Применение лавинных транзисторов

Лавинные транзисторы относятся к классу негатронов — полупроводниковых приборов, на входных и выходных вольтамперных характеристиках которых имеется участок отрицательного сопротивления. Появление этих участков на характеристиках лавинных транзисторов вызвано тем, что их коэффициент передачи тока α>1,чтов свою очередь объясняется лавинным умножением носителей в коллекторном переходе при приложении к нему относительно большого обратного напряжения.

Схемы включения лавинных транзисторов и соответствующие им вольтамперные характеристики показаны на рис. 1. В первом случае (рис. 1, а) характеристики напоминают латинскую букву S и поэтому получили название S-образных, во втором (рис. 1, б)—латинскую букву N и поэтому их называют N-образными. Напряжение U ′β , при котором наступает лавинный пробой, близко к величине пробивного напряжения коллекторного перехода (при разомкнутой цепи эмиттера). Однако если на базу подать некоторое напряжение смещения, то напряжение U ′β значительно снизится. Другими словами, S-образными характеристиками лавинных транзисторов можно управлять.

Следует иметь в виду, что напряжение U ′β лавинных транзисторов имеет большой разброс. Это затрудняет построение на них некоторых устройств и требует введения подстроечных элементов.

N-образные входные характеристики также управляемы. Максимальный ток, соответствующий пику характеристик растет, как видно из рисунка, при увеличении напряжения на коллекторе и уменьшении сопротивления резистора в цепи коллектора.

Столь необычный вид вольтамперных характеристик говорит о том, что схемотехника устройств на лавинных транзисторах принципиально отличается от схемотехники устройства на обычных транзисторах.

Принципиальная схема одного из основных устройств на лавинном транзисторе — релаксационного генератора — показана на рис. 2, а, форма импульсов на эмиттере и коллекторе транзистора — на рис. 2, б. Из графиков напряжений видно, что большую часть периода колебаний лавинный транзистор выключен. В эти моменты времени конденсатор С1 заряжается от источника питания через резисторы R2, R3 и R5.

Когда напряжение на нем достигает величины U ′β (напряжение включения лавинного транзистора), транзистор Т1 пробивается, конденсатор быстро разряжается через него и резисторы R4, R5, после чего процесс повторяется. Резисторы R4 и R5 ограничивают разрядный ток, который может достигать нескольких ампер и вывести транзистор из строя. С первого из этих резисторов снимают импульсы отрицательной полярности, со второго — положительной.

При указанных на схеме данных деталей амплитуда импульсов на резисторах R4 и R5 достигает 8 В (для ГТ338Б и ГТ338В —13 и 5 В соответственно), время их нарастания — менее 1 не, длительность — от единиц до десятков наносекунд, частота повторения — до нескольких мегагерц. Плавное изменение частоты повторения импульсов осуществляется переменным резистором R2. Включенный последовательно с ним резистор R3 ограничивает максимальную величину среднего тока через транзистор.

Из-за разброса параметров лавинных транзисторов частота колебаний генератора, собранного по рассмотренной схеме, изменяется в широких пределах при смене транзисторов и, кроме того, зависит от напряжения питания. Поэтому в ряде случаев удобнее использовать генераторы, работающие в ждущем режиме и запускаемые от внешних импульсных генераторов.

Схема возможного варианта такого генератора приведена на рис. 3, а. Ждущий режим обеспечивается снижением напряжения на коллекторе лавинного транзистора до величины U₀ меньшей U ′β , с помощью переменного резистора R3. При поступлении на базу запускающего импульса отрицательной полярности транзистор Т1 включается и конденсатор С2, заряженный до напряжения U ₀ разряжается через него и резистор R4. На последнем формируется импульс положительной полярности.

Недостатком генератора является то, что он все-таки чувствителен к смене транзистора, В подобных случаях приходится корректировать напряжение на его коллекторе с помощью резистора R3, От этого недостатка свободен генератор, схема которого показана на рис: 3, б. Здесь ждущий режим достигается подачей на базу транзистора начального смещения закрывающей полярности от отдельного источника. Ток базы I б, примерно равный E б/R 1, выбирается большим тока лавинного пробоя коллекторного перехода, который равен (Ек— U ′β )R2 (здесь: Еб — напряжение источника смещения; Ен — напряжение питания коллекторной цепи; R1 и R2 — сопротивления резисторов в базовой и коллекторной цепях).

В рассматриваемом генераторе конденсатор С2 заряжается через резисторы R2 и R3 до напряжения U ′β , а при подаче запускающего импульса разряжается через транзистор и резистор R3. При этом на резисторе R3 формируется короткий выходной импульс положительной полярности.

Параметры выходных импульсов ждущих генераторов такие же, что и автогенератора, описанного выше. Амплитуда запускающих импульсов — не менее 1—2 В, длительность — от единиц до десятков наносекунд. Время задержки выходного импульса по отношению к входному не превышает 1 нс. Ждущие генераторы можно использовать в качестве регенеративных импульсных усилителей с коэффициентом усиления 50—200.

Форма импульсов, генерируемых простейшими устройствами на лавиных транзисторах, отличается от прямоугольной. Приблизить ее к прямоугольной можно, заменив накопительный конденсатор С2 накопительной линией (рис. 4) с сосредоточенными или распределенными параметрами. В последнем случае используют отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии. Длительность прямоугольных импульсов зависит от длины отрезка, а их амплитуда при точном согласовании линии с нагрузкой R н составляет примерно половину от указанной для автогенератора (рис. 2).

На лавинных транзисторах легко строятся генераторы серий коротких импульсов, частота повторения которых пропорциональна длительности или амплитуде впускающих импульсов. Схема простейшего из подобных устройств показана на рис. 5, а. При подаче на вход устройства прямоугольного импульса амплитудой 70— 100 В оно вырабатывает серию коротких импульсов с частотой повторения 50—70 МГц. Подбором транзистора и уменьшением емкости накопительного конденсатора C 1 до 2— 3 пФ частоту повторения можно довести до 200 МГц.

Для запуска устройства, собранного по схеме на рис. 5, б, требуется импульс значительно меньшей амплитуды (примерно 12 В). В отличие от ранее рассмотренных устройств на базу транзистора Т1 подано напряжение смещения такой величины, что он насыщен, поэтому в исходном состоянии конденсатор С1 разряжен. При поступлении на вход импульса (он в этом случае должен иметь положительную полярность) транзистор закрывается и переходит в лавинный режим работы. Устройство начинает генерировать короткие импульсы, число которых пропорционально длительности запускающего импульса. При напряжении питания 150 В частота повторения выходных импульсов примерно 10 МГц, при 300 В — около 20 МГц.

Генератор, схема которого показана на рис. 5, в, генерирует серии коротких импульсов, число которых почти пропорционально амплитуде входного сигнала. Входной импульс положительной полярности подается через диод Д1 и заряжает конденсатор С1 до напряжения, равного амплитуде импульса. В результате транзистор пробивается, конденсатор С2 разряжается через него и резистор R3, затем снова заряжается и т. д. При каждом импульсе конденсатор С2 разряжает конденсатор С1, поэтому спустя некоторое время устройство возвращается в исходное состояние.

Число выходных импульсов изменяется в пределах 0—20 при изменении амплитуды входных импульсов от 0 до 10 В и в пределах 17—22 при амплитуде 10 В и изменении длительности от 0,5 до 5 мкс.

Большой интерес представляет применение лавинных •транзисторов в амплитудных дискриминаторах — устройствах, генерирующих импульсы только тогда, когда амплитуда входных импульсов превышает некоторый уровень — порог дискриминации. В качестве простейшего дискриминатора можно использовать ждущий генератор, схема которого показана на рис. 3, а. Порог дискриминации в этом устройстве можно регулировать от 5—10 до 200—300 мВ переменным резистором R3. Однако регулировочная характеристика такого дискриминатора нелинейна.

Схема более совершенного устройства приведена на рис. 6. Здесь порог срабатывания устанавливают изменением напряжения U0 с помощью переменного резистора R5, В комплекте с электронным осциллографом этот дискриминатор можно использовать в качестве простейшего амплитудного вольтметра наносекундных импульсов. Амплитуду входных импульсов измеряют вольтметром ИП1 в момент срыва генерации при плавном изменении напряжения U0. Амплитуда импульсов практически равна этому напряжению. Момент срыва генерации фиксируют с помощью осциллографа. Благодаря применению терморезистора R7 порог дискриминации изменяется не более чем на 2 мВ при колебаниях температуры в пределах от +10 до +55° С.

Высокое быстродействие лавинных транзисторов позволяет строить на них быстродействующие логические устройства. В качестве примера на рис. 7 показаны схемы логических элементов ИЛИ, И и Запрет. Первое из этих устройств (рис. 7, а) генерирует импульсы при подаче запускающих импульсов на любой из ее входов, второе (рис. 7, б) — только при одновременном поступлении импульсов на входы 1 и 2. В последнем случае амплитуды импульсов складываются, достигая уровня, достаточного для запуска генератора. Уровень запуска определяется падением напряжения на диоде Д1. Входные импульсы должны иметь амплитуду около 1 В. Наконец, устройство Запрет (рис. 7, в) генерирует импульсы при подаче сигнала на вход 1 и отсутствии его на входе 2 (Запрет). При поступлении импульсов на вход 2 порог включения лавинного транзистора возрастает, поэтому импульсы, поданные на вход 1, не могут запустить генератор.

Разрешающее время логических элементов на лавинных транзисторах можно довести до весьма малой величины — порядка 1—2 нс. Выходные импульсы имеют те же параметры, что и у релаксационных генераторов, описанных ранее.

На рис. 8 приведена схема генератора, вырабатывающего колебания пилообразной формы амплитудой до 30—50 В и частотой повторения до 5—10 МГц. Важным преимуществом этого генератора является также малая нелинейность формы, обусловленная применением токостабилизнрующего транзистора Т1, который обеспечивает постоянство зарядного тока конденсатора С1. Изменяя сопротивление резистора R3, величину зарядного тока, а следовательно, и частоту повторения пилообразных импульсов можно изменять в 10—20 раз. Время обратного хода очень мало — 0,1—1% от времени прямого хода. Генератор легко синхронизируется подачей синхронизирующего напряжения в цепь базы лавинного транзистора Т2.

Устройства, схемы которых показаны на рис. 9, генерируют напряжение ступенчатой формы. Первое из них (рис. 9, а) работает в автоколебательном режиме.

Конденсатор С1 периодически заряжается через резистор R3 и при достижении напряжения на нем, равного U ′β разряжается через лавинвый транзистор Т1 на накопительный конденсатор С2. При каждом таком разряде конденсатор С1 отдает конденсатору С2 дозированный заряд, и на последнем формируется ступенчатое напряжение. Когда его величина достигает напряжения U ′β транзистора Т2, конденсатор С2 разряжается через него и процесс повторяется вновь. Величину ступенек можно регулировать, изменяя соотношение емкостей конденсаторов С1 и С2.

Второе устройство (рис. 9, б) генерирует напряжение ступенчатой формы только при подаче на вход запускающего импульса положительной полярности, который закрывает открытый в исходном состоянии транзистор Т1. При этом конденсатор С1 быстро заряжается через резисторы R4 и R5 до напряжения включения транзистора Т2, разряжается через него на конденсатор С2, вновь заряжается и т. д., в результате чего на последнем создается напряжение ступенчатой формы. Изменяя емкость конденсаторов С1 и С2, можно изменять величину ступенек от 0,05 до 5—10 В.

Определенный интерес представляют генераторы синусоидальных колебаний на лавинных транзисторах. Схема одного из них приведена на рис. 10. Благодаря наличию на входной вольтамперной характеристике лавинного транзистора области отрицательного сопротивления (см. N-образные характеристики на рис. 1, б), такой генератор самовозбуждается без специальных Цепей положительной обратной связи. Частота генерируемых колебаний определяется параметрами контура L1C2 (при данных, указанных на схеме она равна 20 МГц), размах (двойная амплитуда) напряжения на выходе — около 15 В. Важным достоинством генератора является хорошая развязка коллекторной и базовой цепей.

Транзисторы серии FT338, примененные во всех устройствах, описанных в статье, чувствительны к токовым перегрузкам. Очень опасны даже кратковременные короткие замыкания токоограничивающих резисторов, особенно при большой емкости конденсатора, подключенного к коллектору транзистора: в подобных случаях лавинный транзистор может почти мгновенно выйти из строя. Необходимо следить и за тем, чтобы средняя мощность, рассеиваемая на транзисторе, не превышала предельно допустимую (при +25°С— 100 мВт).