Файл: Слабкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике.pdf

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