Некоторые схемы на туннельных диодах. Схема, описание. Генератор на туннельном диоде
Туннельный диод - это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.
Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.
Принцип действия туннельного диода
Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.
Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.
В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение - выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.
Преимущества и недостатки туннельных диодов по сравнению с электронными лампами и транзисторами легче всего понять на примерах конкретных схем.
Первой задачей, которую необходимо решить при построении любой схемы, является задание рабочей точки по постоянному току. Как следует из вида вольт-амперной характеристики (рис. 1), для однозначного задания рабочей точки на падающем участке необходимо задавать постоянное смещение на туннельный диод от источника напряжения. Это означает, что сопротивление постоянному току (включая и внутреннее сопротивление источника смещения), включенное последовательно с туннельным диодом, должно быть меньше дифференциального сопротивления туннельного диода в рабочей точке 2. Этому случаю соответствует линия нагрузки R 1 .
Рис. 1. Различные режимы работы туннельного диода при изменении сопротивления нагрузки.
Поскольку абсолютная величина дифференциального сопротивления в рабочей точке обычно составляет единицы или десятки ом, то внутреннее сопротивление источника постоянного смещения должно быть во всяком случае на порядок меньше, т. е. составлять десятые доли или единицы ома. При этом напряжение источника Е должно быть 100-200 ма. Легко подсчитать, что потребляемая туннельным диодом от батареи смещения мощность P=I0U0 при I0=5 ма н U0=0,1 в составляет 500 мквт. Эта мощность оказывается примерно в 10 раз меньше мощности, необходимой для питания аналогичной схемы на транзисторе, и в несколько тысяч раз меньше мощности, потребляемой электронной лампой.
Однако в настоящее время это преимущество туннельных диодов нельзя полностью использовать, так как для питания схем на туннельных диодах обычно используют стандартные элементы напряжением 1,5-2,2 в, погасив излишек напряжения на балластном сопротивлении. Понятно, что в этом случае мощность, потребляемая от источника питания, будет существенно больше.
На рис. 2 показана типовая схема питания туннельного диода ТД от источника напряжением Е=1,5 в.
Рис. 2. Схема питания туннельного диода.
Если сопротивление R 1 выбрано много меньше |R| и известно U 0 , то величина балластного сопротивления R б находится по следующей формуле:
Например, если E=1,5 в, U 0 =0,1 в и R 1 =1 ом, то R б =14 ом. При этом ток, потребляемый от батареи, будет равен 
, т. е. 100 ма, а расходуемая мощность Р=IE=150 мвт. Таким образом, использование „высоковольтного" источника привело к увеличению мощности в 300 раз!
Если сопротивление постоянному току, включенное последовательно с диодом, будет много больше его дифференциального сопротивления на падающем участке характеристики, то линия нагрузки будет соответствовать прямой R2 на рис. 1. В этом случае прямая R2 пересекает вольт-амперную характеристику в точках 1, 2 и 3 В теории колебаний доказывается, что устойчивым положениям равновесия будут соответствовать только точки 1 и 3, а точка 2 будет неустойчивой. Это означает, что рабочая точка в данный момент времени может соответствовать напряжению на туннельном диоде либо U", либо U" (рис. 1). Таким образом, если источник имеет внутреннее сопротивление R2≥|R|, то невозможно задать рабочую точку на падающем участке характеристики. Такой режим питания используется при создании импульсных схем. Режим же, соответствующий заданию рабочей точки на падающем участке характеристики (R1≤|R|), используется в схемах усилителей и генераторов гармонических колебаний.
Схемы генераторов гармонических колебаний. Ознакомление применением туннельных диодов мы начнем с рассмотрения схем генераторов гармонических колебаний, так как их построение оказывается наиболее простым и понятным.
Как уже, очевидно, стало понятно читателю, основное отличие туннельного диода от электронных ламп и транзисторов с точки зрения применения их в радиотехнических схемах сводится к тому, что туннельный диод - двухполюсник, т. е. имеет только два выходных зажима. В электронной лампе или транзисторе, которые являются трехполюcниками, усиление сигнала возможно только в одном направлении (сетка - анод или база - коллектор) и невозможно в обратном. Эти приборы - однонаправленные. Туннельный же диод не имеет раздельных входа и выхода и, таким образом, является ненаправленным.
Последнее обстоятельство приводит к довольно серьезным осложнениям при построении многокаскадных усилительных и импульсных схем, где необходимо осуществить направленную передачу сигнала с входа на выход. В схемах же любых генераторов всегда имеется только два выходных зажима, с которых снимается сигнал, и поэтому указанная особенность туннельного диода в данном случае не является недостатком.
Простейшая схема генератора гармонических колебаний показана на рис. 3. Эквивалентная схема этого генератора соответствует схеме Цепь, образованная из батареи Б, сопротивлений R 1 , R б и емкости С, обеспечивает необходимое постоянное смещение на диоде ТД. В отличие от схемы на рис. 2 в цепи смещения добавлен блокировочный конденсатор С 1 , емкость которого должна быть выбрана из таких соображений, чтобы ее сопротивление на рабочей частоте было примерно в 10 раз меньше сопротивления Ri. Поэтому емкость этого конденсатора надо рассчитывать по следующей формуле:
где С, - мкф, f - гц, а R 1 - ом.
Колебательный контур на рис. 3 образуется из емкости диода С, индуктивности L и подстроечного конденсатора С 2 . Рабочая частота определяется по известной формуле:
Сопротивление Rн служит нагрузкой, на которую должен работать генератор.
Рис. 3. Схема генератора гармонических колебаний.
Если надо построить генератор с малым содержанием гармоник, то необходимо, чтобы амплитуда колебаний А не «выходила» за линейный участок характеристики. Этот участок примерно равен ±0,1 U 0 . Поэтому амплитуда колебаний для германиевых диодов обычно составляет 2-10 мв.
Обеспечить достаточно малую амплитуду возможно лишь при условии, если сопротивление диода в рабочей точке примерно равно параллельному соединению из сопротивлений нагрузки Rн и контура Rэкв. Поскольку, как мы уже видели, контур с средней добротностью имеет Rэкв≈105 ом, то практически это условие эквивалентно |R|=Rн. При этом отбираемая в нагрузку колебательная мощность Для типовых значений |R|=20 ом и A=5 мв, мощность Р=1,2 мквт.
Если нелинейные искажения не имеют существенного значения, то можно считать, что размах колебаний равен U 2 -U 1 . В этом случае выходная мощность для германиевых диодов будет равна
В УКВ и СВЧ диапазонах принцип построения генераторных схем остается таким же, только вместо контуров с сосредоточенными элементами С и L используют распределенные системы типа линий или объемных резонаторов.
По зарубежным данным верхний частотный предел генерации, достигнутый в настоящее время, несколько превышает 100 Ггц (λ-3 мм). Выходная мощность при этом составляет несколько микроватт.
Усилители на туннельных диодах. Простейшая схема широкополосного усилителя на туннельном диоде представлена на рис. 4,а, а на рис. 4,б показана его эквивалентная схема. Принцип действия усилителя сводится к следующему. Допустим, что внутреннее сопротивление генератора Rг оказывается много больше сопротивления нагрузки Rн, тогда в контуре, образованном из параллельного соединения Rн и туннельного диода ТД, может протекать сколь угодно большой ток, если Rн стремится к |R|. Другими словами, отрицательное сопротивление |R| можно подобрать таким, что оно почти полностью скомпенсирует потери, вносимые нагрузкой Rн. Следовательно, выходная мощность в нагрузке может быть во много раз больше мощности, отбираемой от генератора.
В том случае, когда сопротивление Rг оказывается соизмеримым с Rн, диод должен быть выбран так, чтобы его дифференциальное сопротивление по абсолютному значению было несколько больше, чем
Тот факт, что сопротивление |R| должно быть всегда несколько больше, чем Rн или Rп, связан с тем, что только при этом условии усилитель будет работать устойчиво, т. е. можно будет «устойчиво» задать рабочую точку на падающем участке характеристики (точка 2 на рис. 1).
Как следует из рис. 4,а выходные зажимы генератора являются общими с выходными зажимами усилителя. Как уже было отмечено выше, это обстоятельство затрудняет построение многокаскадных усилителей на туннельных диодах. В радиовещательных диапазонах пока еще нет достаточно эффективных способов, позволяющих «развязать» один каскад от другого. Поэтому, на этих частотах, как правило, используются однокаскадные усилители. В диапазоне СВЧ в качестве развязывающих элементов используют ферритовые направленные ответвители - циркуляторы, которые позволяют «направить» электрические колебания только в одном направлении и, таким образом, разделить вход от выхода.
Рис. 4. Принципиальная (а), эквивалентная (б) схемы широкополосного усилителя.
Следует отметить, что использование усилителей на туннельных диодах в радиовещательном диапазоне частот мало перспективно. В этом диапазоне целесообразнее применять транзисторы, обладающие достаточно хорошими усилительными свойствами и позволяющие создавать стабильные м,ногокаскадные усилители, потребляя при этом примерно ту же мощность от источников питания, что и туннельные диоды.
Поскольку усилители да туннельных диодах не имеют раздельных входа и выхода, то и определение коэффициента усиления для них имеет свои особенности. Под коэффициентом усиления по мощности в этом случае понимают отношение мощностей в нагрузке при включенном и выключенном диоде.
Таким образом, этот коэффициент показывает, какую мощность «вносит» туннельный диод в нагрузку по сравнению с пассивной цепью, образованной из сопротивлений Rг и Rн. Поэтому его обычно называют коэффициентом вносимого усиления Kв. Для простейшей схемы на рис. 4 величина Kв на низких частотах может быть подсчитана по следующей формуле:
При |R|=Rп коэффициент усиления обращается в бесконечность. Это означает, что схема становится неустойчивой. Поэтому Rп всегда выбирают несколько меньше |R|.
Преобладающее большинство усилителей на туннельных диодах являются усилителями резонансного типа. В этом случае параллельно сопротивлению нагрузки включается индуктивность L, которая совместно с емкостью диода образует резонансный контур. По внешнему виду схема резонансного усилителя ничем не отличается от схемы генератора, изображенного на рис. 10. Разница между ними сводится лишь к тому, что на резонансной частоте в схеме усилителя не выполняются условия самовозбуждения, в то время как в схеме генератора это условие является необходимым. В схеме усилителя на частотах, отличных от резонансной, контур шунтирует нагрузку и усиление уменьшается.
Важной характеристикой любого усилительного элемента является его добротность, определяемая как произведение полосы пропускания на коэффициент усиления по напряжению. Для электронных ламп эта величина, как известно, равна 
Для туннельных диодов, как нетрудно показать, коэффициент усиления по напряжению К U =√Kв. Добротность же туннельного диода выражается следующей формулой:
При значениях |R|=20 ом и С=10 пф добротность Δf/Ku≈800 Мгц. Это означает, что на обычном туннельном диоде может быть построен усилитель с полосой пропускания 40 Мгц и коэффициентом усиления Ки=20 (Kв=400). Приведенные значения совершенно недостижимы для однокаскадного лампового усилителя, так как наилучшая добротность у современных электронных ламп оказывается порядка 200 Мгц.
Конструкции современных высокочастотных усилителей на туннельных диодах весьма разнообразны. Их габариты и вес сильно зависят от рабочей частоты, определяющей размеры распределенных колебательных контуров и органов подстройки.
Современные усилители на туннельных диодах работают до частот порядка нескольких десятков гигагерц (λ≤1 см) с коэффициентом усиления Ku=10 3 -10 4 (т. е. 30-40 дб).
Импульсные схемы на туннельных диодах. Эти схемы можно разбить на три основных типа: мультивибраторы, одновибраторы (ждущие мультивибраторы) и триггеры. Два последних типа схем часто называют спусковыми схемами, так как они работают только при наличии внешнего спускового сигнала. Простейшие спусковые схемы на туннельном диоде представлены на рис. 5.
Рис. 5. Спусковые схемы на туннельных диодах, а - схема триггера; б - схема одновибратора.
На рис. 5,а приведена схема триггера, Принцип действия этой схемы сводится к следующему. Если сопротивление в цепи питания R2 выбрано очень большим, так что выполняется условие R 2 ≥|R|, то линия нагрузки, как показано на рис. 1, будет соответствовать прямой R 2 . Поэтому диод будет находиться либо под напряжением U" либо под напряжением U". Другого устойчивого положения равновесия быть не может.
Допустим, что исходным положением является точка 1. Если теперь через сопротивление Rг≥|R| подать на диод импульс от внешнего генератора, то рабочая точка может «перейти» из положения 1 в положение 3. Это произойдет только в том случае, когда амплитуда тока запускающего импульса I 1 =u/Rг окажется больше, чем разность Iмакс-I 2 (рис. 1).
После того как схема «перешла» в другое положение равновесия (точка 3 на рис. 1), для ее повторного срабатывания необходимо уже подать импульс отрицательной полярности с амплитудой, большей, чем I 3 -Iмин. Подавая на схему (рис. 5,а) последовательность разнополярных импульсов, можно получить на выходе колебания с амплитудой U"-U", близкие по форме к прямоугольным.
Переключение схемы из одного положения равновесия в другое происходит за очень короткий промежуток времени, пропорциональный |R|C. Это время соответствует длительности фронтов выходных импульсов.
Триггер является основным элементом любой электронной вычислительной машины. Чем выше скорость его срабатывания, тем больше математических операций в единицу времени может совершить данная машина. Триггеры на туннельных диодах срабатывают за время порядка 10 -9 -10 -8 сек и, таким образом, оказываются чрезвычайно перспективными для быстродействующих вычислительных машин.
С помощью триггера очень легко формировать прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения. Для этого на вход вместо разнополярных импульсов надо подать гармоническое напряжение. На выходе схемы получится последовательность прямоугольных импульсов с частотой входного сигнала. Современные туннельные диоды надежно работают в таком режиме до частот порядка нескольких десятков мегагерц.
Другая разновидность спусковой схемы - одновибратор - изображена на рис. 5,б. В этом случае напряжение источника смещения Е1 и сопротивление R" 2 или R" 2 выбираются так, чтобы линия нагрузки пересекала вольт-амперную характеристику диода только в одной точке на любой из ее восходящих ветвей (рис. 6). Если исходная рабочая точка соответствует положению 1, то под действием внешнего положительного импульса тока схема будет «переброшена» а район точки 3 на другой восходящий участок характеристики и останется там до тех пор, пока внешний сигнал не будет снят.
Рис. 6. Различные режимы работы одновибратора.
После снятия внешнего сигнала схема возвратится в исходное состояние не мгновенно, а через некоторое время, определяемое сопротивлениями R" 2 , Rг и параметрами диода. Если рабочая точка выбрана в точке 3 (рис. 1), то для работы схемы необходимо на ее вход подавать последовательность отрицательных импульсов.
Таким образом, на выходе одновибратора можно получить последовательность прямоугольных импульсов с калиброванной длительностью, не зависящей От формы и длительности входного сигнала.
В рассмотренной выше схеме триггера на одном туннельном диоде (рис. 5,а) условия запуска из точки 1 в точку 3 могут существенно отличаться от условий запуска из точки 3 в точку 1. Связано это с тем, что вольтамперная характеристика в районе Iмакс и Iмин несимметрична и, таким образом, в зависимости от направления переключения амплитуда запускающего сигнала, необходимая для срабатывания схемы, может быть различной. Поскольку же входные сигналы обычно имеют одинаковую амплитуду и длительность, то указанный недостаток может привести к ненадежному срабатыванию схемы в одном из направлений.
От этого недостатка свободна схема на двух туннельных диодах (рис. 7), условно называемая в иностранной литературе схемой «Твин». В этой схеме один из диодов, например ТД2) можно рассматривать как сопротивление нагрузки для диода ТД1. Тогда для построения линии нагрузки для диода ТД1 достаточно из точки U=E построить перевернутую вольт-амперную характеристику диода ТД2 (рис. 8). В результате такого построения мы получим две характеристики, пересекающиеся в трех точках, причем точка 2 будет по-прежнему неустойчивой, а точки 1 и 3 останутся устойчивыми. Поскольку же средняя точка батареи смещения заземлена, точке 2 на рис. 8 будет соответствовать нулевой потенциал относительно «земли». Поэтому условия запуска схемы «Твин» окажутся совершенно одинаковыми для любого направления. При этом, конечно, необходимо подбирать диоды с одинаковыми характеристиками.
Рис. 7. Принципиальная схема "Твин"
Рис. 8. Вольт-амперная характеристика для схемы "Твин".
Напряжение, снимаемое со схемы «Твин», показано на рис. 9. Здесь видно, что выходное напряжение изменяется от +U" до -U".
Рис. 9. Форма напряжения на выходе схемы "Твин".
Схема «Твин» может работать и как мультивибратор, если между зажимом «земля» и выходным зажимом включить индуктивность L (рис. 10). В этом случае точки 1 и 3 (рис. 8) станозятся неустойчивыми, если L>8|R| -2 С, где |R| - усредненное дифференциальное сопротивление диода на падающем участке характеристики (рис. 6). Форма колебаний на выходе мультивибратора близка к прямоугольной (рис. 9).
Рис. 10. Принципиальная схема мультивибратора.
Незначительная асимметрия колебаний может быть достигнута за счет использования диодов с различными параметрами. Длительность плоской части импульса может быть грубо оценена по следующей формуле:
где r L - сопротивление индуктивности постоянному току, а r 1 - сопротивление диода постоянному току на участке характеристики от U 0 до U 1 . Обычно r 1 составляет несколько ом. Напряжение источника питания E/2 должно быть выбрано в интервале от от U 0 до U 2 .
Рассмотренные схемы не исчерпывают многообразия применений туннельного диода в различных радиотехнических устройствах. Необходимо указать, что туннельный диод оказывается весьма перспективным прибором при детектировании очень малых напряжений (около 1 мв), умножении и преобразовании высоких частот и др. В последнее время появились такие приборы, как транзисторы с туннельным эмиттером, позволяющие создавать более совершенные импульсные схемы.
Следует также отметить, что исследования в области изучения физики туннельного эффекта в полупроводниках и создание приборов, использующих этот эффект, находятся еще далеко не в завершенной фазе. Поэтому в ближайшем будущем а этой области следует ожидать еще много новых открытий и изобретений.
Исторически туннельные диоды появились значительно позже, чем транзисторы и лампы. Малые габариты и вес, высокая надежность и экономичность обусловили быстрое расширение области их применения. Вольт-амперная характеристика у туннельного диода - типа N (рис. 7). Поэтому схема автогенератора получается просто: к диоду подключают параллельный контур по переменному току (рис. 8.44 б), а режим по постоянному току выбирают так, чтобы рабочая точка О оказалась на падающем участке характеристики (рис. 7).
Рис.7. Вольт-амперная характеристика и схема генератора на туннельном диоде
Режим по постоянному току должен обеспечиваться с учетом внутреннего сопротивления источника R i . Для этого необходимо решить систему двух уравнений:
Графическое решение системы показано на рисунке 8.44 а.
Рассмотрим два случая.
В первом случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| > 1/R i , существует три возможных состояния, удовлетворяющих уравнениям системы - точки А, О, Б. Анализ, с учетом емкости самого диода, показывает, что только точки А и Б, расположенные на нарастающих участках характеристики, являются устойчивыми. Если точка покоя (точка О) находится на участке характеристики с отрицательным наклоном, то состояние схемы будет неустойчивым и рабочая точка самопроизвольно смещается в одно из крайних положений (в точку А или точку Б).
Во втором случае, при крутизне наклона характеристики |S (U 0)| < 1/R i , существует лишь одно состояние, удовлетворяющее уравнениям - точка О. Оно оказывается устойчивым и поэтому рабочая точка может быть установлена на любом участке вольт-амперной характеристики с отрицательной крутизной, следовательно, фазовое условие самовозбуждения выполняется. Амплитудное условие самовозбуждения будет выполнено, если |S (U 0)| > G Э, где G Э - проводимость контура в точках подключения диода.
Частота колебаний равна
и может изменяться с помощью С К. Амплитуда колебаний изменяется путем изменения точки подключения диода к колебательному контуру. Если катушки L 1 и L 2 не связаны единым магнитным полем, то коэффициент включения контура равен
Если же катушки L 1 и L 2 образуют единую катушку с общим магнитным полем, то диод подключается к индуктивной ветви с коэффициентом включения, равным
где n 1 и n 2 - число витков в частях катушки, обозначенных на схеме L 1 и L 2 .
Блокировочная емкость С Б выбирается из условия
Достоинства схемы:
способность работать в очень широком диапазоне частот (от единиц килогерц до десятков гигагерц);
высокая стабильность параметров при изменении температуры в широких пределах;
низкий уровень собственных шумов;
малое потребление энергии от источников питания;
длительный срок службы;
малая чувствительность к воздействию радиации.
Недостаток схемы - малая выходная мощность, что обусловлено малыми интервалами токов и напряжений в пределах падающего участка характеристики (с отрицательной крутизной). Например, генератор на одном туннельном диоде с пиковым током до 10 мА обеспечивает мощность, не превышающую единиц милливатт. Для получения большей мощности необходимо применять диоды с большими пиковыми токами.
Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов (туннельные диоды , диоды Ганна , лавинно-пролетные диоды , параметрические диоды) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.
Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды , диоды Ганна , лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство - наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде - это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна - особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде - специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг. кристадин Лосева , также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.
На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды . При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко.
Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ - это т.н. параметрические усилители . Они строятся на основе специальных параметрических диодов . Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство - уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи.
Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды . Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.
Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде представлена на рис. 3.6-42.
Рис. 3.6-42. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде
Так как на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Современные туннельные диоды могут генерировать на частотах до 1 ГГц и более. Однако из-за небольшой величины участка ВАХ диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли милливатт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное включение диода в контур генератора. Основным условием генерации является превышение величины сопротивления потерь контура над величиной отрицательного сопротивления туннельного диода. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает отрицательное сопротивление туннельного диода, используется частичное включение диода в контур (через отвод катушки).
На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть мощности генерируемых колебаний, поэтому оно должно быть как можно меньше. Поскольку требуемая величина напряжения смещения очень мала (например, для германиевых туннельных диодов порядка 0,1...0,15 В), питание туннельных диодов обычно осуществляется от делителя напряжения (рис. 3.6-43). Однако это может привести к неэкономному расходованию мощности источника питания (что важно для сверхминиатюрных устройств). Поэтому для питания туннельных диодов следует применять источники с возможно более низким выходным напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5...10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность, его можно повысить 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 его режим подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Следует учитывать, что для стабильной работы генератора нужно поддерживать стабильное положение рабочей точки диода. При изменении величины питающего напряжения хотя бы на 10 % (например, из-за разрядки химического элемента питания) нормальная работа генератора может нарушиться. Иногда целесообразно использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления (в верхнем плече стабилизирующие ток, а в нижнем - напряжение). Так, если в схеме автогенератора (рис. 3.6-43) вместо сопротивления R2 применить маломощный германиевый диод в прямом включении, как это показано на рис. 3.6-44, стабильность работы генератора улучшится, и при изменении напряжения питания в пределах 1...1,5 В никаких дополнительных регулировок не потребуется.
Рис. 3.6-43. Схема автогенератора на туннельном диоде с питанием от делителя напряжения
Рис. 3.6-44. Схема автогенератора на туннельном диоде с нелинейным сопротивлением в цепи питания
Все упомянутые выше способы стабилизации напряжения несколько усложняют схемы, а в ряде случаев увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не находят. В реальной аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому при питании диода эмиттерным током транзистора можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.
На рис. 3.6-45, 3.6-46, 3.6-47 представлены три примера применения генератора на туннельном диоде. При проектировании таких генераторов следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.
Рис. 3.6-45. Простейший передатчик на туннельном диоде
Рис. 3.6-46. Улучшенная схема передатчика на туннельном диоде
Рис. 3.6-47. Гетеродин на туннельном диоде
Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора (рис. 3.6-48). При этом диоды лучше всего соединять по постоянному току последовательно. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя должно быть вдвое больше, чем для одного туннельного диода, т.е. потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов. В противном случае, устойчивая работа двух соединенных последовательно диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме приведенной на рис. 3.6-48 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого диода с контуром следует регулировать индивидуально.
Рис. 3.6-48. Автогенератор на двух туннельных диодах
Генератор на туннельном диоде может строиться и с применением кварцевого резонатора, задающего частоту колебаний. Пример такой схемы приведен на рис. 3.6-49.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
Кафедра "Информационно-измерительная техника и технологии"
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине: "Приёмо-передающие устройства"
Тема: ЗАДАЮЩИЙ АВТОГЕНЕРАТОР НА ТУННЕЛЬНОМ ДИОДЕ
Исполнитель: Новик С. Ф.
Руководитель: Воробей Р. И.
Реферат
Курсовая работа содержит 18 страниц, 4 рисунка, 1 приложение.
АВТОГЕНЕРАТОР, ДИОДНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ, ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА.
Целью курсовой работы является разработка принципиальной схемы и расчет задающего автогенератора на туннельном диоде, описание его работы, расчёт элементов, входящих в принципиальную схему
В проекте представлены: схема электрическая принципиальная задающего автогенератора на туннельном диоде и её расчет.
Введение
1. Анализ принципа действия автогенератора на туннельном диоде
1.1 Общие сведения об автогенераторах
1.2 Диодные автогенераторы
1.3 Туннельный диод
2. Разработка схемы автогенератора на туннельном диоде
3. Расчет схемы автогенератора на туннельном диоде
3.1 Выбор туннельного диода
3.2 Расчет режима диода
3.3 Расчет цепи питания
3.4 Расчет резонатора
3.5 Расчет емкости Ссв и С1
Заключение
Список использованных источников
Введение
В ходе курсовой работы была разработана и рассчитана схема задающего автогенератора на туннельном диоде.
Автогенератор -- это источник электромагнитных колебании, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилителей мощности), часто называют генераторами с самовозбуждением.
В радиопередатчиках автогенераторы применяются в основном в качестве каскадов, задающих несущую частоту колебании. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требование, предъявляемое к ним,-- высокая стабильность частоты. В некоторых типах передатчиков (особенно в диапазоне СВЧ) автогенераторы могут быть выходными каскадами. Требования к таким генераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности -- обеспечивать высокую выходную мощность и КПД.
Туннельный диод -- это маломощный генераторный диод с узким р-n-переходом, активные свойства которого проявляются в широком диапазоне частот -- от постоянного тока до СВЧ.
1. Анализ принципа действия автогенератора на туннельном диоде
1.1 Общие сведения об автогенераторах
Задающие генераторы 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 (Q " 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 периодически добавлять в резонатор порции электромагнитной энергии синхронно с возбуждаемыми колебаниями. Источником энергии может служить постоянное электрическое поле; для преобразования его энергии в энергию колебаний требуется активный элемент (АЭ). Структурная схема автогенератора изображена на рисунке 1. Обратная связь здесь нужна для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе.
Рисунок 1 - Структурная схема автогенератора
В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот применяют LC-контуры, кварцевые пластины; на СВЧ -- отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др. Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, а также генераторные диоды -- туннельные, лавинно-пролетные, диоды Ганна и др.
Механизм работы автогенератора состоит в следующем. При включении источника энергии в резонаторе возникает переходный колебательный процесс, воздействующий на АЭ. Последний преобразует энергию источника в энергию колебаний и 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.
1.2 Диодные автогенераторы
В зависимости от типа АЭ различают транзисторные и диодные автогенераторы.
Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счет специфических процессов в генераторных диодах, обратная связь здесь осуществляется автоматически без применения специальных элементов.
1.3 Туннельный диод
Туннельный диод - это маломощный генераторный диод с узким р-n-переходом, активные свойства которого проявляются в широком диапазоне частот - от постоянного тока до СВЧ. Это позволяет строить туннельные автогенераторы на самых различных частотах. Выходная мощность автогенераторов на туннельных диодах обычно составляет сотни микроватт. Важным достоинством диода является сохранение его свойств как активного элемента в условиях радиационного излучения.
Эквивалентная схема туннельного диода (рисунке 2а) содержит генератор тока iа (u а ), барьерную емкость р-л-перехода Сб (u а ), сопротивление потерь в полупроводнике и контактах rs, и индуктивность выводов Lв. Штриховой линией на рисунке 2б, показана статическая ВАХ обычного диода с р-n-переходом.
Рисунок 2. Эквивалентная схема туннельного диода (а) и статическая ВАХ генератора тока (б)
2. Разработка схемы автогенератора на туннельном диоде
1. Туннельный диод - это прибор с ВАХ N-типа, поэтому колебательная система с учетом Lв н Сб в точках подключения генератора тока iа (ua) должна на заданной частоте иметь параллельный резонанс.
Рисунок 3. Принципиальная электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы питания туннельного диода.
2. Участок отрицательной крутизны существует при весьма малых напряжениях ua. Чтобы диод проявлял себя как активный элемент автогенератора, напряжение питания U0 должно быть в пределах uпик< U0< uвп или 0,1 < U0 < 0,6 В. Так как напряжение стандартных источников питания Еп> 1,5 В, то требуется делитель напряжения (рисунок 3 а).
3. Существование участка отрицательной крутизны не только на динамической ВАХ (как у всех активных элементов), но и на статической характеристике приводит к необходимости обеспечивать устойчивость рабочей точки по постоянному току.
Электрическая схема автогенератора на туннельном диоде. На рисунке 4 изображена одна из возможных схем такого автогенератора.
Рисунок 4. Принципиальная электрическая схема автогенератора на туннельном диоде.
Здесь R1, R2 - делитель напряжения в цепи питания;
Сбл, Lбл - элементы, блокирующие источник питания от токов высокой частоты;
С1, С2, L - элементы резонатора, задающего частоту генерации;
Ссв - емкость связи с нагрузкой. Чтобы одновременно обеспечить высокую стабильность частоты и оптимальный энергетический режим, применено неполное подключение резонатора к диоду.
3. Расчет схемы автогенератора на туннельном диоде
Расчет туннельного автогенератора состоит из 3-ёх основных этапов: 1) выбор диода; 2) расчет режима диода; 3) расчет резонатора и цепи питания.
3.1 Выбор туннельного диода
При выборе диода следует учитывать требуемую выходную мощность автогенератора. Для получения высокой стабильности частоты следует применять ослабленную связь с нагрузкой, подбирая достаточно малую емкость Ссв . Тогда мощность в нагрузке Рн ? (0,1 ... 0.2) P1 , где P 1 , -- колебательная мощность, отдаваемая диодом во внешнюю цепь.
Из теории туннельных автогенераторов следует, что максимальная колебательная мощность диода:
P 1 max ? 0,2 ,
= i пик- i вп; = u пик- u вп.
Так как =i пик; ? 0,4 В для диодов на арсенид галлия, то получим соотношение для выбора диода: i пик? 100 Рн.
3.2 Расчет режима диода
Цель расчета состоит в нахождении оптимальной проводимости нагрузки G к , постоянного напряжения U 0 , на диоде, эквивалентного сопротивления источника питания R ист . В результате расчета становятся известными амплитуда колебаний Ua 1 , колебательная P1 , и потребляемая Р0 мощность, а также электронный КПД автогенератора.
При расчете режима диода необходимо учесть условия существования стационарного режима, самовозбуждения и устойчивости по постоянному току. Нужно рассчитать зависимость действительной G а и мнимой Ва частей проводимости Ya от амплитуды колебаний Ua1 . Основной вклад в Ва дает барьерная емкость диода, т.е. Ва? wC б1 , где Сб1 -- усредненная по первой гармонике емкость Со(u а). Расчеты показывают, что значение В a слабо зависит от Ua1 , поэтому считают емкость Со постоянной, полагая Сб1 -- Сб (U 0). Расчет |Ga|(Ua) можно проводить в следующем порядке.
Рисунок 6. Нормирования ВАХ туннельного диода на арсениде галлия (а ) и зависимость | Ga |/ i пик от амплитуды напряжения (б )
1. Аппроксимируем статическую ВАХ туннельного диода подходящим аналитическим выражением.
2. Считая, что напряжение ua (t ) на диоде имеет гармоническую форму (это справедливо, если добротность контура при параллельном резонансе достаточно велика), подставляем в формулу, аппроксимирующую ВАХ, напряжение
ua (f) = U0+Ua1cos wt
и находим зависимость i a(t ) .
3. Раскладывая функцию i a(t ) в ряд Фурье, находим амплитуду первой гармоники тока диода Ia 1 .
4. Вычисляем
|G a | = Ia 1/ Ua 1 .
5. Повторяем расчеты для различных Ua 1 и U0 . В результате получаем семейство зависимостей | Ga |(Ua 1) при U0 в качестве параметра.
Так как ВАХ туннельных диодов, изготовленных из одного материала, идентичны и отличаются лишь значением пикового тока 1"пяк" то при расчетах можно использовать некоторую среднюю характеристику, нормированную к i пик, которая справедлива для определенного полупроводникового материала (рисунок 6).
Как показали расчеты по изложенной методике и подтвердили эксперименты, оптимальный режим получается при следующих параметрах автогенератора: U0 = 0,37В; | Ga |/ i пик =1,2 В-1. При этом амплитуда колебаний Ua 1 = 0,33 В, а режим возбуждения при U0 = const оказывается жестким.
3.3 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 I 0 через параллельно соединенные резисторы R 1 и R 2 . Можно так выбрать сопротивления R 1 и R 2 , что в момент возбуждения колебаний постоянное напряжение на диоде будет соответствовать мягкому возбуждению, а в стационарном режиме -- оптимальному значению U0 = 0,37 В. Возможность такого выбора объясняется тем, что при мягком возбуждении колебаний постоянный ток I 0(0)(он несколько меньше i пик ) оказывается больше, чем ток I 0 в стационарном режиме. При наличии колебаний ток I 0 уже не определяется статической ВАХ диода, а соответствует некоторой кривой, зависящей от нагрузки G H (заштрихованная область на рисунок 6, а). Это объясняется тем, что временная зависимость ia (t ) негармоническая.
В стационарном режиме колебаний постоянное напряжение Uо окажется равным оптимальному значению 0,37 В в том случае, когда изменение напряжения на сопротивлении Rист при уменьшении постоянного тока I0 до I0 равно разнице постоянных напряжений на диоде в оптимальном режиме и в момент возбуждения. Отсюда получаем (рисунок 6, а):
Rист?(U0-uпик)/(iпик-I0) (1)
В режиме с максимальным КПД:
Из рисунка 6, видно, что в оптимальном режиме 0.3, поэтому Rист?0,4B/iпик; Тогда: электромагнитный генераторный диод туннельный
0,37 В + 0,27 А *0,4 Ом= 0,47 В (3)
= (0,4Ом * 1,5 В)/ 0,47 В = 1,27 Ом (4)
) = 0,4 Ом * 1,5 В / (1,5 В - 0,47 В) = 0,58 Ом (5)
3.4 Расчет резонатора
Выбираем индуктивность контура L = 5 мкГн с добротностью QL = 110. Считаем, чт
о Q 0 QL .
Вычислим параметры элементов резонатора:
с = щ р L = 2 рf pL = 2 * 3,14 * 0,5 Гц * 106 * 5 * 10-6 Гн = 15,7 Ом (6)
С У = = ? 2072 пФ (7)
Rp = с Q 0 = 15,7 Ом * 110 1,72 кОм (8)
C"1= C?/с = 2072 пФ/15,7 Ом = 132 пФ (9)
C2 ? C"1 ? 132 пФ (10)
3.5 Расчет емкости Ссв и С1
Примем Rн? 300 Ом, тогда:
Ссв = = 60 пФ (11)
60 пФ (12)
132 - 60 = 72 пФ (13)
Сопротивление входной цепи должно быть намного больше цепи резонатора (). Примем n=10, тогда:
Lбл=10L = 10 * 5 * 10-6 = 50 мкГн (14)
Cбл=Ссв/10 = 60 * 10-12 / 10 = 5 пФ (15)
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы было приведено описание работы автогенератора на туннельном диоде, была разработана принципиальная схема, произведён расчёт элементов, входящих в принципиальную схему.
Список использованных источников
1. Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие
устройства на полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вызов/ М.: Высш. шк., 1989 - 232 с.
2. Справочник по электрическим конденсаторам/ М. Н. Дьяконов, В. И. Карабанов, В. И. Присняков и др.; Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983 - 576 с.
3. Резисторы: Справочник/ В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.; Под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. - 2 изд., - М.: Радио и связь, 1991 - 528 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Особенности метода решения уравнения Пуассона, описывающего процессы, происходящие в диоде, методом распространения вектора ошибки. Пример решения разностного уравнения. Программа расчета потенциала в определённом узле сетки с учётом граничных условий.
дипломная работа , добавлен 29.11.2011
Диод Шотки как полупроводниковый диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего электрического перехода между металлом и полупроводником. Структура данного устройства, сферы и особенности его практического применения.
реферат , добавлен 29.04.2011
Механизм действия полупроводникового диода - нелинейного электронного прибора с двумя выводами. Работа стабилитрона - полупроводникового диода, вольтамперная характеристика которого имеет область зависимости тока от напряжения на ее обратном участке.
презентация , добавлен 13.12.2011
Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Конструкция асинхронного двигателя с фазным ротором. Снижение тока холостого хода. Магнитопровод и обмотки. Направление электромагнитных сил. Генераторный режим работы.
презентация , добавлен 09.11.2013
Единый подход к изучению колебаний различной физической природы. Характеристика гармонических колебаний. Понятие периода колебаний, за который фаза колебания получает приращение. Механические гармонические колебания. Физический и математический маятники.
презентация , добавлен 28.06.2013
Особенности колебаний, имеющих физическую природу. Характеристика схемы пружинного маятника. Исследование колебаний физических маятников. Волновой фронт как геометрическое место точек, до которых доходят колебания к рассматриваемому моменту времени.
курсовая работа , добавлен 01.11.2013
Строение, электрические свойства полупроводников и их отличия от металлов. Собственная и примесная проводимость. Полупроводниковые приборы: диод, фотодиод, транзистор, термистор. Коэффициент тепловой связи. Статические вольт-амперные характеристики.
курсовая работа , добавлен 15.02.2014
Общие сведения об измерительных источниках оптического излучения, исследование их затухания. Основные требования к техническим характеристикам измерителей оптической мощности. Принцип действия и конструкция лазерных диодов, их сравнительный анализ.
дипломная работа , добавлен 09.01.2014
Понятие диодов как электровакуумных (полупроводниковых) приборов. Устройство диода, его основные свойства. Критерии классификации диодов и их характеристика. Соблюдение правильной полярности при подключении диода в электрическую цепь. Маркировка диодов.
презентация , добавлен 05.10.2015
Напряжение тока и сопротивление диода. Исследование вольтамперной характеристики для полупроводникового диода. Анализ сопротивления диода. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Нагрузочная характеристика параметрического стабилизатора.
Статьи по теме
