книги / Основы радиоэлектроники
..pdfзистор R it Когда напряжения на входах операционного усили теля равны, то напряжение на выходе равно нулю.
Из-за большого коэффициента усиления достаточно незна чительного различия входных напряжений, чтобы напряжение на выходе приняло одно из крайних значений: + (/ма1£С или —^макс* Допустим, что в начальный момент времени напряже ние на инвертирующем входе меньше напряжения на неинвер тирующем входе: (cpio“ <Pn)<0i тогда на выходе будет на пряжение + £/макс. Это приведет к заряду конденсатора Сх че рез R x. Со временем напряжение на нем и, следовательно, на инвертирующем входе станет равным напряжению на другом входе и затем превысит его; это приведет к резкому изменению выходного напряжения — оно станет равным —0 макс. Теперь конденсатор С\ будет уже разряжаться до тех пор, пока его напряжение не уменьшится до значения отрицательного напря жения, подаваемого с делителя /?2, /?з на неинвертирующий вход; в этот момент выходное напряжение опять резко из менится, оно станет равным + £/макс. Далее процессы в муль тивибраторе повторяются.
Блокинг-генератор используется в качестве генератора корот ких импульсов. Это релаксационный автогенератор, в котором широкополосная положительная обратная связь создается с по мощью импульсного трансформатора, способного пропускать импульсы, содержащие большое количество гармоник. Блокинггенератор, как и мультивибратор, может работать в режиме автоколебаний и ждущем режиме, когда он начинает работать при подаче внешнего запускающего импульса.
Рассмотрим работу простейшего блокинг-генератора в режи ме автоколебаний. Схема простейшего блокинг-генератора на транзисторе п^р-п типа приведена на рис. 6.19 (а). Напряжение ибэ равно в соответствии со вторым законом Кирхгофа U6OZ=UC+ UL2- Напряжение uLi связано коэффициентом трансфо рмации К с напряжением uLi на первичной обмотке трансфо рматора uLJ u Lx=n. Напряжение uLi определяется скоростью
изменения тока iKиL = L X-^, от-
1 at
сюда UQ3= WC-ЬnL\ -j-. Напряже- dt
ние на коллекторе равно ик = = ET- u L =En- L xd± . Пусть в
начальный момент времени на пряжение на конденсаторе мс= 0. Транзистор при этом закрыт. Через сопротивление R протека ет ток, и конденсатор заряжает ся, ие растет (рис. 6.20а). По скольку ток /к через транзистор не протекает (/,= 0), uL{= 0, UL2= 0 , и вместе с ростом ис рас тет ибэ. Наступает момент, когда транзистор открывается и /* воз
растает ( > 0 J (рис. 6.20г), на
пряжение ик падает (рис. 6.206), м6э увеличивается (рис. 6.20в). Это приводит к дальнейшему уве личению г„ и появлению тока базы /6, который перезаряжает кон денсатор, и потенциал точки I становится отрицательным, а по лярность и*— запирающей для транзистора. С течением времени
/, достигает насыщения и перестает расти, следовательно, ^-‘= 0,
uLi =uLi=0, ибэ = ис, и это напряжение запирает транзистор. Затем конденсатор С разряжается, отрицательное напряжение ис падает по модулю, С перезаряжается, кс становится положительным, тран зистор вновь открывается, и все процессы повторяются. Зависи мость напряжения на коллекторе от времени имеет форму, близкую к прямоугольной. В течение времени, когда ток коллектора падает,
—р <0 и напряжение ик на коллекторе становится больше Е„, что dt
может привести к пробою коллекторного перехода. Чтобы избе жать этого, первичную обмотку L v шунтируют последовательно
включенными и диодом VDU и резистором R„. При UL = L X^ > 0
диод открывается, и напряжение ик не превышает Е„. В реальных схемах блокинг-генераторов для ограничения последовательно с Li включается ограничивающий резистор /?„„гр. Полная схема блокинг-генератора приведена на рис. 6.196).
Блокинг-генераторы широко используются в генераторах раз вертки в телевизионных приемниках.
§ 6.5. Генерация колебаний сверхвысоких частот
Автогенераторы на элементах с падающим участком характеристики
В качестве генераторов колебаний сверхвысоких частот ис пользуются как полупроводниковые, так и электровакуумные генераторы. Рассмотрим вначале полупроводниковые генерато ры. Если в дециметровом и длинноволновой части сантимет рового диапазонов используются транзисторные автогенера торы, подобные рассмотренным ранее, то в короткой части сантиметрового и миллиметровом диапазонах широко использу ются диодные генераторы. Диоды, используемые в этих генера торах, обладают на рабочих частотах отрицательным сопротив лением. К таким диодам относится туннельный диод (ТД), об ладающий ВАХ с падающим участком (рис. 3.12, см. главу 3 § 3.2), а также лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды с меж долинным электронным переходом (МЭП-диоды), иногда назы ваемые диодами Ганна по имени американского ученого, откры вшего их в 1963 г. Туннельный диод был открыт японским физи ком Эсаки в 1959 г., ЛПД— советским физиком, лауреатом Ленинской премии А. С. Тагером с сотрудниками в 1964 г.
Рассмотрим работу генератора сверхвысоких частот на тун нельном диоде. Туннельный диод— маломощный прибор. Через него в рабочем режиме при выборе рабочей точки на падающем участке протекает ток /0~ 1 мА. Генерируемая мощность, выделя ющаяся в нагрузке, равна Р~20 мкВт. Однако в ряде случаев этой мощности достаточно. Туннельный диод является нелиней ным элементом. При подаче на него малого гармонического напряжения и приращение тока также является гармонической функцией времени (рис. 6.21):
АГ= (/диф(Г/о) м,
где С/ди* (t/0)—дифференциальная проводимость диода в рабочей точке и о, отрицательная при выборе U0 на падающем участке (см. главу 2 § 2.2). При подаче на тун нельный диод гармонического
напряжения u*=UMl cos (со/+ <рк) большой амплитуды UMi ток / негармоничен (рис. 6.21), содер жит ряд гармоник и может быть представлен в виде ряда Фурье:
00
/ = £ Л, «cos (Лео/-Ир,).
к = О
Обычно нас интересует первая гармоника тока /м! и проводи
мость диода по первой гармонике:
Ог(и0, и ы1) = - ^ .
UM1
Величина Gх при малых UMl равна СдИф(С/о), а затем с ростом UMl воз растает (рис. 6.22).
Рассмотрим нарастание и зату хание колебаний в генераторе на туннельном диоде. Схема генера тора приведена на рис. 6.23. Здесь L, С— элементы колебательно
го контура, определяющего частоту генерации, GH— проводи мость нагрузки, Есм— ЭДС смещения на диоде, Сбл — блокиро вочная емкость, обеспечивающая прохождение высокочастотных колебаний.
Будем считать, что напряжение на контуре меняется по закону:
и= UMjе“ cos ((ОМ-<р„).
Запишем это напряжение в комплексном виде:
й= UM!е «е +4‘«)=UMlej4’«e<a+jo>), = UMle p‘,
где p = a+ju>.
Тогда токи через емкость, индуктивность и проводимость равны соответственно:
!c = C j t =pcu,
\ud< . |
|
|
|
к = °-г |
= -рй, |
|
|
L |
pL |
|
|
IG« = G„U. |
|
|
|
Согласно первому |
закону |
Кирхгофа, |
|
имеем |
|
|
|
Рис. 6.23 |
|
|
|
*L + »C + *(«) + *G H = |
0 . |
(6 .8 ) |
|
Считая, что напряжение и мало (ы«:ы0), запишем (6.8) для малых приращений тока:
-^-ii+pCt4+GMit+Ga^ ( U o)u = 0. |
(6.9) |
p L |
|
Сокращая на й, умножая на pL и разделив на LC, получаем квадратное уравнение относительно р:
2 С„+СдИф(£/о) J_ =р ( . )
6 10
F |
С |
И LC |
Отсюда имеем:
'= - ^ ± /I^+P ¥s )5"“+>”- |
<6"> |
При Одиф(£/о) + С?н<0, т. е. когда |<7д„ф(С/0)|>(7* |
и а = |
= —--"-+Спи*(и°}> о в системе нарастают колебания. Отрицатель-
2С
ная проводимость ( 7 д Иф (£/<>) туннельного диода вносит в контур генератора больше энергии, чем выделяется энергии в проводи мости нагрузки GH:
СлиЪ
2 2
Однако с ростом амплитуды колебаний отрицательная про водимость диода по первой гармонике растет (падает по моду лю), в силу этого падает а. При больших амплитудах в (6.8), (6.9), (6.10), (6.11) вместо ( 7 ДИф ( £ / 0 ) должен входить Gv (U0, UMl), т. к. уравнение (5.8) рассматривается при больших и на частоте первой гармоники <в. Рост амплитуды колебаний прекращается, когда
Gi(U0, UMl)+ G„= 0,
т. е. когда ~G H= Gl (U0, UMl).
Из этого соотношения можно найти амплитуду генерируемых колебаний в стационарном режиме (рис. 6.22). Когда а= 0, часто та генерации равна
Щ = 1/^Ь С .
Клистроны
Для получения мегаваттных мощностей в СВЧ диапазоне используются мощные электровакуумные приборы — пролетные клистроны. В пролетных клистронах используются специальные тороидальные резонаторы, которые являются развитием обыч ных резонансных контуров (рис. 6.24а),
когда индуктивность L уменьшается в связи с увеличением резонансной часто
ты (ю0 = 1/y/~LC) (рис. 6.246) и катушка индуктивности превращается в тор для уменьшения излучения (рис. 6.24в). Об кладки конденсатора заменяются сеткой, через которую может проходить поток электронов.
Двухрезонаторный пролетный клист рон изображен на рис. 6.25. Поток элек тронов из раскаленного катода летит
Q С З
а5
о ю
в
Рис. 6.24а— в
пАноЗ к первому резонатору под дей
”Г Г \
Выход
с = -
S |
Вход |
С :
O '
ствием напряжения на аноде U0. В резонаторе существует электро магнитное поле, возбуждаемое волной, поступающей по коакси альной линии. Коаксиальная ли
эния связана с резонатором петлей связи. Между сетками резонатора возникает напряжение Аи. Когда электроны пролетают между сет ками первого резонатора, они по
лучают приращение скорости V и энергии:
|
^ |
= *(t/0 + AM). |
Рис. 6.25 |
Производится модуляция элек |
|
|
тронов по скорости. Когда Дм>0, |
|
скорость электронов возрастает, когда Дм<0, эта скорость пада ет. Далее в пространстве между двумя резонаторами — в про странстве дрейфа — «быстрые» электроны догоняют «медлен ные» электроны. Происходит модуляция потока электронов по
плотности — возникают сгустки электронов. |
Эти |
электронные |
сгустки— импульсы тока — пронизывают |
второй |
резонатор |
и возбуждают в нем мощные колебания, которые через петлю связи и вторую коаксиальную линию отводятся в нагрузку (ан тенну). Пролетные клистроны работают, в основном, как усили тели. Как автогенераторы работают отражательные клистроны (рис. 6.26). Поток электронов, пройдя единственный резонатор,
модулируется по скорости, затем по плотности, как в пролетном клистроне, и летит в сторону от ражателя, заряженного отрица тельно относительно резонатора. Вблизи отражателя сгруппиро ванные электроны поворачивают назад и как импульсы тока проле тают через резонатор. Если они пролетают в тот момент, когда на сетках резонатора имеется на пряжение, препятствующее их движению, электроны отдают энергию колебаниям в резонаторе и увеличивают их амплитуду. От ражательные клистроны относят ся к классу маломощных генера-
торов. Их мощности не превышают единиц ватт. Они широко используются в измерительной и лабораторной технике, а также в школьном электронном оборудовании. Ими в значительной степени обеспечиваются миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны электромагнитных волн.
Магнетрон
Одним из распространенных генераторов СВЧ является маг нетрон. Магнетроны позволяют получить мощность в импульсе, измеряемую мегаваттами. Такие магнетроны используются в ра диолокации. Другой областью применения магнетронов является СВЧ нагрев различных материалов. Такие магнетроны обладают мощностью генерации порядка нескольких ватт и используются в промышленности и в бытовой технике. (СВЧ печи).
Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу (рис. 6.27а), в которой элек троны двигаются под дей ствием электрического и перпендикулярного к нему магнитного полей. В резуль тате действия силы Лоренца траектории движения элек тронов искривляются. В те ле анода (анодного блока)
делают симметрично распо ложенные по окружности от верстия или щели (прорези) (рис. 6.276), в результате че го анод превращается в не сколько (от 6 до 40) связан ных между собой резонато ров СВЧ.
Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называ ется сегментом.
Колебания в магнетроне поддерживаются за счет энергии источника посто янного напряжения, вклю ченного между анодом и ка тодом (рис. 6.27а). С по мощью электронного пото ка, ускоряемого постоянным электрическим полем между анодом и катодом и взаимо
действующего с переменным электрическим полем вблизи ще лей резонаторов, энергию от источника напряжения удается передать потоку электронов, а затем полю волны в резонаторе. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно из теории клистрона, если электронный поток взаимо действует с переменным электрическим полем определенной фа зы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.
Движение электронов от катода к аноду в магнетроне проис ходит не во всех азимутальных направлениях равномерно из-за различных знаков переменного напряжения на сегментах. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях про странства взаимодействия между анодом и катодом, образуя так называемые электронные спицы. Число спиц зависит от характе ра высокочастотных колебаний и в наиболее распространенном случае работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спице перемещаются к аноду по сложным петлеоб разным траекториям, т. к. характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электриче ских полей и постоянного магнитного поля. Спицы вращаются в пространстве со скоростью, зависящей от частоты колебаний
ифазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.
Вмоменты прохождения спицы мимо резонатора электроны передают часть своей энергии полю резонатора. Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спи цы пополняются новыми электронами, эмитированными като дами.
Возбуждение колебаний в одном из резонаторов приводит к возникновению колебаний в остальных. Энергия из колебатель ной системы отводится в нагрузку с помощью коаксиальной линии с петлей связи в резонаторе (рис. 6.276) или волноводной линии через щель в стенке резонатора, закрытую стеклянной или керамической вакуумной перегородкой.
§ 6.6. Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Освоение современной радиотехникой инфракрасного, опти ческого и ультрафиолетового диапазонов привело к созданию волоконно-оптических линий связи (см. § 10.4), систем лазерной локации, лазерной медицины, лазерной обработки материалов, лазерного оружия, оптической голографии. В качестве генератора во всех этих устройствах используется оптический квантовый генератор (ОКГ) — лазер. Принцип действия ОКГ состоит в сле дующем.
Относительно атомного ядра электроны каждого атома мо гут занимать разные энергетические уровни. Обычно атом нахо дится в невозбужденном состоянии и все электроны находятся на энергетических уровнях, соответствующих минимальным значе ниям энергии. При возбуждении атомов внешним излучением или электрическим разрядом некоторые электроны могут перей ти на более удаленные электронные орбиты, которым соответст вую! энергетические уровни, соответствующие уже неминималь ным значениям энергии. Возникает инверсия населенностей уров ней активной среде. Такая активная среда играет роль усилителя в схеме автогенератора, рассмотренной в § 6.2.
Когда на вход усилителя подается часть выходного напряже ния в соответствующей фазе, на выходе усилителя возникают генерируемые колебания большой амплитуды. Аналогичные про цессы происходят в ОКГ. При наличии инверсии населенностей под действием внешнего (стимулирующего) излучения в резуль тате перехода возбужденных электронов на уровни невозбужден ных атомов происходит индуцированное (вынужденное или сти мулированное) излучение. Излученные колебания точно совпада ют по частоте, фазе, поляризации и направлению с колебаниями, их вызвавшими. Иными словами, индуцированное излучение ко герентно излучению стимулирующему.
Структурная схема ОКГ изображена на рис. 6.28. Оптические резонаторы (обычно резонаторы Фабри-Перо) позволяют осу ществить положительную обратную связь. Основное назначение этого резонатора — обеспечить многократное происхождение ин дуцированного излучения через активную среду. Оптический ре зонатор представляет собой пару отражающих элементов (зеркал или призм полного внутреннего отражения), обращенных друг к другу. Между ними расположено ак тивное вещество. С других сторон объ ем резонатора ничем не ограничен, поэтому оптический резонатор часто называют открытым. Одно из зеркал делают полупрозрачным или с отвер стием, через него луч ОКГ выходит
наружу. |
Система накачки призвана |
|||
обеспечить |
инверсную |
населенность |
||
в активной среде. |
служит |
для |
||
Система |
охлаждения |
|||
отвода |
рассеиваемой лазером |
мощ |
||
ности и в ряде случаев для понижения температуры активной среды, т. к. многие ОКГ работают при температу рах жидкого азота или гелия.
В настоящее время используются газовые, твердотельные, полупровод-
|
никовые и другие ОКГ Для газо |
|||
|
вых ОКГ в качестве активной сре |
|||
|
ды подходят благородные газы — |
|||
<+ |
неон, |
аргон, кринтон и ксенон, |
||
а также гелиево-неоновая |
смесь |
|||
о — |
и С 02. Газ находится в резонаторе |
|||
|
Фабри-Перо. В газовом ОКГ ато |
|||
|
мы переводятся в возбужденное |
|||
|
состояние с помощью электриче |
|||
|
ского |
разряда. |
Типичная |
мощ |
|
ность |
излучения от нескольких |
||
Рис. 6.29 |
милливатт до |
нескольких |
кило |
|
|
ватт в непрерывном режиме и до |
|||
100 кВт в импульсном режиме. Последние |
цифры относятся |
|||
к ОКГ на С 0 2, КПД которого достигает 10%.
В ОКГ на твердом теле активная среда представляет собой стержень из кристалла (рубина или сапфира) или стекла, в кото ром введена добавка из собственно активного лазерного вещест ва. Оба зеркала, образующие резонатор Фабри-Перо, наносятся в большинстве случаев на торцы кристаллического стержня. Для перевода атомов в возбужденное состояние в твердотельных ОКГ требуется накачка — возбуждение некогерентным светом от специального источника, например, ксеноновых ламп. Мощность таких ОКГ достигает 100 кВт при длительности импульса 10”3 сек. Полупроводниковый ОКГ представляет собой полупро водниковый диод (обычно из арсенида галлия), который состоит из кристалла с электронной проводимостью, в котором с по мощью диффузии создана область с дырочной проводимостью (рис. 6.29). Подвод энергии и возбуждение лазерного вещества (заполнение верхних энергетических уровней) в полупроводнико вом ОКГ осуществляется путем инжекции электронов и дырок. Поэтому такой ОКГ называют иногда «инжекционным». Их важной особенностью является также то, что они могут модули роваться непосредственно инжекционным током с частотой мо дуляции до нескольких гигагерц. Поскольку при возбуждении полупроводникового кристалла достигается высокая плотность энергии (до 106 Вт -С/см3), лазерные диоды можно делать весьма малых размеров (длина их может быть от 0,1 мм до 1 мм). Разработаны также полупроводниковые ОКГ с электрон ным и оптическим возбуждением. Мощность излучения полупро водниковых ОКГ достигает 10 Вт при длительности импульса 10"8 и 10”6 сек при комнатной температуре и температуре жид кого азота соответственно, в непрерывном режиме мощность при гелиевых температурах достигает 10 Вт.
Широкое распространение получил ОКГ на иттрий-алюмини- евом гранате (НАГ) благодаря высокой теплопроводности актив ного элемента, что позволяет получать генерацию при большой