МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Индивидуальная работа по курсу «Электронные приборы» Часть 1-3
Выполнил: Студент гр. 400441 Кукушкин А. В. Проверил: Мельников В.А.
Минск 2016 Последние цифры зачетной книжки - 17 Задача 1 Рассчитать и построить ВАХ идеализированного кремниевого диода в пределах изменения напряжения от -5 до +0.7 В при Т = 300 К и обратном токе насыщения I_0 = 0.4 нА. Значение теплового потенциала φT= при Т = 300 К принять равным 0.026 В. Определить дифференциальное сопротивление r_диф и статическое сопротивление R_0 диода для заданного значения U_пр=0,2 В. Решение Расчет вольт-амперной характеристики проведем в соответствии с уравнением I= I_0*(e^(qU/kT) -1), где I_0 – тепловой ток p – n – перехода (ток насыщения). Результаты расчета прямой ветви ( U > 0 ): Uпр, В 0 0,05 0,1 0,2 0,21 0,3 0,4 0.5 0,7 Iпр, нА 0 2,37 18,33 876,17 1,2*〖10〗^3 4,1*〖10〗^4 1,9*〖10〗^6 8,9*〖10〗^7 1,9*〖10〗^11
Результаты расчета прямой ветви ( U < 0 ): Uпр, В 0 -0,1 -1 -5 Iпр, нА 0 -0,39 -0,4 -0,4
Для определения дифференциального сопротивления линейного участка, выбрав на прямой ветви вольт - амперной характеристики рабочую точку А и задав небольшое приращение ΔU, получают приращение тока ΔI. R_диф= ∆U/∆I= (0.21-0.2)/((1,2-0,8)*〖10〗^(-3) )=25 (Ом) Возьмем производную dU/dI из выражения вольт-амперной характеристики диода: R_диф=kT/q*1/((I_0+I))≈kT/qI Сопротивление диода постоянному току в рабочей точке А определяется как R_0= U/I= 0.2/(0.8* 〖10〗^(-3) )=250 Ом. При этом всегда выполняется условие: R_0>R_диф
Задача 2 Стабилитрон подключен для стабилизации напряжения параллельно резистору нагрузки R_h. Параметры стабилитрона U_ст=9 В,I_(ст min)=5 мА, I_(ст max)=30 мА,R_h=1 кОм. Определить величину сопротивления ограничительного резистора R_огр, если напряжение источника U_вх изменяется от U_(вх min) = 20 В до U_(вх max) = 30 В. Будет ли обеспечена стабилизация во всем диапазоне изменения входного напряжения U_вх ? Решение
Средний ток стабилизации: I_ст= (I_(ст min)+ I_(ст max))/2= (30+5)/2=17.5 (мА) При этом необходимая величина питания будет равна: U_вх= U_ст+ R_огр (I_h+ I_ст) Отсюда можно найти необходимую величину ограничительного резистора: R_огр= (U_вх- U_ст)/(I_h+ I_ст ) Средняя величина питающего напряжения: U_вх= (U_(вх max)+ U_(вх min))/2= (20+30)/2=25 (В) Ток нагрузки: I_h= U_ст/R_h = 9/(1*〖10〗^3 )=9 (мА) R_огр= (25-9)/(9*〖10〗^(-3)+17,5*〖10〗^(-3) )≈604(Ом) Определяем допустимый диапазон изменения питающего выражения: U_(вх min)= U_ст+(I_(ст min)+ I_h )*R_огр=9+(5+9)*0,604≈17,5 (В) U_(вх max)= U_ст+(I_(ст max)+ I_h )*R_огр=9+(30+9)*0,604≈32,5 (В) Можем сделать вывод, что стабилизация не получается во всем диапазоне изменения напряжения. Если R_огр будет равен 1 Ом, то U_(вх min)= U_ст+(I_(ст min)+ I_h )*R_огр=9+(5+9)*0,01≈9,4 (В) U_(вх max)= U_ст+(I_(ст max)+ I_h )*R_огр=9+(30+9)*0,01≈9,36 (В) То тогда можем сделать вывод, что стабилизация получается во всем диапазоне изменения напряжения.
Задача 3 Пользуясь справочными данными, приведите семейство входных и выходных характеристик БТ с ОЭ. В качестве независимых переменных используйте входное и выходное напряжение. Тип транзистора –КТ 375 А. Поясните поведение входных и выходных характеристик транзистора. По справочнику установите максимально допустимые параметры БТ: постоянный ток коллектора ; напряжение коллектор–эмиттер ; мощность рассеиваемую коллектором транзистора . На семейство выходных характеристик нанесите границы области допустимых режимов работы. Задайтесь положением рабочей точки и, пользуясь характеристиками, рассчитайте для нее значения h-параметров БТ. На основании полученных числовых значений параметров рассчитайте параметры Т-образной эквивалентной схемы транзистора и изобразите ее. Решение Максимально допустимые параметры:
100 мА 50 В 0,1 Вт
Статические характеристики позволяют определить основные параметры транзистора. Для описания свойств транзистора по переменному току чаще всего используется система h-параметров, которая представляется следующими уравнениями:
При нахождении h-параметров по статическим характеристикам дифференциалы заменяются конечными приращениями, тогда: Входное сопротивление: h_11=(∆U_бэ)/(∆I_б ) |U_бэ=const=(U_бэ^''-U_бэ^')/(I_б^''-I_б^' )|=U_кэ=U_кэ^''=(0,75-0,7)/((75-40)*〖10〗^(-3) )=1.4 (Om)
Коэффициент обратной связи по напряжению: h_12=(∆U_бэ)/(∆U_кэ ) |I_б=const=(U_бэ^''-U_бэ^')/(U_кэ^''-U_кэ^' )|=I_б=I_б^'=((0,75-0,7)*〖10〗^(-3))/((8-12)*〖10〗^(-3) )=-0.0125
Коэффициент передачи по току: h_21=(∆I_к)/(∆I_б ) |U_кэ=const=(I_к^''-I_к^')/(I_б^''-I_б^' )|=U_кэ=U_кэ^''=((3.5-2.2)*〖10〗^(-3))/(75-40)=3.7*〖10〗^(-5) Выходная проводимость: h_22=(∆I_к)/(∆U_кэ ) |=const (I_к^'-I_к^'')/(U_кэ^'-U_кэ^'' )|=I_б=I_б^'=((40-75)*〖10〗^(-3))/((0.7-0.75) )=0.7 (Cm)
Задача 4 Рассчитайте модуль и фазу коэффициента передачи по току БТ в схеме с ОЭ на частоте . В качестве исходных данных используйте: значения предельной частоты коэффициента передачи по току в схеме с ОБ fh21Б=14 МГц, статический коэффициент передачи по току в схеме с ОБ α=0,983 и частоты f = 50 кГц. Решение Модуль и фаза коэффициентов передачи по току характеризуются выражениями:
где , − соответствующие коэффициенты передачи по току на низкой частоте; fh21б, fh21э − предельные частоты коэффициентов передачи по току для схем с ОБ и ОЭ соответственно.
Определим коэффициент передачи по току на низкой частоте для схемы с ОЭ:
Предельная частота коэффициента передачи по току:
Модуль коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ:
Фаза коэффициента передачи по току: ˚ Задача 5 Усилительный каскад выполнен на ПТ 2П302Б в схеме с ОИ. Рабочая точка ПТ задается напряжением источника питания и параметрами , . 1. Нарисуйте принципиальную схему усилителя. 2. На семействе статических ВАХ транзистора постройте нагрузочную прямую и определите положение рабочей точки. 3. Для найденной рабочей точки определите сопротивление резистора в цепи истока и малосигнальные параметры , и . 4. Графоаналитическим методом определите параметры режима усиления и при амплитуде входного сигнала B. Решение
Принимаем значение источника ЭДС 10 В. Усилительный каскад на ПТ выполнен по схеме с общим истоком (ОИ). Напряжение смещения задаётся автоматически за счёт включения в цепь истока резистора , падение напряжения на котором определяет напряжение . Уравнение нагрузочной прямой описывается выражением: , тогда
Нагрузочную прямую строим по двум точкам: I_c=0,U_си=U_ИП=10 В U_си=0,I_c= (U_ИП- U_ЗИ)/R_c = (10-1.1)/600=14.83 мА
Сопротивление резистора в цепи истока находим из формулы
R_И=1,1/(14,83*〖10〗^(-3) )=74 (Ом) Малосигнальные параметры , и определяются выражениями
При определении графическим методом рабочей крутизны Sp сопротивление RH=const
Коэффициент усиления по напряжению Выходная мощность переменного сигнала находится из выражения:
Задача 7 Фотодиод включен последовательно с источником питания и нагрузочным резистором Rн=30 кОм. Обратный ток насыщения затемненного фотодиода (темновой ток) равен I0=5 мкА. Фототок диода в фотогальваническом режиме при коротком замыкании перехода составляет Iф1=20 мкА при потоке световой энергии Ф1; Iф2=100 мкА при потоке световой энергии Ф2; Iф3=0 при потоке световой энергии Ф3=0. Вычислить и построить ВАХ идеализированного фотодиода для световых потоков Ф1, Ф2 и Ф3 в области напряжений U от 0 до -10 В (фототок не зависит от напряжения на запертом переходе; Т=300 К). Определить напряжение холостого хода Uxx перехода диода для Ф1, Ф2 и Ф3и значения Ф1,2 (лм), считая токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке Si=1.5•10-2 мкА/лм. Описать принцип работы и параметры фотодиода. Решение
Ток, протекающий через фотодиод:
где − фототок, − тепловой ток перехода, U − напряжение на диоде. При разомкнутой внешней цепи Rн=∞, Iобщ=0 − и напряжение при холостом ходе равно фото ЭДС:
Ф_1=20/(1.5*〖10〗^(-2)*30*〖10〗^3 )=0.01 (лм) Ф_2=100/(1.5*〖10〗^(-2)*30*〖10〗^3 )=0.05 (лм) I_1=20-5(e^(0.045/0.028)-1)=0.05 I_2=100-5(e^(0.085/0.028)-1)=0.92 I_3=0 ВАХ фотодиода для световых потоков Ф1, Ф2 и Ф3:
Принцип работы фотодиода основан на внутреннем фотоэффекте, то есть способностью полупроводника генерировать электронно-дырочные пары внешнем облучении p-n-перехода оптическим излучением. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов: без внешнего источника электрической энергии (вентильный режим); с внешним источником электрической энергии (фотопреобразовательный режим). Особенности: 1. простота технологии изготовления и структур; 2. сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия; 3. малое сопротивление базы; 4. малая инерционность. Характеристики фотодиода: вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость выходного напряжения от входного тока. UΦ = f(IΦ). спектральные характеристики – зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения. световые характеристики – зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока. постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 по отношению к установившемуся значению. темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения. Инерционность. Параметры фотодиода: Величина фототока Iф при номинальном световом потоке, определяемым заводом-изготовителем. Рабочее напряжение − обратное напряжение, которое прикладывается к фотодиоду. Интегральная чувствительность . Граничная частота фотодиода (до 1012 Гц).
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Индивидуальная работа по курсу «Электронные приборы» Часть 2
Выполнила:
Минск 2014 Последние цифры зачетной книжки – 17 Задача 1 Нарисовать схему одиночного усилительного каскада на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией и выполнить расчет элементов схемы, задающих рабочую точку.
Тип транзистора КТ375А. U_K0=6 В,I_K0=8 мА
Выполнить графоаналитический расчет усилительного каскада в режиме класса «А». При расчетах использовать выходные статические характеристики транзистора. Решение
Напряжение источника питания определяется из условия U_ИП=2U_K0 , а напряжение в резисторе R_k определяется выражением U_RK= U_K0 По статическим характеристикам определим h-параметры транзистора. Выполняем построение нагрузочной прямой, которая описывается уравнением . Прямая проводится через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами , на оси напряжений и точку с координатами , на оси токов. В рассматриваемом каскаде БТ работает в режиме класса «А», и положение рабочей точки задается примерно на середине нагрузочной прямой. Поэтому напряжение источника питания определяется из условия
U_ип=2U_к0=2*6=12В
а напряжение на резисторе определяется выражением U_(R_k )=U_ип-U_к0=U_к0=6В
Падение напряжения на резисторе рекомендуется выбирать из диапазона значений . U_2=0,05*12=0,6В
Вычислим сопротивления резисторов и . R_2=0.6/(6*〖10〗^(-3) )=10 Om R_k=6/(6*〖10〗^(-3) )=100 Om Для обеспечения хорошей стабилизации рабочей точки ток делителя в цепи базы должен быть больше тока базы . Напряжение на базе БТ определяется как . Напряжение для германиевых транзисторов лежит в диапазоне 0,2…0,4 В, для кремниевых – 0,6…0,8 В.
Коэффициент обратной связи по напряжению: h_12=(∆U_бэ)/(∆U_кэ ) |I_б=const=(U_бэ^''-U_бэ^')/(U_кэ^''-U_кэ^' )|=I_б=I_б^'=((0,75-0,7)*〖10〗^(-3))/((8-12)*〖10〗^(-3) )=-0.0125
Коэффициент передачи по току: h_21=(∆I_к)/(∆I_б ) |U_кэ=const=(I_к^''-I_к^')/(I_б^''-I_б^' )|=U_кэ=U_кэ^''=((3.5-2.2)*〖10〗^(-3))/(75-40)=3.7*〖10〗^(-5) Выходная проводимость: h_22=(∆I_к)/(∆U_кэ ) |=const (I_к^'-I_к^'')/(U_кэ^'-U_кэ^'' )|=I_б=I_б^'=((40-75)*〖10〗^(-3))/((0.7-0.75) )=0.7 (Cm)
С учетом связи между токами транзистора сопротивления резисторов делителя находим согласно выражениям: , . - коэффициент передачи по току. I_б=I_k/h_21 =6/3.7=1.6 mA I_д=6*1.6=9.6 mA R_2=1.1/(9.6*〖10〗^(-3) )=114 Om R_1=(12-1.1)/(9.6*〖10〗^(-3) )=1.1 KOm В результате графоаналитического расчета определим максимальную величину неискаженного сигнала: амплитуды тока и напряжения, мощности в нагрузке и КПД каскада. Предельные параметры транзистора: I_(k_max )=100 mA U_(〖kэ〗_max )=25 B P_(k_max )=150 Bt На входных характеристиках транзистора строится кривая допустимой мощности .
Максимальные значения амплитуды полуволн неискаженного сигнала соответствуют пересечению нагрузочной прямой со статическими характеристиками в точке «В» – режим насыщения и в точке «С» – режим отсечки. Рабочая точка «А» находится на середине нагрузочной прямой , тогда .
Максимальная мощность неискаженного сигнала определяется выражением: , мощность, потребляемая от источника питания: , тогда коэффициент полезного действия: .
Задача 2
Нарисовать схему электронного ключа на БТ с ОЭ и построить его передаточную характеристику . если сопротивление нагрузки . Тип транзистора, напряжение питания, сопротивление резистора в цепи коллектора использовать в соответствии с исходными данными и решением задачи № 1. Сопротивление резистора в цепи базы принять равным входному сопротивлению БТ . Решение Принципиальная схема электронного ключа на БТ и эквивалентная схема ключа.
Найдем параметры эквивалентной схемы ключа:
На семействе выходных характеристик БТ проводим нагрузочную прямую, описываемую уравнением , через две точки, лежащие на осях координат: точку с координатами , на оси напряжений и точку с координатами , на оси токов. Найдем точки пересечения нагрузочной прямой с кривыми , которые определяют токи базы и выходные напряжения ключа ( ), где N – количество таких точек. Входная ВАХ БТ , соответствующая , позволяет найти напряжения , соответствующие выходным напряжениям . В качестве напряжения , соответствующего , используют пороговое напряжение , которое определяется напряжением точки пересечения прямой, аппроксимирующей входную ВАХ при больших значениях тока базы, с осью абсцисс. Тогда соответствующие входные напряжения вычисляются согласно выражению: . Полученные пары значений и позволяют построить передаточную характеристику ключа. Высокий выходной уровень соответствует работе БТ в режиме отсечки (точка «1»): . Низкий выходной уровень соответствует работе в режиме насыщения (точка «5») . Построим нагрузочную прямую:
Передаточная характеристика ключа
На передаточной характеристике ключа имеется три области: отсечки, соответствующая малым уровням входного напряжения; активная область, соответствующая переключению БТ из режима отсечки в режим насыщения и наоборот; область насыщения, соответствующая большим уровням входного напряжения. При более точных расчетах передаточной характеристики ключа необходимо учитывать зависимость статического коэффициента передачи по току от величины тока базы .
Задача 3 Изобразить принципиальные схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя на основе ОУ и рассчитать для каждого усилителя коэффициент усиления Исходные данные: R 10(кОм); ROC 20(кОм); K 20000; Rвх 300(кОм); Rвых 0.8(кОм). Решение Параметры инвертирующего и неинвертирующего усилителей практически полностью определяются элементами цепи обратной связи. Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей на основе ОУ приведены на рис. 2.8 и 2.9 соответственно.
Коэффициент усиления по напряжению усилителя, охваченного петлей отрицательной ОС, можно рассчитать по формуле: К_ос=К/(1+β*К) где K - собственный коэффициент усиления по напряжению ОУ; - коэффициент передачи цепи ОС. Для схемы инвертирующего усилителя (рис. 2.8), коэффициент передачи цепи равен:
β=R/R_oc =10/20=0.5 Получаем К_ос=K_эф/(1+β*K_эф )=20000/(1+0,5*20000)=1.99 В случае реального ОУ коэффициент усиления инвертирующего усилителя определяется выражением К_ос=-K_эф/(1+β*K_эф ) Где К_эф=(К*R_ос)/(R_ос+R)=(20000*20)/(20+10)=13333,33 К_ос=-К_эф/(1+β*К_эф )=-13333,33/(1+0,5*13333,33)=-1.99 Знак “минус” отражает инвертирование входного сигнала. В случае идеального ОУ K , тогда K_oc=-1/β=-R_oc/R=-20/10=-2 Для схемы неинвертирующего усилителя (рис. 2.9) коэффициент передачи цепи ОС β=R/(R+R_oc )=10/(10+20)=0.33 В случае реального ОУ коэффициент усиления неинвертирующего усилителя определяется выражением К_ос=К/(1+β*К)=20000/(1+0,33*20000)=3.03 В случае идеального ОУ K , тогда K_oc=1+R_oc/R=1+20/10=1.5 Дифференциальное входное сопротивление инвертирующего усилителя определяется сопротивлением резистора на входе: R_вхОС=R_вх=300 кОм Входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется как входное сопротивления усилителя, охваченного последовательной отрицательной ОС: R_вхОС=R_вх (1+β*К)=300*〖10〗^3*(1+0,5*2000)=3*〖10〗^8 Om Где R_вх - входное сопротивление для обеих схем усилителей определяется как: R_выхОС=R_вых/(1+β*К) Для инвертирующего усилителя получаем: R_выхОС=R_вых/(1+β*К)=(0,8*〖10〗^3)/(1+0,5*20000)=0.07 Om Для неинвертирующего усилителя: R_выхОС=R_вых/(1+β*К)=(0,8*〖10〗^3)/(1+0,33*20000)=0.12 Om
Последняя цифра зачетной книжки – 7 Задача 7 Основные параметры и характеристики пролетных клистронов; их возможные режимы работы. Принцип работы пролётного клистрона (ПК) основан на использовании инерции электронов протяжённого прямолинейного электронного потока. ПК применяется как усилитель мощности, преобразователь сдвига частоты и умножитель частоты. Диапазон частот ПК от 200 МГц до 24 ГГЦ, выходная мощность от 1 Вт до 1 МВт в непрерывном режиме и до 100 МВт в импульсном режиме. ПК является самым мощным усилителем СВЧ. Пролётный клистрон изобретён в США братьями Вариан в 1939 году[1]. Устройство и принцип действия
Рис. 1 Устройство пролётного клистрона В клистроне имеются два объемных резонатора с ёмкостными сеточными зазорами. Первый резонатор называют входным, или модулятором; второй — выходным. Пространство между ними называют пространством дрейфа или группирования. Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются постоянным напряжением второго электрода и попадают в узкий сеточный зазор первого резонатора, в котором имеется продольное СВЧ поле. Это поле периодически ускоряет и замедляет электроны, модулируя электронный поток по скорости. Двигаясь далее в пространстве дрейфа, электроны постепенно образуют сгустки за счёт того, что быстрые электроны догоняют медленные. Этот модулированный по плотности электронный поток попадает во второй резонатор и создает в нем наведённый ток той же частоты, что и частота входного модулирующего поля. В результате между сетками резонатора появляется высокочастотное электрическое поле, которое начинает взаимодействовать с потоком электронов. Необходимые параметры клистрона подбираются таким образом, чтобы электрическое поле второго резонатора тормозило сгустки электронной плотности и ускоряло её разрежения. В результате в среднем за период одного колебания поля тормозится большее число электронов, чем ускоряется. Кинетическая энергия электронов преобразуется в энергию СВЧ колебаний электромагнитного поля второго резонатора, а электроны, пройдя резонатор, оседают на коллекторе, рассеивая оставшуюся часть кинетической энергии в виде тепла. Параметры и характеристики КПД Под КПД клистрона обычно понимается электронный кпд :
то есть отношение мощности , отданной электронным потоком СВЧ полю в выходном резонаторе на n-ойгармонике, к подведённой мощности Решая задачу о наведении мощности в нагрузке выходного резонатора из общих принципов наведения тока электронным потоком, можно получить, что максимум , а значит и максимум КПД определяется максимумом функции Бесселя: где — функция Бесселя первого рода n-го порядка, — номер гармоники, — так называемый параметр группировки. В таблице представлены максимальный электронный КПД двухрезонаторного клистрона и оптимальная величина параметра группировки для различных гармоник. Если уменьшать параметр , например, уменьшая амплитуду входного сигнала, или увеличивая амплитуду ускоряющего напряжения, то электронный поток окажется недогруппированным. КПД и выходная мощность при этом падают. То же происходит и в перегруппированном потоке.
1 58,2 1,84 2 48,7 1,53 3 43,4 1,40 8 32,0 1,22 16 26,0 1,13 Реальный КПД пролётного двухрезонаторного клистрона, учитывающий потери в колебательной системе, на сетках резонаторов и другие факторы, гораздо меньше и не превышает 20 %. Задача 17 Устройство и принцип работы ЛБВ-М: ее основные параметры и характеристики, области применения. Отличие от ЛБВ типа О В ЛБВ типа М, в отличие от ЛБВО, существуют две существенные особенности: наиболее благоприятное взаимодействие электронов с бегущей волной и передача энергии от электронов к полю происходят при точном равенстве средней скорости электронов и фазовой скорости волны (Ve = Vф). Напротив, для передачи энергии от электронов к полю в ЛБВ типа О требуется, чтобы электроны двигались чуть быстрее. в ЛБВО электроны отдают полю только избыточную кинетическую энергию, соответствующую разности скоростей электронов и волны. КПД ограничен допустимой разностью этих скоростей. Энергия, передаваемая полю, берется от источника ускоряющего напряжения . В ЛБВМ же кинетическая энергия электронов не меняется, а полю передается потенциальная энергия электронов. Устройство и принцип действия
Рис. 2 Схема ЛБВ типа М с инжектированным потоком Лампа имеет две основные части: инжектирующее устройство и пространство взаимодействия. Инжектирующее устройство, состоящее из подогреваемого катода и управляющего электрода, обеспечивает создание ленточного электронного потока и ввод его в пространство взаимодействия. Пространство взаимодействия, состоящее из волноводного входа, поглотителя, замедляющей системы-анода, волноводного выхода, коллектора и холодного катода, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ полем. Для создания такого взаимодействия необходимо выполнение условия , где — начальная скорость потока на входе в пространство взаимодействия, — скорость поступательного движения в скрещённых электрическом ( ) и магнитном полях ( ). При выполнении данного условия электроны, в отсутствие СВЧ поля, прямолинейно движутся к коллектору. Поскольку начальная скорость потока определяется соотношением , то описанное выше условие сводится к
Параметры прибора выбирают таким образом, чтобы при появлении на входе замедляющей системы СВЧ сигнала на одной из его пространственных гармоник выполнялось условие фазового синхронизма приборов типа М (V0 = Vф). В этом случае в тормозящих полупериодах электрического поля этой гармоники будет происходить увеличение энергии СВЧ сигнала за счет уменьшения потенциальной энергии электронов. Усиленный СВЧ сигнал поступает на выход замедляющей системы, а электроны оседают на коллекторе. Лампа бегущей волны типа М, также, как и лампа бегущей волны типа О, является широкополосным усилителем, и поэтому в ней возможно самовозбуждение за счет отражения усиливаемого сигнала от выхода замедляющей системы. Для предотвращения самовозбуждения применяется поглотитель. Параметры и характеристики Коэффициент усиления
Рис. 3 Зависимость коэффициента усиления ЛБВМ от мощности входного сигнала. Характерный вид зависимости коэффициента усиления от входной мощности показаны на рисунке. При малых уровнях входного сигнала амплитуда колебаний на выходе ЛБВМ и величина коэффициента усиления возрастают прямо пропорционально величине входного сигнала. Связь соблюдается до тех пор, пока электроны не начнут попадать вместо коллектора на анод в конце замедляющей системы. В этом случае замедляется рост выходной мощности и коэффициент усиления ЛБВМ уменьшается. Коэффициент усиления в реальных лампах бегущей волны типа М достигает 40 дБ и более. Диапазон частот Полоса рабочих частот в усилителях на ЛБВМ достигает 30 % от средней рабочей частоты и определяется дисперсионной характеристикой замедляющей системы. Выходная мощность Выходная мощность ЛБВМ в непрерывном режиме достигает нескольких киловатт, в импульсном — нескольких мегаватт. КПД КПД усилителя на ЛБВМ можно оценить исходя из того, что максимальная потенциальная энергия, которую электрон может передать СВЧ полю , Кинетическая энергия электрона, которая не отдается СВЧ полю:
В реальных приборах его величина КПД не превышает 60 %. Задача 27 Диод Ганно (ДГ): устройство, механизм образования отрицательной дифференциальной проводимости, режимы работы ДГ. Диод Ганна традиционно представляет собой слой арсенида галлия с омическими контактами с обеих сторон. Активная часть диода Ганна обычно имеет длину от l до 100 мкм с концентраций легирующих донорных примесей 1014−1016 см−3. В этом материале, в зоне проводимости, имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения. Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряжённость поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового. В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена ток уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой. На ВАХ полупроводникового прибора наличие падающего участка является недостаточным условием для возникновения в нём СВЧ колебаний, но необходимым. Возникновение колебаний означает, что в кристалле полупроводника развивается неустойчивость. Характер этой неустойчивости зависит от параметров полупроводника (профиля легирования кристалла, его размеров, концентрации носителей и т. д.). При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Эффективность такого генератора относительно высока, но максимальная мощность не превышает 200—300 мВт. Существенно влияние омических (невыпрямляющих) контактов к кристаллу. Для выполнения низкоомных омических контактов, необходимых для подвода тока для работы диодов Ганна существуют два подхода: первый из них заключается в выборе приемлемой технологии нанесения таких контактов непосредственно на высокоомный кристалл арсенида галлия; при втором подходе кристалл прибора выполняется многослойным. В диодах с такой структурой на слой высокоомного низколегированного арсенида галлия наращивают с обеих сторон эпитаксиальные слои низкоомного высоколегированного арсенида галлия с проводимостью n-типа. Эти высоколегированные слои служат переходными подложками от рабочей части кристалла к металлическим электродам. Задача 37 Устройство, принцип работы, характеристики и параметры жидкостных и химических лазеров. Химический кислородно-иодный лазер (англ. Chemical oxygen iodine laser, COIL) — инфракрасный химический лазер. Выходная мощность в непрерывном режиме достигает единиц мегаватт, в импульсном от сотен гигаватт до единиц тераватт. Работает на длине волны 1,315 мкм, соответствующей переходу атомарного иода. В лазер подаются газообразный хлор, молекулярный иод, раствор перекиси водорода и гидроксида калия. В результате химической реакции раствора с хлором (помимо тепла и хлорида калия) образуется кислород в возбуждённом состоянии со средним временем жизни 45 минут. Этот т. н. синглетный кислород передаёт энергию возбуждения молекулам иода, впрыснутым в газовый поток; их резонансная частота находится близко крезонансной частоте синглетного кислорода, поэтому передача энергии при столкновениях частиц синглетного кислорода и иода происходит эффективно и быстро. Затем в области оптического резонатора лазера происходит генерация на возбуждённом иоде на длине волны 1,315 мкм. Лазер работает при сравнительно низких давлениях газа в непрерывном режиме и высоких в случае импульсного режима работы, но скорость его потока во время реакции должна приближаться к скорости звука; описаны конструкции даже со сверхзвуковым течением. Низкое давление и быстрый поток газа делают отвод тепла из области генерации простым по сравнению с высокоэнергетическими твердотельными лазерами. Продукты реакции — хлорид калия, вода и кислород; следы хлора и иода удаляются из отработанной смеси галогеновым скруббером (газопромывателем). Лазер COIL был разработан ВВС США в 1977 году для военных целей. Однако, по своим свойствам он также полезен для промышленной обработки. Пучок можно сфокусировать и передать по оптоволокну, так как эту длину волны слабо поглощает кварц, но очень хорошо поглощают металлы, что делает лазер подходящим для резки и сверления. Была продемонстрирована резка нержавеющей стали и хастеллой (группа антикоррозийных никельсодержащих сплавов) с использованием кислородно-иодного лазера с заранее отведённым волноводом (fiber-coupled laser в оригинале). В 1996, TRW Inc. удалось создать лазер мощностью в сотни киловатт, работающий в непрерывном режиме несколько секунд. Двадцати-киловаттный лазер был испытан ВВС США около 1998 г. (RADICL: Research Assessment, Device Improvement Chemical Laser). Вероятно использование кислородно-иодного лазера в качестве компоненты системы ПРО. Жидкостные лазеры используются в целом реже, чем газовые либо твердотельные лазеры, однако с точки зрения некоторых приложений они обладают рядом уникальных свойств. Параметры излучения твердотельного лазера в значительной степени зависят от оптических качеств используемого кристалла. Неоднородности кристаллической структуры могут серьезно ограничивать когерентность лазера. Кристаллы постоянно подвержены разрушениям; концентрация активирующих ионов задается в процессе изготовления лазера и является определенной величиной для данного кристалла. С этими конкретными трудностями не приходится иметь дело при работе с газовыми лазерами, но зато эти лазеры имеют заметно меньшую концентрацию активного вещества из-за низкой концентрации атомов в газе. Преимущества жидкостных лазеров заключаются в том, что они имеют значительно более высокую концентрацию активных атомов, которую легко можно изменять; кроме того, активная среда является дешевой и относительно мало подверженной повреждениям. В то же время жидкостные лазеры не столь громоздки, как газовые системы, и проще в эксплуатации. Из расчетных типов жидкостных лазеров наибольшее значение имеют лазеры на органических красителях. Эффект генерации раствора красителя впервые обнаружили в 1965 г. П. Сорокин с сотр. в лаборатории фирмы IBM в ходе исследования ряда красителей, используемых в пассивных затворах для рубиновых лазеров. Наиболее существенным преимуществом лазера на красителях над всеми рассмотренными здесь лазерами является возможность плавно перестраивать частоту излучения в пределах значительного спектрального диапазона. Типичный газовый или твердотельный лазер можно перестраивать только внутри очень узкого диапазона (практически лишь в пределах ширины кривой усиления). Хотя имеющиеся газовые и твердотельные лазеры излучают большое число дискретных длин волн в диапазоне, простирающемся от ближней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, все же остаются значительные участки оптического диапазона, в которых отсутствуют линии генерации этих лазеров.
Перестраиваемый источник узкополосного излучения оптического. диапазона при высокой когерентности этого излучения желательно иметь во многих приложениях, таких, как спектроскопия, изучение молекулярной диссоциации и химических реакций, а также разделение изотопов.
по отношению к установившемуся значению. 