Усилитель на туннельном диоде

Усилитель на туннельном диоде

ВОПРОС №2

УРЧ на туннельных диодах (ТД) относятся к категории регенеративных, то есть к классу усилителей с отрицательным сопротивлением. В регенеративных усилителях на ТД усиление сигнала достигается за счет вносимого в колебательную систему (контур, резонатор) отрицательного сопротивления.

Регенеративное усиление заключается в создании таких условий, при которых в электрической цепи происходит компенсация потерь, которую возможно осуществить либо за счет положительной обратной связи, либо используя нелинейные элементы, имеющие участок ВАХ с дифференциальным отрицательным сопротивлением.

Определение. Регенеративным усилителем называется устройство, обеспечивающее усиление радиосигналов за счет внесения в электрическую цепь отрицательного сопротивления, что соответствует внесению в эту цепь дополнительной энергии.

Особенность регенеративного усилителя в том, что входной и усиленный сигнал соответственно подается и снимается с одного и того же контура, т.е. цепи источника сигнала и нагрузки совпадают (с учетом коэффициентов включения), следовательно, усилитель обладает свойством взаимности, при котором вход и выход усилителя можно поменять местами.

Благодаря этому свойству шумы электронного прибора, включенного на выходе усилителя, поступают обратно в усилитель и усиливаются в нем, ухудшая шумовые параметры усилителя.

По этой причине регенеративные усилители делают однонаправленными (невзаимными). В таких усилителях усиливаемый сигнал проходит только в направлении от источника сигнала к нагрузке, обратный путь исключается. Свойство однонаправленности в усилителе можно реализовать двумя путями:

1) включением между источником сигнала, усилителем и нагрузкой однонаправленных (обычно ферритовых) вентилей. При этом усилитель является регенеративным усилителем с однонаправленными вентилями или регенеративным усилителем проходного типа;

2) соединением источника сигнала, усилителя и нагрузки через ферритовый циркулятор. При этом усилитель является регенеративным усилителем с циркулятором или усилителем отражательного типа.

Энергия сигнала, поступающая из антенны в колебательный контур, расходуется на потери эквивалентного контура, определяемые потерями в самом контуре и потерями в подключенной к контуру нагрузке.

Если к контуру подключить двухполосник с отрицательным сопротивлением, то результирующие потери в контуре уменьшаются, при этом мощность сигнала в нагрузке возрастает. При равенстве подключенного к контуру отрицательного сопротивления собственному сопротивлению контура происходит компенсация потерь в контуре.

При этом мощность сигнала из антенны передается в нагрузку (на вход первого усилительного или преобразовательного каскада) без ослабления. Если вносимое в контур отрицательное сопротивление больше собственного сопротивления контура (наблюдается частичная компенсация не только потерь в контуре, но и поглощения энергии нагрузкой), то мощность сигнала в нагрузке больше, чем мощность сигнала от антенны, то есть происходит усиление сигнала.

Если вносимое отрицательное сопротивление полностью компенсирует потери эквивалентного контура вместе с нагрузкой, то в контуре возникают незатухающие колебания и усилитель превратится в генератор.

С увеличением вносимого в контур отрицательного сопротивления добротность контура возрастает, усиление усилителя увеличивается, однако полоса пропускания уменьшается. Элемент с отрицательным сопротивлением можно создать за счет положительной обратной связи либо с помощью некоторых нелинейных элементов. Отрицательное сопротивление обусловлено особенностью статической вольт-амперной характеристики туннельного диода. Вольт-амперная характеристика ТД имеет падающий участок, поэтому при выборе рабочей точки на этом участке можно получить дифференциальное отрицательное сопротивление (рис.20.3).

Рис.20.3. Вольт-амперная характеристика ТД

Падающий участок характеристики ТД возникает ввиду проявления туннельного эффекта при условии значительной напряженности электрического поля на р-n переходе. Такая напряженность возможна при малой ширине перехода за счет большого содержания примесных атомов в кристалле. На этом падающем участке положительное приращение напряжения +DU = U2 – U1 вызывает отрицательное приращение тока –DI = I2 – I1, следовательно дифференциальное сопротивление ТД будет отрицательным.

Таким образом, регенеративное усиление обусловлено внесением в колебательную цепь усилителя отрицательного сопротивления, в результате чего активные потери в контуре уменьшаются, добротность колебательной системы возрастает, то есть обеспечивается усиление.

2. Малый уровнень потребляемой энергии.

3. Большой срок службы.

4. Способность работать в широком диапазоне температур.

5. Устойчивость к радиоактивному излучению.

В настоящее время ТД изготавливаются из сильнолегированных полупроводниковых материалов, в которых обеспечивается большая концентрацию электронов и дырок, узкий электронно-дырочный переход и высокая напряженность внутреннего электрического поля в месте перехода. ТД изготавливаются, как правило, из германия, арсенида галлия, антимонида индия и др. материалов.

Выбор положения рабочей точки на характеристике ТД обеспечивается подачей определенного напряжения смещения на диод от источника питания. Необходимо отметить, что не исключена возможность использования ТД и в усилителях бегущей волны.

Наибольшее распространение получили усилители на ТД отражательного типа с циркулятором. На рисунке 20.4 показана принципиальная схема такого усилителя. Сигнал из антенны по коаксиальному кабелю подается на плечо 1 цирулятора. Циркулятор обеспечивает одностороннее прохождение сигнала. Направление прохождения сигнала в циркуляторе обозначено стрелкой. В показанной схеме распространение сигнала идет в направлении 1-2. С плеча 2 сигнал по соединительному кабелю поступает на вход усилителя. Резонансной системой усилителя служит короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии 5 размером L = l/4.

Читайте также:  Высоковольтные провода с нулевым сопротивлением цена

от антенны радиоприемник

Рис.20.4. Принципиальная схема усилители на ТД

отражательного типа с циркулятором

Связь циркулятора с резонатором выбрана автотрансформаторной за счет подключения в точке А. В разрыв центральной жилы кабеля включается туннельный диод. Питание диода осуществляется от низковольтного источника Е. Подбор необходимой величины напряжения питания производится при помощи делителя на резисторах R1 и R2. Конденсатор С1 служит для шунтирования резистора R1 по переменному току. В схеме усилителя происходит усиление на частоте настройки коаксиального резонатора за счет вносимого со стороны ТД отрицательного сопротивления, компенсирующего потери в резонаторе. Режим работы ТД выбирается так, чтобы рабочая точка помещалась на середине участка с отрицательным сопротивлением.

Сигнал, поступивший на вход усилителя, усиливается и отраженная волна сигнала снова попадает на плечо 2 и проходит к плечу 3, с которого снимается сигнал на следующие каскады приемника.

Сопротивление R1, включенное в плече 4 циркулятора, служит для поглощения отраженной от следующего каскада энергии с тем, чтобы она не накладывалась на прямой сигнал (шумы нагрузки поступают в плечо 4 и далее поглощаются RН и не попадают на вход усилителя). Таким образом, циркулятор устраняет обратную связь между входом и выходом усилителя, которая может быть причиной самовозбуждения.

Достоинства усилителя на ТД:

1. Малая потребляемая мощность.

2. Сравнительно широкая полоса пропускания (2–5% от несущей).

3. Устойчивость к радиоактивному излучению, малая чувствительность к изменению температуры окружающей среды.

4. Длительный срок службы, высокая надежность.

5. Достаточное усиление (15 дБ).

6. Сравнительно малый коэффициент шума (3–7 дБ, с охлаждением – 2–3 дБ).

7. Простота конструкции, малые габариты и масса.

8. Мгновенное вхождение в режим.

9. Возможность миниатюризации.

Недостатки усилителя на ТД:

1. Пониженная электрическая прочность (ТД выходит из строя при входном сигнале, превышающем определенный уровень (25¸50 дБ/мВт).

2. Малая выходная мощность (основной недостаток).

3. Малый динамический диапазон.

4. В рабочем режиме ток ТД имеет постоянную составляющую, являющуюся источником дробовых флуктуационных шумов.

Выводы по 2-му вопросу:

1. Режим работы по постоянному току ТД в усилителе выбирается таким образом, чтобы рабочая точка помещалась на середине падающего участка ВАХ диода.

2. Устойчивое положение рабочей точки обеспечивается сопротивлением резисторов делителя, при которых нагрузочная прямая по постоянному току пересекает ВАХ диода только в одной точке.

3. Критическая частота ТД должна в 3–4 раза превышать максимальную рабочую частоту сигнала. Усилители на ТД находят широкое применение в бортовой аппаратуре систем спутниковой связи.

Применение усилителей СВЧ способствует снижению коэффициента шума приемника и тем самым увеличивает его реальную чувствительность. В качестве усилителей СВЧ широко применяются усилители на ЛБВ и на ТД. Указанные усилители достаточно сложные устройства и они находят применение, в основном, в сложной теле-, радио- профессиональной аппаратуре спутниковых систем связи, радиоастрономии, навигации.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9139 — | 7301 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

В современной аппаратуре связи УТД нашли широкое применение благодаря простоте, высокой надежности, малым габаритам и массе, а также небольшому потреблению мощности питания. Туннельные диоды изготавливают из полупроводников с большим содержанием примесей. Благодаря высокой концентрации примесей запирающий слой на переходе утончается до 10-6 см . При подаче на такой тонкий p-n-переход даже малого постоянного напряжения напряженность электрического поля в переходе достигает значительных величин (до 105 В/см). Большая напряженность поля и малая толщина перехода создают условия для преодоления электронами энергетического барьера. При этом электрон как бы исчезает с одной стороны потенциального барьера и почти мгновенно появляется по другую сторону от него. Описанное явление называется туннельным эффектом. Усиление СВЧ колебаний с помощью УТД основано на использовании падающего участка с отрицательным сопротивлением его вольт-амперной характеристики

Обычно туннельные диоды питаются от делителя напряжения, что приводит к неэкономному расходованию мощности питания. Действительно, для германиевых диодов напряжение смещения в режиме генерации равно 0,1-0,15 в, а минимальное напряжение подавляющего большинства химических источников тока составляет 1,2-2 В, поэтому и необходимо применять в цепи питания делители напряжения. При этом примерно 80-90% всей потребляемой мощности рассеивается на делителе. Исходя из соображений экономичности, для питания туннельных диодов целесообразно применять источники с возможно более низким напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5-10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность его повышают до 20-30 Ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5-10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если режим его подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Отрицательное сопротивление туннельного диода сильно зависит от положения рабочей точки, так что при изменении питающего напряжения на 10% нормальная работа генератора может полностью нарушиться. Поэтому при питании диодов от химических источников тока — батарей, аккумуляторов, обеспечить их стабильную работу весьма трудно. Наиболее целесообразно питать их от окисно-ртутных элементов, напряжение которых незначительно меняется в процессе работы, а в ряде случаев приходится использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления в верхнем плече, стабилизирующие ток, а в нижнем — напряжение.

Читайте также:  Кожух от пыли на болгарку 125

Резонансные усилители на туннельных диодах строить сравнительно несложно. Они могут быть выполнены, например, по схеме автогенератора, в котором коэффициент обратной связи недостаточен для возбуждения колебаний. Таким схемам присущи все недостатки регенеративных усилителей: нестабильность порога регенерации, возможность возбуждения при изменении нагрузки, сужение полосы пропускания при повышении усиления. Однако такие усилители могут работать достаточно устойчиво, если не стремиться получить от них максимальное усиление. На рисунке показана схема входной части приемника прямого усиления с ферритовой антенной. Известно, что для согласования сопротивления контура антенны с входным сопротивлением транзистора, коэффициент трансформации трансформатора, образованного обмотками катушек L1 и L2 делается много меньше единицы Верхняя обкладка конденсатора C1 должна быть заземлена. Это приводит к тому, что напряжение сигнала на базе транзистора оказывается в 15- 20 раз меньше, чем напряжение на контуре L1C1. В схеме, показанной рис. 6 коэффициент связи выбран значительно больше обычного и отвод к базе транзистора Т1 сделан от 1/5 общего числа витков катушки L1. В этом случае контур L1C1 оказывается сильно шунтированным, полоса его расширяется и чувствительность приемника падает. Однако при подключении туннельного диода к дополнительной обмотке L3 контур частично "разгружается", его затухание и полоса пропускания возвращаются к нормальной величине. Таким способом удается получить выигрыш в чувствительности приемника в 4-5 раз. Число витков обмотки L3 выбирается с таким расчетом, чтобы затухание контура компенсировалось не полностью, и усилитель не возбуждался. Однако, чтобы получить максимальную чувствительность, нужно подойти к порогу возбуждения как можно ближе, поэтому смещение туннельного диода сделано регулируемым. Обмотка катушки L1 содержит 200 витков провода ПЭЛШО 0,15, намотанных в один слой виток к витку на ферритовом стержне длиной 110 мм, диаметром 8,4 мм с отводом от 44 витка. Обмотка катушки L3 содержит 8-10 витков провода ПЭЛШО 0,15, она намотана вблизи заземленного конца катушки L1. Недостатком предложенной схемы является то, что коэффициент перекрытия входной цепи уменьшается, так как из-за увеличенного коэффициента связи сильней будет сказываться входная емкость транзистора T1. Кроме того, к емкости контура добавится пересчитанная емкость туннельного диода. Поэтому, если требуется достаточно большое перекрытие, целесообразно туннельный диод применять с минимальной емкостью.

Представим простейший усилитель на проход, где РТД включен в линию, согласованную с обеих сторон (рис.1, а) и усилитель, работающий на отражение без устройства поглощения отраженного сигнала (рис.1, б).

Рис.1. — Эквивалентные схемы усилителей

Эквивалентную схему для двух случаев при условии, что настройка будет проведена индуктивностью [1], включенной последовательно с собственной индуктивностью РТД, можно представить, как показано на рис. 2.

Рис. 2. — Эквивалентная схема усилителя на РТД

На эквивалентной схеме для усилителя на отражение , , а для усилителя на проход и , при этом — волновое сопротивление линии; L — суммарная индуктивность РТД и настроечной индуктивности; r и С — сопротивление потерь и емкость РТД; i (u) — переменный ток через РТД.

Для эквивалентной схемы составляем дифференциальное уравнение вида [2]:

При , условие устойчивости усилителя можно записать следующим образом:

где: — колебательная характеристика (зависимость первой гармоники тока от амплитуды напряжения на гетеропереходе).

Стационарный режим усилителя на РТД можно достаточно полно описать амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) [5, 6] , полученными при исключении из выражений (3) и (4) фазы при условии . По этим АЧХ возможно построение резонансных кривых усилителя на РТД, принимая во внимание, что амплитуда выходного напряжения

Из формул (3) и (4) получается, что кривые зависят от колебательной характеристики . На оказывает влияние вид аппроксимирующей вольтамперную характеристику (ВАХ) функции и положение рабочей токи на ВАХ [5]. Для выявления общих свойств усилителей на РТД, которые не будут зависеть от упомянутых выше факторов в (3) можно ввести безразмерные координаты

Читайте также:  Пресс для подошвы своими руками

в дальнейшем будет видно, что координатапропорциональна мощности колебаний. Величина — безразмерная расстройка частоты сигнала относительно частоты , на которой возникают колебания (система находится на пороге возбуждения). Из рассмотрения эквивалентной схемы (рис. 2) в линейном приближении видно, что величина определяется соотношением

Если характеристику записать в координатах то получим

Из выражения (9) видно, что АЧХ несимметричны относительно оси . Максимумы АЧХ расположены на кривой

Максимум можно определить из уравнения

Как показано в [7] устойчивость решения дифференциального уравнения (1) определяется соотношениями:

Если в стационарном режиме () вычислить частные производные выражений (3) и (4) учитывая (6, 7 и 10), то можно условие устойчивости записать в виде [8]

Обычно на практике присутствует мягкая колебательная характеристика, когда ; в этом случае условие (14) будет выполняться при любых и . Условие (15) может быть нарушено при некоторых значениях координат и параметров, это соответствует возникновению гистерезисных скачков в АЧХ [6].

При детальном анализе характеристик усилителя на РТД требуется задаться конкретным видом зависимости . При стандартных токах смещения, которые подаются на РТД, работающий в режиме усиления, колебательную характеристику можно представить выражением [9]

а выражение (15) принимает следующий вид

Если левую часть (17) приравнять к нулю, то можно определить границы областей неустойчивости.

Область, расположенная в верхней полуплоскости (), представляет интерес при анализе усилителя на РТД. Используя (9) и (17) можно вычислить АЧХ и границы области неустойчивости при различных значениях . Результаты таких вычислений показаны на рис. 3 для двух значений равных 0,8 и 0,95. На этом же рисунке штриховой линией показаны зависимости , которые построены для линейного усилителя и умноженные на постоянный коэффициент .

Рис. 3. — Результаты вычислений для двух значений

Случай максимального усиления, когда , представляет особый интерес, так как здесь не оправдана применимость координат и . Для данного случая введем координаты и , которые выражаются следующим образом: (18)

При этом границы области неустойчивости, когда не выполняется условие (17), можно описать следующим выражением

Из последнего выражения получается условие существования области неустойчивости:

Формула (20) показывает, что при достаточно больших амплитудах сигнала всегда есть область неустойчивости, которая будет при невыполнении условий (13), (15) и (17) [8]. Отсюда же следует, что при малом сигнале гистерезисные явления в частотных характеристиках усилителя будут вблизи порога возбуждения () тогда, когда . Для случая на рис. 4 построены АЧХ и область неустойчивости в координатах и .

Рис. 4. — АЧХ и область неустойчивости в координатах и

Из выражения для амплитуды выходного напряжения (5) можно найти переменный коэффициент передачи . На рис. 5 показаны зависимости квадрата выходного напряжения от .

Рис. 5. — Зависимости квадрата выходного напряжения от

Напряжение на выходе выражено в обобщенной форме для удобства сравнения

При сравнении рис. 4 и рис. 5 можно заметить, что существенные различия между зависимостями и будут только при малых параметрах регенерации и больших сигналах. Эти зависимости можно считать идентичными в рабочей области значений . По характеристикам , определяющих мощность на зажимах в функции частоты, можно для конкретного усилителя на РТД вычислить мощность, которая передается в нагрузку и коэффициент усиления [10].

Так как определение полосы пропускания усилителя в аналитическом виде достаточно сложно, то численными расчетами возможно получение зависимости относительной полосы пропускания ( — это частота максимума частотной характеристики) от уровня сигнала и параметров схемы усилителя. Эти зависимости изображены на рис. 6, где прямые, изображенные пунктиром — это величины , рассчитанные в линейном приближении.

Формула (9) определяет амплитудную характеристику при . В общем виде найти явное выражение достаточно сложно. При пороговом случае, когда при получаем

Фазовую характеристику также можно определить из (9)

откуда видно, что фаза колебаний является функцией как частоты, так и амплитуды.

Рис. 6. — Зависимости относительной полосы пропускания от уровня сигнала и параметров схемы усилителя

усилитель туннельный диод

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы. Нелинейные и резонансные свойства усилителя на РТД связаны и зависят друг от друга; нелинейность ВАХ РТД придает резонансным кривым такой вид, который обычно бывает в случае нелинейной реактивности, хотя при анализе предполагалось, что . При больших сигналах необходимо учитывать зависимость емкости гетероперехода от напряжения, что будет усложнять ход резонансных кривых. Взятый для анализа вариант достаточно прост и представляет достаточно полную физическую картину работы усилителя СВЧ на РТД.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector