книги из ГПНТБ / Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике

ограничивает их применение сравнительно низкочастотной областью (/< (0,2 ч - 0,5) Мгц): Коэффициент усиления по мощности для полевых транзисторов, включенных по схеме с общим истоком, может достигать на низких частотах величины порядка К (Р)= Ю3, а для специальных полевых транзисторов с изолированными зат­ ворами К(р) > 103.

Рис. 92. Различные способы включения полевых транзисторов

Включение полевого транзистора в схему можно осуществить тремя способами — с общим истоком, с общим стоком, с общим зат­

1. Схема с общим истоком

Данная схема обладает малым уровнем собственных шумов при малом смещении на затворе, имеет высокое входное сопротивление и достаточно большой коэффициент усиления по напряжению, равный

< 5 Л 6 >

где р = s0ra — коэффициент усиления транзистора; гд — его вы­ ходное динамическое сопротивление; RH— сопротивление нагруз­ ки; s0 — крутизна.

2, Схема с общим стоком

5 Некоторые типы сплавных полевых транзисторов имеют крутизну 0,5— 1,5 мА/В, I = (50 ч 10)жЛ и Uц _ с = (25ч 35) В.

201

Рис. 93. Схема предусилителя с высоким входным сопротивлением, собранная на полевом транзисторе

Рис. 95. Принципиальная схема высокочастотного генератора на полевом транзисторе

а выходное сопротивление

т. е. данная схема эквивалентна обычному катодному повторителю.

3. Схема с общим затвором

Рассмотрим теперь несколько Конкретных схем с применением полевых транзисторов.

202

На рис. 93 [30] приведена схема входного каскада усилителя с высоким входным сопротивлением, который может применяться для измерения в высокоомных цепях, а также работать в качестве усилителя сигналов пьезодатчиков. Этот каскад имеет коэффициент

Полевые транзисторы могут быть использованы и для создания генераторов высокой частоты. Схема генератора на частоту/= (10 — -^15) Мгц приведена на рис. 95 [30].

Одной из особенностей полевых транзисторов является зависи­ мость емкости затвор — сток от величины приложенного к ней на­ пряжения смещения,

Как уже отмечалось выше, ввиду отсутствия рекомбинационных шумов в полевых транзисторах последние обладают низким уровнем шума, что делает целесообразным их применять в качестве нелиней­ ных элементов параметрических усилителей с использованием пере­ хода затвор — сток в качестве нелинейной емкости.

§ 5. Схемы на туннельных диодах

Туннельные диоды характеризуются наличием падающего участ­ ка на вольт-амперной характеристике (рис. 96), что означает существование отрицательного дифференциального сопротивле­ ния.

Отрицательное дифференциальное сопротивление может играть роль регулятора, изменяющего поступление энергии в нагрузку от внешнего источника. Рассмотрим действие такого регулятора на примере схемы, изображенной, на рис. 97 [31].

Рис. 96. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

' Рис. 97. Эквивалентная схема усилителя на туннельном диоде

203

X.■А-

Мощность, отдаваемая генератором в цепь нагрузки, равна

(5.22)

где — Rn — величина отрицательного сопротивления.

Отсюда следует, в частности, что при (RH+ R r)-*-1— /?д | мощ­ ность, передаваемая генератором в нагрузку, будет увеличиваться. Коэффициент усиления такой схемы определяется как отношение вносимой в нагрузку мощности, при наличии в цепи отрицательного сопротивления, к максимально возможной мощности, передаваемой

Если в качестве нагрузки включен резонансный элемент, на­ пример колебательный контур, то такая схема будет работать как резонансный усилитель.

В силу специфики схем на туннельных диодах, которые представ­ ляют -собой двухполюсники, входная и выходная цепи ничем не

204

развязаны. Поэтому последовательное соединение двух или не­ скольких усилительных каскадов в диапазоне звуковых и радио­ частот практически невозможно0.

На рис. 98 [31 ] приведена схема усилителя на туннельном дио­ де, а на рис. 99 — схемы генераторов с различным включением туннельного диода.

Каждая из этих схем обладает своими особенностями. Так, мак­ симальную амплитуду сигнала имеет «параллельный генератор», но при этом имеют место значительные искажения генерируемого

тельный» генератор является наиболее стабильным. Его частота определяется формулой

Для устойчивой работы схем на туннельных диодах величина R о, определяющая смещение и шунтирующая диод, должна лежать

220 витков провода ПЭВ 0,13 (с отводом от 18 витка), намотанных

Рис. 100. Схема в. ч. генерато­ ра на туннельном диоде

на четырехсекционный полистироловый каркас с ферритовым сер­ дечником типа Ф 1000 длиной 12 мм и диаметром 2,8 мм. С целью стабилизации напряжения источника питания в схему включен германиевый диод типа Д11 (в прямой полярности), что обеспечи­ вает нормальную работу схемы при изменении напряжения питания

0 В СВЧ-диапазоне в качестве развязывающих элементов применяют феррито' вые циркуляторы.

205

от 1 до 1,5 В. Амплитуда генерируемого сигнала частоты 465 кгц равна примерно 1 В.

Рассмотрим более подробно работу схем с туннельными диодами, которые можно разбить на два типа — это так называемые пере­ ключающие схемы, которые обладают двумя стабильными (устой­ чивыми) состояниями, и схемы, работающие только в области от­ рицательных сопротивлений характеристики туннельных диодов, на основе которых могут быть созданы генераторы и усилители электрических сигналов.

Для работы схемы в режиме переключения (рис. 101 [33]) не­ обходимо, чтобы выполнялось условие R s> |гд |, где |гд | —■модуль отрицательного сопротивления туннельного диода. Это соответст­ вует случаю, когда вольт-амперная характеристика туннельного

равновесия, поскольку именно она лежит на отрицательном склоне характеристики.

Другой тип схемы может быть реализован, если нагрузочная

прямая с наклоном ДД1 пересекает вольт-амперную характеристику туннельного диода только в одной точке в области его дифферен­ циального отрицательного сопротивления (рис. 102).

При этом схема может работать либо как усилитель, либо как генератор.

Рассмотрим схему (рис. 103, а), в которой L — индуктивность диода и схемы, Rac и Rdc — соответственно эквивалентные после­ довательные сопротивления схемы по переменному и постоянному току.

Для того чтобы данная схема работала по второму типу (т. е. в ре­ жиме усилителя или генератора), необходимо, чтобы полное ее сопротивление по постоянному току (с учетом сопротивления источ­ ника смещения) было меньше, чем |гя |, т. е. Rdc<Z |гд |.

часть последовательного импеданса по переменному току (потери)) будет отрицательным, то схема будет работать как генератор. Для час­

тот ш<сйКр=(1/Сі/ R R s ) (У^І—R / ( R s + R v ) i где RK—эквивалентное сопротивление контура, в который включен туннельный диод, схема работает как релаксационный генератор несинусоидальных импуль­ сов, а для со = сокр схема генерирует синусоидальные колебания. (Для со>сокр колебания невозможны, поскольку входное сопро­ тивление туннельного диода уже не будет отрицательным7.)

Для работы схемы в качестве усилителя необходимо, помимо вы­ полнения условия Rda<Z |гд I, чтобы полное последовательное

7 Так, критическая частота для собственно диода составляет обычно величину порядка от долей до единиц гигагерц; для схем с туннельными диодами она мо­ жет быть значительно ниже.

А

^Наклон ^1/RSI

к

Рис. 101. «Переключающая» схема на туннельном диоде (я) и рабочий участок ее вольт-амперной характеристики (б)

Рис. 102. «Усилительная» схема (а) и ее нагрузочная характеристика (б)

L

0,006 мнгн

'I

R-IOM

К

-C D —

б

Рис. 103. Эквивалентные схемы усилителей на туннельном диоде

сопротивление по переменному току (сопротивление потерь) было положительным, т. е. R ac> |гд |.

Следует отметить, однако, что практически выполнить условия, при которых схема с туннельным диодом работает как генератор, существенно легче, чем выполнить условия для стабильной работы схемы в качестве усилителя. Более подробно об этом будет сказано несколько ниже.

Рассмотрим эквивалентную схему туннельного диода, приведен­ ную на рис. 103, б [33]. Ее полный импеданс можно записать в виде

Приравнивая к нулю действительную и мнимую части импеданса Z, получим уравнения для определения критической сос и резонанс­ ной сор частот соответственно. Решая эти уравнения относительно сос и Юр, находим:

частоте сор будет отрицательным, что может привести к возникнове­ нию высокочастотных колебаний в схеме.

Наличие высокочастотных колебаний можно определить по появ­ лению разрывов в вольт-амперной характеристике туннельного диода, которая получается при помощи схемы, приведенной на рис. 104. Типичный вид такой характеристики для режимов пере­ ключения и генерации приведен на рис. 105 [33].

Частота в. ч. колебаний определяется параметрами эквивалент­ ной схемы туннельного диода с учетом индуктивности и емкости всей схемы [33—36]. Для получения устойчивой работы схемы (без в. ч. осцилляций) величина Rs должна быть не только меньше,

из соотношения (5.25) для возможной частоты генерации юг. По­

соединительных проводов. Так, для схемы рис. 104 при Rs = 75 Ом возбуждение в. ч. колебаний в схеме будет иметь место при вклю­ чении индуктивности L ~ 0,5 мкГ последовательно с диодом, либо шунтированием диода емкостью С ~5 пФ.

208

I

ггов

Рис. 104. Схема подключения усилителя на туннельном диоде к осциллографу для наблюдения вольт-амперных характеристик

Рис. 105. Вольт-амперные характеристики схемы на туннельном диоде при р кюте в режиме переключения (а) и генерации (б)

Рис. 106. Схема высокочастотного резонансного усилителя на туннельном диоде

Таким образом, условия стабильности схемы для ее работы в ка­ честве усилителя можно записать в виде

и

(5.29)

где F (Ѳ) = (1-^-3), в зависимости от отношения собственного поло­ жительного сопротивления р диода к модулю его отрицательного сопротивления |лд |8, или в несколько ином виде

с учетом его внутреннего активного (положительного) сопротивле­

такого усилителя равен примерно 40 дб, а полоса пропускания 2А/ = 0,19 Мгц.

матора с параллельно включенной ей емкостью диода Сд — 40 пФ

Для предотвращения возникновения высокочастотных колеба­ ний в цепи питания величина блокировочной емкости С выбирается максимально большой9. С учетом паразитной индуктивности L 0 в цепи питания для предотвращения генерации необходимо, чтобы C0> L 0/p0 (гд|. Кроме того, как уже отмечалось выше, необходимо также, чтобы РоСкдІРезультирующая проводимость генератора сигнала и нагрузки выбирается такой, чтобы, во-первых, обеспе­ чить согласование сопротивлений генератора, нагрузки и отрица­ тельного сопротивления диода и, во-вторых, чтобы подавить коле­ бания в схеме на собственной резонансной частоте контура (LC)- */*.

Приведем некоторые полезные формулы для расчетов резонанс­ ных усилителей на туннельных диодах. Пусть К(Р) — коэффициент усиления мощности, Gg, GL и G— проводимости генератора сигнала, нагрузки и диода, Ge — эквивалентная проводимость шумов диода

При этом, однако, необходимо, чтобы собственная индуктивность этой емкости была значительно меньше, чем Цкр^|гд|'--Сд .

210