9.8. 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. 9.19, а 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 γ - угол наклона касательной к кривой i = f(u) в рабочей точке U₀.

Рис. 9.19. Вольт-амперные характеристики туннельного диода (а) и тетрода с динатронным эффектом (б), при которых возможна реализация отрицательного сопротивления

Аналогичной получается характеристика тетрода при сильно выраженном динатронном эффекте (рис. 9.19, б).

При подключении электронного прибора с подобными вольт-амперными характеристиками к колебательной цепи можно осуществить генерацию высокочастотных колебаний. При этом получается автогенератор с внутренней обратной связью. На рис. 9.20, а изображена схема динатронного генератора, в которой в качестве отрицательного сопротивления используется тетрод. Как видно, в этой схеме нет специальных элементов для создания обратной связи. Отрицательный характер сопротивления лампы достигается установкой рабочей точки на падающем участке характеристики (рис. 9.19, б). Для этого на анод подается напряжение питания Е_a0, меньшее, чем на экранирующую сетку. Эквивалентная схема контура, шунтированного отрицательным сопротивлением R_, изображена на рис. 9.20, б. По отношению к этому сопротивлению u_а рассматривается как электродвижущая сила, так что ток i_a и напряжение u_а связаны соотношением

Рис. 9.20. Динатронный генератор (а) и его схема замещения (б)

Рассматривая, как и в § 9.2, начальный этап возникновения колебаний (малые амплитуды), исходим из уравнений, аналогичных уравнениям (9.4)-(9.5), с тем лишь отличием, что первое уравнение (9.4) запишем в виде i_L + i_C = -i_a.

Учитывая далее приведенное выше выражение и используя третье уравнение системы (9.4), получаем вместо (9.8) следующее линейное дифференциальное уравнение:

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

или

где - абсолютная величина отрицательного сопротивления; Z_эp - резонансное сопротивление контура; Q - добротность; - характеристическое сопротивление контура;

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

в автогенераторе установится стационарная амплитуда колебаний. Режим устойчив, если в точке пересечения горизонтали кривая имеет положительный наклон (рис. 9.21). 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 U_a.

Рис. 9.21. К определению стационарной амплитуды автоколебания в генераторе с внутренней обратной связью

Из-за недостаточной устойчивости динатронного эффекта и низких энергетических качеств динатронные генераторы применяются довольно редко. Значительно большее распространение получили генераторы на туннельном диоде (рис. 9.22). Блокировочные дроссель L_бл и конденсатор С_бл (С_бл >> С₀) защищают цепь постоянного тока от тока высокой частоты; С₀ - собственная емкость диода; r_к - сопротивление потерь в кристалле и в элементах контура. Преимуществом туннельного диода является весьма малое по абсолютной величине отрицательное сопротивление (~ 10-100 Ом). Несмотря на относительную большую собственную емкость диода (несколько десятков пикофарад), условие самовозбуждения (9.46) выполняется в весьма широком диапазоне частот, вплоть до СВЧ.

Рис. 9.22. Генератор на туннельном диоде

Так, например, при добротности контура, составленного из индуктивности L и собственной емкости диода С₀ = 50 пФ (Q = 50), при предельная частота генерации будет