§ 3.5. Усилители на туннельных диодах

Основными достоинствами усилителей на туннельных диодах (УТД), обусловливающими их применение в радиоприемных устройствах СВЧ, являются достаточно низкий коэффициент шума при высокой широкополосное™, малые потребляемые мощности от источника питания и возможность реализации в гибридно-интегральном исполнении. В настоящее время УТД обеспечивают работу в диапазоне частот до 20 ГГц и при усилении 13—20 дБ характеризуются коэффициентом шума 5—6 дБ в полосе 10—15 % от несущей.

Эффект отрицательного сопротивления в УТД создается за счет выбора рабочей точки на падающем участке вольт-амперной характеристики туннельного диода (ТД), показанной на рис. 3.27, а. Значение отрицательного сопротивления в этом случае определяется наклоном вольт-амперной характеристики:

(3.85)

и составляет для реальных приборов несколько десятков ом.

Эквивалентная схема ТД предст лена на рис. 3.27, б. Параметры j С, г_ь, L_a, С_п означают соответствен отрицательное дифференциальное противление диода, определяемое ражением (3.85), емкость открыт p-n-перехода, сопротивление пот прибора, индуктивность ввода и кость корпуса, которой в ряде с чаев пренебрегают. Для устране1 низкочастотных релаксаций внутр нее сопротивление источника т ния ТД следует выбирать так, чт

R=Ri + r_t<]-R-l (3.

Обычно выбирают R < 0,3 |—Л Проанализируем основные се ства отражательного УТД, экву лентная схема которого показана рис. 3.28. Для определения уело устойчивой работы усилителя нео<! димо рассмотреть частотную зав! мость полного сопротивления < нального контура:

Очевидно, УТД будет работать устойчиво, если на частоте усиливаемого сигнала выполняются условия положительности общего сопротивления контура и его резонанса, т. е.

(3.88)

откуда

(3.89)

Подставляя (3.89) в (3.87), получаем условие устойчивой работы УТД на частоте сигнала:

(3.90)

Кроме того, для исключения высокочастотных релаксаций требуется выполнение условия R_ > R₀ + ' г,. Отсюда окончательно получаем

(3.91)

Коэффициент усиления УТД можно рассчитать по формуле (3.52) или (3.53). На резонансной частоте имеем

(3.92)

Если резонансная система УТД представляет собой одиночный колебательный контур, то, принимая на границах полосы пропускания Кр — = 0,5/Сро, найдем следующее выражение для полосы пропускания:

Для расчета коэффициента шума УТД определим основные источники шумов. Очевидно, ими являются дробовые шумы открытого р-д-перехода и тепловые шумы сопротивления потерь r_s. Считая, что УТД находится при комнатной температуре, и используя формулу Шотки для определения уровня шума открытого р-л-перехода, оценим уровень дробовых шумов с помощью генератора шумовой ЭДС, последовательно включенного в контур УТД:

Определяя по формуле Найквиста уровень тепловых шумов сопротивлений R₀, r_s и подставляя эти выражения в соотношение для коэффициента шума, окончательно получим

Отсюда следует, что коэффициент . шума УТД тем меньше, чем меньше значения / и л,.

Конструктивно УТД выполняют весьма разнообразно в зависимости от диапазона работы и требований, предъявляемых к ним по габаритам и массе. Один из примеров построения УТД в гибридно-интегральном исполнении показан на рис. 3.29, где элементы стабилизирующей цепи /?_ст, С_сг, L_CT обеспечивают устойчивость усилителя, a L и С_бл — его настройку на требуемую частоту,