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
.