книги из ГПНТБ / Дьяконов В.П. Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах

Участок, соответствующий отрицательной проводимо­ сти, при -больших напряжениях на базе можно сформи­ ровать, включив сопротивление R3 в эмиттерную цепь (рис. 1.25,в). Осциллограммы типичного семейства ВАХ транзистора П423, параметры которого близки к расчет­ ным, приведены на рис. 1.26.

Ш Ш Ш Еііі

В БКШШать '

B S S S S S P

" 1 НВН

Рис. 1.28. Осциллограммы N-образных В А Х при С/,=ѵаг (а) , RK = « -vtr (ff) в Д э=»ѵаг (s ) .

Масштаб 0,1 В/дел по горизонтали, 50 мкА/дел по вертикали для осциллог­ раммы (а) и 100 мкА/дел для других осциллограмм.

Осциллограммы на рис. 1.26,а сняты для R3= 0 и RK= 5 к О м при U0, меняющемся через 3 В от U0—30 В

для ВАХ с минимальным током в максимуме. Осцилло­ граммы рис. 1.26,6 сняты при UQ= 45 В, і?э= 0 и RK, ме­ няющемся через 1 кОм от 7?к=1кОм для ВАХ с макси­

мальным током в максимуме. Осциллограммы на рис. 1.26,в сняты при и 0= 55 В, iRK—3 кОм и R3, меняющим­ ся через 100 Ом от R3—50 Ом для ВАХ с наименьшим

уровнем напряжения.

Сопоставление этих осциллограмм с вычисленными ВАХ показывает, что расчет как в качественном, так и в количественном отношении хорошо согласуется с экс­ периментом.

Приведенные данные позволяют сделать некоторые выводы об особенностях JV-образной ВАХ лавинного транзистора. Прежде всего следует отметить, что в от­ личие от ВАХ туннельного диода, /Ѵ-образная ВАХ ла­ винного транзистора полностью управляема, причем ее форма и параметры могут изменяться в широких преде­

50

лах. Так, значение тока в максимуме может меняться от единиц миллиампер до единиц микроампер. Отношение тока в максимуме к току в минимуме может доходить до нескольких сотен. Интересна возможность значитель­ ной растяжки участка отрицательной проводимости с помощью сопротивления R3.

Наличие управляемой //-образной ВАХ лавинного транзистора существенно расширяет возможности его применения. В частности, на лавинных транзисторах мо­ жет быть выполнен ряд схем, идентичных по принципам построения схемам на туннельных диодах: генераторов синусоидальных колебаний, индуктивных релаксаторов, переключающих схем и др. С помощью //-образных входных ВАХ может быть рассчитана чувствительность импульсных схем к запуску.

АНАЛИЗ' ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАВИННОГО ТРАНЗИСТОРА В ИМПУЛЬСНЫХ

2.1. Эквивалентная схема лавинного транзистора на унастке, соответствующем отрицательному сопротивле­ нию, при включении со стороны коллектора

Схема на рис. 2.1 [26, 28] является основной для большинства устройств, выполненных на лавинных тран­ зисторах. В ней ток в цепи .базы задается не от источ­

51

Зависимость u^(J3) напряжения на эмиттертюм пере­ ходе от тока эмиттера нелинейна, и при открытом эмтіттсрном переходе напряжение на .нем слабо меняется при

можно считать, что ток базы, соответствующий заданной рабочей точке, на участке отрицательного сопротивления постоянен и равен

Разобьем ВАХ на два участка. Для участка выше течки максимума ВАХ с учетом лавинного умножения носителей можно записать

где .знак (—) перед Ы учитывает запирающую поляр­ ность тоіка / о- Для участка ВАХ ниже точки максимума

(область малых токов ІК^ І б) эмиттернып переход зак­ рыт. айО'И

Рассмотрим малосигнальные эквивалентные схемы лавинного транзистора, характеризующие работу уст­ ройства на участке ВАХ, соответствующем дифференци­ альному отрицательному сопротивлению {26, 27, 99]. В этом случае вместо (2.4) воспользуемся операторным выражением

и а0 — низкочастотное значение a(w^-O), wT— предель­

ная круговая частота в схеме с общим эмиттером, об­ ратная среднему времени пролета тт; s — оператор.

Подставив (2.7) в (2.6) и заменив s на d/dt, получим

52

Рис, 2.2. Эквивалентные схемы транзистора прн включении его со стороны коллектора.

ные положительное статическое нелинейное ■сопротивлемне Rc и отрицательную емкость С0 (Со^О, так как на рассматриваемом участке ВАХ d U v ^ j d l к ^ 0 и аоМ >1).

Для анализа устойчивости важны эквивалентные схемы на переменном токе. іВ этом случае д и кэ/дІкЯФ 0 опреде­

ляет дифференциальное сопротивление лавинного тран­ зистора, которое находится из (2 .1 1 ) при UKafnUK

53

Величина R<jC0 равна 'постоянной времени транзисто­ ра в схеме с общим эмиттером т^м с учетом влияния

умножения носителей в коллекторном переходе

и м М 2(1— 1/АГ) "

Таким образом, эквивалентная схема на переменном токе состоит из параллельно включенных отрицательно­ го дифференциального сопротивления R0 (так как дМ/дик> 0 и <хоМ>1) и отрицательной емкости С0.

Проделанный анализ учитывает инерционность ла­ винного транзистора, соответствующую только частот­ ной зависимости а. Другой причиной инерционности, ко­ торую следует учитывать, является влияние емкости Скб коллекторного перехода. Поскольку эта емкость создает обратную связь, то ее действие эквивалентно влиянию некоторой составляющей выходной емкости См, усред­ ненное значение которой

Так как аоМ>1, то емкость См также отрицательна. Таким образом, полная эквивалентная схема, учитыва­ ющая оба механизма инерционности, принимает вид, показанный на рис. 2.2,6. Полная отрицательная емкость лавинного транзистора

Ст = С0 + ^ = [ ( « 0 M - l ) w TЯо]-‘ - Скб/(а0 М - 1). (2.20)

54

Рассматривая импеданс схемы рис. 2.2,6, запишем

Из выраженияI(2 .2 1 ) следует, что эквивалентную схе­

му лавинного транзистора можно представить и в виде последовательно соединенных отрицательного сопротив­ ления R3 и положительной индуктивности Lg (рис.2 .2 ,в).

Такая схема соответствует традиционной эквивалентной схеме приборов с 5-образной ВАХ [3], но менее удобна для анализа из-за частотной зависимости эквивалентных параметров Rg и La. На низких частотах (иу-Слуг)

Используя выражения (2.20) и (1.51) нетрудно по­ строить зависимость Ст от тока коллектора (рис. 2.3) при

где С'б — емкость коллекторного перехода при некото­ ром напряжении ІУ'б , а — показатель степени, завися­ щий от типа транзистора.

5 5

Из рис. 2.3 следует, что зависимость СТ= ( ( І К) близка к линейной. По мере роста тока и при увеличении R$ наблюдается преобладающий рост емкости С0 по срав­

нению с емкостью См. Экспериментально емкость Ст от­ считывалась в момент возникновения .колебаний на уча­ стке ВАХ, соответствующем отрицательному сопротив­ лению при ее компенсации положительной емкостью.

Из приведенных рассуждений видно, что учет инер­ ционности лавинного транзистора с помощью эквива­ лентной отрицательной емкости удобен для -проведения измерений и анализа устойчивости. При измерении Ьэ необходима специальная аппаратура, работающая в ши­ роком диапазоне частот.

2.2. Устойчивость и режимы, работы основной переключающей схемы на лавинном транзисторе

В зависимости от выбора рабочих точек на различ­ ных участках ВАХ и характера их устойчивости основ­ ная схема рис. 2 . 1 может работать в различных режи­

мах. Для импульсных устройств представляют интерес следующие режимы работы схемы: 1 ) двухстабильный

(триггерный) [26, 37, 107], 2) ждущий релаксационный [28, 31, 39, 40, 76, 78], 3) автоколебательный релаксаци­ онный [28, 30, 45, 48, 49, 73], 4) режим схемы временной задержки [42, 54, 46], 5) режим нелинейного управляе­ мого сопротивления [1 0 0 —1 0 2 ].

От характера устойчивости рабочих точек зависит не только режим работы, но и принципиальная возмож­ ность -построения тех или иных устройств на лавинных транзисторах. Поэтому вопрос об устойчивости рабочих точек весьма важен [26, 99].

Рабочая точка, выбранная

5Ü

Рассмотрим схему на рис. 2.4, для которой іпринято /?н=^к=0. 'Кроме того, здесь емкость С включает в се­ бя емкость См, емкость нагрузки С„ и 'Паразитную ем­ кость монтажа. Транзистор представлен двухполюсни­ ком S, свойства которого описываются уравнением (2.9). Для схемы рис. 2.4 справедливы нелинейные уравнения:

решение которых в общем случае связано с большими трудностями. Однако при анализе достаточно ограни­ читься рассмотрением устойчивости только особых то­ чек, соответствующих пересечению ВАХ с нагрузочной прямой. Поскольку рассматривается устойчивость в ма­ лом, то обозначим исходные координаты таких точек по напряжению и току через U0 и IKR и придадим им не­ большие приращения ѵ и і. Тогда

Для особых точек можно записать

где, как и ранее, Мо есть М для фиксированного значе­ ния Um=<Ü0.

Подставляя, с учетом этих условий, (2.28) и (2.29) в (2.26) и (2.27) и учитывая разложение в ряд Тейлора зависимости

получаем систему линейных относительно малых прира­ щений V и і дифференциальных уравнений

57

Характеристическое уравнение этой системы имеет вид

Корни характеристического уравнения равны

Устойчивость рабочей точки возможна, если действи­ тельная часть обоих корней характеристического урав­

Первое из них является условием устойчивости по пос­ тоянному току, а второе — по переменному. Объединяя эти условия, получаем условие абсолютной устойчивости рабочей точки

откуда следует

где Lj« — значение L3 при Ст— Са (ЬШа = —Ca Rl).

В зависимости от положения нагрузочной прямой от­ носительно ВАХ лавинного транзистора и устойчивости точек их пересечения возможны различные режимы ра­ боты. Подробно эти режимы рассматриваются при ооти-

58