Задающий автогенератор на туннельном диоде

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра "Информационно-измерительная техника и технологии"

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Приёмо-передающие устройства"

Тема: ЗАДАЮЩИЙ АВТОГЕНЕРАТОР НА ТУННЕЛЬНОМ ДИОДЕ

Исполнитель: Новик С. Ф.

Руководитель: Воробей Р. И.

доцент

Минск

2016



Реферат

Курсовая работа содержит 18 страниц, 4 рисунка, 1 приложение.

АВТОГЕНЕРАТОР, ДИОДНЫЕ АВТОГЕНЕРАТОРЫ, ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА.

Целью курсовой работы является разработка принципиальной схемы и расчет задающего автогенератора на туннельном диоде, описание его работы, расчёт элементов, входящих в принципиальную схему

В проекте представлены: схема электрическая принципиальная задающего автогенератора на туннельном диоде и её расчет.



Содержание

Введение

1. Анализ принципа действия автогенератора на туннельном диоде

1.1 Общие сведения об автогенераторах

1.2 Диодные автогенераторы

1.3 Туннельный диод

2. Разработка схемы автогенератора на туннельном диоде

3. Расчет схемы автогенератора на туннельном диоде

3.1 Выбор туннельного диода

3.2 Расчет режима диода

3.3 Расчет цепи питания

3.4 Расчет резонатора

3.5 Расчет емкости Ссв и С1

Заключение

Список использованных источников



Введение

В ходе курсовой работы была разработана и рассчитана схема задающего автогенератора на туннельном диоде.

Автогенератор -- это источник электромагнитных колебании, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилителей мощности), часто называют генераторами с самовозбуждением.

В радиопередатчиках автогенераторы применяются в основном в качестве каскадов, задающих несущую частоту колебании. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требование, предъявляемое к ним,-- высокая стабильность частоты. В некоторых типах передатчиков (особенно в диапазоне СВЧ) автогенераторы могут быть выходными каскадами. Требования к таким генераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности -- обеспечивать высокую выходную мощность и КПД.

Туннельный диод -- это маломощный генераторный диод с узким р-n-переходом, активные свойства которого проявляются в широком диапазоне частот -- от постоянного тока до СВЧ.



1. Анализ принципа действия автогенератора на туннельном диоде

1.1 Общие сведения об автогенераторах

Задающие генераторы проектируют таким образом, чтобы в них возбуждались гармонические колебания. Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого -- колебательный характер переходного процесса. Простейший резонатор -- это колебательный контур. Если в колебательный контур ввести энергию, то при достаточно высокой его добротности (Q " 1) возникают колебания тока, затухающие со временем. Уменьшение амплитуды колебаний объясняется потерями мощности в контуре. Таким образом, для создания автогенератора гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери.

Для выполнения последнего условия достаточно периодически добавлять в резонатор порции электромагнитной энергии синхронно с возбуждаемыми колебаниями. Источником энергии может служить постоянное электрическое поле; для преобразования его энергии в энергию колебаний требуется активный элемент (АЭ). Структурная схема автогенератора изображена на рисунке 1. Обратная связь здесь нужна для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе.

Рисунок 1 - Структурная схема автогенератора

В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот применяют LC-контуры, кварцевые пластины; на СВЧ -- отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др. Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, а также генераторные диоды -- туннельные, лавинно-пролетные, диоды Ганна и др.

Механизм работы автогенератора состоит в следующем. При включении источника энергии в резонаторе возникает переходный колебательный процесс, воздействующий на АЭ. Последний преобразует энергию источника в энергию колебаний и передает ее в резонатор. Если мощность, отдаваемая активным элементом, превышает мощность, потребляемую резонатором и нагрузкой, т. е. выполняется условие самовозбуждения, то амплитуда колебаний увеличивается. По мере роста амплитуды проявляется нелинейность АЭ, в результате рост отдаваемой мощности замедляется и при некоторой амплитуде колебаний отдаваемая мощность оказывается равной потребляемой мощности. Если этот энергетический баланс устойчив к малым отклонениям, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний.

Автогенераторы существенно отличаются от других каскадов радиопередатчиков тем, что частота и амплитуда колебаний здесь определяются не внешним источником, а параметрами собственной колебательной системы и активного элемента.

1.2 Диодные автогенераторы

В зависимости от типа АЭ различают транзисторные и диодные автогенераторы.

Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счет специфических процессов в генераторных диодах, обратная связь здесь осуществляется автоматически без применения специальных элементов.



1.3 Туннельный диод

Туннельный диод - это маломощный генераторный диод с узким р-n-переходом, активные свойства которого проявляются в широком диапазоне частот - от постоянного тока до СВЧ. Это позволяет строить туннельные автогенераторы на самых различных частотах. Выходная мощность автогенераторов на туннельных диодах обычно составляет сотни микроватт. Важным достоинством диода является сохранение его свойств как активного элемента в условиях радиационного излучения.

Эквивалентная схема туннельного диода (рисунке 2а) содержит генератор тока iа (uа), барьерную емкость р-л-перехода Сб (uа), сопротивление потерь в полупроводнике и контактах rs, и индуктивность выводов Lв. Штриховой линией на рисунке 2б, показана статическая ВАХ обычного диода с р-n-переходом.

Рисунок 2. Эквивалентная схема туннельного диода (а) и статическая ВАХ генератора тока (б)



2. Разработка схемы автогенератора на туннельном диоде

1. Туннельный диод - это прибор с ВАХ N-типа, поэтому колебательная система с учетом Lв н Сб в точках подключения генератора тока iа (ua) должна на заданной частоте иметь параллельный резонанс.

Рисунок 3. Принципиальная электрическая (а) и эквивалентная (б) схемы питания туннельного диода.

2. Участок отрицательной крутизны существует при весьма малых напряжениях ua. Чтобы диод проявлял себя как активный элемент автогенератора, напряжение питания U0 должно быть в пределах uпик< U0< uвп или 0,1 < U0 < 0,6 В. Так как напряжение стандартных источников питания Еп> 1,5 В, то требуется делитель напряжения (рисунок 3 а).

3. Существование участка отрицательной крутизны не только на динамической ВАХ (как у всех активных элементов), но и на статической характеристике приводит к необходимости обеспечивать устойчивость рабочей точки по постоянному току.

4. Наличие участка отрицательной крутизны на динамической ВАХ диода в широком диапазоне частот может вызвать самовозбуждение паразитных колебаний в неявных колебательных контурах, образованных элементами конструкции автогенератора. Для устранения паразитных колебаний следует особое внимание уделять проектированию и конструированию блокировочных элементов. Часто в автогенераторах на туннельных диодах применяют антипаразитные резисторы.

Электрическая схема автогенератора на туннельном диоде. На рисунке 4 изображена одна из возможных схем такого автогенератора.

Рисунок 4. Принципиальная электрическая схема автогенератора на туннельном диоде.

Здесь R1, R2 - делитель напряжения в цепи питания;

Сбл, Lбл - элементы, блокирующие источник питания от токов высокой частоты;

С1, С2, L - элементы резонатора, задающего частоту генерации;

Ссв - емкость связи с нагрузкой. Чтобы одновременно обеспечить высокую стабильность частоты и оптимальный энергетический режим, применено неполное подключение резонатора к диоду.



3. Расчет схемы автогенератора на туннельном диоде

Расчет туннельного автогенератора состоит из 3-ёх основных этапов: 1) выбор диода; 2) расчет режима диода; 3) расчет резонатора и цепи питания.

3.1 Выбор туннельного диода

При выборе диода следует учитывать требуемую выходную мощность автогенератора. Для получения высокой стабильности частоты следует применять ослабленную связь с нагрузкой, подбирая достаточно малую емкость Ссв. Тогда мощность в нагрузке Рн ? (0,1 ... 0.2) P1, где P1, -- колебательная мощность, отдаваемая диодом во внешнюю цепь.

Из теории туннельных автогенераторов следует, что максимальная колебательная мощность диода:

P1max ? 0,2 ,

Где

= iпик-iвп; = uпик-uвп.

Так как =iпик; ?0,4 В для диодов на арсенид галлия, то получим соотношение для выбора диода: iпик?100 Рн.

3.2 Расчет режима диода

Цель расчета состоит в нахождении оптимальной проводимости нагрузки Gк, постоянного напряжения U0, на диоде, эквивалентного сопротивления источника питания Rист. В результате расчета становятся известными амплитуда колебаний Ua1, колебательная P1, и потребляемая Р0 мощность, а также электронный КПД автогенератора.

При расчете режима диода необходимо учесть условия существования стационарного режима, самовозбуждения и устойчивости по постоянному току. Нужно рассчитать зависимость действительной Gа и мнимой Ва частей проводимости Ya от амплитуды колебаний Ua1. Основной вклад в Ва дает барьерная емкость диода, т.е. Ва?wCб1, где Сб1 -- усредненная по первой гармонике емкость Со(uа). Расчеты показывают, что значение Вa слабо зависит от Ua1, поэтому считают емкость Со постоянной, полагая Сб1 -- Сб (U0). Расчет |Ga|(Ua) можно проводить в следующем порядке.

Рисунок 6. Нормирования ВАХ туннельного диода на арсениде галлия (а) и зависимость |Ga|/iпик от амплитуды напряжения (б)

1. Аппроксимируем статическую ВАХ туннельного диода подходящим аналитическим выражением.

2. Считая, что напряжение ua(t) на диоде имеет гармоническую форму (это справедливо, если добротность контура при параллельном резонансе достаточно велика), подставляем в формулу, аппроксимирующую ВАХ, напряжение

ua (f) = U0+Ua1coswt

и находим зависимость ia(t).

3. Раскладывая функцию ia(t) в ряд Фурье, находим амплитуду первой гармоники тока диода Ia1.

4. Вычисляем

|Ga| = Ia1/Ua1.

5. Повторяем расчеты для различных Ua1 и U0. В результате получаем семейство зависимостей |Ga|(Ua1) при U0 в качестве параметра.

Так как ВАХ туннельных диодов, изготовленных из одного материала, идентичны и отличаются лишь значением пикового тока 1'пяк" то при расчетах можно использовать некоторую среднюю характеристику, нормированную к iпик, которая справедлива для определенного полупроводникового материала (рисунок 6).

Будем считать оптимальным режим диода, соответствующий высокой стабильности частоты и максимальному электронному КПД.

Как показали расчеты по изложенной методике и подтвердили эксперименты, оптимальный режим получается при следующих параметрах автогенератора: U0 = 0,37В; |Ga|/iпик =1,2 В-1. При этом амплитуда колебаний Ua1 = 0,33 В, а режим возбуждения при U0 = const оказывается жестким.

3.3 Расчет цепи питания

Цепь питания диода выполняет следующие основные функции: 1) снабжает диод энергией, необходимой для генерации электромагнитных колебаний; 2) обеспечивает оптимальное смещение рабочей точки на статической ВАХ.

Чтобы получить оптимальный режим диода при мягком возбуждении колебаний, целесообразно, как и в случае транзисторных автогенераторов, использовать автоматическое смещение. Оно образуется при протекании постоянного тока диода I0 через параллельно соединенные резисторы R1 и R2. Можно так выбрать сопротивления R1 и R2, что в момент возбуждения колебаний постоянное напряжение на диоде будет соответствовать мягкому возбуждению, а в стационарном режиме -- оптимальному значению U0 = 0,37 В. Возможность такого выбора объясняется тем, что при мягком возбуждении колебаний постоянный ток I0(0)(он несколько меньше iпик) оказывается больше, чем ток I0 в стационарном режиме. При наличии колебаний ток I0 уже не определяется статической ВАХ диода, а соответствует некоторой кривой, зависящей от нагрузки GH (заштрихованная область на рисунок 6, а). Это объясняется тем, что временная зависимость ia(t) негармоническая.

В стационарном режиме колебаний постоянное напряжение Uо окажется равным оптимальному значению 0,37 В в том случае, когда изменение напряжения на сопротивлении Rист при уменьшении постоянного тока I0 до I0 равно разнице постоянных напряжений на диоде в оптимальном режиме и в момент возбуждения. Отсюда получаем (рисунок 6, а):

Rист?(U0-uпик)/(iпик-I0) (1)

В режиме с максимальным КПД:

(2)

Из рисунка 6, видно, что в оптимальном режиме 0.3, поэтому Rист?0,4B/iпик; Тогда: электромагнитный генераторный диод туннельный

= 0,37 В + 0,27 А *0,4 Ом= 0,47 В (3)

= (0,4Ом * 1,5 В)/ 0,47 В = 1,27 Ом (4)

) = 0,4 Ом * 1,5 В / (1,5 В - 0,47 В ) = 0,58 Ом (5)

3.4 Расчет резонатора

Выбираем индуктивность контура L = 5 мкГн с добротностью QL = 110. Считаем, чт

о Q0 QL.

Вычислим параметры элементов резонатора:

с = щрL = 2рfpL= 2 * 3,14 * 0,5 Гц * 106 * 5 * 10-6 Гн = 15,7 Ом (6)

СУ = = ? 2072 пФ (7)

Rp = сQ0 = 15,7 Ом * 110 1,72 кОм (8)

C'1= C?/с = 2072 пФ/15,7 Ом = 132 пФ (9)

C2 ? C'1 ? 132 пФ (10)

3.5 Расчет емкости Ссв и С1

Примем Rн ? 300 Ом, тогда:

Ссв = = 60 пФ (11)

= ? 60 пФ (12)

= 132 - 60 = 72 пФ (13)

Сопротивление входной цепи должно быть намного больше цепи резонатора (). Примем n=10, тогда:

Lбл=10L = 10 * 5 * 10-6 = 50 мкГн (14)

Cбл=Ссв/10 = 60 * 10-12 / 10 = 5 пФ (15)



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы было приведено описание работы автогенератора на туннельном диоде, была разработана принципиальная схема, произведён расчёт элементов, входящих в принципиальную схему.



Список использованных источников

1. Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие

устройства на полупроводниковых приборах: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вызов/ М.: Высш. шк., 1989 - 232 с.

2. Справочник по электрическим конденсаторам/ М. Н. Дьяконов, В. И. Карабанов, В. И. Присняков и др.; Под общ. ред. И. И. Четверткова и В. Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983 - 576 с.

3. Резисторы: Справочник/ В. В. Дубровский, Д. М. Иванов, Н. Я. Пратусевич и др.; Под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. - 2 изд., - М.: Радио и связь, 1991 - 528 с.

Размещено на Allbest.ru