Курс лекций по дисциплине “Методы и устройства формирования радиосигналов” (Лекции 1-34. Назначение дисциплины. Радиосигнал и его характеристики. Основные этапы развития радиотехники. Паразитные излучения в формирователях. Электромагнитная совместимость в формирователях), страница 74

, где  - напряжение постоянного источника, соответствующее началу лавинного пробоя;  - амплитуда переменного ВЧ поля;  - резонансная угловая частота колебательной системы.

В момент времени соответствующему фазе  напряжение  максимально и под его воздействием с некоторым запозданием по времени возникает кратковременный пробой, сопровождаемый коротким импульсом тока. Ток инжекции  представляет собой периодическую последовательность коротких импульсов, которая наводит во внешней цепи ток периодически следующих прямоугольных импульсов  длительностью , где  - скорость дрейфа электронов, двигающихся к каналу.

Сказанное можно наглядно проиллюстрировать следующими графиками.

Рис. 4. Временные диаграммы токов и напряжений в

лавинно-пролетном диоде.

Для тока диода на протяжении одного периода при  имеем:

Разложим в ряд Фурье функцию , ограничившись двумя его членами:

, где          ;             

.

Эквивалентная активная проводимость генераторного диода определяется по формуле:

.

Упрощенная эквивалентная схема диода имеет вид:

Рис. 5. Эквивалентная схема лавинно-пролетного диода.

Контур ,  характеризует область лавины, а генератор тока и емкость  - пролетный участок. Чтобы установить оптимальный режим работы ЛПД, нужно знать статическую и динамическую ВАХ диода:

Рис. Статическая ВАХ диода.

Постоянное напряжение питания должно быть больше . Как видно при  напряжение на ЛПД изменяется мало, в то время как ток может меняться в широких пределах. Для устойчивой фиксации рабочей точки на статической ВАХ диода его следует питать от источника с большим внутренним сопротивлением. Динамическая характеристика имеет вид:

Рис. 7. Динамическая ВАХ ЛПД.

Штриховой линией показана зависимость  при малых напряжениях, когда в пролетной области напряженность поля снижается столь существенно, что эта область теряет активные свойства и подобна резистору.

Проектирование автогенератора на ЛПД заключается на выборе диода, составлении топологии и расчете параметров схемы для работы на задней частоте при максимальной мощности. Топологию автогенератора можно представить в виде:

Рис. 8. Топология генератора на ЛПД.

На частоте генерации искомая эквивалентная схема ГЛПД имеет вид:

Рис. 9. Упрощенная эквивалентная схема ГЛПД.

Дальнейший расчет возможен, если известны следующие параметры диода: длина пролетной области X; напряжение, соответствующее началу лавинного пробоя ; “холодная” емкость диода ; сопротивление потери ; максимально допустимая рассеиваемая мощность , максимальная колебательная мощность ; индуктивность выводов ; емкость контура .

Расчет приведем в следующей последовательности:

1.  Определим  емкость , используя формулу:

;   Так как , , ; ; ; ; ;

2.  Найдем индуктивность .

На частоте автогенерации .    ;  ;  ;

 для диодов из кремния;  для диодов из арсенида галлия;  - постоянная составляющая для ЛПД.

3.  Вычислим проводимость (действительную часть) колебательной системы в точках подключения отрицательной проводимости.

В соответствии с эквивалентной схемой при достаточно высокой проводимости колебательного контура :

, где  - волновое сопротивление контура, т.е. . При    .

4.  Рассчитаем оптимальное сопротивление нагрузки:

; Т.к. , то ; .

5.  Найдем мощность в нагрузке.

;  ;  ;

6.  Рассчитаем потребляемую мощность.

;  .

7.  Определим к.п.д. генератора:

.

Здесь приведен один из вариантов расчета, когда в качестве максимальной мощности диода принята мощность, приведенная в справочных данных. В литературе (Петров Б.Е., Романюк В.А. РПдУ на п/п приборах) наибольшая максимальная мощность выбирается в результате анализа трех режимов работы ЛПД: малых и больших амплитуд, перенапряженном.

Схема включения ЛПД.

ЛПД относя к двухполюсникам s-типа, у которых напряжение является однозначной функцией тока . Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах падающего участка ВАХ, если внутреннее сопротивление источника питания велико .

Рис. 10. Схема включения ЛПД.

ЛЕКЦИЯ 27. Клистронные генераторы.