|
| |
|
Слаботочка Книги Величина показателя п в (3.2) зависит от типа перехода и характера распределения примесей в р-п переходе [6, 7, 20]: для переходов с плавным распределением {плавный переход) п = 3, с резким распределением (резкий переход) и в диодах с контактом металл -полупроводник (ТКД и ДБШ) п = 2. Учитывая перспективность использования ДБШ для ППУ коротковолновых диапазонов СВИ и ограниченность объема данной главы, ни- /?s С I-м S  Рис. 3.3. Эквивалентная схема полупроводниковой структуры диода (а); вольтемкостная характеристика диода с резким переходом С (и) и электрический режим накачки синусоидальным током {несинусоидальным напряжением) без захода (Мн (О - пунктир) и с заходом в положительную область Uh() - сплошная линия) (б): /(u) - вольтамперная характеристика диода; (О - напряжение иакачки; Ср -средняя емкость при воздействии иакачки. же будут Приведены соотношения для расчета характеристик диодов с п = 2. (Вопросы расчета этих характеристик при /г = 3 рассматриваются в [1, 4, 7, 9, 20, 21].) Указанные соотношения выведены в предположении синусоидальности тока накачки через емкость С(и), при этом напряжение накачки на ней несинусоидально (рис. 3.3). Вопрос о режимах накачки пелинейной ем- кости синусоидальным токо.м или синусоидальным напряжением рассмотрен в [7]. Напряжение накачки, приложенное к емкости С (и), вызывает ее изменение с частотой /н, в результате чего эта емкость становится переменной во времени C(t) (рис. 3.3.). При накачке синусоидальным током для инженерных расчетов удобней оперировать не значением емкости C(t), а ее обратной величиной - так называемой жесткостью диода S= IIC, равной S(t) = llC(t) =So+S, Cos ant = So{ 1 + m Cos aj), (3.3) mSifSo, (3.4) где So и Si - постоянная составляющая и амплитуда колебаний жесткости; т - коэффициент модуляции жесткости. Заметим, что величины Сер (рис. 3.3) и Co=l/So пе равны друг другу и, как нетрудно показать, связаны соотношением (3.5) Важнейшим обобщенным параметром диода, от которого, как будет видно из последующего, зависят все характеристики ППУ, является его критическая частота /кр = mSo/iaRs = mlAnRsCa. (3.6) Можно показать, что динамические параметры диода 5о, т и /,(р, связанные с воздействием накачки, нетрудно рассчитать через его статические параметры (рк, С(0), т(0) * и два напряжения: напряжение смещения Do и положительную амплитуду напряжения накачки Um+ (смысл других обозначений напряжений ясен из рис. 3.3) **>: SJS{U,) = {Y\ +/ми„)/2-Г11ЛЛ;, (3.7) m={Y+ макс - К 1 + f/m„„)/(/l + f/макс + + Kl+{/«„„). (3.8) ** Параметры С(0), C(Va), т(0), T(f/o) легко рассчитать, пользуясь второй пересчетной формулой (3.2), если известны Сит при любом другом смещении. *** Приведенные в этом параграфе расчетные соотношения для нелинейной емкости получены автором в 1964 г.  87:x(t/„)ri+t/o 8л x (0) (3.9) S(Uo)=l/C(Uo), (3.10) Uo=Vol(f\b мин= t/мин/фк. /7макс = максМс (З.П) Uums-Uo-Um+, и макс = и о-}- Um- = = Uo + yUm+, yUm-IUm+. (3.12) При накачке с заходом в положительную область амплитуда lJm+=Uo+Uj я в формулы (3.7-н3.9) следует подставлять Uunn=-U+, UuKc = Uo{l+y)+yU+. (3.13) Значения у определяются по графикам рис. 3.4,а. Необходимое напряжение смещения для обеспечения  0,3 0,5 0,7 U„/l/o 0,2 0,1* 0,6 0,8а,/у Рис. 3.4. Зависимости отношения амплитуд напряжения накачки на нелинейной емкости V от Um+fUo (а) и необходимого напряжения смещения от пределов накачкн по напряжению и„анси+ (б). выбранных пределов накачки от t/макс до бмин равно (рис. 3.4,6) f;„=4(f;VKo+f/MH„) + + +макс)(1 +„ин)- 1]. (3.14) Как видно из рис. 3.5, построенного по формулам (3.8), (3.9), расщирение пределов «акачки при /7т-ь УоС/минО) приводит к возрастанию m и особенно что, в свою очередь, как мы увидим ииже, позволяет улучшить все характеристики ППУ. Поэтому практически стремятся работать при максимальных напряжениях  Рис. 3.5. Зависимость коэффициента модуляции •жесткости и критической частоты диода от пределов накачки по напряжению накачки, учитывая следующие ограничения. Для исключения больших обратных токов диода или его пробоя всегда должно выполняться условие t/макс: fnp. С другой стороны, при накачке с заходом в положительную область (f7+>0) появляется прямой ток диода, постоянная составляющая которого /о-ь, как правило, не должна превосходить 1-2 м.ка при работе с ТКД или ДБШ. 1,3;- 193 (при использовании диодов с р-п переходом положительный ток /о+>0 в ряде случаев недопустим из-за возможности динамического пробоя диода и связанного с этим увеличения шумов ППУ [4]). При больших значениях /о+, наряду с увеличением т начинает уменьшаться сопротивление барьера R (ом. рис. 1.13,а), что приводит к росту эквивалентного сопротивления потерь Rs « ооответствугощему уменьшению /кр (формулой (3.9) и рис. 3.5 влияние 1й+ не учитывается). По данным экспериментальных оценок автора (при работе с ТКД или ДБШ) можно считать практически вполне допусти- 
Рис. 3.6. Эквивалентные схемы ДПУ (а) и его сигнального контура (б): *с *х *h"~ фильтры, создающие короткое замыкание для тока одной частоты, соответствующей индексу, и разрыв для токов всех других частот (символизируют наличие в ДПУ отдельных, различающихся цепей для частот (0. а, <а); где Я„ - эквивалентное сопротивление потерь в элементах конструкции контура рассматриваемой частоты; Т, Гц - реактивные четырехполюсники, включающие в себя реактивности диода L, и резонаторной системы, а также трансформирующие элементы для связи с генераторами сигнала (е, R) и накачки (е, R) соответственно; 2, -эквивалентные схемы соответственно полупроводниковой структуры диода (при воздействии накачки) и внешней по отношению к ней цепн - контура (0„; «i, X,, - эквивалентные активное и реактивные coпpoтвлeния цепей иа частотах ш„ н ш,.. внешних по отношению к структуре диода; Я,, iB ~ модули отрицательного активного и реактивного сопротивлений, вносимых переменной емкостью днода в контур а. мой накачку до {/+жО,5<рк, т. к. при этом ток/о+!0,5 л<ка. С существующими диодами обычно удается получать п„акс0,4--0,6 и /„рж25н-70 Ггц. Для обеспечения модуляции емкости диода в выбранных пределах (рис. 3.3) к диоду необходимо подвести мощность накачки. Эта мощность рассеивается в сопротивлении Rs за счет протекания через него тока накачки /н и, как можно показать, вычисляется по формуле р.-=IIРе=4-с(0)X(0)iVi -f f/„+o,5f;„ --Ki-f-i/„-t/wr. (3.15) в действительности из-за наличия потерь в конструкции ППУ (рис. 3.6) к нему требуется подводить мощность Рн, превышающую величину, рассчитанную по (3.15) [13]. Двухконтурный ППУ. ДПУ представляет собой СВЧ устройство, содержащее резонансные контура, обязательным общим элементом которых является нелинейная емкость диода (рис. 3.6,а). В ДПУ поддержнваются СВЧ колебания трех частот: сигнала сос, накачки (i>h и разностной, или холостой, частоты сох=<он-о)с- Цепь накачки служит для подведения колебаний от генератора накачки к емкости диода С(и) и обеспечения эффективной модуляции емкости с целью получения макси.мальной величины т. Эта цепь содержит фиксираванные или регулируемые настроечные элементы для компенсации реактивных сопротивлений диода и его держателя на частоте о)н и для согласования активных сопротивлений Rsa и Рн. При анализе и расчете характеристик ДПУ (кроме случаев расчета полосы пропускания реального усилителя) цепи накачки и подачи смещения на диод можно не учитывать, если заменить нелинейную емкость С(и) на переменную емкость C(t) в соответствии с (Э:3). Как следует из теории, процесс преобразования энергии накачки в знерг:ш сигнала с помощью емкости C(t) эквивалентен внесению в контур «с импеданса с отрицательной активной частью -Rm, при этом C(t) можно, заменить импедансом -Pib-/ib+1 ыоСо (рис. 3.6,6) *. Обязательным условием внесения отрицательного сопротивления PiB и, следовательно, усиления сигнала является существование колебаний частоты ojx и поглощение их 8 „2 2 ** При резонансе в контуре сопротивление Aib=0. 13* 195 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [30] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||