Й аналоговых машинах этот генератор служит в качестве устройства, осуществляющего замену переменных г, в системы полярных координат на переменные х, у в системе декартовых координат.

Дальнейшее исследование поворотных умножающих элементов приводит к каскадной схеме, которая позволяет производить раз-

Рис. 18-5. Устройство для извлечения корня третьей степени.

личного вида умножения с помощью одной операции.

Барни и Берне (Л. 26] запатентовали элемент памяти на датчиках Холла.

Куи и Уивер (Л. 257] разработали тройственный логический элемент на основе датчиков Холла.

В работе (Л. 417] описана схема на основе датчиков Холла, выполняющая умножение векторов (ом. § 20-5).

Глава девятнадцатая

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ 19-1. ЛИНЕЙНЫЙ И КВАДРАТИЧНЫЙ ДЕТЕКТОРЫ

Принцип действия детекторов на основе датчиков Холла следующий. Пусть управляющий гок

/„ sinш

а напряженность магнитного поля Н = k/ sin

(19-1) (19-2)

т. е. один и тот же ток протекает и через датчик Холла и через катушку, возбуждающую поле. Поэтому

/2 1 и ,2

kjg COS 2wt.

(19-3)

Так как среднее значение второго слагаемого за период равно нулю, то окончательно

(19-4)

Т. е. такое устройство является идеальным квадратичным детектором.

Если же напряженность поля Я = Яо81псо/ йри Hq= = const создается током от другого источника, нежели ток /х=/оз1п(о/, подлежащий детектированию, то

UykJo (19-5)

это значит, что постоянная составляющая напряжения Холла зависит только от тока /о в первой степени, следовательно, устройство является идеальным линейным детектором.

Этот детектор - фазочувствительный, так как знак постоянной составляющей напряжения Холла зависит только от фазы подаваемого на датчик Холла управляющего напряжения, если фаза магнитного поля постоянна.

Детектор на основе датчиков Холла дает идеальное детектирование напряжения, начиная примерно от 0,5 мкв.

Принципиальная разница между линейным фазочувствительный детектором па основе датчиков Холла и ламповым или полупроводниковым детектором состоит в отсутствии в детекторе с датчиком Холла дрейфа нуля. Это вызвано тем, что на выходе датчика Холла появляется напряжение только еум.марной или разностной частоты, в то время как в детекторах другого рода появляется большое число напряжений с разными частотами, часть которых можно скомпенсировать, например, подбором нелинейных эле.ментов. Это, однако, приводит к неустойчивости нуля детектора во времени и при изменениях температуры. В детекторе на основе датчика Холла такого рода трудности не появляются. Следующими достоинствами линейного и фазочувствительного детекторов на рсцове датчика Холла является возмож-

ность получения произвольного выходного и входного активных сопротивлений за счет использования датчиков Холла разных типов. Фазочувствительные детекторы на основе датчиков Холла необходимо использовать в тех случаях, когда не требуется большой .мощности.

Детекторы на основе датчиков Холла отличаются, кроме того, тем, что в отличие от обычных нелинейных детекторов в них не происходит детектирования переменных паразитных напряжений, поскольку фаза этих напряжений отличается от фазы полезного сигнала. Как квадратичный, так и линейный детекторы могут работать в диапазоне низких и высоких частот.

19-Z. АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК

Детекторные свойства датчиков Холла позволяют использовать их для создания простого и чувствительного анализатора гармоник. Если управляющий ток в линейном детекторе равен 2/ог sin oj,/, то изменяя частоту магнитного поля, можно по очереди детектировать те гармоники управляющего тока, частота которых равна частоте магнитного поля, и на выходе датчика Холла Uyi = kIoi, (19-6)

т. с. постоянная составляющая пропорциональна току отдельных гармонических составляющих. Используя, например, датчик Холла из InAs с уровнем шумов 0,05 мкв, можно обнаружить сигналы гармоник, иапряженне которых составляет 0,5-10~*% напряжения входного сигнала, равного 1 в. Анализаторы на основе датчиков Холла позволяют исследовать кривые в довольно узком интервале частот, а разрешающая способность этих анализаторов зависит только от времени, имеющегося в распоряжении.

19-3. МОДУЛЯТОР И СМЕСИТЕЛЬ

Как известно, модуляцией называется процесс изменения одного или нескольких параметров данного сигнала по модулирующей функции. Параметрами синусоидальной несущей волны являются амплитуда, частота и фаза. Модулировать можно любой из этих параметров. Из огромного количества разнообразных методов и схем модуляции нас интересует прежде всего амплитудная модуляция, которую можно осуществить при помощи датчиков Холла. 280

При амплитудной моДуляцйи колебания высокой Чистоты, модулированные напряжением некоторой частоты, описываются формулой

[и (О = „ (1 -fOT cosQ/) cos {Ы -f i),

(19-7)

где Um - амплитуда немодулироваиных колебаний несущей волны; т - коэффициент модуляции; со - частота несущей волны; Q -частота модулирующего сигнала; ф -фазовый угол несущей волны.

Из выражения (19-7) видно, что модулированная волна при амплитудной модуляции складывается из трех составляющих: несущей частоты и двух боковых частот co-{-iQ и со-iQ.

Если оба сигнала являются сигналами высокой частоты, то тогда получаем смесители, принципиальным достоинством которых в сравнении с ламповыми смесителями является минимальная величина шумов вплоть до диапазона ультракоротких волн.

19-4. УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Можно создать удвоитель частоты на основе датчиков Холла. Если в квадратичном детекторе на основе датчиков Холла отделить постоянную составляющую, то оставшаяся переменная составляющая напряжения Холла меняется с удвоенной частотой по сравнению с частотой управляющего тока (напряжения).

«-5. УСИЛИТЕЛЬ

При помощи датчиков Холла можно также усиливать сигналы постоянного и переменного токов двумя способами, а именно, когда:

1) усиливаемый сигнал подведен к цепи управляющего тока датчика Холла, а магнитное поле неизменно;

2) усиливаемый сигнал подведен к цепи катушки возбуждения, в то время как управляющий ток остается постоянным по величине.

Первый способ скорее чисто теоретический, так как при оптимальном выборе материалов, конструкций и схем отношение мощности на выходе датчика Холла к мощности яа его входе не может превышать \7%.

В то же время во втором случае удалось получить коэффициент усиления 20 для постоянного тока и 5 для переменного.

Как показывает Хартель [Л. 184], в отдельных случаях при очень большой подвижности носителей тока в полупроводниковом материале и при минимальном зазоре в магнитной цепи можно получить коэффициент усиления порядка 1 ООО.

Если в схеме усилителя на оснойе датчика Холла создать Дополнительную последовательную нли параллельную обратную связь, то можно получить схему генератора электромагнитных колебаний при некотором отношении постоянного тока /„ к току выходной цепи в цепи обмотки. От значения зависят также амплитуда генерированного тока н постоянная времени возбужденных колебаний. Распространению генераторов на основе датчиков Холла мешает их маленький к. п. д., составляющий на практике 5-8%.

Усилитель на основе датчика Холла с последовательной обратной связью можно также использовать как регулируемый в широком диапазоне линейный илн нелинейный резистор с положительным или отрицательным активным сопротивлением.

Наряду с генераторами на основе датчиков Холла - назовем их статическими генераторами, основанными на использовании обратной связи в усилителях, - датчики Холла позволяют также построить вращающиеся генераторы.

19-7. НЕОБРАТИМЫЕ (НЕВЗАИМНЫЕ) ЭЛЕМЕНТЫ ЦЕПЕЙ

Необратимые (невзаимные) элементы электрических цепей, использующие свойства датчика Холла, являются одним из интереснейших применений явления Холла. Все эти элементы имеют одну общую черту, а именно, работают в магнитном поле с постоянным значением индукции (чаще всего это цепи с постоянными магнитами), в то же время управляющий ток может сильно изменяться как по силе, так и ло частоте.

Согласно (классификации Грабса [Л. 162] к .этой группе шринадлежат следующие элементы: гиратор, усилитель с отрицательным сопротивлением, циркулятор, изолятор:

49-7-4. ГИРАТОРЫ

Принцип действия этих приборов разработали Майкс-нер {Л. 319] и Казимир [Л. 74], которые показали, что в проводящей среде, находящейся в ортогональном магнитном поле, полное проходное сопротивление Rhi между двумя парами зажимов является антивзаимным, т. е.

Rik(H)Rki{H), но выполняется зависимость

(19-8)

Rik(H)=Ri(-H). (19-9)

Макмиллан (Л. 331] подсказал возможность использования эффекта Холла для осуществления прибора,

"/°""°° гиратором и реализующего зависимости (19-8) и (19-9).

Идеальный гиратор был бы также идеальным инвертором полного сопротивления, однако потери, возникающие в реальном исполнении, не позволяют практически осуществить такой прибор. Тем не менее на основе анализа гиратора появились предложения других приборов, основанных на принципе аптивзаимности датчика Холла, из которых изолятор нашел практическое применение и сделал возможным значительный прогресс в области 1конструирования электронных усилителей на туннельных диодах.

Ниже рассмотрены другие невзаимные элементы, причем особое внимание обращено на изолятор.

19-7-2. УСИЛИТЕЛИ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Шокли и Мэзон [Л. 431] в 1954 г. предложили конструкцию усилителя с отрицательным активным сопротивлением. Принципиальная схема такого усилителя показана на рис. 19-1. Он состоит из датчика Холла специальной конструкции стремя электродами, находящимися в перпендикулярном магнитном поле, и трех отрицательных проводимостей У[, У2 и Уз. Эта схема дает возможность применять двухполюсные элементы с отрицательным сопротивлением, а одновременно выделяет только одно направление передачи. Шокли и Мэзон показали, что уравнения токов такой схемы будут иметь следующий вид:

Л - (у. +y.+y.}U,-\-{l~ а) у, 4-(19-10)

Рис. 19-1. Схема идеального усилителя на отрицательных сопротивлениях.

(1+а)г/о4-У2

/, + (Уо + У. + У.)2. (19-11)

где r/i, Уг- Уз - отрицательные проюдимости; «/„ - проводимость пластины, определяемая выражением