13.2.4 Автогенераторы гармонических колебаний на полупроводниковых приборах с «отрицательным» сопротивлением

Полупроводниковые приборы, у которых вольт – амперная характеристика имеет падающий участок, где используют в автогенераторах гармонических колебаний (туннельные и обращенные диоды, терморезисторы, тиристоры, стабилитроны). Наибольшее применение получили туннельные диоды.

а) б)

Рисунок 13.41- Положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике

туннельного диода (а) и схема автогенератора с туннельным диодом (б)

Колебания генерирует LC – контур, а туннельный диод выполняет роль элемента формирующего вместе с конденсатором С₂ синусоидальную форму этих колебаний.

Туннельные диоды в автогенераторах позволяют получить колебания с частотой до 100 ГГц, то есть, колебания диапазона СВЧ. Их применение объясняется малыми габаритами, небольшой массой и экономичностью.

13.2.5 Стабилизация частоты в автогенераторах

Воздействие внешних факторов на стабильность частоты проявляется в изменении ёмкости конденсаторов, индуктивности дросселей и сопротивления резисторов. Нестабильность частоты автогенераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности - рабочая (номинальная) частота автогенератора; - отклонение частоты от рабочей.

Коэффициент относительной нестабильности определяют по формулам:

1. Для LC – автогенераторов ;

2. для RC – автогенераторов .

Влияние температуры на изменение ёмкости , индуктивности и сопротивления оценивают температурным коэффициентом ёмкости ТКС = ; температурным коэффициентом индуктивности TKL = ; температурным коэффициентом сопротивления TKR = . Например, керамические конденсаторы имеют ТКС = ±(30-50)10^{-6 ;} TKL = ±(50-100)10^{-6 .} Для линейных углеродистых резисторов TKR= - (10^-3÷10^-5) , металлизированные резисторы широкого применения (MLT) имеют TKR = +10^{-4 .}

Для уменьшения нестабильности частоты применяют следующие способы её стабилизации: параметрическая стабилизация; кварцевая стабилизация.

Параметрическая стабилизация сводится к ослаблению влияния внешних факторов на частоту генерируемых колебаний к подбору элементов генератора, обеспечивающих минимальные изменения частоты (подбор элементов с положительным и отрицательным ТКС и TKR, применение специальных материалов для каркаса катушек, термостатирование). Параметрическая стабилизация частоты обеспечивает достижение нестабильности порядка 10^-5. Кроме того, автогенераторы экранируют, применяют стабилизаторы питающего напряжения.

Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов, что дает нестабильность частоты порядка 10^-8. Кварцевый резонатор представляет собой тонкую пластину минерала (кварца или турмалина) прямоугольной или круглой формы, установленную в держателе. Как известно, кварц обладает пьезоэффектом. При воздействии на пластину переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания (обратный пьезоэффект), которые приводят, в свою очередь, к появлению электрического заряда на её гранях. Таким образом, кристалл кварца (пластина) представляет собой электромеханическую систему, обладающую резонансным свойствами. Резонансная частота лежит в пределах от нескольких единиц кГц до 1000 МГц. Кварцевый резонатор оказывается эквивалентным электрическому колебательному контуру, а именно: последовательному соединению элементов . В такой цепи возможен резонанс напряжений с частотой

.

Добротность кварцевого резонатора достигает 10⁵ – 10⁶ , что на два – три порядка больше добротности контуров электрических. Так как кристалл кварца помещают в держатель, который обладает емкостью С₀ (≈10пФ), то в кварцевом резонаторе возможен и резонанс токов с частотой , где , причем , хотя их значения близки.

а – включение кварцевого резонатора как колебательного контура с параллельным питанием; б – включение кварцевого резонатора, как индуктивного элемента (с учётом ёмкости «р – n» перехода транзистора); в – включение кварцевого резонатора в мост Вина для достижения резонанса напряжений

Рисунок 13.42 - Схемы автогенераторов с кварцевой стабилизацией

Кварцевый резонатор может включаться в цепь последовательно как последовательный колебательный контур или как индуктивный элемент в трёхточечный автогенератор, или в мост Вина, в котором вместо одного из резисторов включен кварцевый резонатор, работающий в режиме резонанса напряжений. Последний автогенератор используется в прецизионных измерительных системах как эталонный генератор.

Для получения стабильных колебаний звуковой и инфранизкой частот служат камертонные и магнитострикционные вибраторы, выполненные из специальных сплавов. В СВЧ – генераторах в качестве стабилизирующих контуров применяют устройства, называемые полыми резонаторами, с добротностью 10⁴ -10⁵.

Добротность:

;

y_B- волновая проводимость;

g – активная проводимость.

190