книги из ГПНТБ / Дьяченко Б.М. Генераторы частотно-модулированных колебаний на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением [монография]

Для определения оптимальной девиации частоты Амопт>( точки зрения получения допустимого коэффициента нелиней­ ных искажении, по второй гармонике подставим (1.12) в вы­ ражение Aco = S,.i U о , предварительно решив (1.12) относитель­ но U e. После простых преобразований получим:

В этом выражении Slu есть крутизна модуляционной ха­ рактеристики, которая может быть получена дифференциро­ ванием формулы (1.11) для средней частоты.

Из формул (1.12) — (1.15) видно, что с увеличением амп­ литуд высокочастотного и модулирующего напряжений воз­ растет коэффициент нелинейных искажений т, крутизна модуляционной характеристики S,„ и девиация частоты Aw. Однако на у, S„, и Дш оказывает влияние и время существо­ вания домена т.

20

1.6. Расчет генератора частотно-модулированных колебаний на диоде Ганна

Целью расчета является определение оптимальной девиа­ ции частоты Дш0Пт с точки зрения получения допустимого коэффициента нелинейных искажений.

Исходные данные, необходимые для расчета, известны из паспорта на диод. К ним относятся: мощность диода Рц на­

икоэффициентом 11елинейпы-х^искажен11й Т-

Порядок расчета следующий:

I.Эквивалентное сопротивление нагрузки кристалла диода Ганна. При приемлемом к.п.д. сопротивление нагрузки мо­ жет колебаться в довольно широких пределах:

UM= Цц — U, sin о)-с.

4.Средняя емкость домена за период высокочастотных ко­ лебаний определяется по формуле (1.8).

5.Длина колебательной системы, подключенной к кон­ тактам кристалла диода с учетом его паразитных параметров, определяется из (1.4).

6.Амплитуда модулирующего напряжения U2 с учетом заданного '( определяется из (1.12);

21

Ф— (Фа — 4Arfj ) 2 Ua = ( U 0- U H) 2 ^

/. Частота co0 определяется из (1.3) заменой ю на сад

I l

u)0 = ( « ? - + - « 1 — «> з ) - f | “ 4 ” ( (" i + «>1 — ( и ^ ' («>2 1

22

женин Us = 1 0 мв. Эти результаты говорят о том, что при большем смещении (10 в) т меньше из-за большой амплиту­ ды СВЧ напряжения, а следовательно, меньше и средняя ем­ кость домена за период СВЧ колебания, а отсюда и меньше

так как больше т, а следовательно, больше и средняя емкость домена за период СВЧ колебаний. Коэффициент нелинейных искажений, как видно из кривых, растет с увеличением Us и достигает наибольшего значения (2°/«) при амплитуде моду­ лирующего напряжения Us = 10 мв.

Измерение Pi при различных напряжениях смещения Uo производилось по структурной схеме (см. рис. 4). При выклю­ ченном модулирующем напряжении СВЧ мощность через вен­ тиль, СВЧ переключатель и аттенюатор подавалась на изме­ ритель мощности М4-2. Из графика (см. рис. 5) видно, что мощность растет с увеличением напряжения смещения от 13,5 до 20,8 мвт при неизменном положении короткозамыкателя резонатора, соответствующего наибольшей отдаваемой мощности в нагрузку.

Таким образом, наблюдается полное соответствие между режимами работы генератора, от которых зависит т и Дш

24

ГЛ A BA II

ГЕНЕРАТОРЫ НА ЛАВИННО-ПРОЛ ЕТНЫХ ДИОДАХ

2.1.О б щ и е с в е д е н и я

В1959 г. советские ученые В. М. Вальд-Перлов и А. С. Та­ гер на основе обнаруженного ими эффекта возникновения от­ рицательного сопротивления при лавинном пробое германце вого диффузионного диода создали генератор СВЧ колеба­ нии. Эффект генерации возникал при условии, если германие­ вый диффузионный диод помещался в высокочастотный резо­ натор и к нему подводили обратное напряжение постоянного тока, превышающее на некоторую величину пробивное на­ пряжение. Было установлено, что генерация СВЧ колебаний

вприборе связана с процессом возникновения лавинных сво­ бодных носителей тока (электронов и дырок) под действием сильного электрического поля. Возникновение при этом отри­ цательного сопротивления в диапазоне СВЧ обусловлено за­ паздыванием высокочастотного тока диода относительно вы­ сокочастотного напряжения на нем, вызванного инерционно­ стью процесса ударной ионизации и конечным временем про­ лета носителей заряда через р—п переход. Поэтому такие ди­ оды были названы лавинно пролетными (ЛПД).

На статической вольтамперной характеристике лавинно-

пролетного диода (рис. 6, а) нет участков с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Эффект генерации объ­ ясняется тем, что активная составляющая полного сопротив­ ления ЛПД отрицательна только в узком диапазоне частот, диапазоне генерации прибора, а на остальных частотах со­ противление полож ителыго.

Свойства и эффективность работы ЛПД, как и всех полу­

26

Lp— индуктивность резонатора;

Rs— сопротивление потерь диода, включающее потери в толще кристалла и на вводах;

R -- активное сопротивление р—п перехода ЛПД'; X— реактивное сопротивление р—п перехода ЛПД).

Все исследования будем вести из предположения, что ре­ активное сопротивление р—it перехода имеет емкостный ха­

рактер. Эго возможно в том случае, когда полупроводниковый кристалл с активным р—п переходом устанавливается непо­ средственно в СВЧ резонатор без дополнительного патрона. Такая конструкция обусловливает минимальную величину па­

С (10) —емкость активной части р—п перехода ЛПД.

Из требований, предъявляемых к характеристикам гене­ раторов с частотной модуляцией, наиболее трудно реализо­ вать требования к величине коэффициента нелинейных иска­ жений модулирующего сигнала. Из-за паразитных влияний варактора на параметры колебаний автогенератора наиболее трудно свести к необходимому минимуму влияния на цент­ ральную частоту нелинейности емкости варактора.

Эти две основные величины будем анализировать в после­ дующих параграфах.

Емкость варактора может быть выражена формулой

где о — постоянная, пропорциональная площади р—п пере-

28

хода и зависящая от концентрации примесей и от диэлектрической проницаемости; ~*-

срк— контактная разность потенциалов.

Поскольку ®к Уу [J , то им можно пренебречь. Модулирующее напряжение будем подавать таким обра­

зом, чтобы оно было приложено только к варактору, тогда суммарное напряжение, действующее на нем,

Следует отметить, что обычно амплитуда ВЧ напряжения U] превышает амплитуду U на переходе, и нелинейными поправками за счет ВЧ сигнала пренебречь нельзя. Поэтому, подставив в (2.3) выражение (2.4) и напряжение Uicoswt, получим

ся первыми четырьмя его членами. При величинах «Ьм», близ­ ких к единице, ряд (2.6) будет сходиться быстрее. В обычном для практики интервале значений Ь-, < 0 ,3 можно ограничить­ ся 3-й гармоникой модулирующего напряжения. Действие на р—п переходе варикапа высокочастотного напряжения увели­ чивает эффективную крутизну вольтфарадной характеристи­ ки р—п перехода, и поэтому для получения заданной деви­ ации частоты требуется несколько меньшее 1к> •

Рассмотрим теперь зависимость ш(С„). Для этого в фор­ мулу (2.1) подставим выражение (2.5). Получим

2d