Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 34
Текст из файла (страница 34)
30))те, где 1««=ивор/! р. Практика показывает, что КПД генератора можно несколько увеличить, обеспечивая оптимальную нагрузку диода и на второй- ление топологии и расчет. Диод выбирают по частоте и выходной мощности (см. приложение 13). Простейший генератор содержит диод Ганна 1, установленный в конце микрополосковой линии 2 (рис. 4АО).
Резонатор образован отрезком линии 2 от диода до емкостной неоднородности 3, изменение положения которой позволяет изменять частоту генерации. Изменяя размеры и положение неоднородности 4, можно настроить генератор на максимум мощности. Цепь питания состоит из источника Ув, антипаразитной цепочки )тдп, Сдп, блокировочной емкости Со„ и образованного двумя четвертьволновыми отрезками линий заградительного фильтра, препятствующего попаданию колебаний СВЧ в источник питания. Конденсатор 5 служит для разделения цепей постоянного и переменного токов.
гармонике. Для этого в конструкцию генератора включают дополнительный резонатор, настроенный на частоту 2Гр. Конструирование генераторов Ганна на мнкрополосковых линиях. Особенности конструирования генераторов в микрополосковом исполнении связаны главным образом с обеспечением отвода теплоты от диода.
Поскольку КПД генераторов мал, практически вся потребляемая от источника питания мощность рассеивается в диоде. Обычно кристалл диода установлен на теплоотводе, который является одним из ее выводов. Второй электрод диода связан с кристаллодержателем проволочным выводом.
Для обеспечения отвода теплоты нужно теплоотводящий вывод диода установить в корпусе генератора с помощью цангового зажима (или пайкой). й 4.19. Принцип действия н эквивалентная схема лавинно-пролетного диода Лавинно-пролетный диод (ЛПД) — это генераторный диод СВЧ с резким р-а-переходом, одна из возможных структур которого изображена на рис. 4.42. ЛПД изготовляют из кремния или арсенида галлия и применяют на частотах приблизительно от! до 150 ГГц, Выходные мощности генераторов на ЛПД вЂ” сотни милливатт в миллиметровом диапазоне длин волн и единицы ватт в сантиметровом диапазоне; КПД вЂ” от единиц до десятков процентов. р+ Физические процессы в ЛПД. Активные свойства диода основаны на том, что при л'.
подаче на диод с р-л-переходом обратного напряжения (превышающего напряжение лавинного пробоя) и его периодичесном из$4я структур менени и в области повышенной на пряженЛдд ности электрического поля на границе р+- и и-областей периодически образуются сгустки избыточных носителей заряда, которые, пролетая область дрейфа, отдают свою кинетическую энергию электромагнитному полю. Если к диоду приложено постоянное запирающее напряжение У, ) и„р, где и„р — напряжение лавинного пробоя, то напряжейность электрического поля распределена по длине диода, как показано на рис.
4.43. На границе р+-и образуется участок 1 длиной И повышенной напряженности поля Е ) Е„, (область лавины) и участок 2 длиной 1 — М, где Е ~ Е„р (область дрейфа, нли пролетная область). Сравнивая распределение Е (х) с аналогичной зависимостью в лавинном диоде (см. рис. 3.13), замечаем, что ЛПД отличается от лавинного диода наличием области дрейфа. Если ЛПД поместить в резонатор, то в стационарном режиме колебаний наряду с постоянным к нему оказывается приложенным переменное напряжение частотой, равной резонансной частоте ко- лебательной системы. Режим диода устанавливают таким образом, чтобы часть периода колебаний мгновенное напряжение и было выше критического и„р. Тогда в области лавины происходит генерация электронно-дырочных пар.
Под действием электрического поля электроны и дырки движутся в противоположных направлениях. Элект- йф и напряжения первой гармоники был в пределах 90 ... 270'). необходимо обеспечить определенное соотношение между временем пролета электронов через область дрейфа и периодом колебаний. Для пояснения изложенного построим зависимости от времени основных электрических величин, определяющих режим работы ЛПД (рис. 4.44, а — г).
Как и при изучении лавинных диодов (см. $ 3.10), допустим, что временная зависимость квазимагнитного потока гармоническая: Ф (1) = Ф, + Ф, соз М. Переменное напряжение, приложенное к области лавины, может быть рассчита- 171 роны, дре уя через пролетную область, участвуют в преобразовании 'энергии постоянного электрического поля в энергию электромагнитных колебаний, а дырки сразу попадают в р+- область и не принимают участия в энергообмене.Чтобы ЛПД отдавал мощность в колебательную систему (т.
е. фазовый сдвиг между колебаниями тока РЛ1 ф 1 Л Ряс. 4.43. Схема подключепня яапряження патаяня к диоду (а) н статическое распределепяе напраженностя алектряческого поля вдоль его ося (б) о а г с г) Ряс. 4.44. Временнйе ааансямостн, характернаующяе дпнамнческяа нежны работы Лйд но по формуле и„(/) = дФ /Ж; мгновенное напряжение на пролетной области и„р изменяется приблизительно пропорционально и .
Ток лавины /„ связан с Ф соотношением (3.54). Зависимость тока в пролетной области / р от тока лавины определяется соотношением, полученным Ридом: ьрр(0 = ~р (/ ) б/ — !ьл(/ ) ьл (/ трр)! '(/ ~ ьрр ьр р ! Ь р (4.50) где т р —— (1 — А()/о — время пролета электронов через область дрейфа; о — средняя дрейфовая скорость электронов. Напряженность электрического поля в области дрейфа обычно превышает 20 ... 30 кВ/см, при этом о — величина, приблизительно постоянная и равная 10' см/с. Как видно из рис. 4.44, б, г, колебания напряжения и тока на пролетной области сдвинуты по фазе на и (если не учитывать тока смещения). Этот фазовый сдвиг определяется временем образования лавины (и/2) и временем пролета электронных сгустков через область дрейфа (в оптимальном режиме и/2).
Отсюда ясно название диодов: лавинно-пролетные. Из рис. 4.44, г следует, что колебательная система должна быть настроена на частоту, период которой связан с временем пролета соотношением Т,р — — 2т,р. Отсюда частота колебаний в оптимальном режиме /рр — — о/!2(1 — Л()!. Обычно А( (( ((1 и частота, ГГц, /„50/1, где 1 — в микрометрах. Описанный механизм работы ЛПЯ соответствует так называемому пролетному режиму, в зарубежной литературе называемому режимом 1МРАТТ (1шрас1 Ача!апспе Тгапз(1 Типе) На практике частота колебаний может быть отлична от частоты пролетного режима /„р на ~30 'А. Это достигается изменением резонансной частоты колебательной системы.
Эквивалентная схема лавинно-пролетного диода может быть получена последовательным соединением эквивалентных схем области лавины (см. рис. 3.14) и пролетного участка. Чтобы составить схему пролетной области, проанализируем уравнение (4.50), которое представим в виде 1 р — — К (р, ь„)(„где К(р, т,р) = — (1 — е р'рр)/тр Р (4. 51) 172 — символический коэффициент; р — символ, обозначающий оператор дифференцирования д/бг при анализе временных процессов или ')ьр при анализе периодических процессов частотой ии 1/р означает операцию интегрирования, е ~'рр — операцию сдвига по времени нат р.
Комплексную проводимость пролетной области (без учета тока смещения) можно записать в виде )пр = /прг/(/пр~ К/лх/(/пр! где /,р„(/,р, — комплексные амплитуды первой гармоники тока и напряжения пролетной области. Так как ток („синфазен с пото- ком Ф (/), а напряжение и„р пропорционально дФ/й, то Рис. 4.4о. Эквивалеитвая схема ЛП/1 для перемевиого тока ) пр =(К +)К ) /лг/()(/прг) = гхпрх+ )Впрг где К', К" — действительная и мнимая части К; ( /и и бвр =К" /л~/(/про' Впр = — К' /лг/(/прт. 1пл Из (4.51) следует, что К'=яп сот„р/(гот,р), К = — (! — созогтир)/(сот~в). Как было отмечено, в оптимальном режиме тпр — — Твр/2, поэтому К' = О, К' = = — 2/и. Это означает, что 6„ 2 /щ = — — — "' = О„В, = О.
Таким образом, — г/ а пр на частоте генерации пролетная область эквивалентна отрицательной проводимости — ~0,~, В эквивалентной схеме она может быть представлена генератором тока /„р. Если учесть ток смещения (путем включения емкости Спр), то эквивалентная схема ЛПД может быть изображена в виде рис. 4.45. й 4.20. Статическая и динамическая вольт-амперные характеристики Л ПД Чтобы установить оптимальный режим работы ЛПД, нужно знать статическую и динамическую ВАХ диода. Статическая ВАХ изображена на рис.
4.46. В приложении 14 показано, что при и ) ) и„крутизна характеристики в области пробоя дйди = 1/гс„ где 4, = тпр/(2Спр) + г,. Постоянное напряжение питания (/а, подводимое к диоду, должно быть больше и„'р. Как видно из рис. 4.46,б, при и ) ипр напряжение на ЛПД изменяется мало, в то время как ток может меняться в широких пределах. На этом же рисунке изображена нагрузочная линия диода по постоянному току.
Тангенс угла ее наклона к оси ординат равен внутреннему сопротивлению источника )т „.. Для устойчивой фиксации рабочей точки на статической ВАХ диода его следует питать от источника с большим внутренним сопротивлением К„„)~ /с . В противном случае небольшие изменения напряжения питания или внутреннего сопротивления приведут к значительному изменению положения рабочей точки. ггз Этот вывод справедлив, если не учитывать изменение температуры диода при изменении напряжения питания, т. е. для маломощных диодов либо для диодов, работающих в импульсном режиме.
В мощных ЛПД, работающих в непрерывном режиме, возрастание Уа приводит к увеличению температуры диода. Практика показывает, что с ростом температуры сопротивление )се не изменяется, но увеличивается иир (см. рис. 4.46, б). Таким образом, 'др И о ярц ,и и„ д) р' г) Рнс, 4.46. Вольт-аынерные характеристики ЛПД; о — статическа» ВАХ р-и-вере»ода; б — статическая ВАХ рабочето те»сека ЛПД (аапнражщее напр»же»не считается положительнммп а — статическая ВАХ мощиото диода в ае- нрерывном режиме; с — дннамическа» ВАХ наклон статической ВАХ мощного ЛПД уменьшается из-за само- нагрева диода. В этом случае на диод можно подавать питание отисточника с малым внутренним сопротивлением. Динамическую ВАХ генератора тока (,р (иар) можно получить, воспользовавшись рис.
4.44, б, г 1исключив из зависимостей (, (г), и р Щ время). Динамическая ВАХ генератора тока изображена на рис. 4.46, г. Штриховой линией показана зависимость ( р (и р) при малых напряжениях, когда в пролетной области напряжейность поля снижается столь существенно„что эта область теряет активные свойства и подобна резистору. Как видно из рис. 4.46,г, генератор тока ( р (и р) имеет динамическую'ВАХ У-типа, т.е. для получения гармонических колебаний необходим параллельный резонанс в точках подключения генератора тока, а для устойчивости стационарного режима колебаний— выполнение условия, ясного из (4АО): 616в1ЙИУ»рх ( О.
И4 Колебательная характеристика ЛПД. Зная динамическую ВАХ генератора тока („р ((1нр), можем построить колебательную характеристику ЛПД, т, е. зависимость амплитуды первой гармоники тока 1 р, генератора от амплитуды первой гармоники напряжения с1нр, (рйс. 4.47). С помощью этой характеристики проанализируем режимы работы ЛПД. На характеристике можно выделить три участка: 1 — почти линейной зависимости 1 р, от (1„р,, П вЂ” приблизительно постоянной амплитуды тока 1 р,' П1 — почти постоянной ампли- гарт~го туды напряжения 0 р,. Зависимость 1„р, ((1нр,) на участке 1 назовем режи- l мом малых амплитуд, на участке П— режимом больших амплитуд, а на участке Ш вЂ” перенапряженным режимом (по аналогии с усилителями мощности). Для упрощения анализа режимов работы ЛПД колебательную характе- рнс.
4,47. Кодеаатедьнан хнристику целесообразно аппроксимиро- рнкторнстнкд лпд: вать (штриховые линии на рис. 4.47), ь — о даа тока диода Аппроксимированная характеристика имеет параметры: (1;р — амплитуда напряжения (1 р„соответствующая излому характеристики (границе между участками 1 и П); (1,"р — амплитуда напряжения (1,рп соответствующая границе между участками П и Ш, Отметим, что в режиме больших амплитуд 1,р, 1,. 5 4.21.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
