Однако зачастую оказывается невозможным реализовать рассчитанные по (10.15) значения коэффициентов усиления, так как усилитель теряет устойчивость. Остановимся на этом подробнее.

При анализе транзисторных усилителей обычно руководствуются так называемым импедансным критерием устойчивости, согласно которому достаточным условием устойчи

вости активного четырехполюсника является положительность вещественных составляющих входной и выходной проводимостей. Вещественная составляющая проводимости связана с соответствующим коэффициентом отражения зависимостью

г, ReK=(l/Zo)[l-fp/(l-P)]

Рис. 10.15. Зависимость коэффициента усиления и модуля коэффициента отражения на входе транзистора от модуля коэффициента отражения нагрузки

где Zo -- волновое сопротивление линии, в которую включен четырехполюсник. Из этого соотношения следует, что вещественная составляющая проводимости положительна при условии, если Г <: 1. Анализ показывает, что Fj < 1, если

Г2 < [ SiAi I - V\ iiAi Р - (1 - 15u ) (1 А -1 П1/...

...(A-522!), (10.16)

где A = 5ii522 - <5i2§2i- Это ограничение обычно не позволяет выполнить условие = 5*2 и, следовательно, получить максимальное усиление.

На рис. 10.15 приведены расчетные зависимости коэффициента усиления Кр и модуля коэффициента отражения Fj от Fa для разных соотношений между фазами Ф22 элемента матрицы 22 и фг2 коэффициента отражения Г2- При этом одно из них фг2 = -Ф22 соответствует максимально возможному при данном Г2(сплошные линии), а другое Фг2 = -Ф22 =t 180° - минимально возможному коэффициенту усиления (штриховые линии). Расчет проведен для транзистора КТ640А-2 с использованием его параметров

рассеяния, измеренных на одной из частот в сантиметровом диапазоне длин волн, причем полагали, что на входе усилителя ti = ff. Анализ зависимостей позволяет сдеаать вывод, что коэффициент усиления очень сильно зависит как от Га, так и от фга- При приближении к значению, определяемому неравенством (10.16), коэффициент усиления растет. Однако при этом велик, что затрудняет практй ческое выполнение входной согласующей цепи.

Задачу оптимального проектирования широкополосных ТУМ решают обычно методами машинного проектирования с использованием ЭВМ.

§ 10.2. ГЕНЕРАТОРЫ НА ДИОДАХ ГЛИНА

Работа генераторов на полупроводниковых диодах основана на использовании отрицательной активной составляющей полного сопротивления (проводимости) диодов. Эквивалентная схема диодного генератора представляет собой соединение полного сопротивления (проводимости) диода и полного сопротивления (проводимости) внешней цепи. Если сопротивление потерь (с учетом мощности, потребляемой нагрузкой) полностью компенсируется отрицательной активной составляющей сопротивления диода, имеет место режим автогенерации; если компенсация частична, то может происходить регенеративное усиление колебаний, поступающих от внешнего источника. Диодные усилители являются активными двухполюсниками, поэтому требуют специальных устройств для разделения входного и выходного колебаний (например, циркуляторов). Физическая природа появления отрицательного активного сопротивления (проводимости) у полупроводниковых диодов может быть различной. У диодов Ганна (ДГ) это обусловлено процессами (см. § 2.3, п. 4), происходящими в объеме полупроводника (обычно арсенид галлия).

Выражение для тока, протекающего через диод Ганна, нетрудно получить из (2.49)

I = eS (nifi i -f П2\1 2) Е = enoSvp,

где S - площадь поперечного сечения полупроводникового образца; Одр - средняя дрейфовая скорость электронов; Па = rii + П2 - общее число электронов проводимости.

В слабом поле (Е < Е„) щ < 1, щ щк! еЗпаЦщЕ (рис. 10.16). В сильном поле {Е>Е„) Лх << Лг. Щ и liiv eStioiinE, причем J-i<h, так как 2<1 пт

При промежуточных значениях электрического поля Е„ < < £ <С £ значения тока уменьшаются от /j до /г, т. е. зависимость I от Е имеет спадающий характер-

д! {Е)/дЕ<0

и полупроводник обладает отрицательной дифференциальной проводимостью

Для образования домена (см. § 2.3) и, следовательно, для получения колебаний тока во внешней цепи необходимы как высокая равновесная концентрация электронов в зоне проводимости, так и достаточная для того, чтобы смог образоваться домен, протяженность L образца, поэтому одним из важных параметров приборов, основанных на эффекте Ганна, является произведение ПоЬ.

Как указывалось в § 2.3, в приборах с п^Е 10 см могут образовываться домены, поэтому именно такие приборы используют в автогенераторах СВЧ-колебаний. Приборы, у которых 10 < ПоЕ < 10 cм характеризуются стабильным распределением электрического поля. Их можно использовать в качестве стабильных усилителей СВЧ-колебаний, поскольку при Е > Е„ они обладают отрицательной проводимостью. При ПоЕ <: 10 см полупроводник абсолютно устойчив, так как при таких По и L распреде-ние электрического поля вдоль диода становится неоднородным, и диффузионные потоки электронов компенсируют эффекты, связанные с уменьшением дрейфовой скорости при Е > Е„. Такие приборы не могут быть использованы ни как автогенераторы, ни как усилители.

Произведением п^Ь определяется и вид вольт-амперной характеристики образца. Если ПоЕ < 10 см , ток через образец повторяет зависимость дрейфовой скорости от напряженности поля (рис. 10.16). При n L > 10 см в образце может образоваться домен и картина меняется (рис. 10.17). При нарастании напряжения от нуля до U = E L поле в образце, скорость носителей, а следовательно, и ток нарастают в соответствии со статической характеристикой скорость - поле (участок а на рис. 10.17) Как только поле в образце достигает значения Е„, в нем формируется домен, поле вне домена падает до (см. рис. 2 15, б) и соответственно падает ток до /j (точка 2 на рис. 10.17). При дальнейшем увеличении приложенного к образцу напряжения ширина домена растет и поле в нем увеличивается. Падение напряжения на домене при этом растет быстрее, чем приложенное к образцу напряжение, вследствие