Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Эта зависимость подчиняется соотношению Ч' (Е) = (Е/Е„„)"', где т = 7 для диодов, изготовленных из кремния, и т = 5 для диодов из арсенида галлия. Условием лавинного пробоя является неограниченное увеличение л, т. е. Ч' = ! (Е = Е„,). Чтобы процесс ударной ионизации йроисходил по всей длине полупроводника, производная бЕ/бх (см. рис. 3.13) должна быть малой. В соответствии с уравнением Пуассона при этом должна быть мала концентрация примеси в области объемного заряда (величина л в структуре р'-л-л').
Длину 1 желательно выбирать по возможности большей для увеличения максимального напряжения на диоде, а следовательно, выходной мощности умножителя частоты. Однако максимальная длина 1 ограничена допустимым временем пролета носителей заряда т = 1/о, где о — средняя скорость носителей заряда. Если т соизмерима с периодом выходных колебаний Т„, то проявляются свойства диода как отрицательного сопротивления, что может привести к неустойчивости работы умножителя частоты. Временем пролета т можно пренебречь, если выполняется неравенство т (( Т„. С целью увеличения КПД умножителя частоты целесообразно использовать отрицательное сопротивление для частичной компенсации потерь мощности в цепях согласования и фильтрации, поэтому указанное неравенство не должно быть слишком сильным. В работе П.
А. Роланда и др. (см. Ас(а Е!ес!гоп1са. 1974. 17. М 2, с. 213 — 225) показано, что желательно выполнение условия 1 ( м„т ~ 1,5 (где м„= 2л/„, /„— частота л-й гармоники), которое позволяет выбрать диод по параметру т при известной частоте /„. Нелинейная характеристика лавинного двода. Воспользуемся дифференциальным уравнением Рида, определяющим изменения лавинного тока 1 (1) в переменном электрическом поле т,—" =1 (Ч' — !)+(,р.
(3.53) где /,ар — обратный ток р-л-перехода в отсутствие ударной иоиизации; тр = т/3 — характеристическое время процесса лавинообразования с учетом влияния объемного заряда. Допустим, что к диоду приложено напряжение и (1) = (/р+ +и, где (/, — постоянная составляющая; и — переменная сос ставляющая. В соответствии с соотношением и = ~ Е (х) дх изменяется напряженность поля Е и, следовательно, Ч'.
Пренебрегая в первом приближении зависимостью Е (х), можно записать Е = = и/1, в результате получим Ч' = (и/и„р)'", где и„р — — Е„р 1. Чтобы упростить решение уравнения (3.53), разложим функцию Ч'(и) в ряд Тейлора в окрестности точки и = (/, и, полагая, что 117 и «(; У«, ограничимся первыми двумя членами ряда. Это означает, что полученные в дальнейшем формулы справедливы только для случая малого сигнала.
Итак, Ч'(и)=Ч'(У,)+и м ~ ~а н«р ~ и»р / Выберем постоянное напряжение У» = и„„, соответствующее на- чалу лавинного пробоя, тогда Ч' (У,) = 1 и Ч' (и) = 1 + +ти !и„». Подставив это выражение в (3.53), в пренебрежении током (,в из-за его малости после интегрирования получим =!,ехр~ ~и дг1, т» и«р где 1 — произвольная постоянная. Как видим, между током и на- пряжением отсутствует непосредственная функциональная связь, т. е. для лавинного диода не существует постоянной вольт-ампер- ной характеристики. Формально можно записать, что ) и д1 = = Ф (1), где Ф имеет размерность магнитного потока. В этом слу- чае 1 ехр ~ Ф1' 1 тли«» (3.54) 118 Таким образом, лавинный диод имеет нелинейную ампер-ведерную характеристику 1, (Ф), определяемую соотношением (3.54), т. е.
может быть представлен в виде нелинейной индуктивности, Следует отметить, что функция Ф (1) определена с точностью до постоянной составляющей Ф„представляющей постоянную интегрирования. Выбором Ф» можно устранить неопределенность, связанную с произвольной постоянной т'„, и в результате получить однозначную связь 1 с Ф. Существенная нелинейность зависимости 1„(Ф) позволяет получить весьма высокие кратности умножения частоты колебаний л = 1О ... 40. Эквивалентные схемы лавинного диода. Структурная схема умножителя частоты на лавинном диоде такая же, как и умножителя частоты на варакторе (см. рис. З.З), Для расчета входной и выходной цепей нужно знать параметры эквивалентных схем диода по первой и и-й гармонике.
Исходная эквивалентная схема лавинного диода представлена на рис. 3.14, где 1. — нелинейная индуктивность; Св — барьерная емкость р-л-перехода; 㻠— сопротивление потерь. Учитывая наличие емкости Св (фильтрующей напряжение на индуктивности) и фильтрующие свойства операции интегрирования (Ф = ) ид1), в качестве входного воздействия выберем «квазимагнитный» поток Ф (1). По аналогии с (3.8) запишем Ф(1) = Ф«-1-Ф, соз оМ вЂ” Ф„з(п ной, (3.55) где Ф» — постоянная составляющая; Ф, и Ԅ— амплитуды первой и и-й гармоник Ф (1). Подставив (3.55) в (3.54), получим перио- дическую функцию 1, (1) с периодом Т = йпlех.
Ее можно представить рядом Фурье и рассчитать комплексные амплитуды тока 1, и 1 „. Напряжение на нелинейной индуктивности и = дФ1Ж = = — гОФ, з(п ОМ вЂ” лОЗФд соз люй В соответствии с этим получим выражения для комплексных амплитуд первой и л-й гармоник напряжения: и,=) е„и„= —.м„. Анализ, основанный на расчете амплитуд 1 „О„!п„, У„, позволяет при учете исходной эквивалентной схемы (см.
рис. 3.14) составить эквивалентные схемы лавинного диода по первой и и-й а) Ряс. Зяб. Эхвявалеятяые схемы лавяяяого дяода, справедлявые для первой (а) я и-й (б) гармояяя Ряс 334. Эявввалеятяая схема дяода в режяме пробоя гармоникам (рис. 3.15). Индуктивность выводов Еа и емкость корпу- са С„,р„можно рассматривать как внешние элементы эквивалент- ных схем. Проводимость лавинного участка диода по первой гармо- нике можно записать в виде (3.56) мте Подбирая входную мощность (от которой зависит амплитуда Ф„ и постоянную составляющую тока диода 1, можно изменять параметры эквивалентных схем так, чтобы они были приемлемы для практической реализации цепей согласования и фильтрации.
У = б, + 1 1()гоЕ,) + )гаСе, где Е, — эквивалентная индуктивность на входной частоте; б, = = 1х (Фх)1(гоЕ,6„1 ) 0 — эквивалентная входная проводимость; г*,(Ф,) — некоторая функция Ф,; 6„ — проводимость выходной цепи, пересчитанная к лавинному участку диода. Эквиввлентсгая схема лавинного участка диода по и-й гармонике содержит параллельно соединенные генератор тока 1„, эквивалентную индуктивность Е„ и емкость Со.
Расчеты в приближении малого сигнала показывают, что 1„ = 1„ (Ф,) 1„ где 1„ (Ф,) — некоторая функция Ф,,I,— постоянная слагающая лавинного тока, а ГЛАВА а АВТОГЕНЕРАТОРЫ Автогеиератор — зто источиик злектромагиитиых колебаиий, колебаиия в котором возбуждаются самопровзвольио без виешиего воздействия. Позтому автогеиераторы, в отличие от геиераторов с виешиим возбуждеиием (усилителей мощности), часто иазывают генераторами с самовозбуждеиием. В радиопередатчиках автогеиераторы примеияются в осиовиом в качестве каскадов, задающих песу.
щую частоту колебаиий. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требоваиие, предъявляемое к иим,— высокая стабильиость частоты. В иекоторых типах передатчиков (особеиио в диапазоие СВЧ) автогеиераторы могут быть выходиыми каскадами. Требоваиия к таким геиераторам аиалогичиы требоваииям к усилителям мощности — обеспечивать высокую выходиую мощиость и КГ(Д. В настоящей главе осиовиое виимаиие уделеио задающим геиераторам; тем ие меиее изложеииые здесь теоретические сведеиия будут полезиы и при изучении мощиых геиераторов выходиых каскадов передатчиков. $ 4.1. Общие сведения об автогенераторах Задающие ггяграагоры проектируют таким образом, чтобы в них возбуждались гармонические колебания.
Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого — колебательный характер переходного процесса. Простейший резонатор — это колебательный контур. Если в колебательный контур ввести энергию, то при достаточно высокой его добротности (() Ъ 1) возникают колебания тока, затухающие со временем. Уменьшение амплитуды колебаний объясняется потерями мощности в контуре. Таким образом, для создания автогенератора гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери.
для выполнения последнего условия достаточно периодичесни добавлять в резонатор порции электромагнитной энергии синхронно с возбуждаемыми колебаниями. Источником энергии может служить постоянное электрическое поле; для преобразования его 120 энергии в энергию колебаний требуется активный элемент (АЭ). Структурная схема автогенератора изображена на рис. 4.!. Обратная связь здесь нужна для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе. В качестве резонаторов в диапазоне высоких'частот применяют ЕС-контуры, кварцевые пластины; на СВЧ вЂ” отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др.
Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, а также генераторные диоды — туннельные, и я» ,ц амана лавинно-пролетные, диоды Ганна и др. Механизм работы автогене- йй'" ратора состоит в следующем. При включении источника энер- Рнс. 4.1. Структурная схема автогенегии в резонаторе возникает пе- ратора реходный колебательный процесс, воздействующий на АЭ. Последний преобразует энергию источника в энергию колебаний н передает ее в резонатор. Если мощность, отдаваемая активным элементом, превышает мощность, потребляемую резонатором и нагрузкой, т.
е. выполняется условие самовозбуждения, то амплитуда колебаний увеличивается. По мере роста амплитуды проявляется нелинейность АЭ, в результате рост отдаваемой мощности замедляется и при некоторой амплитуде колебаний отдаваемая мощность оказывается равной потребляемой мощности. Если этот энергетический баланс устойчив к малым отклонениям, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний.
Автогенераторы существенно отличаются от других каскадов радиопередатчиков тем, что частота и амплитуда колебаний здесь определяются не внешним источником, а параметрами собственной колебательной системы и активного элемента. 5 4.2. Транзисторные н диодные автогеиераторы В зависимости от типа АЭ различают транзисторные и диоднме автогенераторы. Идея создания транзисторного автогенератора основана на том, чтобы обеспечить режим транзистора приблизительно такой же, как и в усилителе мощности. При этом на вход транзистора подаются колебания не от внешнего источника, а из собственного резонатора через цепь обратной связи.
Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счет специфических процессов в генераторных диодах, обратная связь здесь осуществляется автоматически без применения специальных элементов. Транзисторные автогенераторы. На рис. 4.2, а изображен вариант схемы транзисторного автогенератора, Активный элемент 121 (биполярный или полевой транзистор) представлен в обобщенном виде, он имеет три электрода: И вЂ” исток, К вЂ” коллектор, У— управляющий электрод. Резонатор, образованный элементами 1., С, А', подключен к выходным электродам АЭ, часть энергии колебаний с помощью трансформаторной обратной связи поступает на управляющий электрод.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
