Автоколебательный мультивибратор на туннельном диоде

Рассмотрим подробнее режим работы такого устройства как автоколебательный мультивибратор. Параметры схемы подобраны так, что R < Rj и L/R >> R_TC_n. Напряжение питания должно удовлетворять следующему условию:

где ?/_{п х} — напряжение пика ВАХ туннельного диода; U_B — напряжение впадины ВАХ. Небольшое сопротивление резистора обеспечивает работу устройства на падающем участке ВАХ.

Формирование паузы. В момент включения источника питания в цепи диода начинает протекать ток и рабочая точка перемещается от 0 к точке Б (см. рис. 5.15). Нарастающий ток наводит в катушке ЭДС самоиндукцию, препятствующую резкому нарастанию тока. Поэтому ток нарастает линейно. Напряжение на конденсаторе С_п успевает повторить напряжение на диоде. Ток заряда конденсатора незначительный, но в начальный момент почти такой, как у диода.

Формирование фронта импульса. Наступает момент, когда напряжение на диоде достигает пиковой точки, т. е. туннельный ток /_пх достигает максимума (точка Б) и больше не нарастает. При этом напряжение самоиндукции на катушке падает до нуля, а напряжение на диоде резко возрастает до Е. Рабочая точка идет по ниспадающему участку БВ, в катушке ток начинает падать, что приводит к возникновению ЭДС самоиндукции Е_СМ9 добавляющейся к напряжению питания (Е+ ?_си). Если это напряжение превысит ?/_в, то рабочая точка скачком перемещается в точку Г вольт-амперной характеристики диода, не задерживаясь на падающем участке. За время скачка ток в катушке почти не изменится, так как часть его будет составлять ток заряда конденсатора из-за повышения напряжения на обкладках.

Формирование вершины импульса. После скачка напряжение на диоде начинает падать и ток в катушке уменьшается, вызывая ЭДС, препятствующую резкому уменьшению тока. Напряжение постепенно будет уменьшаться по экспоненте с постоянной времени 0|. С той же постоянной времени будет разряжаться конденсатор, причем ток разряда будет проходить через диод, стабилизируя его значение. Постепенно напряжение и ток диода приблизят рабочую точку к точке В вольт-амперной характеристики диода.

Формирование спада импульса. Наступит момент, когда рабочая точка пройдет точку В вольт-амперной характеристики. Ток диода стабилизируется, как и ток в катушке. Напряжение препятствующей ЭДС в катушке станет равным нулю. Следовательно, напряжение на диоде устремится к ?, которое меньше U_B. Это приведет к скачку тока в диоде и резкому падению напряжения на обкладках конденсатора С_л. Одновременно возникает препятствующая ЭДС на катушке, понижающая напряжение питания диода. Напряжение падает настолько сильно, что рабочая точка диода переходит скачком в точку Л вольт-амперной характеристики. Таким образом, спад импульса завершается, и мультивибратор переходит в исходное состояние, с которого начиналась пауза.

Особенность работы мультивибратора на туннельном диоде заключается в том, что он формирует колебания довольно сложной формы с малыми напряжениями на выходе. Преимуществом этого мультивибратора является возможность получения высокочастотных колебаний вплоть до нескольких ГГц. Импульсы такого генератора могут быть усилены с помощью усилителя на высокочастотных или полевых транзисторах. Импульсы строго прямоугольной формы могут быть получены диодными ограничителями или формирователями на различных компонентах (см. подразд. 4.2 и 4.3).

Особенности работы туннельного диода в режиме жду щего мультивибратора и триггера. После включения питания рабочая точка туннельного диода оказывается в устойчивом положении на восходящем участке ВАХ. Запускающий положительный импульс через конденсатор С1 переводит рабочую точку из устойчивого положения на падающий участок ВАХ, после чего процессы протекают аналогично описанным ранее до попадания рабочей точки в ближайшее новое или прежнее устойчивое положение. Положение рабочей точки на восходящих участках ВАХ стабильно. Допустим она находится в одной из точек на восходящем участке ВАХ. Допустим так же, что по какой-то причине рабочая точка сместилась вверх, т. е. увеличился ток в катушке. Тогда возникает ЭДС, препятствующая этому изменению, которая возвращает ее в исходную точку ВАХ. Если же рабочая точка оказалась на падающем участке ВАХ, то ее положение нестабильно: случайное смещение ее вверх вызывает увеличение тока диода, возникает ЭДС, препятствующая изменению тока катушки и уменьшающая напряжение на диоде. Это вызывает еще большее увеличение тока диода. Рабочая точка, перемещаясь вверх, переходит на первый восходящий участок. С такой же вероятностью при уменьшении тока диода она может перейти на второй восходящий участок, что сопровождается процессами, характерными для автоколебательного режима. Рабочая точка устанавливается на выбранном устойчивом положении восходящего участка (ближайшем, если оно есть). Устройство по схеме в режиме триггера запускается разнополярными импульсами (см. рис. 5.16).