полупроводник, и отношения рабочей и предельной частот. Наимень шему значению шумовой температуры соответствует режим, при ко тором рабочая точка лежит несколько правее точки перегиба на падаю щем участке характеристики. Отметим, что при нормальной темпе
ратуре tд « |
1,1 |
для диодов |
из GaSb, in л; 1,3 для диодов из Ge и |
||||||||
/д « |
1,8 для диодов из GaAs. |
|
|
|
|||||||
|
Перейдем |
к |
|
рассмотрению |
шумовых |
свойств |
усилителей. |
||||
На рис. |
4.26 |
изображена эквивалентная схема УТД проходного типа, |
|||||||||
в которой эквивалентные генераторы /шс, / шк, |
/ швх— характеризуют |
||||||||||
тепловой |
шум |
источника |
|
|
|
|
|||||
сигнала, контура и вход |
|
|
|
|
|||||||
ной |
проводимости |
после |
|
|
|
|
|||||
дующего каскада (нагруз |
|
|
|
|
|||||||
ки) соответственно, причем |
|
|
|
|
|||||||
7 L |
= |
4£7£СПШ, |
|
' Ш К |
----- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
/ * |
— |
|
|
|
|
= |
4kTgKПш |
и |
|
П |
_ |
|
|
|
|
||
|
' Ш В Х |
----- |
|
|
|
|
|||||
= |
4 Ш вх£ вхПш; шум диода |
|
|
|
|
||||||
представлен |
генератором, |
|
|
|
|
||||||
средний |
квадрат тока |
ко |
|
Рис. |
4.26 |
|
|||||
торого |
равен |
|
7щЯ= |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
= 4&77д£дПш. |
|
|
|
|
|
|
N = 1 -f- |
||||
|
Коэффициент |
|
шума, |
по |
определению, |
равен |
|||||
+ |
Лисоб/ЛпвхЛяо- |
Мощность-собственного шума усилителя на выходе |
|||||||||
определяем как
ш соб |
т\ |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
\Щ |
■Sc + ' |
■8а--- |
I ёа. I + |
8 к |
|
||
|
|
'Щ |
т^ |
|
|
|
||
= A~ - TUg { gBX |
( g B + |
|
8 * + |
/ „ g BX) m l |
(4 78) |
|||
Номинальная мощность шума на входе усилителя равна Ри |
||||||||
= ЬТПт. С учетом выражения для К ро (4.64) получаем |
|
|||||||
N = |
1 + |
|
(8н + |
(д ё а + |
т * |
8вх)- |
(4 - 79> |
|
|
|
|
ёс |
|
|
|
|
N необходимо, |
Следовательно, для уменьшения коэффициента |
шума |
|||||||
с одной стороны, |
увеличивать |
|
коэффициент |
трансформации ти |
||||
а с другой— уменьшать коэффициент трансформации тг. В последнем случае уменьшение коэффициента шума связано с уменьшением коэф фициента передачи по мощности. Невозможность одновременной ре ализации наибольшего К ро и наименьшего N является существенным недостатком усилителей проходного типа.
В усилителе отражательного типа источниками шума являются источник сигнала, резонатор, диод и нагрузка. На рис. 4.27 изобра жена эквивалентная шумовая схема, в которой значения токов экви валентных шумовых генераторов равны
/йс = 4А7£с Пш, /шк = 4kTtKgKП[1(, = 4kTgHПц„ /шд —4/гГ/д 11ш,
ИТ
причем r общем случае температура резонатора T v (эквивалентного контура) может отличаться от температуры окружающей среды (/р^1 ). Расчет),I показывают, что на частотах, близких к рабочей, на-которых источник сигнала хорошо согласован с нагрузкой, а усиление достаточ но велико, коэффициент шума усилителя равен
N я» |
|
(4.80) |
где /д — относительная шумовая |
температура диода, |
определяемая |
выражением (4.77). |
tn справедлива при |
малом сопро |
Простейшая формула N « 1 + |
||
тивлении потерь, т. е. при гд С |
R pH и на частотах со |
0,3 (опред. |
Она используется для оценки предельно достижимого значения ко эффициента шума, определяемого только дробовым шумом тока, про ходящего через переход диода. Произведение / д| R pn | в (4.77) можно принять за меру шумовых характеристик диодов.
Устойчивость. В общем случае УТД может работать устойчиво при выполнении условий, обеспечивающих устойчивость рабочей точки на статической ВАХ диода, условий отсутствия паразитных колебаний, сохранения основных параметров усилителя при нестабильности на пряжения источника смещения, источника сигнала, а также при изме
Рис. 4.27 Рис. 4.28
нении температуры и влажности. Исследование устойчивости проводят' в широкой области частот—от постоянного тока до резистивной пре дельной частоты сопред, т. е. в области частот, где дифференциальная проводимость диода gpn отрицательна. Устойчивая рабочая точка на ВАХ и отсутствие синусоидальных и релаксационных паразитных коле баний обеспечиваются при определенных соотношениях между пара метрами эквивалентной схемы диода и параметрами внешней элект
рической |
цепи, подключаемой к его выходным зажимам. |
составленную |
|
Будем |
рассматривать эквивалентную |
схему диода, |
|
с учетом подключения к нему внешней |
нагрузки ZBn |
(рис. 4.28, а); |
|
в ней г, L, С — общее активное сопротивление, общая индуктивность и общая емкость соответственно.
148
. Анализ устойчивости основывается на общей теории устойчивости линейных систем. Один из методов исследования заключается в состав лении характеристических уравнений [9]. Любую линейную цепь, содержащую отрицательное сопротивление, можно привести к виду, изображенному на рис. 4.28, б. Для собственных колебаний будет справедливо комплексное уравнение
l R pn + IZ (р) = 0, |
(4.81) |
где / — комплексная амплитуда тока; Z (/>)— комплексное сопротив ление цепи, подключенной к отрицательному сопротивлению.
Этому уравнению соответствует характеристическое уравнение
вида |
|
Z (р) — —R рп, |
(4.82) |
которое для схемы на рис. 4.28, а приводится к виду |
|
p2LC | R pn | + р (гС | Rpn | — L) -f | Rvn | — r = 0. |
(4.83) |
Для определения состояния устойчивости на основе известного кри терия Раусса — Гурвица необходимо, чтобы главные миноры опре делителя (п — 1)-го порядка и свободный член уравнения были поло жительны; поэтому при написании (4.83) параметр R pn был заменен на |/? рп|, а все уравнение умножено соответственно на | —11. В случае уравнения 2-го порядка условие устойчивости записывается в виде двух неравенств
\RPn\ C - L > 0 , | Rvn | — г > 0. |
(4.84) |
Предположим, что требуется решить вопрос только об обеспечении устойчивости рабочей точки на падающей ветви статической ВАХ диода; она подбирается с помощью источника постоянного напря жения ЕсН. Тогда параметры г, L, С схемы на рис. 4.28, а образуются при соответствующем соединении параметров диода гп, Срп, Ln и пара метров цепи смещения гсм, Ссм, LCM. Нетрудно видеть, что для обеспе чения устойчивости рабочей точки нагрузочная прямая и статическая ВАХ диода должны пересекаться лишь в одной точке 0 (рис. 4.29, а). При пересечении их в трех точках (три точки равновесия), что опре деляется соотношением между сопротивлениями Rpn и г, при возник новении приращений напряжений ±Дм устойчивыми точками будут
IW
также являться точки 1 и 2. Последнее соответствует, в частности, работе диода в переключающих устройствах. Объединяя условия (4.84), получаем
\Rpn \ > r > L / \ R pn [ С. |
(4.85) |
Следовательно, для обеспечения устойчивости рабочей точки в ре жиме усиления необходимо уменьшать сопротивление источника пи тания гсм и индуктивность цепи питания LCM, а также увеличивать блокировочную емкость Ссм(Ссм = Сбл, см. рис. 4.21)
Определим теперь условия отсутствия паразитных высокочастот ных колебаний. Будем полагать, что внешняя нагрузка диода ZBI1, определяемая параметрами схемы усилителя, представляет собой по следовательное соединение индуктивности LBH и сопротивления гвн. При этом пренебрежем емкостью нагрузки диода Ск.
Очевидно условия устойчивости, т. е. условия отсутствия паразит ных колебаний, можно представить на основании (4.85) в виде
|
\ R pn \ > |
> L x l\ R p n \ C pn, |
(4.86) |
где гх |
— гп + гвп — суммарное активное сопротивление; |
Lx — |
|
— Ln + |
LBn — полная |
индуктивность, Срп — емкость перехода |
|
диода. |
|
|
|
В ряде случаев оказываются полезными предварительные сведения об устойчивости короткозамкнутого диода, применяемого в усилитель ных схемах; это соответствует также практическому случаю работы диода с внешней нагрузкой, при котором диод подключается к кон туру с большой емкостью нагрузки (Свн > СРп). Для обеспечения устойчивости необходимо в этом случае выполнение условий
(4.87)
которые при реальных параметрах не всегда выполняются. Поэтому диоды в режиме короткого замыкания, как правило, неустойчивы.
Нетрудно также видеть, что в режиме холостого хода (гвн -> оо)
диод всегда неустойчив, поскольку не выполняется условие гх <
<\Rpn\ (4.87).
В заключение отметим, что раздельное решение вопроса об устой чивости упрощенных схем на низкой частоте ( цёпь питания) и на вы сокой частоте (нагрузка усилителя) не всегда обеспечивает устойчи вость реальной схемы в целом. Однако такое рассмотрение позволяет1
выявить необходимые условия, обеспечивающие стабильную работу усилителя.
В настоящее время с помощью УТД можно получить усиление Кр ж 15 Ч- 20 дБ, полосу пропускания П » (10 -f- 15) % /0, где До
резонансная частота, и коэффициент шума N = 4,5 -f- 7 дБ.
150