ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 304
Скачиваний: 0
Наряду с рассмотренными однокаскадными параметрическими усилителями на практике находят применение двух- и даже трехка скадные параметрические усилители. Такое каскадирование позво ляет снизить усиление каждого каскада, расширить полосу про пускания и повысить устойчивость усилителя в целом. Наибольшее распространение получили многокаскадные усилители при включении каждого каскада через циркулятор «на отражение». Как уже отмеча лось в § 4.1, такие устройства обладают повышенной надежностью.
4.3.Усилители на туннельных диодах
Врегенеративных усилителях на туннельных диодах (ТД) уси ление сигнала достигается за счет вносимого в колебательную систему (контур, резонатор) отрицательного сопротивления или отрицатель ного затухания. Отрицательное сопротивление обусловлено особен ностью статической вольт-амперной характеристики диодов, имеющей
при определенных напряжениях падающий участок. Это связано с особым механизмом преодоления носителями тока электронно-дыроч ного перехода, называемым «туннельным эффектом» [7, 81. ТД как ак тивные элементы усилителей обладают рядом положительных качеств — безынерционностью, малым уровнем потребляемой энергии, большим сроком службы; они способны работать в широком диапазоне темпе ратур и устойчивы к радиоактивным облучениям. В настоящее время их изготавливают из сильнолегированных полупроводниковых мате риалов, в которых обеспечивают большую концентрацию электронов и дырок (1019 — 1020 см-3), узкий электронно-дырочный переход (по рядка 0,01 мкм) и высокую напряженность внутреннего электрического
поля |
в месте перехода 1(6ч-8) • |
Ю5 В/см]. ТД изготавливают из гер |
|||
мания |
(Ge), арсенида |
галлия |
(Ga As), |
антимонида индия |
(Ga Sb) |
и других материалов. |
Для германиевых |
диодов примесями |
служат |
||
алюминий — для диодов с р-проводимостью, фосфор и мышьяк — для диодов с «-проводимостью.
I
Основные характеристики и режим работы диода
Рассмотрим статическую вольт-амперную характеристику (ВАХ) и эквивалентную схему ТД, отображающие электрические свойства диода.
Статическая ВАХ диода имеет ярко выраженный нелинейный ха рактер (рис. 4.19, а). В малошумящих усилителях используется па дающий участок характеристики, на котором внутренняя дифферен циальная проводимость электронно-дырочного перехода отрицательна
(8Рп < 0).
Вследствие изменения крутизны характеристики от точки к точке рассматриваемого падающего участка проводимость диода gI>n не со-
137
храняется неизменной (рис. 4.19). Для отображения этого участка ВАХ часто используют аналитическую зависимость вида
|
|
I = |
— \ 6 ( u - u p)( u ~ u v)b~ (и — «,)•] + /„, |
|
|
(4.51) |
|||||||||
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где ир, и0 — напряжения |
смещения, |
соответствующие пику |
тока |
tp |
|||||||||||
на |
восходящем |
участке |
и минимуму |
тока |
i0 |
соответственно; |
k |
= |
|||||||
= |
— 30(t'n — t‘ )/(«„ — u„Y — коэффициент, |
определяемый |
из |
|
на |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
чальных |
условии |
I = |
1р |
при |
|||||
|
|
|
|
|
|
и |
■ Up. |
|
|
соотношение |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Используя |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
(4.51), |
можно представить зави |
||||||||
|
|
|
|
|
|
симость |
отрицательной |
диффе |
|||||||
|
|
|
|
|
|
ренциальной проводимости |
дио |
||||||||
|
|
|
|
|
|
да от постоянного |
напряжения |
||||||||
|
|
|
|
|
|
смещения |
аналитической функ |
||||||||
|
|
|
|
|
|
цией вида |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
gpn |
|
= /г(ы — и )(и — uv)\ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
du |
|
|
|
(4.52) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Крутизна падающего участка |
||||||||
|
|
|
|
|
|
статической характеристики |
|
по |
|||||||
|
|
|
|
|
|
модулю |
максимальна |
в |
точке, |
||||||
|
|
|
|
|
|
называемой |
точкой |
перегиба. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
Напряжение, ток и проводимость |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
в |
этой |
точке |
можно |
выразить |
|||||
|
|
|
|
|
|
формулами: |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
иь — 0,8 |
ир + |
0,2н„, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
1ь — 0,66/р -f |
0,34/„, |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
g b = 2,46 (ip — i 0)f(up |
— u v). |
||||||||
|
Германиевые диоды, предназначенные для усиления высокочастот |
||||||||||||||
ных |
колебаний, |
имеют значения токов и напряжений: |
tp |
^ |
2 |
мА, |
|||||||||
|
= |
0,4 мА, ир = |
40 ч- |
80 мВ, Uv = |
250 |
ч- |
350 мВ. |
|
|
|
|
его |
|||
|
Эквивалентная |
схема диода при |
малых |
сигналах описывает |
|
||||||||||
электрические свойства на высоких частотах. Согласно рис. 4.20, а она состоит из пяти элементов: отрицательного дифференциального сопротивления Rvn, емкости электронно-дырочного перехода Ср?!, сопротивления потерь в полупроводнике гд, собственной индуктивности диода £ д и емкости патрона СПАХ. Предельные значения указанных параметров равны: L n < 0,2 ч- 0,4 нГ, С„„ « 0,2 ч- 1,3 пФ, R pn да да 70 ч- 90 Ом, лд да 4 ч- 6 Ом.
Нелинейность падающего участка статической ВАХ обусловливает существенные нелинейные искажения, возникающие при усилении сиг налов. При общем сравнительно небольшом динамическом диапазоне наименьшим диапазоном обладают диоды из германия и арсенида гал лия (ир да 30 ч- 50 мВ, и0 = 200 ч- 250 мВ).
Одна из типичных конструкций диода изображена на рис. 14.20, б. Она содержит полупроводниковый кристалл /, пружинную пластин
ку 2, керамическую втулку 3, металлическое кольцо 4 и металлические крышки 5.
Полное комплексное сопротивление диода Z (/со) можно представить в виде последовательного соединения резистивной Яд и реактивной
6
Рис. 4.20
Х я составляющих, зависящих от частоты. Если не учитывать емкости патрона СПАТ (СПАт « 0,1 -ь 1 пФ), то величина Z(/w) будет опреде ляться выражением
Z (/«>) = Я„ + jXд = гя |
R ) > п |
+ / « ( L |
'РПRpn |
R%n |
|
||
1 |
1 + |
W2 Cpn Rpn |
|
|
|
|
(4.53) |
Частоту, на которой резистивная |
составляющая |
сопротивления |
|
Яд обращается в нуль, называют предельной, резистивной частотой. Эта частота
®пряд |
(4.54) |
|
определяется параметрами диода Rpn, Срп и гп и не зависит от пара метра Z-д. На частотах м < <опред составляющая сопротивления /?д отрицательна, а на частотах (о > (опред она становится положительной и диод на этих частотах теряет свои усилительные свойства.
Частоту, при которой реактивная составляющая сопротивления диода Хд становится равной нулю, называют частотой собственного резонанса. Эта частота
(о,роз |
/ |
Срп Rpn |
(4 55) |
|
IRрп ' рп |
|
|
определяется параметрами диода LH, Ярп и Срп. На частотах «в < |
соряз |
||
реактивная составляющая сопротивления имеет емкостной, а на часто тах со > сорез — индуктивный характер.
Для обеспечения усиления |
и предотвращения паразитных колеба |
|
ний при подключении к диоду внешней нагрузки необходимо, |
чтобы |
|
“ пред < ®реэ> а “ пред > ®о> |
гДе “ о — резонансная частота |
усили- |
|
|
ш |
теля. При широкополосном усилении резонансную частоту обычно выбирают из условий со0 ^ (0,3 -Ь 0,5) со11ред и <о0 (0,2 0,3)(орет.
Иногда более удобным оказывается рассмотрение поведения полной входной проводимости, определяемой формулой
U(/о,) = —1 |
................................1 + jaRpn С,,п_ ---------- _----------- |
(4 |
5б) |
||
2 (/Ш) |
гд + R;>n — 0)2 Rjin L-д Cj,n + Z10 Д д + R ]>п С]>п гя) |
|
|
||
и позволяющей пересчитать эквивалентную схему |
диода |
в |
па- |
||
раллельную цепь |
gn + /6Д, причем £д = |
#д/(^д + |
^д) и |
|
~ |
= — X a/(Rl + |
УД. При условиях со0 < |
®ро-> 11 ®о < |
«пред мож |
||
но пренебречь индуктивностью Ln и сопротивлением гд. |
Тогда gд « |
||||
«VRpn и Ьд « соСрп.
Схемы и конструкции усилителей
В настоящее время наибольшее применение находят регенератив ные усилители на туннельных диодах, которые делятся на усилители проходного и отражательного типов. УТД в виде усилителей бегущей волны не получили пока распространения [10]. Резонансные системы регенеративных усилителей выполняются главным образом на рас пределенных элементах в виде коаксиальных, полосковых и объемных резонаторов. В отличие от параметрических усилителей УТД не тре буют специальной высокочастотной накачки; они имеют малые габа риты и вес и характеризуются малым потреблением энергии.
На рис. 4.21 изображена схема одноконтурного УТД проходного типа с параллельным включением диода в колебательный контур. Последний состоит из индуктивности L K и емкости С„, которая обра зуется емкостью перехода диода С;т , входной емкостью Свх после дующего устройства, а также емкостью источника сигнала и монтаж ной емкостью. Режим работы диода по постоянному току должен соот ветствовать окрестности точки перегиба (ib, иь) на статической ВАХ, где дифференциальное сопротивление диода по модулю | R b| минималь? но. Конденсатор в цепи питания Сбл исключает потери мощности вы сокочастотного сигнала. Как отмечалось в § 4.1, вход от выхода разде ляют ферритовыми вентилями коаксиального или волноводного типа; последние могут отсутствовать при небольшом усилении и при ста бильных параметрах источника сигнала и нагрузки.
В схеме УТД отражательного типа с циркулятором (рис. 4.22) между диодом и входом циркулятора Ц (сечение вв), в данном случае К-циркулятора, включают согласующий трансформатор СТ, обеспе чивающий заданный коэффициент усиления (отражения) в некоторой полосе частот. В общем случае этот трансформатор включает в себя: обычный трансформатор сопротивлений; цепь, компенсирующую ре активную составляющую общей проводимости диода, и нередко цепь стабилизации, обеспечивающую устойчивость усилителя за пределами его полосы пропускания. Трансформатор сопротивлений согласовывает волновое сопротивление Ц с входным сопротивлением усилителя. Компенсирующая цепь представляет собой в простейшем случае индук-
140