Обобщённая блок – схема электронного прибора

 

В любом электронном приборе происходит преобразование энергии постоянного тока в энергию полезных колебаний. (кроме параметрических приборов, в которых происходит преобразование энергии источника переменного тока в энергию полезных колебаний на другой частоте).

Для этого в любом электронном приборе должны быть реализованы следующие процессы:

· Получение свободных электронов (тепловая эмиссия с катода в вакууме, эмиттирование носителей в базу или канал в транзисторах).

· Ускорение электронов или передача энергии источника питания электронам.

· Управление электронным потоком (непосредственное изменение плотности электронного потока в управляющем устройстве, или скоростная модуляция электронного потока в управляющем устройстве с последующим преобразованием в модуляцию по плотности в пролётном пространстве)

· Отбор энергии от электронного потока в выходном устройстве.

· Сбор отработанных электронов (коллектирование).

 

 

U₀ u=U₁sin u=U₂sin

В простейшем случае управляющее устройство может выполнять функции мгновенно действующего затвора или обтюратора, вырезающего из равномерного электронного потока сгустки (пакеты), которые следуют с частотой входного сигнала. Идеальной формой конвекционного тока, создаваемого управляющим устройством, с точки зрения высокого КПД являются короткие прямоугольные импульсы. Электронный поток может иметь при этом вид тонких дисков (пластинок), двигающихся по направлению к выходному устройству на одинаковых расстояниях друг от друга.

На низких и умеренно высоких частотах в вакуумных электронных приборах, а также в транзисторах на всех частотах для получения переменной составляющей электронного потока применяют описанный метод. В электронных лампах такое управление осуществляется с помощью сетки, находящейся под отрицательным потенциалом, и называется электростатическим. В транзисторах конструкция управляющего устройства отличается от управляющего устройства электронной лампы, что определяется изменением принципов работы транзистора.

Основным фактором, ухудшающим работу управляющих устройств описанного типа, в которых непосредственно изменяется плотность электронного потока, является значительное время пролёта электронов между катодом и анодом в лампах, через базу в биполярных транзисторах или через канал в полевых транзисторах. Можно считать, что электронные приборы нормально работают, если пролётное время гораздо меньше периода управляющего напряжения.

Или, относительное время пролёта равно:

U_c1 I_E I_B

 

 

 

I_c1

I _C

I_c

I_ca

 

 

I_c2

-I _c2

 

 

 

 

 

 

 

Недостатки управления, рассмотренные выше, побудили поиски других методов управления, при использовании которых время пролёта носителей не играло бы отрицательной роли, а по возможности использовалось для модуляции электронного потока по плотности. Слабым местом непосредственного управления плотностью электронного потока в управляющем устройстве является появление наведённого тока, имеющего активную составляющую. Поэтому, для кардинального решения задачи необходимо полностью отказаться от принципа управления потоком путём прямого изменения плотности заряда. В конечном счете, от управляющего устройства требуется только одно: в некоторой плоскости, соответствующей выходному устройству прибора, плотность потока электронов изменялась по закону:

 

Наиболее целесообразно применять такое воздействие на электронный поток, при котором в пространстве между входным и выходным устройствами электроны в потоке постепенно перегруппировались, образуя сгустки как раз при входе в выходное устройство. При этом плотность заряда на выходе из управляющего устройства могла бы не изменяться, что особенно важно для устранения активной входной проводимости. Проведённые рассуждения содержат в себе важнейший вывод о возможности динамического управления электронным потоком путём предварительного периодического изменения скоростей электронов с последующим преобразованием этого изменения в модуляцию по плотности.

 

Отбор энергии от электронов обычно связан с уменьшением их кинетической энергии при движении в тормозящем электрическом поле. В общем случае энергия, отбираемая от электрона может быть определена как разность между начальной и конечной кинетической энергиями в выходном устройстве:

Поэтому электронный коэффициент полезного действия можно представить в виде:

Тормозящее поле в выходном устройстве может быть создано автоматически, наведением тока во внешней цепи зазора. При наличии активной нагрузки наведённый ток создаёт такую полярность напряжения, которая обеспечивает ВЧ тормозящее поле в выходном зазоре (условие фазировки). При этом энергия, отбираемая от электронов передаётся во внешнюю нагрузку R. Периодичность поступления сгустков в выходное устройство обеспечивает управляющее устройство – и это второе условие работы приборов – условие синхронизации. Время пролёта электронов в управляющем и выходном устройствах должно быть настолько малым, чтобы за это время переменные напряжения в них сохранялись постоянными.

 

В зависимости от произведения электронные приборы можно разделить на две основные группы:

· К первой группе относятся приборы, для которых угол пролёта:

· Ко второй группе относятся приборы, для которых угол пролёта:

Первая группа объединяет большинство приборов (транзисторы, ЛПД, диоды Ганна при доменных режимах работы, клистроны, электронные лампы). В них максимальная частота усиливаемого сигнала меньше или равна:

Этот недостаток удаётся преодолеть в приборах второй группы, к которой относятся большинство СВЧ приборов. Увеличение (или увеличение времени взаимодействия) позволяет существенно повысить их выходную мощность.

Заметим, что отличительные особенности различных усилительных или генераторных приборов заключаются в том, каким образом осуществляется модуляция потока носителей заряда: по плотности или по скорости, каково взаимодействие этого потока с высокочастотным полем и за счёт каких факторов соблюдается выполнение условий синхронизации и фазировки.

Итак, несмотря на разнообразие физических процессов, используемых в электронных приборах, их работу можно описать с единых позиций. Действительно, в основе их работы лежит взаимодействие потока движущихся носителей заряда с электромагнитным полем. Время этого взаимодействия зависит от типа прибора. Так, например, в биполярном транзисторе под временем взаимодействия следует понимать время переноса носителей заряда от эмиттера к коллектору, в полевом – время переноса носителей заряда от истока к стоку и т.д.

Процессы усиления и генерации сопровождаются двумя характерными явлениями:

· Первое связано с модуляцией потока носителей заряда по скорости и по плотности (или только по плотности), что приводит к синхронному изменению этого потока и электромагнитного поля и обмену энергией между ними. В этом заключается принцип синхронизма, означающий равенство или кратность частот колебаний потока и поля.

· Однако соблюдения одного принципа синхронизма недостаточно, поскольку генерация и усиление колебаний сопровождается передачей энергии от потока полю и возможна только при торможении носителей заряда полем. Иначе говоря, перемещение носителей под воздействием переменного поля должно быть противоположно их движению за счёт постоянного (ускоряющего носители) поля. В этом заключается принцип фазировки. Для его соблюдения необходимо иметь определённую разность фаз между векторами, характеризующими поток и переменное поле, или между током, наведённом во внешней цепи и напряжением на электродах прибора. При торможении носителей заряда полем наведённый ток уменьшается при возрастании переменного напряжения на электродах и увеличивается при его уменьшении, что соответствует сдвигу по фазе между первыми гармониками тока и напряжения 180 градусов.