Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов (туннельные диоды , диоды Ганна , лавинно-пролетные диоды , параметрические диоды) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.

Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды , диоды Ганна , лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство - наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде - это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна - особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде - специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг. кристадин Лосева , также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.

На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды . При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко.

Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ - это т.н. параметрические усилители . Они строятся на основе специальных параметрических диодов . Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство - уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи.

Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды . Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.

Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде представлена на рис. 3.6-42.

Рис. 3.6-42. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде

Так как на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Современные туннельные диоды могут генерировать на частотах до 1 ГГц и более. Однако из-за небольшой величины участка ВАХ диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли милливатт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное включение диода в контур генератора. Основным условием генерации является превышение величины сопротивления потерь контура над величиной отрицательного сопротивления туннельного диода. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает отрицательное сопротивление туннельного диода, используется частичное включение диода в контур (через отвод катушки).

На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть мощности генерируемых колебаний, поэтому оно должно быть как можно меньше. Поскольку требуемая величина напряжения смещения очень мала (например, для германиевых туннельных диодов порядка 0,1...0,15 В), питание туннельных диодов обычно осуществляется от делителя напряжения (рис. 3.6-43). Однако это может привести к неэкономному расходованию мощности источника питания (что важно для сверхминиатюрных устройств). Поэтому для питания туннельных диодов следует применять источники с возможно более низким выходным напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5...10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность, его можно повысить до 20...30 Ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5...10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если его режим подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Следует учитывать, что для стабильной работы генератора нужно поддерживать стабильное положение рабочей точки диода. При изменении величины питающего напряжения хотя бы на 10 % (например, из-за разрядки химического элемента питания) нормальная работа генератора может нарушиться. Иногда целесообразно использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления (в верхнем плече стабилизирующие ток, а в нижнем - напряжение). Так, если в схеме автогенератора (рис. 3.6-43) вместо сопротивления R2 применить маломощный германиевый диод в прямом включении, как это показано на рис. 3.6-44, стабильность работы генератора улучшится, и при изменении напряжения питания в пределах 1...1,5 В никаких дополнительных регулировок не потребуется.

Рис. 3.6-43. Схема автогенератора на туннельном диоде с питанием от делителя напряжения

Рис. 3.6-44. Схема автогенератора на туннельном диоде с нелинейным сопротивлением в цепи питания

Все упомянутые выше способы стабилизации напряжения несколько усложняют схемы, а в ряде случаев увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не находят. В реальной аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому при питании диода эмиттерным током транзистора можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.

На рис. 3.6-45, 3.6-46, 3.6-47 представлены три примера применения генератора на туннельном диоде. При проектировании таких генераторов следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.

Рис. 3.6-45. Простейший передатчик на туннельном диоде

Рис. 3.6-46. Улучшенная схема передатчика на туннельном диоде

Рис. 3.6-47. Гетеродин на туннельном диоде

Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора (рис. 3.6-48). При этом диоды лучше всего соединять по постоянному току последовательно. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя должно быть вдвое больше, чем для одного туннельного диода, т.е. потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов. В противном случае, устойчивая работа двух соединенных последовательно диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме приведенной на рис. 3.6-48 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого диода с контуром следует регулировать индивидуально.

Рис. 3.6-48. Автогенератор на двух туннельных диодах

Генератор на туннельном диоде может строиться и с применением кварцевого резонатора, задающего частоту колебаний. Пример такой схемы приведен на рис. 3.6-49.

В. Морозов

Наиболее просто с применением туннельных диодов строятся схемы автогенераторов. Так как туннельный диод представляет собой двухполюсник с отрицательным сопротивлением, устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Обычные низкочастотные туннельные диоды хорошо работают на частотах, равных единицам мегагерц. Более высокочастотные диоды, в которых уменьшена емкость перехода и индуктивность выводов, генерируют на частотах тысячи мегагерц. Однако из-за небольших величин участка вольтамперной характеристики диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли мвт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное подключение диода к контуру генератора. В этом случае сопротивление потерь, приведенное к выводам диода, должно быть равно его отрицательному сопротивлению. В реальных схемах приведенное сопротивление потерь выбирают больше отрицательного. сопротивления туннельного диода с тем, чтобы гарантировать надежное возбуждение генератора при изменении температуры, питающего напряжения и частоты. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает сопротивление туннельного диода, отвод приходится делать от незначительной части витков контура (рис. 1). На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть колебательной мощности, поэтому оно должно быть как можно меньше.

рис. 1

Обычно туннельные диоды питаются от делителя напряжения, что приводит к неэкономному расходованию мощности питания. Действительно, для германиевых диодов напряжение смещения в режиме генерации равно 0,1-0,15 в, а минимальное напряжение подавляющего большинства химических источников тока составляет 1,2-2 в, поэтому и необходимо применять в цепи питания делители напряжения. При этом примерно 80-90% всей потребляемой мощности рассеивается на делителе. Исходя из соображений экономичности, для питания туннельных диодов целесообразно применять источники с возможно более низким напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5-10 ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность его повышают до 20-30 ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5-10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если режим его подбирался по максимуму отдаваемой мощности.

Отрицательное сопротивление туннельного диода сильно зависит от положения рабочей точки, так что при изменении питающего напряжения на 10% нормальная работа генератора может полностью нарушиться. Поэтому при питании диодов от химических источников тока - батарей, аккумуляторов, обеспечить их стабильную работу весьма трудно. Наиболее целесообразно питать их от окисно-ртутных элементов, напряжение которых незначительно меняется в процессе работы, а в ряде случаев приходится использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления -в верхнем плече, стабилизирующие ток, а в нижнем - напряжение. Так, если в схеме автогенератора (рис. 2, а) вместо сопротивления R2 применить германиевый диод Д11 в прямом включении, как это показано на рис. 2, б, стабильность работы генератора улучшится и при изменении напряжения питания от 1,5 до 1 в никаких регулировок не потребуется.

рис. 2 . Схема автогенератора

В приведенных схемах автогенераторов на частоту 465 кгц катушка L1 намотана на 4-секционном полистироловом каркасе диаметром 4 мм с сердечником из феррита Ф-1000 диаметром 2,8 и длиной 12 мм. Обмотка катушки содержит 220 витков провода ПЭВ 0,13 с отводом от 18 витка. Напряжение высокой частоты на контуре составляет 1 в эфф.

Все упомянутые выше способы стабилизации несколько усложняют схемы, а в ряде случаев и увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не нашли. В аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому, при питании диодов эмиттерным током транзистора, можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.

Помимо генераторов, настроенных на фиксированную частоту, туннельные диоды можно применить и в диапазонных генераторах. Правда, при этом приходится более тщательно подбирать связь диода с контуром, чтобы во всем перекрываемом диапазоне поддержать амплитуду колебании и мощность в нагрузке на заданном уровне. Примером такого использования туннельного диода может служить схема гетеродина для супергетеродинного приемника, описанного в журнале "Радио" № 5 за 1962 г. Схема гетеродина получается при этом даже проще, чем на транзисторе (рис. 3).

рис. 3

Общее число витков в катушке L1 сохраняется, а для связи с туннельным" диодом поверх L1 со стороны ее заземленного конца наматывается обмотка L2, содержащая 10 витков провода ПЭЛШО 0,15. Обмотка связи с преобразователем L3 остается примерно прежней, но для наибольшей чувствительности число витков нужно заново подобрать. Емкости конденсаторов C1 и С2 остаются без изменения, Питается туннельный диод от общего источника. В этом случае сопротивление R2 должно быть равно 1,2 ком. Туннельный диод нужно выбрать с током максимума не более 1,5 ма. Более рационально для питания диода применить упомянутую выше схему стабилизации с помощью транзистора. Для этого усилитель НЧ переделывают по схеме, приведенной на рис. 4. Между транзистор рами усилителя НЧ вводится связь по постоянному току. Смещение на базу транзистора Т1 снимается с эмиттера транзистора Т2 через цепочку R4Д1, и сопротивления R2, R3. Возникающая при этом отрицательная обратная связь по току поддерживает ток эмиттера, а значит, и напряжение на сопротивлениях R2 и R3, почти постоянным при снижении питающего напряжения на 25-30% от номинальной величины (величину питающего напряжения лучше повысить до 9 в).

рис. 4 . УНЧ

Для питания туннельного диода используется напряжение 2 в, подаваемое на делитель через сопротивление R2 (рис. 3), которое в этом случае берется равным 430 ом. Налаживание начинают с проверки того, как изменяется напряжение на эмиттере транзистора Т2 при уменьшении питающего напряжения с 6 до 4,5 в или с 9 до 6 в. Если при этом напряжение изменится не более, чем на 5-10%, то установив напряжение питания равным 5,2 в (или 7,5 в при 9 в), переходят к настройке генератора. Для этого ротор переменного конденсатора С2 ставят в среднее положение и, регулируя величины сопротивлений R1 или R2 (рис. 3), добиваются максимальной амплитуды колебаний. Затем проверяют равномерность генерации по всему диапазону. Если в каких-либо его участках колебания срываются, следует на несколько витков увеличить обмотку катушки L2 и вновь проверить равномерность генерации при перестройке. Закончив настройку гетеродина, подбирают число витков обмотки связи гетеродина с преобразователем L3 до получения оптимальной чувствительности.

При проектировании генераторов на туннельных диодах следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура, с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку. Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора. При этом, как следует из рассмотрения энергетических соотношений, диоды выгодно соединять по постоянному току последовательно.. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя будет вдвое больше, чем для одного туннельного диода, и потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов(рис.5). В противном случае, устойчивая работа двух последовательно соединенных диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме, приведенной на рис. 5 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого туннельного диода с контуром следует регулировать индивидуально.

рис. 5

Можно использовать туннельные диоды и в схемах апериодических усилителей. Однако, как указывается в литературе, такие апериодические усилители в диапазонах длинных и средних волн оказываются мало практичными из-за трудности в разделении нагрузки и источника сигнала. Нужно учесть и то, что транзисторы при сравнимом потреблении мощности питания обладают большим усилением в реальных схемах по сравнению с туннельными диодами.

Резонансные усилители на туннельных диодах строить сравнительно несложно. Они могут быть выполнены, например, по схеме автогенератора, в котором коэффициент обратной связи недостаточен для возбуждения колебаний. Таким схемам присущи все недостатки регенеративных усилителей: нестабильность порога регенерации, возможность возбуждения при изменении нагрузки, сужение полосы пропускания при повышении усиления. Однако такие усилители могут работать достаточно устойчиво, если не стремиться получить от них максимальное усиление. Схема с таким применением туннельного диода приведена на рис. 6. На рисунке показана схема входной части приемника прямого усиления с ферритовой антенной. Известно, что для согласования сопротивления контура антенны с входным сопротивлением транзистора, коэффициент трансформации трансформатора, образованного обмотками катушек L1 и L2 делается много меньше единицы.

Рис. 6 . Верхняя обкладка конденсатора C1 должна быть заземлена.

Это приводит к тому, что напряжение сигнала на базе транзистора оказывается в 15- 20 раз меньше, чем напряжение на контуре L1C1. В схеме, показанной рис. 6 коэффициент связи выбран значительно больше обычного и отвод к базе транзистора Т1 сделан от 1/5 общего числа витков катушки L1. В этом случае контур L1C1 оказывается сильно шунтированным, полоса его расширяется и чувствительность приемника падает. Однако при подключении туннельного диода к дополнительной обмотке L3 контур частично "разгружается", его затухание и полоса пропускания возвращаются к нормальной величине. Таким способом удается получить выигрыш в чувствительности приемника в 4-5 раз. Число витков обмотки L3 выбирается с таким расчетом, чтобы затухание контура компенсировалось не полностью, и усилитель не возбуждался. Однако, чтобы получить максимальную чувствительность, нужно подойти к порогу возбуждения как можно ближе, поэтому смещение туннельного диода сделано регулируемым. Обмотка катушки L1 содержит 200 витков провода ПЭЛШО 0,15, намотанных в один слой виток к витку на ферритовом стержне длиной 110 мм, диаметром 8,4 мм с отводом от 44 витка. Обмотка катушки L3 содержит 8-10 витков провода ПЭЛШО 0,15, она намотана вблизи заземленного конца катушки L1. Недостатком предложенной схемы является то, что коэффициент перекрытия входной цепи уменьшается, так как из-за увеличенного коэффициента связи сильней будет сказываться входная емкость транзистора T1. Кроме того, к емкости контура добавится пересчитанная емкость туннельного диода. Поэтому, если требуется достаточно большое перекрытие, целесообразно туннельный диод применять с минимальной емкостью.

Более выгодно применять регенеративные усилители на фиксированную частоту, например в усилителе ПЧ супергетеродина (рис. 7). Для этого на один из контуров ПЧ наматывают дополнительную обмотку для туннельного диода. Смещение диода лучше сделать стабилизированным. Это позволит подойти достаточно близко к порогу регенерации и получить выигрыш в усилении в 8-10 раз. Нужно учитывать, что полоса пропускания усилителя ПЧ резко сужается, если включение туннельного диода не было заранее предусмотрено. В ряде случаев при подключении диода усилитель может возбудиться, хотя коэффициент связи недостаточен для генерации. Это происходит потому, что коэффициент усиления каскада с подключенным туннельным диодом становится больше максимальной устойчивой величины.

рис. 7

Экспериментируя с туннельными диодами, нужно избегать бросков тока и напряжения, иначе диод может выйти из строя. Подключать и отключать диод следует только при выключенном питании.

Литература
1. С. Г. МАДОЯН, Ю. С.ТИХО-ДЕЕВ. А. Ф. ТРУТКО - Туннельный диод. Сборник "Полупроводниковые приборы и их применение" под редакцией Федотова Я. А. Вып. 7.
2. К. С. РЖЕВКИН "Туннельный диод" Массовая радиобиблиотека" выпуск 452, Госэнергоиздат, 1962 г.
3. АКЧУРИН Э. А., СТЫБЛИК В. А. Генераторы на туннельных диодах с повышенной мощностью, Радиотехника, 1963 г. т. 18, № 11.
4. Williams, Hamilton How to make tunnel diodes even more useful, Electronics, June 7. 1963, V 36. N 23.

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹

Заявлено 12Х111.1969 (№ 1354572/26-9) .Ч. Кл. Н ОЗЬ 7/08 с присоединением заявки ¹

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

УДЫ 621.373.422(088.8) Агтор изобретения

С, И. Карлинский

Заявитель

ГЕНЕРАТОР НА ТУННЕЛЬНОМ ДИОДЕ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено для генерации колебаний высокостабильной частоты в радиопередающих устройствах.

Известны генераторы на туннельном диоде с пьезоэлектрической стабилизацией частоты, в которых для расширения диапазона стабплизируемых частот параллельно туннельному диоду годключены две ветви, образующие на

«ac ore генерации параллельный колебательный контур. В таких устройствах генерируемая частота неустойчива и неоднозначна.

Целью изобретения является ювышение устойчивости генерирования частоты. Это достигается тем, что в ветвь, содержащую пьезоэлектрический резонатор, последовательно включены резистор и индуктивный двмхполюсник, и другая ветвь образована последовательным соединением резистора и индуктивно-емкостного параллельного двухполюсника, причем частотные характеристики упомянутых двухполюсников взаимообратны.

Принципиальная схема генератора изображена на чертеже.

Генератор выполнен в виде параллельного соед шения трех ветвей. Первая ветвь содержит туннельный диод 1, вторая — последовательно соединенные резистор 2 и индуктивноемкостный параллельный двухполюсш|к 8, частотная хаоактеристика /. (в) сопротивления которого имеет пе менее одного нуля и одного полюса. а третья — последовательно соединенные резистор 4, индуктивный двухполюсник 5 и пьезоэлектрический резонатор б, зашунтированный конденсатором 7. Частотная характеристика /..(в) сопротивления двухполюсника имеет один нуль и более.

Прп отключенном пьезоэлектрическом резонаторе туп диод нагружен на постоян10 ное сопротивление и в схеме колебания отсугствует. При включенном пьезоэлектрическом резонаторе на генерируемой частоте возникновение резонансов в каждой из ветвей, подключенных параллельно туннельному диоду, про15 исходит почти независимо от состояния соседней ветви. Поскольку LI(u) на генерируемой частоте имеет параллельный резонанс из-за предварительной настройки, а в емкостной ветви параллельный резонанс возникает вслед20 ствпе действия пьезоэлектрического резонатора, то ток в этих ветвях мал II на резисторах этик ветвей выделяется активная мощность, значительно меньшая той, которая запасается в реактивных сопротивлениях ветвей. Вслед25 ствпе этого добротность всей колебательной системы высока, что и способствует возникновению колеоанпй.

1-)а частотах дополнительных резонансов пьезоэлектрического резонатора частотная ха30 рактерпстпка LI(þ) пе имеет полюсов. При

Составитель Л. Галактионов

Редактор T. Юрчикова Техред 3. Тараненко Корректор Е. Михеева

Заказ 629/5 Изд. № 144 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4)5

Типография, пр. Сапунова, 2 этом параллельный резонанс возникает вследствие противоположного характера реактивного сопротивления ветвей. Поскольку последовательно с реактивными сопротивлениями этих ветвей включены резисторы, а токи в ветвях при таком параллельном резонаторе значительны, то потери в контуре велики и самовозбуждение генератора на частотах дополнительных резонансов пьезоэлектрического резонатора не происходит.

Предмет изобретения

Генератор»а туннельном диоде с пьезоэлектрической стабилизацией частоты и шунтированием туннельного диода двумя ветвями, в одну из которых включены параллельно соединенные пьезоэлектрический резонатор и емкость, отличающийся тем, что, с целью повы5 щения устойчивости генерирования частоты, в ветвь, соДеРжаЩУю пьезоэлектРичезсКий Резонатор, последовательно включены резистор и индуктивный двухполюсник, а другая ветвь образована последовательным соединением

Туннельный диод - это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение - выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Преимущества и недостатки туннельных диодов по сравнению с электронными лампами и транзисторами легче всего понять на примерах конкретных схем.

Первой задачей, которую необходимо решить при построении любой схемы, является задание рабочей точки по постоянному току. Как следует из вида вольт-амперной характеристики (рис. 1), для однозначного задания рабочей точки на падающем участке необходимо задавать постоянное смещение на туннельный диод от источника напряжения. Это означает, что сопротивление постоянному току (включая и внутреннее сопротивление источника смещения), включенное последовательно с туннельным диодом, должно быть меньше дифференциального сопротивления туннельного диода в рабочей точке 2. Этому случаю соответствует линия нагрузки R 1 .

Рис. 1. Различные режимы работы туннельного диода при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку абсолютная величина дифференциального сопротивления в рабочей точке обычно составляет единицы или десятки ом, то внутреннее сопротивление источника постоянного смещения должно быть во всяком случае на порядок меньше, т. е. составлять десятые доли или единицы ома. При этом напряжение источника Е должно быть 100-200 ма. Легко подсчитать, что потребляемая туннельным диодом от батареи смещения мощность P=I0U0 при I0=5 ма н U0=0,1 в составляет 500 мквт. Эта мощность оказывается примерно в 10 раз меньше мощности, необходимой для питания аналогичной схемы на транзисторе, и в несколько тысяч раз меньше мощности, потребляемой электронной лампой.

Однако в настоящее время это преимущество туннельных диодов нельзя полностью использовать, так как для питания схем на туннельных диодах обычно используют стандартные элементы напряжением 1,5-2,2 в, погасив излишек напряжения на балластном сопротивлении. Понятно, что в этом случае мощность, потребляемая от источника питания, будет существенно больше.

На рис. 2 показана типовая схема питания туннельного диода ТД от источника напряжением Е=1,5 в.

Рис. 2. Схема питания туннельного диода.

Если сопротивление R 1 выбрано много меньше |R| и известно U 0 , то величина балластного сопротивления R б находится по следующей формуле:

Например, если E=1,5 в, U 0 =0,1 в и R 1 =1 ом, то R б =14 ом. При этом ток, потребляемый от батареи, будет равен , т. е. 100 ма, а расходуемая мощность Р=IE=150 мвт. Таким образом, использование „высоковольтного" источника привело к увеличению мощности в 300 раз!

Если сопротивление постоянному току, включенное последовательно с диодом, будет много больше его дифференциального сопротивления на падающем участке характеристики, то линия нагрузки будет соответствовать прямой R2 на рис. 1. В этом случае прямая R2 пересекает вольт-амперную характеристику в точках 1, 2 и 3 В теории колебаний доказывается, что устойчивым положениям равновесия будут соответствовать только точки 1 и 3, а точка 2 будет неустойчивой. Это означает, что рабочая точка в данный момент времени может соответствовать напряжению на туннельном диоде либо U", либо U" (рис. 1). Таким образом, если источник имеет внутреннее сопротивление R2≥|R|, то невозможно задать рабочую точку на падающем участке характеристики. Такой режим питания используется при создании импульсных схем. Режим же, соответствующий заданию рабочей точки на падающем участке характеристики (R1≤|R|), используется в схемах усилителей и генераторов гармонических колебаний.

Схемы генераторов гармонических колебаний. Ознакомление применением туннельных диодов мы начнем с рассмотрения схем генераторов гармонических колебаний, так как их построение оказывается наиболее простым и понятным.

Как уже, очевидно, стало понятно читателю, основное отличие туннельного диода от электронных ламп и транзисторов с точки зрения применения их в радиотехнических схемах сводится к тому, что туннельный диод - двухполюсник, т. е. имеет только два выходных зажима. В электронной лампе или транзисторе, которые являются трехполюcниками, усиление сигнала возможно только в одном направлении (сетка - анод или база - коллектор) и невозможно в обратном. Эти приборы - однонаправленные. Туннельный же диод не имеет раздельных входа и выхода и, таким образом, является ненаправленным.

Последнее обстоятельство приводит к довольно серьезным осложнениям при построении многокаскадных усилительных и импульсных схем, где необходимо осуществить направленную передачу сигнала с входа на выход. В схемах же любых генераторов всегда имеется только два выходных зажима, с которых снимается сигнал, и поэтому указанная особенность туннельного диода в данном случае не является недостатком.

Простейшая схема генератора гармонических колебаний показана на рис. 3. Эквивалентная схема этого генератора соответствует схеме Цепь, образованная из батареи Б, сопротивлений R 1 , R б и емкости С, обеспечивает необходимое постоянное смещение на диоде ТД. В отличие от схемы на рис. 2 в цепи смещения добавлен блокировочный конденсатор С 1 , емкость которого должна быть выбрана из таких соображений, чтобы ее сопротивление на рабочей частоте было примерно в 10 раз меньше сопротивления Ri. Поэтому емкость этого конденсатора надо рассчитывать по следующей формуле:

где С, - мкф, f - гц, а R 1 - ом.

Колебательный контур на рис. 3 образуется из емкости диода С, индуктивности L и подстроечного конденсатора С 2 . Рабочая частота определяется по известной формуле:

Сопротивление Rн служит нагрузкой, на которую должен работать генератор.

Рис. 3. Схема генератора гармонических колебаний.

Если надо построить генератор с малым содержанием гармоник, то необходимо, чтобы амплитуда колебаний А не «выходила» за линейный участок характеристики. Этот участок примерно равен ±0,1 U 0 . Поэтому амплитуда колебаний для германиевых диодов обычно составляет 2-10 мв.

Обеспечить достаточно малую амплитуду возможно лишь при условии, если сопротивление диода в рабочей точке примерно равно параллельному соединению из сопротивлений нагрузки Rн и контура Rэкв. Поскольку, как мы уже видели, контур с средней добротностью имеет Rэкв≈105 ом, то практически это условие эквивалентно |R|=Rн. При этом отбираемая в нагрузку колебательная мощность Для типовых значений |R|=20 ом и A=5 мв, мощность Р=1,2 мквт.

Если нелинейные искажения не имеют существенного значения, то можно считать, что размах колебаний равен U 2 -U 1 . В этом случае выходная мощность для германиевых диодов будет равна

В УКВ и СВЧ диапазонах принцип построения генераторных схем остается таким же, только вместо контуров с сосредоточенными элементами С и L используют распределенные системы типа линий или объемных резонаторов.

По зарубежным данным верхний частотный предел генерации, достигнутый в настоящее время, несколько превышает 100 Ггц (λ-3 мм). Выходная мощность при этом составляет несколько микроватт.

Усилители на туннельных диодах. Простейшая схема широкополосного усилителя на туннельном диоде представлена на рис. 4,а, а на рис. 4,б показана его эквивалентная схема. Принцип действия усилителя сводится к следующему. Допустим, что внутреннее сопротивление генератора Rг оказывается много больше сопротивления нагрузки Rн, тогда в контуре, образованном из параллельного соединения Rн и туннельного диода ТД, может протекать сколь угодно большой ток, если Rн стремится к |R|. Другими словами, отрицательное сопротивление |R| можно подобрать таким, что оно почти полностью скомпенсирует потери, вносимые нагрузкой Rн. Следовательно, выходная мощность в нагрузке может быть во много раз больше мощности, отбираемой от генератора.

В том случае, когда сопротивление Rг оказывается соизмеримым с Rн, диод должен быть выбран так, чтобы его дифференциальное сопротивление по абсолютному значению было несколько больше, чем

Тот факт, что сопротивление |R| должно быть всегда несколько больше, чем Rн или Rп, связан с тем, что только при этом условии усилитель будет работать устойчиво, т. е. можно будет «устойчиво» задать рабочую точку на падающем участке характеристики (точка 2 на рис. 1).

Как следует из рис. 4,а выходные зажимы генератора являются общими с выходными зажимами усилителя. Как уже было отмечено выше, это обстоятельство затрудняет построение многокаскадных усилителей на туннельных диодах. В радиовещательных диапазонах пока еще нет достаточно эффективных способов, позволяющих «развязать» один каскад от другого. Поэтому, на этих частотах, как правило, используются однокаскадные усилители. В диапазоне СВЧ в качестве развязывающих элементов используют ферритовые направленные ответвители - циркуляторы, которые позволяют «направить» электрические колебания только в одном направлении и, таким образом, разделить вход от выхода.

Рис. 4. Принципиальная (а), эквивалентная (б) схемы широкополосного усилителя.

Следует отметить, что использование усилителей на туннельных диодах в радиовещательном диапазоне частот мало перспективно. В этом диапазоне целесообразнее применять транзисторы, обладающие достаточно хорошими усилительными свойствами и позволяющие создавать стабильные м,ногокаскадные усилители, потребляя при этом примерно ту же мощность от источников питания, что и туннельные диоды.

Поскольку усилители да туннельных диодах не имеют раздельных входа и выхода, то и определение коэффициента усиления для них имеет свои особенности. Под коэффициентом усиления по мощности в этом случае понимают отношение мощностей в нагрузке при включенном и выключенном диоде.

Таким образом, этот коэффициент показывает, какую мощность «вносит» туннельный диод в нагрузку по сравнению с пассивной цепью, образованной из сопротивлений Rг и Rн. Поэтому его обычно называют коэффициентом вносимого усиления Kв. Для простейшей схемы на рис. 4 величина Kв на низких частотах может быть подсчитана по следующей формуле:

При |R|=Rп коэффициент усиления обращается в бесконечность. Это означает, что схема становится неустойчивой. Поэтому Rп всегда выбирают несколько меньше |R|.

Преобладающее большинство усилителей на туннельных диодах являются усилителями резонансного типа. В этом случае параллельно сопротивлению нагрузки включается индуктивность L, которая совместно с емкостью диода образует резонансный контур. По внешнему виду схема резонансного усилителя ничем не отличается от схемы генератора, изображенного на рис. 10. Разница между ними сводится лишь к тому, что на резонансной частоте в схеме усилителя не выполняются условия самовозбуждения, в то время как в схеме генератора это условие является необходимым. В схеме усилителя на частотах, отличных от резонансной, контур шунтирует нагрузку и усиление уменьшается.

Важной характеристикой любого усилительного элемента является его добротность, определяемая как произведение полосы пропускания на коэффициент усиления по напряжению. Для электронных ламп эта величина, как известно, равна Для туннельных диодов, как нетрудно показать, коэффициент усиления по напряжению К U =√Kв. Добротность же туннельного диода выражается следующей формулой:

При значениях |R|=20 ом и С=10 пф добротность Δf/Ku≈800 Мгц. Это означает, что на обычном туннельном диоде может быть построен усилитель с полосой пропускания 40 Мгц и коэффициентом усиления Ки=20 (Kв=400). Приведенные значения совершенно недостижимы для однокаскадного лампового усилителя, так как наилучшая добротность у современных электронных ламп оказывается порядка 200 Мгц.

Конструкции современных высокочастотных усилителей на туннельных диодах весьма разнообразны. Их габариты и вес сильно зависят от рабочей частоты, определяющей размеры распределенных колебательных контуров и органов подстройки.

Современные усилители на туннельных диодах работают до частот порядка нескольких десятков гигагерц (λ≤1 см) с коэффициентом усиления Ku=10 3 -10 4 (т. е. 30-40 дб).

Импульсные схемы на туннельных диодах. Эти схемы можно разбить на три основных типа: мультивибраторы, одновибраторы (ждущие мультивибраторы) и триггеры. Два последних типа схем часто называют спусковыми схемами, так как они работают только при наличии внешнего спускового сигнала. Простейшие спусковые схемы на туннельном диоде представлены на рис. 5.

Рис. 5. Спусковые схемы на туннельных диодах, а - схема триггера; б - схема одновибратора.

На рис. 5,а приведена схема триггера, Принцип действия этой схемы сводится к следующему. Если сопротивление в цепи питания R2 выбрано очень большим, так что выполняется условие R 2 ≥|R|, то линия нагрузки, как показано на рис. 1, будет соответствовать прямой R 2 . Поэтому диод будет находиться либо под напряжением U" либо под напряжением U". Другого устойчивого положения равновесия быть не может.

Допустим, что исходным положением является точка 1. Если теперь через сопротивление Rг≥|R| подать на диод импульс от внешнего генератора, то рабочая точка может «перейти» из положения 1 в положение 3. Это произойдет только в том случае, когда амплитуда тока запускающего импульса I 1 =u/Rг окажется больше, чем разность Iмакс-I 2 (рис. 1).

После того как схема «перешла» в другое положение равновесия (точка 3 на рис. 1), для ее повторного срабатывания необходимо уже подать импульс отрицательной полярности с амплитудой, большей, чем I 3 -Iмин. Подавая на схему (рис. 5,а) последовательность разнополярных импульсов, можно получить на выходе колебания с амплитудой U"-U", близкие по форме к прямоугольным.

Переключение схемы из одного положения равновесия в другое происходит за очень короткий промежуток времени, пропорциональный |R|C. Это время соответствует длительности фронтов выходных импульсов.

Триггер является основным элементом любой электронной вычислительной машины. Чем выше скорость его срабатывания, тем больше математических операций в единицу времени может совершить данная машина. Триггеры на туннельных диодах срабатывают за время порядка 10 -9 -10 -8 сек и, таким образом, оказываются чрезвычайно перспективными для быстродействующих вычислительных машин.

С помощью триггера очень легко формировать прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения. Для этого на вход вместо разнополярных импульсов надо подать гармоническое напряжение. На выходе схемы получится последовательность прямоугольных импульсов с частотой входного сигнала. Современные туннельные диоды надежно работают в таком режиме до частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Другая разновидность спусковой схемы - одновибратор - изображена на рис. 5,б. В этом случае напряжение источника смещения Е1 и сопротивление R" 2 или R" 2 выбираются так, чтобы линия нагрузки пересекала вольт-амперную характеристику диода только в одной точке на любой из ее восходящих ветвей (рис. 6). Если исходная рабочая точка соответствует положению 1, то под действием внешнего положительного импульса тока схема будет «переброшена» а район точки 3 на другой восходящий участок характеристики и останется там до тех пор, пока внешний сигнал не будет снят.

Рис. 6. Различные режимы работы одновибратора.

После снятия внешнего сигнала схема возвратится в исходное состояние не мгновенно, а через некоторое время, определяемое сопротивлениями R" 2 , Rг и параметрами диода. Если рабочая точка выбрана в точке 3 (рис. 1), то для работы схемы необходимо на ее вход подавать последовательность отрицательных импульсов.

Таким образом, на выходе одновибратора можно получить последовательность прямоугольных импульсов с калиброванной длительностью, не зависящей От формы и длительности входного сигнала.

В рассмотренной выше схеме триггера на одном туннельном диоде (рис. 5,а) условия запуска из точки 1 в точку 3 могут существенно отличаться от условий запуска из точки 3 в точку 1. Связано это с тем, что вольтамперная характеристика в районе Iмакс и Iмин несимметрична и, таким образом, в зависимости от направления переключения амплитуда запускающего сигнала, необходимая для срабатывания схемы, может быть различной. Поскольку же входные сигналы обычно имеют одинаковую амплитуду и длительность, то указанный недостаток может привести к ненадежному срабатыванию схемы в одном из направлений.

От этого недостатка свободна схема на двух туннельных диодах (рис. 7), условно называемая в иностранной литературе схемой «Твин». В этой схеме один из диодов, например ТД2) можно рассматривать как сопротивление нагрузки для диода ТД1. Тогда для построения линии нагрузки для диода ТД1 достаточно из точки U=E построить перевернутую вольт-амперную характеристику диода ТД2 (рис. 8). В результате такого построения мы получим две характеристики, пересекающиеся в трех точках, причем точка 2 будет по-прежнему неустойчивой, а точки 1 и 3 останутся устойчивыми. Поскольку же средняя точка батареи смещения заземлена, точке 2 на рис. 8 будет соответствовать нулевой потенциал относительно «земли». Поэтому условия запуска схемы «Твин» окажутся совершенно одинаковыми для любого направления. При этом, конечно, необходимо подбирать диоды с одинаковыми характеристиками.

Рис. 7. Принципиальная схема "Твин"

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика для схемы "Твин".

Напряжение, снимаемое со схемы «Твин», показано на рис. 9. Здесь видно, что выходное напряжение изменяется от +U" до -U".

Рис. 9. Форма напряжения на выходе схемы "Твин".

Схема «Твин» может работать и как мультивибратор, если между зажимом «земля» и выходным зажимом включить индуктивность L (рис. 10). В этом случае точки 1 и 3 (рис. 8) станозятся неустойчивыми, если L>8|R| -2 С, где |R| - усредненное дифференциальное сопротивление диода на падающем участке характеристики (рис. 6). Форма колебаний на выходе мультивибратора близка к прямоугольной (рис. 9).

Рис. 10. Принципиальная схема мультивибратора.

Незначительная асимметрия колебаний может быть достигнута за счет использования диодов с различными параметрами. Длительность плоской части импульса может быть грубо оценена по следующей формуле:

где r L - сопротивление индуктивности постоянному току, а r 1 - сопротивление диода постоянному току на участке характеристики от U 0 до U 1 . Обычно r 1 составляет несколько ом. Напряжение источника питания E/2 должно быть выбрано в интервале от от U 0 до U 2 .

Рассмотренные схемы не исчерпывают многообразия применений туннельного диода в различных радиотехнических устройствах. Необходимо указать, что туннельный диод оказывается весьма перспективным прибором при детектировании очень малых напряжений (около 1 мв), умножении и преобразовании высоких частот и др. В последнее время появились такие приборы, как транзисторы с туннельным эмиттером, позволяющие создавать более совершенные импульсные схемы.

Следует также отметить, что исследования в области изучения физики туннельного эффекта в полупроводниках и создание приборов, использующих этот эффект, находятся еще далеко не в завершенной фазе. Поэтому в ближайшем будущем а этой области следует ожидать еще много новых открытий и изобретений.