Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Критерием оптимальности по-прежнему считаем максимум КГИ. Если форма входного тока умножителя негармоиическая, то оказывается несправедливым одно из основных допущений, лежащих в основе предшествующего анализа, — о бигармонической форме заряда на варакторе (3.8). Тогда часть полученных ранее формул для расчета режима варактора должна быть скорректирована. й 8.8. Расчет режима работы варактора С помощью выведенных в $3.5 — 3.7 формул можно рассчитать режим работы варактора. Обычно в техническом задании на проектирование варакторного умножителя частоты указаны следующие параметры: входная мощность Р,„(или выходная мощность ) Чв»=0 т В пдоп 1) С=- Са(и,„,) ( 1 — и 2) О=-ла/л, 2=1, 2, ..., л — 1; 3) т» (О) =2 а!а О/(л (ла — 1)); 4) )2» =, О( М(1; т» (О) овСМ а!ив ' 8) Ав» = во+ вв (л-а — 1) О/л; 8) )с х=)с — к.
' 7) /. =У'2~'./)!„х! 8) «(7„=-1„/ач 9) О~=о«!)вв/(мы«О); 10) инва»=(1 — со»в) Ов/(«С); 11) /,=ов0в; !2) /!в=у» (О) Ма(лв/(па овС); 18) Авва «в[тв (л — О)+т, (О) и-'1; 112 Р,„„), кратность умножения л, входная частота /. Кроме того, гда указаны относительная полоса частот Л/// входного сиги допустимый коэффициент подавления побочных спектральны става яю!цих. Выбор варактора. Варактор для умножителя частоты зыби по частоте и мощности. При выборе варактора по частоте н учесть соотношения: /з « /; л/* « /вп, где /з = — 1/(2птз); — аа „р/(2л). При выборе варактора по мощности следует учитывать ус ! Рос ~- Рноп* где Р„„— максимально допустимая мощность потерь в варакторе; Рр„— мощность, рассеиваемая в варакторе, Рп„= Р,— — Р„, или Рр„— — Р, (! — т),) = Р„(1/т), — 1), где а)„— электронный КПД варактора.
Типичные значения ч, для умножителей различной кратности приведены в табл. 3.1. Для расчета режима варактора нужно знать следующие параметры: барьерную емкость Сс ((/,„и), измеренную при некотором напряжении (/,„р., сопротивление потерь г;1 время жизни носите.ЛЕй ЗаРЯДа тз) МаКСИМаЛЬНО ДОПУСтнМУЮ РаССЕИВаЕМУЮ МОЩНОСТЬ Рд,п) МаКСИМаЛЬНО ДОПУСТИМОЕ НаПРЯжЕНИЕ И,„; ВРЕМЯ ВОССтаНОВ- .лепна закрытого р-л-перехода !,.
Уравнения для расчета режима варакгора. Учтем(3.50), а уравнение (3.48) решим относительно /„. Учитывая низкую добротное!ь входной цепи, скорректируем формулы, введя зависящий от 8 коэффициент а ( 1; изменим также эквивалентную схему варактора по первой и а-й гармоникам, а именно, эквивалентные сопротивления Я, и Я„зашунтируем корректирующей емкостью С' (см.: Радиотехника и электроника, 1976, т. 21, № 6, с. 1250 — !258). Кроме того, допустим, что выполняются условия (3.5) я (3.43), так что будем пре. небрегать потерями, обусловленными током рекомбинации и инерционностью процесса восстановления закрытого р-л-перехода.
Выпишем полученные соотношения в порядке, удобном для рас- чета режима варактора при заданной мощности Р„: 14) )7, =Ях-1-Япн 15) Р,= 0,5)*, )1, 16) Ре=уе (В) те (л — В) 0з/(отВС) 17) Ррас=Рг — Рп Рз) 18) Че — — Рп)Рх; 19) )(ем=та уа (В)/(оСуе (л — В)) „ 40) С =Со)(у (В)): 2!) Сп=-лСо; 22) С ' = С ( 1 — о) . Здесь гч,„, Й„ — эквивалентные сопротивления потерь варакторй, усредненные по и-й и по первой гармонике.
Следует отметить, что наиболее просто и быстро оптимальный режим работы варактора можно найти, используя ЭВМ, Алгоритм расчета режима варактора на ЭВМ. На рис. 3.)0 представлена блок-схема алгоритма расчета режима варактора на ЭВМ. Критерием оптимальности является максимум электронного КПД. Оптимизация осуществляется путем изменения коэффициентов й н М в пределах 1 ... О, Примечание.
Электронный КПД Ч, = Р„)Р, — это промежуточный параметр варакторного умножителя частоты. Более важным является полный КПД Ч = Р,„,)Раю который учитывает потери мощности в цепях согласования и фильтрации. Эти цепи согласуют стандартное сопротивление 50 Ом с входным и выходным сопротивлениями варактора. Опыт показывает, что коэффициент трансформации цепей согласования не должен превышать 20, в противном случае в этих цепях резко увеличиваются потери мощности.
Таким образом, при больших коэффициентах трансформации полный КПД умножителя может уменьшиться. Учитывая это обстоятельство, следует в качестве оптимальных рассматривать режимы, где входное Й,д и выходное )т„х сопротивления варактора находятся в пределах 2,5 ... )000 Ом. Прнмер расчета. Рассчнтаем режим варактора в умножнтеле частоты с параметрами л = 8; ) = 0,6 ГГц; Рп = 0,15 Вт. Выбираем варактор, который нмеет граннчную частоту )гр >) л) = =4,8 ГГц н Рассенвает мошность Рд „, большУю Раас = Рп(Ч ' — 1).
В со" ответствнн с табл. 3.1 электронный КП)( умножнтелв с кратностью восемь Чп ~ 0,25, поэтому Рр„— — 3 Рп = 0,450 Вт. В прнложеннн 8 дана таблнца параметров умножнтельнмх диодов. Выберем варактор 2А604А, граннчнан частота которого 100 ... 150 ГГц н Рдп„= =1 Вт. Результаты расчета оптнмального режима варактора, проведеннме на ЭВМ:С=обпФ;й=1; М=1;о=05;8=225"; )тп=530м;)7 =2,3 Ом; )(„х =- 3 Ом", )и = 0,33 А; л0„=- 0,9.
!О 'э Кл; О, = 1,2 1О 'э Кл; птах = 37 В: )г = 0,44А; )(г = 3,2 Ом; )1„=1,8 Ом; )7 х = 5 Ом; !', = = 0,5 Вт; Рр,е =- 0,4 Вт; Ч, = 30 ге; )! = 260 Ом; С, = 18 пФ, С„= = 2 пФ; С' = 0,25 пФ. Прн расчете емкостн варактора С нз емкости, нзмеренной на выводах диода, была вычтена емкость корпуса. 113 Рве. 3.10. Блок-схема алгорвтма расчета режвма аарактора ва ЭВМ Щ 3.9. Проектирование варакторцых умножителей частоты Знание параметров оптимального режима варактора дает возможность рассчитать внешние цепи умножнтеля.
При этом нужно решить следующие задачи: так спроектировать входную цепь, чтобы входная мощность по возможности полностью поступала на варактор; рассчитать выходную цепь таким образом, чтобы варактор на частоте п~ был нагружен оптимальным сопротивлением; обеспечить развязку мощности входной и выходной частот, т. е.
в плоскости включения варактора входная цепь должна представ- 114 ять холостой ход для колебаний частоты пу, а выходная цепь— остой ход для колебаний частоты ~; подвести к варактору необходимое постоянное напряжение. ~ Нагрузкой входной цепи умножителя является комплексное сопрртивление варактора по первой гармонике, которое может быть рассчитано с помощью рис. 3.11, а, где варактор (штрихпунктирная линия) представлен элементами Я,х, С„С', учтены также 2 с,1, с„ г' „1 ? Рис.
3.11. Эквивалентные схемы варактора для первой Га) и иа1 Гб) гармоник индуктивность выводов 1., и емкость корпуса С„,р„. Входная цепь должна преобразовать на частоте 1 сопротивление этой схемы в точках 1.1' в сопротивление, равное стандартному значению 50 Ом.
На рис. 3.11, б изображена эквивалентная схема варактора для расчета выходной цепи умножителя. Выходная цепь должна преобразовать на частоте л1' сопротивление нагрузки умножителя (обычно 50 Ом) в значение, равное комплексно-сопряженному сопротивлению схемы рис. 3.11, б в точках 2-2.
Рнс. 3.12, Схема умножителя частоты большой крат. ности 115 Пример схемы умножителя большой кратности дан на рис. 3.12. Входная цепь выполнена в виде ФНЧ, образованного конденсаторами С, С, и индуктивностями 1,„1.„представляющими собой отрезки микрополосковой линии (конденсатор Ср разделительный). Для повышения КГЩ добротность контура 1.аС„ в который включен варактор, весьма мала (несколько единиц).
Выходная цепь выполнена в виде полосно-пропускающего фильтра (ППФ). Фильтр и индуктивность (.а обеспечивают развязку входной и выходной цепей. Постоянное напряжение на варакторе задается с помощью сопротивле. ння автосмещения Йе . й 3.10. Умножение частоты с использованием лавинног размножения носителей заряда в р-л-переходе Для умножения частоты электромагнитных колебаний д апазона СВЧ может быть использовано явление генерации электррнио-дырочных пар в полупроводнике при высоких напряженнос1ях электрического поля. С этой целью применяют так называемые'лавинные диоды с резким р-л-переходом, например структуры л+-р и р+-и.
На рис. 3.!3 изображено распределение напряженности электрического поля по длине диода с структурой р+-п-л' при подаче на него запирающего напряжения. Если нарл п л' пряжение столь велико, что пиковая напряженность поля Е„„„превышает некоторое критическое значение Е„р, то в обсмм ласти, где Е ~) Е„р, начинается процесс ударной ионизации (лавинное размножение носителей заряда) и через диод протекает лавинный ток 1,. Умножение частоты колебаний может быть осуществлено в том случае, когда при гармоническом входном воздействии в д на диод его реакция является негармонирпс 3 13 расппеделе е ЧЕСКОИ фУНКЦИЕй ВРЕМеин.
ВОЗНИКаст Заэлсптодчеспого поля по дача найти основную характеристику ладлнпе диода винного диода, связывающую входное воздействие и отклик на него. Степень нелинейности этой характеристики определяет достижимую кратность умножения частоты. Физические процессы в лавинном диоде. В сильном электрическом поле свободные носители заряда, например электроны, в полупроводнике приобретают значительную кинетическую энергию.
Если она превышает энергию связи валентного электрона с атомом, то при столкновении свободного электрона и атома последний иоиизируется — в зоне проводимости образуются новый электрон и дырка. Вновь появившиеся подвижные носители заряда, получая от поля энергию, также способны образовывать новые электронно-дырочные пары. При напряженности электрического поля в полупроводнике, превышающей Е„р, процесс образования электронно-дырочных пар приобретает лавннный характер, наступает пробой р-и-перехода и обратный ток существенно увеличивается (он ограничен внешней по отношению к диоду цепью).
Для количественной характеристики процесса лавинного увеличения числа подвижных носителей заряда вводят так называемую интегральную функцию размнояеения Ч'(Е), представляющую число электроино-дырочных пар, генерируемых одним иоситхи1ем заряда при его пролете слоя полупроводника длиной Е Если, например, 116 в область высокой напряженности поля поступает начальное количество электронов л„,„и в этой области генерируется л — л„„пар электронов и дырок, то Ч' = (л — л„„)/л = ! — л„,„/л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
