9.9. АВТОГЕНЕРАТОРЫ С ВНУТРЕННЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

При рассмотрении механизма возникновения колебаний в автогенераторе (см. § 9.2) мы встретились с понятием отрицательного сопротивления, вносимого в колебательный контур при надлежащем выборе фазы обратной связи. При этом в соответствии с обобщенной схемой автоколебательной системы (см. рис. 9.1) имелась в виду внешняя обратная связь.

Существуют, однако, некоторые электронные приборы, которые позволяют получить отрицательное сопротивление за счет падающих участков вольт-амперной характеристики без введения в схему специальных элементов обратной связи. К таким приборам относятся, например, туннельный диод и обычные тетроды и пентоды при соответствующем подборе напряжений на электродах.

На рис. 9.26 показана вольт-амперная характеристика туннельного диода, представляющая зависимость прямого тока диода от положительного напряжения смещения. На падающем участке а-б дифференциальное сопротивление диода отрицательно:

где — угол наклона касательной к кривой в рабочей точке .

При подключении электронного прибора с подобной вольт-амперной характеристикой к колебательной цепи можно осуществить генерацию высокочастотных колебаний. При этом получается автогенератор с внутренней обратной связью.

На рис. 9.27 изображена схема генератора на туннельном диоде. В качестве емкости контура в генераторах СВЧ обычно используется собственная емкость диода . Блокировочные дроссель и конденсатор защищают цепь постоянного тока от тока высокой частоты; — сопротивление потерь в кристалле и в элементах контура.

Схема замещения контура, шунтированного отрицательным сопротивлением изображена на рис. 9.28. По отношению к этому сопротивлению напряжение действующее на колебательном контуре, рассматривается как ЭДС, так что ток через диод

Рис. 9.26. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Рис. 9.27. Автогенератор на туннельном диоде

Рис. 9.28. Схема замещения автогенератора на туннельном диоде

Рис. 9.29. К определению стационарной амплитуды автоколебания в генераторе с внутренней обратной связью

Колебательное напряжение на контуре и токи связаны между собой соотношениями

В качестве искомой функции выберем, например, ток в индуктивной ветви контура. Исключая из первого уравнения (9.56) с помощью второго и третьего уравнений, получаем

Однако

Приравнивая правые части приведенных выражений, после группировки слагаемых получаем следующее дифференциальное уравнение:

Для того чтобы амплитуда колебаний нарастала, коэффициент при первой производной должен быть отрицательным. Отсюда получается условие возникновения колебаний

или

где — абсолютная величина отрицательного сопротивления; — эквивалентное резонансное сопротивление контура; Q — добротность; характеристическое сопротивление контура.

Когда сопротивление зависящее от амплитуды колебания (при переходе на нелинейную часть характеристики), увеличится до

в автогенераторе установится стационарная амплитуда колебаний. Режим устойчив, если в точке пересечения горизонтали кривая имеет положительный наклон (рис. 9.29). Все, что в предыдущих параграфах было сказано о характере нелинейной зависимости средней крутизны от амплитуды управляющего напряжения, в данном случае можно распространить на характер зависимости величины, обратной от напряжения .

Преимуществом туннельного диода является весьма малое по абсолютной величине отрицательное сопротивление 10—100 Ом). Несмотря на относительно большую собственную емкость диода (несколько десятков пикофарад), условие самовозбуждения (9.57) выполняется в весьма широком диапазоне частот, вплоть до СВЧ. Так, при добротности контура , собственной емкости диода Ом предельная частота генерации .