Покровский / УМК ОРЭ ч.1(для студентов) / Радиоэлектроника(часть1) / Ответы(часть1)№34

Автогенераторы - 3 -

ГЕНЕРАТОРЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Генераторы сверхвысоких частот (СВЧ-генераторы) применяют в диапазоне частот от 1 до 50 ГГц. Рассмотрим полупроводниковые генераторы и оценим их характе­ристики.

Автогенераторы на элементах с падающим участком вольт-амперной характеристики

Если в дециметровом и длинноволновой части сантиметрового диапазонов используются рассмотренные транзисторные автогенераторы, то в короткой части сантиметрового и миллиметровом диапазонах широко применяются диодные генераторы. Диоды, используемые в этих генераторах, обладают на рабочих частотах отрицательным сопротивлением. К таким диодам относится туннельный диод (ТД), имеющий вольт-амперную характеристику с падающим участком, а также лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды с междолинным электронным переходом (МЭП-диоды), часто называемые диодами Ганна (ДГ) по имени американского ученого, создавшего их в 1963 г. Туннельный диод был открыт японским физиком Эсаки в 1959 г., ЛПД — советским физиком, лауреатом Ленинской премии А.С. Тагером с сотрудниками в 1964 г.

Проанализируем работу генератора сверхвысоких частот на туннельном диоде. На рис. 5.12 показана вольт-амперная характеристика туннельного диода, представляющая зависимость его прямого тока от положительного на­пряжения смещения. На падающем участке а - б дифференциальное сопро­тивление туннельного диода отрицательно:

где γ - угол наклона касательной к кривой ВАХ i = f(и) в рабочей точке Р, когда и = U₀.

При подключении туннельного диода с подобной вольт-амперной харак­теристикой к колебательной цепи возможна генерация высокочастотных колебаний и по­лученная схема превращается в автогенератор с внутренней обратной связью.

Упрощенная схема автогенератора на тун­нельном диоде показана на рис. 5.13, а. В этой схеме колебательная цепь состоит из фи­зической индуктивности L и собственной (как правило) емкости туннельного диода C₀; r_к - эквивалентное сопротивление потерь в диоде и элементах контура; E₀ - напряжение смещения на туннельном диоде. Блокировочные дроссель L_бл и конденсатор C_бл (C_бл << C₀) препятствуют протеканию тока высокой частоты через цепи посто­янного тока. Схема замещения колебательного контура генератора представлена на рис. 5.13, б.

Контур шунтирован отрицательным дифференциальным сопро­тивлением туннельного диода, по отношению к которому переменное напряже­ние u_к, действующее на колебательном контуре, можно рассматривать как ЭДС. В результате этого действия через диод протекает ток i_д = − u_к/R_.

Токи в ветвях контура i_д, i_C, i_L, и колебательное напряжение и_к связаны между собой соотношениями (в них аргумент t для упрощения опущен), оп­ределяемыми первым и вторым законами Кирхгофа и законом Ома:

Для рассматриваемой схемы в качестве искомой можно выбрать любую функцию. Пусть определяется ток i_L в индуктивной ветви колебательного контура. Исключив из первого уравнения (5.25) ток i_C, с помощью второго и третьего соотношений находим:

В то же время ток диода

Приравняв выражения для тока диода в двух последних выражениях, по­сле группировки, слагаемых и несложных выкладок, получим следующее дифференциальное уравнение:

Определим условия возникновения, нарастания и затухания высокочастот­ных колебаний в генераторе на туннельном диоде. Для того чтобы в колеба­тельной системе возникли высокочастотные колебаниями их амплитуда нараста­ла, коэффициент при первой производной в (5.28) должен быть отрицательным. Отсюда находим условие возникновения колебаний в автогенераторе

В двух последних соотношениях |R_| — абсолютная величина отрицательно­го сопротивления туннельного диода, зависящая от амплитуды колебаний (рис.5.14); R₀ - резонансное сопротивление, Q - добротность, - харак­теристическое сопротивление колебательного контура.

Когда сопротивление туннельного диода |R_| = |R_(U_к)| увеличится до

в автогенераторе установится стационарная амплитуда колебаний.

Стационарный режим колебаний будет устойчив, если в точке пересечения горизонтальной линии R₀ кривая сопротивления |R_(U_к)| имеет положительный наклон.

С физической точки зрения работу такого генератора можно трактовать сле­дующим образом: отрицательное сопротивление R_ туннельного диода вносит в контур генератора больше энергии, чем выделяется энергии в сопротивлении нагрузки, которым в данном случае является сопротивление r_к.

Туннельный диод - маломощный полупроводниковый прибор, через кото­рый в рабочем режиме при выборе рабочей точки на падающем участке ВАХ протекает ток порядка i₀ = 1 мА. При этом генерируемая мощность, выделяющаяся в нагрузке, состав­ляет 20...30 мкВт. Однако в ряде случаев этой мощности достаточно.

Литературный источник: [1] страницы 332-334.