Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 31
Текст из файла (страница 31)
При выборе диода следует учитывать требуемую выходную мсацность автогенератора. Как отмечалось в $ 4.5, для получения высокой стабильности частоты следует применять ослабленную связь с нагрузкой, подбирая достаточно малую емкость С,„. Тогда мощность в нагрузке Р„~ (0,1 ... 0,2) Р„ где Р, — колебательная мощность, отдаваемая диодом во внешнюю цепь. Из теории туннельных автогенераторов следует„что максимальная колебательная мощность диода: Р, „0,2 ЛИи, где Ж = = („и„— (ви; Ли = и„и„— ив„(см. рис. 4.23, б). Так как Ж ~ 1 „„; Ли 0,4 В для диодов на арсениде галлия, то получаем соотношение для выбора диода: 1 „и ~ 100 Р„. Здесь 1 „„берется в миллиамперах, Є— в милливаттах. Расчет режима диода.
Цель расчета состоит в нахождении оптимальной проводимости нагрузки б„, постоянного напряжения У ,на диоде, эквивалентного сопротивления источника питания )с„„. В результате расчета становятся известными амплитуда колебаний У„, колебательная Р, и потребляемая Р, мощность, а также электронный КПД автогенератора.
164 При расчете режима диода необходимо учесть условия существования стационарного режима (4.4), самовозбуждения (4.11), (4.12) н устойчивости по постоянному току (4.40). Чтобы воспользоваться соотношением (4.4), нужно рассчитать зависимость действительной ба и мнимой В, частей проводимости )'а от амплитуды колебаний Уа/. Основной вклад в В, дает барьерная емкость диода, т.е. Важ в/Се/„где Се, — усредненная по первой гармонике емкость Св (и,). Расчеты показывают, чтозначениеВ,слабо зависитот Уа/, поэтому считают емкость Са постоянной„полагая Са, — — Се ((/,).
Расчет 10, ~ (У„) можно проводить в следующем порядке. /ах/»»» )бя)~/» .0' а ./ 0 1/'//»» й с 0 1/4/»О /ОД 0 О и„ог 00 Од %,,0 О Од Оу 00 Обиа/,0 'и, Рнс. Еду, Нормированная ВАХ туннельного диода иа арсе- ниде галлия (а) и зависимость 10»111»»» от амплитуды на- пряжения (б) 1. Аппроксимируем статическую ВАХ туннельного диода подходящим аналитическим выражением. 2. Считая, что напряжение иа (О) на диоде имеет гармоническую форму (это справедливо, если добротность контура при параллельном резонансе достаточно велика), подставляем в формулу, аппроксимирующую ВАХ, напряжение и, (О) = Уе + У„сгм о/г и находим зависимость /, (1). 3.
Раскладывая функцию /, (г) в ряд Фурье, находим амплитуду первой гармоники тока диода 1„. 4. Вычисляем !ба ! = )а/)Уа/. б. Повторяем расчеты для различных Уа/ и Уе. В результате полУчаем семейство зависимостей 1с/а ! (Уа/) пРи Уе в качестве паРа;етра. Так как ВАХ туннельных диодов, изготовленных из одного материала, идентичны н отличаются лишь значением пикового тока /' „„, то при расчетах можно использовать некоторую среднюю характеристику, нормированную к /' „„, которая справедлива для определенного полупроводникового материала (рис. 4.27). Будем считать оптимальным режим диода, соответствующий высокой стабильности частоты и максимальному электронному КПД. 155 / Как показали расчеты по изложенной методике и подтвердили эксперименты, оптимальный режим получается при следующих параметрах автогенератора (см.: Генераторы гармонических колебаний на туниельных диодах/ Под ред.
В. С. Андреева. М., Энергия, )972. С. 2!6): (/0 = 0,37 В; ~б,(/1,„„= 1,2 В-'. При этом амплитуда колебаний (/пт = 0,33 В, а режим возбуждения при (/0 = сопз( оказывается жестким. Расчет цепи питания. Цепь питания диода выполняет следующие основные функции.' 1) снабжает диод энергией, необходимой для генерации электромагнитных колебаний; 2) обеспечивает оптимальное смещение рабочей точки на статической ВАХ. Чтобы получить оптимальный режим диода при мягком возбуждении колебаний, целесообразно, как и в случае транзисторных автогенераторов, использовать автоматическое смещение. Оно образуется при протекании постоянного тока диода 1 через параллельно соединенные резисторы /г, и /тт. Можно так выбрать сопротивления /7, и Й„ что в момент возбуждения колебаний постоянное напряжение на диоде будет соответствовать мягкому возбуждению, а в стационарном режиме — оптимальному значению (/0 = 0,37 В.
Возможность такого выбора объясняется тем, что прн мягком возбуждении колебаний постоянный ток 1'00' (он несколько меньше / и„) оказывается больше, чем ток 1, в стационарном режиме. При наличии колебаний ток 1, уже не определяется статической ВАХ диода, а соответствует некоторой кривой, зависящей от нагрузки тт„ (заштрихованная область на рис. 4.27, а). Это объясняется тем, что временная зависимость 1, (1) негармоническая. В стационарном режиме колебаний постоянное напряжение (10 окажется равным оптимальному значению 0,37 В в том случае, когда изменение напряжения на сопротивлении /т„„при уменьшении постоянного тока от Щ до 1, равно разнице постоянных напряжений на диоде в оптимальном режиме и в момент возбуждения.
Отсюда получаем (рис. 4.27, а): /зиит — ((/О ппии)/(/пии 10) В режиме с максимальным КПД 0,25В /т ипт— )пии () 10/)пии) Легко видеть (из рис. 4.27, а), что в оптимальном режиме 1,/(пии 0,3, поэтому /7„„0,4 В/(пии. Зная й(„„и напряжение источника питания Еп, можно рассчитать сопротивления /1, и Я„используя (4.38) и (4.39): Е;, =(/0+ 10й„„, Колебательная система туннельного автогенератора рассчитывается так же, как и для транзисторного автогенератора.
156 5 4.13. Кварцевая стабилизация частоты аатоколебаний Относительная нестабильность частоты Л7Ч автогенераторов, выполняемых на резонаторах в виде ЬС-контуров, менее 1О *... 10 '. Однако к современным радиопередатчикам предъявляют более высокие требования по стабильности частоты. Как правило, долговременная относительная нестабильность частоты должна быть не менее чем 1О-' ...
10-', что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор — это пластина кварца с двумя металлическими контактами. Работа кварцевого резонатора основана на пьеа) ф ф Рис. 4.28. Резонансы в кварцевой пластине зоэлектрическом эффекте. Если подключить кварцевый резонатор к источнику переменного напряжения, то обратный пьезоэффект вызывает механические колебания пластины. Вследствие прямого пьезоэффекта появляется электрическое поле, под действием которого во внешней цепи протекает электрический ток.
Как н всякое упругое тело, кварцевая пластина обладает резонансными свойствами. Резонансные частоты зависят от размеров пластин н скорости распространения упругих возмущений (т. е. скорости звука) в кварце. Резонанс наступает, если вдоль какой- либо оси кварцевой пластины укладывается целое число полуволн механических колебаний. Рис. 4.28, а — и поясняет образование резонансов в кварцевой пластине при ее деформациях по толщине 41. На этом рисунке Л вЂ” амплитуда механических колебаний. Знаками «+» и « — » обозначена полярность зарядов на электродах, Х вЂ” длина волны механических колебаний в кварце. Вариант рис. 4.28, б практически неосуществим, так как в этом случае на обоих электродах резонатора должны быть заряды одного знака.
На практике могут быть реализованы резонансы на нечетных гармониках механических колебаний. При колебаниях по толщине пластины получаем следующие соотношения для резонансных частот: о = (2п — 1)Х/2, где 157 и = 1,2, 3, ... Так как длина волны Х = о//, где о — скорость звука в кварце; / — частота колебаний, то / = (2п — 1)/(24. Кварц — анизотропное тело, поэтому скорость звука в нем зависит от направления распространения волны и составляет(3 ...6) х х 10в м/с. При этом резонансные частоты (МГц) (1,5 ... 3) (2п — 1)/г!, где г! берется в миллиметрах. Частотный диапазон кварцевых пластин, возбуждаемых на основном резонансе (и = 1), ограничен их механической прочностью, так как для увеличения частоты / нужно уменьшать размеры пластины.
Как правило, основная частота кварцевых резонаторов не 0 азы гз 0 а/ Ркс. 4.29. Частотные карактерастакк кварцевого резонатора превышает 15 ... 20 МГц, в то же время резонансные частоты со временных кварцевых резонаторов, работающих на механических гармониках, достигают примерно 400 МГц. Частотные свойства и параметры кварцевых резонаторов. Частотные свойства кварцевых резонаторов можно изучать, изменяя частоту колебаний переменного напряжения, подводимого к кварцевой пластине. Когда эта частота совпадает с одной из резонансных частот пластины, резко увеличивается амплитуда ее механических колебаний, а следовательно, и пьезоэлектрический ток.
На рис. 4.29„а приведена частотная зависимость модуля проводимости резонатора, характерная для последовательного резонанса. На каждой резонансной частоте резонатор можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 4.30, а), параметры которой различны на разных механических гармониках. Цепочка Е„,С„,г„, характеризует пьезоэлектрические свойства 'пластины, включение емкости С обусловлено протеканием через пластину тока смещения. Типичные параметры эквивалентной схемы кварцевого резонатора: Е„, = 0,0! ... 10 Г; Ска = 0,001 ...
0,1 пФ; г„,=! ... 100 Ом; Са= 5 ... 50 пФ. При таких параметрах шгх1 гц п 2) на высоких гармониках механических колебаний существенно увеличивается вклад емкости С, в суммарную проводимость резонатора, в результате снижается крутизна бВ„,/г(цг и начиная с некоторой ча- /дхд стоты резонансные своиства кварцевой пластины пропадают. а/ ф ИЗВЕСТНО, Чтп МаКСНМаЛЬИОЕ ПО Р 4.30 вквква енгкые схемы модулю значение мнимой части про- кварцевого резццлгцра: водимостн кварцевого резонатора а — длл частот вбллзн резолалслг вблизи частоты последовательного резонанса равно 1/(2г„,). Если проводимость цгС, > 1/(2г„,), то пластина теряет резонансные свойства и эквивалентна некоторой емкости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
