Усилители на туннельных диодах

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).

I

I₁

I₂

0 U₁ U₂ U

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.

Достоинства ТД:

1. Безынерционность.

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.

R_Н

1 4

от антенны радиоприемник

L=λ/4

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 R_Н 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.