схема одноконтурного УТД проходного типа с параллельным включением диода в колебательный контур. Последний состоит из индуктивности L K и емкости С„, которая обра­ зуется емкостью перехода диода С;т , входной емкостью Свх после­ дующего устройства, а также емкостью источника сигнала и монтаж­ ной емкостью. Режим работы диода по постоянному току должен соот­ ветствовать окрестности точки перегиба (ib, иь) на статической ВАХ, где дифференциальное сопротивление диода по модулю | R b| минималь? но. Конденсатор в цепи питания Сбл исключает потери мощности вы­ сокочастотного сигнала. Как отмечалось в § 4.1, вход от выхода разде­ ляют ферритовыми вентилями коаксиального или волноводного типа; последние могут отсутствовать при небольшом усилении и при ста­ бильных параметрах источника сигнала и нагрузки.

В схеме УТД отражательного типа с циркулятором (рис. 4.22) между диодом и входом циркулятора Ц (сечение вв), в данном случае К-циркулятора, включают согласующий трансформатор СТ, обеспе­ чивающий заданный коэффициент усиления (отражения) в некоторой полосе частот. В общем случае этот трансформатор включает в себя: обычный трансформатор сопротивлений; цепь, компенсирующую ре­ активную составляющую общей проводимости диода, и нередко цепь стабилизации, обеспечивающую устойчивость усилителя за пределами его полосы пропускания. Трансформатор сопротивлений согласовывает волновое сопротивление Ц с входным сопротивлением усилителя. Компенсирующая цепь представляет собой в простейшем случае индук-

140

Резистор 7 вместе с двумя четвертьволновыми отрезками образует один из типов стабилизирующей цепи [10].

В упрощенной волноводной конструкции УТД (рис. 4.23, б) диод помещен в волновод, который соединяется с циркулятором через плав­ ный переход 2, служащий трансформатором сопротивлений. Настрой­ ка осуществляется подвижным поршнем 3. Разъем 4 служит для пода-

Рис. 4.23

чи напряжения смещения через резистор 5. Короткозамкнутый чет­ вертьволновый отрезок радиальной линии 6 вместе с сопротивлением 5 и четвертьволновым отрезком коаксиальной линии образует другой, отличный от предыдущего, тип стабилизирующей цепи.

Основные электрические характеристики усилителей

В качестве основных характеристик усилителей рассмотрим их усилительные и шумовые свойства и устойчивость работы.

Коэффициент передачи. Первоначально рассмотрим УТД проход­ ного типа, эквивалентная схема которого изображена на рис. 4.24, а. В ней диод представлен параллельным соединением отрицательной проводимости gn и емкости Сд, включенной в результирующую емкость контура С. Коэффициент передачи по мощности характеризуется от­

иноминальная мощность источника сигнала соответственно. Нетрудно заметить сходство рассматриваемой схемы, представлен­

ной также в виде эквивалента с генератором тока на рис. 4.24, б, с эк­ вивалентной схемой входной цепи, имеющей двойную автотрансфор­ маторную связь (см. рис. 2.10). Это позволяет представить коэффициент передачи по мощности на резонансной частоте в виде

142

Схема, приведенная на рис. 4.24, отличается от схемы, приведенной па рис. 2.10, наличием отрицательной проводимости, за счет которой в контуре компенсируются потери как собственные, так и вносимые

Рис. 4.24

цепями источника сигнала и нагрузки. Эта проводимость характе­ ризует степень регенерации контура; коэффициент регенерации пред­ ставим в виде

Очевидно, максимальное значение модуля отрицательной проводи­ мости (g-д), при котором еще возможен режим усиления, определяется условием отсутствия самовозбуждения

Для обеспечения режима бегущих волн в приемной фидерной си­ стеме, т. е. для получения номинальной мощности сигнала на входе усилителя, необходимо выполнение условия

^ 1СОГЛ§С = ttl2gnx ёк \8я\ ДСдП.

143

Отсюда получаем значение согласованного коэффициента трансфор­ мации ш1согл в виде

При заданной полосе пропускания УТД и согласованном коэффициен­ те т 1СОгЛ, коэффициент трансформации т2согл получается равным

Таким образом, коэффициент передачи по мощности с учетом (4.62)

Эффективность усилителя характеризуют площадью усиления,

выражаемой произведением ~]fКр„П. В данном случае она равна

*

«-I»)

яСк

Наибольшая полоса пропускания, называемая критической, полу­ чается при значении Кр0 — 1; ее численное значение определяется пра­ вой частью (4.65) при Крл — 1.

Исследования показывают, что максимальная площадь усиления обеспечивается при некотором рассогласовании на входе усилители, что обусловлено наличием в схеме усилителя как бы двух источников сигнала —источника сигнала Е с и туннельного диода. Указанному ре­ жиму работы соответствует условие m]gc — mlgBX, при выполнении которого коэффициенты трансформации для заданной полосы пропуска­ ния оказываются равными

Если коэффициент передачи по мощности и полосу пропускания выразить через соответствующие параметры входной цепи и коэффи­ циент регенерации усилителя, то можно получить выражение

показывающее, что в простейшем случае площадь усиления усилителя не зависит от степени его регенерации.

В усилителе отражательного типа, показанном на рис. 4.22, ко­ эффициент передачи по мощности определяется при идеальном цирку­ ляторе отношением мощности отраженной волны к мощности падающей

144

волны. В общем случае отношение этих мощностей равно квадрату мо- - дуля коэффициента отражения и выражается известным соотношением

где Гу — коэффициент отражения усилителя по напряжению; g, Y — волновая проводимость Ц и полная эквивалентная проводимость ре­ зонансной системы соответственно (g — H W ,Y — 1/Z).

На резонансной частоте выражение (4.69) с учетом коэффициента трансформации может быть представлено в виде

Эквивалентная проводимость контура с учетом потерь, вносимых циркулятором, равна g 3 = nfg-\-gK—|£ д |. Поэтому, используя соот­ ношение для полосы пропускания, коэффициент трансформации пред­ ставим в виде

Отсюда для коэффициента передачи по мощности получим выражение

согласно которому при одинаковых полосах пропускания коэффициент передачи по мощности УТД отражательного типа в четыре раза больше коэффициента передачи по мощности УТД проходного типа, определя­ емого (4.67).

При пренебрежении сравнительно небольшими собственными -по­ терями в резонансном контуре эффективность УТД отражательного типа будет определяться выражением

позволяющим выбрать тип диода для усилителя.

При работе усилителей с реальными циркуляторами в первую оче­ редь учитывают потери части энергии при прохождении ее в прямом направлении, а также возможность отсутствия согласования сопротив­ лений или проводимостей в плечах циркулятора. В этом случае коэф­

где Гс, f y, Гн — коэффициенты отражения в плечах циркулятора.

145

Шумовые свойства усилителей. Первоначально рассмотрим шум туннельного диода. Он складывается из дробового шума, обусловлен­ ного протеканием токов через р-п переход диода, и теплового шума сопротивления потерь гд, причем преобладающее значение имеет дро­ бовой шум. За счет утечки тока через переход возникает также мер­ цательный шум; однако этот шум можно не учитывать, поскольку его интенсивность уменьшается с повышением частоты по закону 1//.

Таким образом, действие шума диода можно отобразить двумя эк­ вивалентными генераторами (рис. 4.25, а), средние квадраты тока ко­ торых равны

Действие шума диода как активного элемента удобно отобразить дру­ гой эквивалентной схемой (рис. 4.25, б). В ней шум теплового и нетеп­ лового происхождения диода создается его эквивалентной проводи­ мостью £д, и средний квадрат тока эквивалентного генератора равен

В этом случае следует эквивалентную схему па рис. 4.25,а привести, используя теорему об эквивалентном генераторе, к эквивалентной схеме на рис. 4.25, б, учитывая при этом статистическую независи­ мость составляющих шума диода (4.75). Расчеты показывают, что от­ носительная шумовая температура диода /д будет определяться при некоторых допущениях выражением

относительная шумовая температура диода ta зависит от выбора ра­ бочей точки на статической ВАХ, материала, из которого изготовлен

148

причем r общем случае температура резонатора T v (эквивалентного контура) может отличаться от температуры окружающей среды (/р^1 ). Расчет),I показывают, что на частотах, близких к рабочей, на-которых источник сигнала хорошо согласован с нагрузкой, а усиление достаточ­ но велико, коэффициент шума усилителя равен

Она используется для оценки предельно достижимого значения ко­ эффициента шума, определяемого только дробовым шумом тока, про­ ходящего через переход диода. Произведение / д| R pn | в (4.77) можно принять за меру шумовых характеристик диодов.

Устойчивость. В общем случае УТД может работать устойчиво при выполнении условий, обеспечивающих устойчивость рабочей точки на статической ВАХ диода, условий отсутствия паразитных колебаний, сохранения основных параметров усилителя при нестабильности на­ пряжения источника смещения, источника сигнала, а также при изме­

Рис. 4.27 Рис. 4.28

нении температуры и влажности. Исследование устойчивости проводят' в широкой области частот—от постоянного тока до резистивной пре­ дельной частоты сопред, т. е. в области частот, где дифференциальная проводимость диода gpn отрицательна. Устойчивая рабочая точка на ВАХ и отсутствие синусоидальных и релаксационных паразитных коле­ баний обеспечиваются при определенных соотношениях между пара­ метрами эквивалентной схемы диода и параметрами внешней элект­

в ней г, L, С — общее активное сопротивление, общая индуктивность и общая емкость соответственно.

148