8. Шумы в генераторах
8.1. Введение
Твердотельные устройства, такие, как туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна, в наши дни широко используются в качестве генераторов СВЧ. Эти устройства обладают собственными шумами, что в одних случаях практического применения не имеет большого значения, а в других заслуживает серьезного рассмотрения. Примером последнего может служить приемник СВЧ, в котором смеситель с внешним гетеродином помещается перед усилительным каскадом. Естественно, физические механизмы, ответственные за шум, зависят от внутренней структуры генератора. В этой главе мы не углубляемся в детали этих порождающих шум механизмов, а полагаем только, что генератор колебаний содержит внутренний генератор белого шума, который служит причиной появления на выходе случайно флуктуирующего сигнала. Спектральные характеристики выходного шума в твердотельных генераторах уже обсуждались в литературе [1, 2, 6, 15].
Важными составными частями генератора стабильных колебаний являются частотно-избирательный контур, устройство с отрицательной дифференциальной проводимостью (или контуром обратной связи с усилением по мощности) и устройство с нелинейной характеристикой, которое действует как ограничитель амплитуды колебаний. Как правило, отрицательная проводимость и нелинейная характеристика совмещаются в одном и том же элементе.
Нелинейные элементы можно разделить на «быстрые» и «медленные» в зависимости от того, насколько быстро они откликаются на входной сигнал. Время отклика медленного нелинейного элемента составляет несколько периодов, тогда как быстрое устройство реагирует практически мгновенно. Только в последнем случае шум довольно значителен, поэтому основное внимание будем уделять быстрым нелинейным генераторам с отрицательной проводимостью.
Этот тип генератора был впервые проанализирован ван-дер-Полем [16], который исследовал собственные и вынужденные колебания системы. Этот генератор можно просто представить в виде параллельного LRC-контура, шунтированного
отрицательной нелинейной проводимостью (или последовательным LRC-контуром с последовательно присоединенной отрицательной проводимостью). При соответствующих условиях такая схема неустойчива и будет переводиться в колебательный режим собственным шумом системы. Амплитуда этих собственных колебаний устанавливается на уровне, который зависит от степени нелинейности элемента с отрицательной проводимостью. Как и в большинстве задач с нелинейными эффектами, общий анализ схем генераторов колебаний проводить трудно, хотя определенные типы нелинейных характеристик удается исследовать, используя в каждом отдельном случае индивидуальный подход.
Конкретный вид нелинейной проводимости, рассмотренный ван-дер-Полем, - это плавно изменяющаяся функция, которую можно аппроксимировать быстро сходящимися степенными рядами по выходному напряжению. Генераторы, основанные на нелинейном элементе этого вида, известны под названием генераторов колебаний ван-дер-Поля. Большинство твердотельных устройств, обычно используемых в качестве нелинейных элементов в генераторах с отрицательной проводимостью, имеет нелинейные характеристики, которые приближаются к виду, рассмотренному ван-дер-Полем. Поэтому сосредоточим наше внимание на этом типе нелинейности и, прежде чем переходить к обсуждению шумов генератора, сначала обсудим наиболее важные рабочие характеристики генератора колебаний ван-дер-Поля.
