тивность (шлейф), которая вместе с реактивной проводимостью диода емкостного характера образует резонансный контур. Стабилизиру ющую цепь вводят для предотвращения возможности возникновения усиления и генерации на нежелательных частотах, поскольку отрица тельное сопротивление диода сохраняется в широком диапазоне ча стот. Такая цепь, не оказывая влияния на параметры усилителя в диа пазоне рабочих частот, шунтирует нагрузку диода малым сопротив лением вне этого диапазона.
Как известно, циркуляторы и вентили передают электромагнитную энергию только в одном направлении и в идеальном случае без потерь. На практике приходится учитывать, что реальные невзаимные устрой
ства поглощают часть энергии в прямом направлении (потери порядка 1 дБ) и, что особенно важно, частично пропускают ее в обратном на правлении (потери порядка 20—30 дБ); это снижает развязку цепей, подключаемых ко входу и выходу усилителя. Подобно параметриче ским усилителям усилители на туннельных диодах отражательного типа обладают большей эффективностью, чем усилители проходного типа — при одном и том же коэффициенте усиления они обеспечивают более широкую полосу пропускания. Поэтому их чаще используют в приемных устройствах. В то же время усилители проходного типа оказываются в ряде случаев предпочтительнее как многокаскадные
усилители промежуточной частоты. |
|
по |
виду линии |
передачи, |
||
Конструкции усилителей |
различают |
|||||
типу |
невзаимного элемента |
и ряду |
других |
признаков. |
Рассмотрим |
|
в качестве примера две конструкции |
одноконтурного отражатель |
|||||
ного |
усилителя — на полосковой |
линии |
с твердым диэлектриком |
|||
(рис. 4.23,а) и упрощенную волноводного типа (рис. 4.23, б). В кон струкции УТД (рис. 4.23, а), используемой на дециметровых волнах, диод / помещен между основной токонесущей полоской и держателем 2, который образует с разъемом питания блокировочную емкость. Рези стор 3 служит для подачи напряжения смещения. Реактивная состав ляющая полной проводимости диода компенсируется реактивным шлей фом 4. Между коаксиально-полосковым переходом 5, к которому должен быть присоединен коаксиальный циркулятор, и диодом раз мещен согласующий четвертьволновый трансформатор сопротивлений в.
Резистор 7 вместе с двумя четвертьволновыми отрезками образует один из типов стабилизирующей цепи [10].
В упрощенной волноводной конструкции УТД (рис. 4.23, б) диод помещен в волновод, который соединяется с циркулятором через плав ный переход 2, служащий трансформатором сопротивлений. Настрой ка осуществляется подвижным поршнем 3. Разъем 4 служит для пода-
Рис. 4.23
чи напряжения смещения через резистор 5. Короткозамкнутый чет вертьволновый отрезок радиальной линии 6 вместе с сопротивлением 5 и четвертьволновым отрезком коаксиальной линии образует другой, отличный от предыдущего, тип стабилизирующей цепи.
Основные электрические характеристики усилителей
В качестве основных характеристик усилителей рассмотрим их усилительные и шумовые свойства и устойчивость работы.
Коэффициент передачи. Первоначально рассмотрим УТД проход ного типа, эквивалентная схема которого изображена на рис. 4.24, а. В ней диод представлен параллельным соединением отрицательной проводимости gn и емкости Сд, включенной в результирующую емкость контура С. Коэффициент передачи по мощности характеризуется от
ношением |
|
|
Кр |
Р ВЫХ^РВХ Н> |
(4.57) |
где Р Вы х . Р в х н — мощность, |
потребляемая |
нагрузкой ( Р Вых — ^и )» |
иноминальная мощность источника сигнала соответственно. Нетрудно заметить сходство рассматриваемой схемы, представлен
ной также в виде эквивалента с генератором тока на рис. 4.24, б, с эк вивалентной схемой входной цепи, имеющей двойную автотрансфор маторную связь (см. рис. 2.10). Это позволяет представить коэффициент передачи по мощности на резонансной частоте в виде
К ро = 4 m \ m l g cg Vx lg \, |
(4.58) |
142
где |
g e = |
tn]gc -f >nlgBX + g„ — |ga | — эквивалентная |
проводимость |
|||||||
контура; |
= UBX/UK< |
|
1, |
m2 = |
UBUX/UK< |
1 — коэффициенты |
||||
трансформации. |
|
|
|
|
|
|
|
что Ръых = |
||
|
При написании |
выражения |
(4.58) исходили из того, |
|||||||
= |
U'Lugvx, Рвхн = |
E‘zgj4, |
|
причем |
|
|
|
|
||
|
|
I I |
_________________Е с 8 с _________________ |
|
||||||
|
|
^ вых |
, |
|
. , |
, |
I |
. |
• |
|
|
|
|
т2 fnij |
\ 2 |
1 |
|
|
|
||
|
|
|
\«г2 |
‘ |
/ |
8 с + у £н + ~ Г I &д I + &вх |
|
|||
|
|
|
|
т\ |
т| |
|
|
|
||
Схема, приведенная на рис. 4.24, отличается от схемы, приведенной па рис. 2.10, наличием отрицательной проводимости, за счет которой в контуре компенсируются потери как собственные, так и вносимые
Рис. 4.24
цепями источника сигнала и нагрузки. Эта проводимость характе ризует степень регенерации контура; коэффициент регенерации пред ставим в виде
а = \g.n\Km*go + т кн х + g j - |
(4.59) |
Очевидно, максимальное значение модуля отрицательной проводи мости (g-д), при котором еще возможен режим усиления, определяется условием отсутствия самовозбуждения
|& д| < t n \ g c + m lg BX + g K. ’ |
(4.60) |
Используя известное |
соотношение для полосы пропускания II — |
|
= g,J2nCKt представляем коэффициент передачи |
Кри в виде |
|
К ро = |
m \ m lg cg BJ (лС„П)*. |
(4.61) |
Для обеспечения режима бегущих волн в приемной фидерной си стеме, т. е. для получения номинальной мощности сигнала на входе усилителя, необходимо выполнение условия
^ 1СОГЛ§С = ttl2gnx ёк \8я\ ДСдП.
143
Отсюда получаем значение согласованного коэффициента трансфор мации ш1согл в виде
^бсогл V n C J H g a. |
(4.62) |
При заданной полосе пропускания УТД и согласованном коэффициен те т 1СОгЛ, коэффициент трансформации т2согл получается равным
«?2согл = К(яСк II—£(;+ | ga\)/g«x- |
(4-63) |
Таким образом, коэффициент передачи по мощности с учетом (4.62)
и (4.63) равен |
|
Кро = 1 + (|gH| — g KVnCKll. ' |
(4.64) |
Эффективность усилителя характеризуют площадью усиления,
выражаемой произведением ~]fКр„П. В данном случае она равна
*
«-I»)
яСк
Наибольшая полоса пропускания, называемая критической, полу чается при значении Кр0 — 1; ее численное значение определяется пра вой частью (4.65) при Крл — 1.
Исследования показывают, что максимальная площадь усиления обеспечивается при некотором рассогласовании на входе усилители, что обусловлено наличием в схеме усилителя как бы двух источников сигнала —источника сигнала Е с и туннельного диода. Указанному ре жиму работы соответствует условие m]gc — mlgBX, при выполнении которого коэффициенты трансформации для заданной полосы пропуска ния оказываются равными
m uigc = яС„П — 0,5 (gBX + |
gr), |
(4.66) |
"Ьмй'вх = яС1:П — 0,5 (gc -f- git)- |
|
|
Тогда максимальное значение коэффициента |
передачи можно записать |
|
в виде |
|
|
18яI —Вк |
|
(4.67) |
КРмакс |
|
|
2лСк II |
|
|
Если коэффициент передачи по мощности и полосу пропускания выразить через соответствующие параметры входной цепи и коэффи циент регенерации усилителя, то можно получить выражение
У Kpoli = К/(явхПвх, |
(4.68) |
показывающее, что в простейшем случае площадь усиления усилителя не зависит от степени его регенерации.
В усилителе отражательного типа, показанном на рис. 4.22, ко эффициент передачи по мощности определяется при идеальном цирку ляторе отношением мощности отраженной волны к мощности падающей
144
волны. В общем случае отношение этих мощностей равно квадрату мо- - дуля коэффициента отражения и выражается известным соотношением
К я Ч М 2 |
6V rp I2 |
W + Z 2 |
g - Y |
(4.69) |
|
^ п а д 1 |
W —Z |
g + Y |
|||
|
|
где Гу — коэффициент отражения усилителя по напряжению; g, Y — волновая проводимость Ц и полная эквивалентная проводимость ре зонансной системы соответственно (g — H W ,Y — 1/Z).
На резонансной частоте выражение (4.69) с учетом коэффициента трансформации может быть представлено в виде
|
~g + ( l g f l l — 8к)/т- |
2 |
|
(4.70) |
||
|
£ — (I g д I — &к>1т2 |
|
|
|
||
где (| |
I — g^/tn2 — эквивалентная |
проводимость |
резонансной си |
|||
стемы, |
пересчитанная к сечению вв\ т < |
1 — коэффициент трансфор |
||||
мации. |
Нетрудно видеть, что при условии | |
| < |
m2g |
+ ^ вели |
||
чина Кр„ > 1, а в случае \ga\ ^ m2g |
+ |
gK усилитель |
самовозбуж- |
|||
дается |
(Кр0 -> оо). |
|
|
|
|
|
Эквивалентная проводимость контура с учетом потерь, вносимых циркулятором, равна g 3 = nfg-\-gK—|£ д |. Поэтому, используя соот ношение для полосы пропускания, коэффициент трансформации пред ставим в виде
т = 1 (2лСк II — gK+ 1£д \)/g. |
(471) |
Отсюда для коэффициента передачи по мощности получим выражение
К р о = ( 1 + 1 У л 1 - £ * |
(4,72) |
яСк И |
яСк И |
согласно которому при одинаковых полосах пропускания коэффициент передачи по мощности УТД отражательного типа в четыре раза больше коэффициента передачи по мощности УТД проходного типа, определя емого (4.67).
При пренебрежении сравнительно небольшими собственными -по терями в резонансном контуре эффективность УТД отражательного типа будет определяться выражением
/ / ( ^ Г Г « |£ д|/яСк, |
(4.73) |
позволяющим выбрать тип диода для усилителя.
При работе усилителей с реальными циркуляторами в первую оче редь учитывают потери части энергии при прохождении ее в прямом направлении, а также возможность отсутствия согласования сопротив лений или проводимостей в плечах циркулятора. В этом случае коэф
фициент передачи по мощности получается меньшим, |
чем Кро = |
=• | Гу |2. Он определяется [10] выражением |
|
Х , - | Г У|« (1~ ft0'12--1—1- - -— , |
(4.74) |
1 — (ГГс I I Г„ I I Гу I)2 |
|
где Гс, f y, Гн — коэффициенты отражения в плечах циркулятора.
145
Шумовые свойства усилителей. Первоначально рассмотрим шум туннельного диода. Он складывается из дробового шума, обусловлен ного протеканием токов через р-п переход диода, и теплового шума сопротивления потерь гд, причем преобладающее значение имеет дро бовой шум. За счет утечки тока через переход возникает также мер цательный шум; однако этот шум можно не учитывать, поскольку его интенсивность уменьшается с повышением частоты по закону 1//.
Таким образом, действие шума диода можно отобразить двумя эк вивалентными генераторами (рис. 4.25, а), средние квадраты тока ко торых равны
Ш — П |
/ 2 |
• |
ДПШ. |
(4.75) |
1шдр |
|
Действие шума диода как активного элемента удобно отобразить дру гой эквивалентной схемой (рис. 4.25, б). В ней шум теплового и нетеп лового происхождения диода создается его эквивалентной проводи мостью £д, и средний квадрат тока эквивалентного генератора равен
7?ид = 4Ш д£дГ1ш. |
(4.76) |
В этом случае следует эквивалентную схему па рис. 4.25,а привести, используя теорему об эквивалентном генераторе, к эквивалентной схеме на рис. 4.25, б, учитывая при этом статистическую независи мость составляющих шума диода (4.75). Расчеты показывают, что от носительная шумовая температура диода /д будет определяться при некоторых допущениях выражением
|
|
е1я |
|
Rpn |
|
20/д | Rpn | |
(4.77) |
|
|
|
2kT |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
R]>n/\ |
\Мпред j |
J |
|
|
|
в котором |
простейшее |
выражение |
ж 20 |
f n\R m \ справедливо при |
||||
малом сопротивлении |
потерь, т. |
е. при rn/R pn« |
1 и на |
частотах |
||||
ю ^ |
юиррД- |
Как следует из |
(4.77) |
относительная |
шумовая |
темпера |
||
тура |
резко |
возрастает |
(/д |
оо) |
при со |
сопрсд. Следовательно, |
||
относительная шумовая температура диода ta зависит от выбора ра бочей точки на статической ВАХ, материала, из которого изготовлен
148