Автогенераторы на туннельных диодах

Туннельный диод благодаря широкому частотному диапазону, малой потребляе­мой мощности Н высокой температурной стабильности является наиболее перспек­тивным прибором для построения миниатюрных, высокостабильных, широкодиапазонных автогенераторов. Недостатком генераторов на туннельных диодах является малая выходная мощность, а также некоторая нестабильность работы из-за разброса параметров современных туннельных диодов.

Наиболее полно преимущества туннельного диода удается использовать в гене­раторах диапазона СВЧ, особенно на частотах выше 1 ГГц, где из-за невозможности использования транзисторов приходилось использовать сложные, громоздкие и неэкономичные генераторы на клистронах, лампах бегущей и обратной волны и др. Современные туннельные диоды позволяют генерировать электрические колебания с частотами до 100 ГГц.

Применение туннельного диода в схемах генераторов объясняется тем, что с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания. Поэто­му рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является ее падающий участок. Ширина падающего участка характеристики туннельного диода обычно не превышает нескольких десятков милливольт. Поэтому амплитуда генерируемых колебаний в автогенераторе на туннельном диоде оказы­вается небольшой. Наибольшая величина выходной мощности, которую может раз­вить туннельный диод, выражается соотношением

(16.10)

При этом рабочая точка перемещается от точки максимума (пика) вольт-амперной характеристики диода до точки минимума (впадины). Вследствие нелинейности ха­рактеристики вблизи этих точек форма генерируемых колебаний может оказаться искаженной. Для уменьшения искажении приходится уменьшать рабочий участок характеристики, ограничиваясь его линейной частью. Однако это приводит к умень­шению отдаваемом мощности, которая практически не превышает нескольких сотен милливатт.

На рис. 16.7, а приведена простейшая схема автогенератора на туннельном дио­де. С помощью делителя R1R2 задается необходимое положение рабочей точки. Колебательный контур образован катушкой L и собственной емкостью диода С_Д. Эквивалентная схема такого генератора может быть представлена в виде цепи, изобра­женной на рис. 16.7, б. Здесь R_Σ — общее активное сопротивление, учитывающее сопротивление делителя и сопротивление потерь контура. Условия самовозбужде­ния будут выполняться, если величина |—R_Д | окажется достаточной, чтобы ском­пенсировать потери в контуре, т. е.

R_Σ<|—R_Д| (16.11).

Кроме того, необходимо, чтобы

L> R_Σ<|—R_Д |С_Д (16.12)

При этом схема самовозбуждается и генерирует колебания с частотой

(16.13)

Рис. 16.7. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы простейшего автогенератора на туннельном диоде

На рис. 16.8 показаны две разновидности типовых схем автогенераторов на тун­нельных диодах.

Следует обратить внимание на то, что туннельный диод — двухполюсник. Поэ­тому схема автогенератора на туннельном диоде проще, чем на транзисторе, так как отпадает необходимость внешней обратной связи. Здесь обратная связь заложена, в самом физическом механизме работы диода и выражается в возникновении отри­цательного сопротивления при правильном выборе рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Из-за отсутствия внешней цепи обратной связи и большой крутиз­ны падающего участка вольт-амперной характеристики автогенераторы на туннель­ных диодах имеют ряд особенностей. Прежде всего, источник питания должен обла­дать малым внутренним сопротивлением R_И, чтобы рабочая точка могла попасть на падающий участок характеристики. Для этого необходимо выполнение условия

R_И<|—R_Д|, (16.14)

где |—R_Д|— отрицательное сопротивление диода в рабочей точке. Из-за малой величины |—R_Д| резонансное сопротивление контура также оказывается малым:

R_рез=m²Qρ≈(1,2…1,6) <|—R_Д|, (16.15)

где т — коэффициент связи диода с контуром; Q — добротность контура; ρ— вол­новое сопротивление контура.

Малая величина резонансного сопротивления контура обеспечивается слабой связью диода с контуром

(16.16)

Но для того чтобы контур обладал хорошими резонансными свойствами, необходимо иметь ρQ >>1. Если считать допустимым ρQ=10…20 и принять Q=100…200, то

ρ≤(0,5…1) |—R_Д |. (16.17)

Соотношения (16.14) — (16.17) используются для расчета контура автогенератора на туннельном диоде.

Схема на рис. 16.8, а получила название схемы с последовательным питанием диода (источник питания, контур и диод включены последовательно друг с другом). Напряжение источника питания обычно подается с помощью делителя. Для получе­ния малого внутреннего сопротивления источника сопротивление резистора R1 следует выбирать из условия R1<|—R_Д |.

Схема на рис. 16.8, б называется схемой параллельного питания. Здесь источ­ник питания, диод и контур включены между собой параллельно (диод и источник питания —по постоянному току, контур и диод — по переменному). Для устране­ния самовозбуждения в контуре C2L_Дp последовательно с дросселем включается резистор R, сопротивление которого выбирается из условия R<|—R_Д|. При парал­лельном питании постоянный ток источника не поступает в контур, что предотвращает бесполезный нагрев катушки контура и способствует повышению стабильности гене­рируемой частоты.

Рис. 16.8. Схемы автогенераторов на туннельных диодах: а – с последовательным питанием, б – с параллельным питанием