Research on a magnetic field sensor with a frequency output signal based on a tunnel-resonance diode

Abstract

На основі розгляду фізичних процесів у тунельно-резонансному діоді під дією магнітного поля запропоновано побудову автогенераторного датчика магнітного поля з частотним вихідним сигналом. Використання приладів з від'ємним диференціальним опором дає змогу суттєво спростити конструкцію датчиків магнітного поля в усьому радіочастотному діапазоні. Залежно від режимів роботи датчика вихідний сигнал можна отримати у вигляді гармонічних коливань, а також у вигляді імпульсних коливань особливої форми. Дослідження характеристик датчика магнітного поля ґрунтується на повній еквівалентній схемі тунельно-резонансного діода. Еквівалентна схема враховує як ємнісні, так і індуктивні властивості тунельно-резонансного діода. Індуктивна складова існує за будь-яких умов роботи внаслідок того, що струм, який протікає через прилад, завжди відстає від напруги, що його спричинила, а це відповідає індуктивному відгуку тунельно-резонансного діода.Based on the consideration of physical processes in a tunnel-resonant diode under the action of a magnetic field, the construction of an autogenerating magnetic field sensor with a frequency output signal is proposed. The use of devices with negative differential resistance makes it possible to significantly simplify the design of magnetic field sensors in the entire RF frequency range. Depending on the operating modes of the sensor, an output signal can be obtained in the form of harmonic oscillations, as well as in the form of pulse oscillations of a special form. The study of the characteristics of the magnetic field sensor is based on the complete equivalent circuit of the tunnel-resonant diode. The equivalent circuit takes into account both the capacitive and inductive properties of the tunneling resonant diode. The inductive component exists under any operating conditions, as a result of the fact that the current flowing through the device is always lagging behind the voltage that caused it, which corresponds to the inductive response of a tunnel-resonant diode.Na podstawie uwzględnienia procesów fizycznych zachodzących w diodzie tunelowo-rezonansowej pod działaniem pola magnetycznego proponuje się skonstruowanie autogeneracyjnego czujnika pola magnetycznego o częstotliwościowym sygnale wyjściowym. Zastosowanie urządzeń o ujemnej rezystancji różnicowej pozwala znacznie uprościć konstrukcję czujników pola magnetycznego w całym zakresie częstotliwości RF. W zależności od trybu pracy czujnika sygnał wyjściowy można uzyskać w postaci oscylacji harmonicznych, a także w postaci oscylacji impulsów o specjalnej postaci. Badanie charakterystyk czujnika pola magnetycznego opiera się na pełnym obwodzie zastępczym tunelowej diody rezonansowej. Obwód zastępczy uwzględnia zarówno właściwości pojemnościowe, jak i indukcyjne tunelowej diody rezonansowej. Składowa indukcyjna istnieje w każdych warunkach pracy, na skutek tego, że prąd przepływający przez urządzenie jest zawsze opóźniony w stosunku do napięcia, które go spowodowało, co odpowiada odpowiedzi indukcyjnej diody tunelowo-rezonansowej.