авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Моделирование нелинейных свч преобразующих устройств на полевых транзисторах с затвором шотки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Осадчий Евгений Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СВЧ ПРЕОБРАЗУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ЗАТВОРОМ ШОТКИ

Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро – и наноэлектроника,

приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог 2007г.

Работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА в г. ТАГАНРОГЕ

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Червяков Г.Г.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Захарченко В.Д. (ВГУ, г. Волгоград)

кандидат технических наук, с.н.с.

Лебедев В.К.

(ФГУП «Прибор», г. Таганрог)

Ведущая организация:

ФГУП «ВИГСТАР», г. Москва

Защита состоится 30.10.2007г. на заседании диссертационного совета Д.212.208.23 при Технологическом институте Южного Федерального Университета в г. Таганроге по адресу: 347928, ул. Шевченко 2, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮФУ

Автореферат разослан « 28 » 09. 2007г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д.212.208.23

докт. техн. наук, проф. Н.Н. Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нелинейные устройства СВЧ широко применяются во всех современных телекоммуникационных системах. Наибольшее применение в качестве активных нелинейных элементов в таких устройствах нашли полевые транзисторы с барьером Шотки (ПТШ). ПТШ (английская аббревиатура MESFET),которые обладают рядом преимуществ перед другими типами СВЧ активных элементов. Это малый коэффициент шума, возможность работы на частотах вплоть до 60 гигагерц, высокое входное сопротивление, устойчивость в широком диапазоне частот, простота и технологичность изготовления. Все эти факторы делают ПТШ незаменимыми при проектировании и изготовлении таких СВЧ устройств как усилители, умножители и делители частоты, смесители и генераторы.

Методов анализа нелинейных СВЧ устройств в настоящее время существует множество. Основными на данный момент являются метод гармонического баланса и метод функциональных рядов Вольтерра. Методы машинного анализа СВЧ нелинейных устройств также в основном используют эти два метода.

Метод гармонического баланса, являясь частотным методом, позволяет достаточно полно исследовать нелинейные СВЧ устройства с сильной нелинейностью и определять его передаточные характеристики (коэффициент передачи и др.). Этот метод используется для исследования таких СВЧ нелинейных устройств как умножители, генераторы, смесители. Однако при полигармоническом возбуждении анализ данным методом значительно усложняется и требует значительного увеличения времени для расчетов (особенно при расчете интермодуляционных искажений и уровней сжатия смесителей).

Метод функциональных рядов Вольтера обычно используется для исследования СВЧ устройств со слабой нелинейностью, и, являясь временным методом, позволяет достаточно точно и быстро определять интермодуляционные искажения различных порядков.

Именно поэтому существует необходимость в разработке метода анализа нелинейных СВЧ устройств, позволяющего с достаточной точностью и достоверностью определять как передаточные характеристики этих устройств, так и нелинейные искажения, возникающие при воздействии полигармонических сигналов.

Для анализа работы СВЧ устройств на полевых транзисторах с затворами Шотки необходимо определить аппроксимации их характеристик, чтобы они совпадали с экспериментальными результатами. Полученные сегодня выражения для выходных ВАХ зачастую не учитывают особенностей планарной конструкции приборов этого типа. Поэтому весьма актуально в настоящее время разработка методов моделирования выходных характеристик ПТШ и ДЗПТШ (двухзатворных полевых транзисторов).

Целью данной работы является разработка метода анализа нелинейных СВЧ устройств, который позволил бы определять как передаточные характеристики нелинейных устройств, так и нелинейные искажения, возникающие в таких устройствах при воздействии полигармонических сигналов, а также приложение этого метода для анализа СВЧ смесителей и умножителей на полевых транзисторах с затвором Шотки.

Для достижения указанной выше цели предлагается решение следующих задач:

- исследование существующих методов нелинейного анализа, пригодных для СВЧ устройств на ПТШ;

- разработка метода анализа наиболее полно описывающего основные характеристики и нелинейные искажения таких СВЧ устройств на ПТШ как смесители и умножители;

- разработка метода моделирования выходных характеристик ПТШ и ДЗПТШ;

- разработка оптимального метода анализа эквивалентных схем ПТШ и ДЗПТШ для СВЧ смесителей и умножителей;

- расчет смесителей и умножителей СВЧ на ПТШ и ДЗПТШ известными методами и разработанным в данной работе, и сравнение полученных результатов;

- анализ и расчет нового типа смесителя на ПТШ, работающего в режиме управляемого сопротивления;

- схематические решения для смесителей и умножителей СВЧ на ПТШ и ДЗПТШ;

- анализ природы шумов в СВЧ полевых транзисторах с барьером Шотки и моделирование шумов в СВЧ ПТШ с двумя затворами с точки зрения волнового подхода;

- анализ влияния режима работы смесителей СВЧ на ПТШ и ДЗПТШ на их шумовые характеристики, а также анализ технических и технологических методов снижения уровня шумов у полевых СВЧ транзисторов.

Научная новизна

  1. Предложен метод моделирования выходных характеристик двухзатворного ПТШ с учетом особенностей переноса заряда в транзисторе планарной конструкции.
  2. Разработан метод анализа нелинейного СВЧ устройства при полигармоническом входном сигнале, позволяющий получить явные выражения для комплексных амплитуд токов (напряжений) как функции амплитуд входных воздействий и сравнительно просто вычислить амплитуды комбинационных гармоник отклика нелинейного двухполюсника с характеристикой, аппроксимируемой любой из функций при полигармоническом входном воздействии.
  3. Используя возможности метода анализа нелинейного СВЧ элемента, разработан метод расчета нелинейных характеристик преобразователя СВЧ на ПТШ, который позволяет достаточно просто рассчитать все основные характеристики преобразователя частоты на полевом транзисторе и нелинейные эффекты, возникающие в нем при воздействии модулированных сигналов и квазигармонических помех.
  4. Предложен метод расчета характеристик умножителей СВЧ на ПТШ с учетом полной эквивалентной схемы транзистора при аппроксимации нелинейных характеристик произвольной аналитической функцией на основе разработанного метода анализа.
  5. Предложен метод моделирования эквивалентных схем СВЧ ПТШ, при котором нелинейные элементы эквивалентной схемы описываются рядами Тейлора в окрестностях напряжения смещения, пригодный для автоматизированных методов расчета.
  6. Предложен метод моделирования шумов в СВЧ ПТШ с двумя затворами с точки зрения волнового подхода, включающий в себя несколько этапов.

Практическая значимость

- разработана методика расчета выходных характеристик ДЗПТШ с учетом с учетом нелинейности объема полупроводника;

- разработана методика расчета нелинейных характеристик преобразователей и умножителей СВЧ на ПТШ;

- разработана методика моделирования эквивалентной схемы СВЧ ПТШ, пригодная для автоматизированных методов расчета;

- разработана методика моделирования шумов в СВЧ ПТШ с двумя затворами

Положения выносимые на защиту

- метод моделирования выходных характеристик ДЗПТШ с учетом особенностей переноса заряда в транзисторе планарной конструкции;

- метод анализа нелинейного СВЧ устройства при полигармоническом входном сигнале и применение его для расчета нелинейных характеристик преобразователей и умножителей СВЧ на ПТШ;

- методика моделирования эквивалентных схем СВЧ ПТШ для автоматизированных методов расчета;

- методика моделирования шумов в СВЧ ПТШ с двумя затворами

- результаты проектирования и расчета нелинейных характеристик преобразователей и умножителей СВЧ на ПТШ и ДЗПТШ.

Реализация результатов диссертации (внедрение)

Апробация работы

Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на:

- ВНТК «Интегральная электроника СВЧ», Красноярск, 1988 г.;

- ВНТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», ТРТУ,1994, 1995 г. г.;

- ВМК «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ», Саратов,1997 г.;

- 3-я МНТК «Электроника и информатика XXI век», Зеленоград, 2000 г.;

- 2-я Всеросс. конф. молодых ученых, С-Петербург, Технич. Университет, 2000 г.;

- 2-я МНТК «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2003 г.;

- 9-я МНТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2004 г.;

- XVIII МНТК «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-18, Казань, 2005 г.;

- 10-я МНТК «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006 г;

- XIX МНК Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-19, Воронеж, 2006 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 32 научных работы, включая 9 статей, в т. ч. в центральной печати, и 20 материалов тезисов докладов; зарегистрировано в ВНИИТЦ 3 научно-технических отчета по госбюджетным НИР в рамках научно-технической программы МО РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям» по разделу «Электроника».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, списка основных публикаций, отражающих основное содержание диссертации и трех приложений. Работа изложена на 214 страницах, содержит 00 рисунков, список литературы из 87 наименований.

Содержание работы

Указанные цели и задачи определили содержание работы.

Во введении дается общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и основные задачи работы, показана ее практическая значимость, дано краткое изложение содержания и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор современных методов анализа нелинейных СВЧ устройств, основные виды аппроксимаций характеристик нелинейных элементов, а также рассматриваются виды нелинейностей в этих устройствах.

Обзор методов анализа нелинейных СВЧ устройств, проведенный в данной главе, позволяет разделить эти методы на шесть групп. Разделение методов на группы условно, так как зачастую для анализа того или иного СВЧ устройства приходится применять не один метод, а целый ряд методов. Из обзора методов анализа нелинейных СВЧ устройств сделаны следующие выводы:

- часть методов применимы только к слабо нелинейным устройствам, остальные методы могут использоваться и для сильнолинейных устройств и цепей;

- не все методы применимы для анализа устройств, при многочастотном воздействии;

- основными методами для анализа нелинейных СВЧ устройств в настоящее время являются метод рядов Вольтерра-Винера и метод гармонического баланса;

- метод рядов Вольтерра хорошо подходит к слабо-нелинейным цепям и дает хорошие результаты при анализе нелинейных искажений в устройствах СВЧ;

- методы гармонического баланса используются для сильно-нелинейных СВЧ устройств. Им присущи независимость сложности расчета от порядка линейной части устройства и расчет установившегося режима без расчета переходного;

- анализ сильно-нелинейных СВЧ устройств (смесители, умножители, генераторы, делители частоты) представляет сложную задачу, требующего решения, усложняющуюся при воздействии полигармонических сигналов.

Для анализа и расчета нелинейных СВЧ устройств используется аппроксимация их нелинейных характеристик. Выбор оптимальной аппроксимации зависит от вида нелинейной характеристики и от режима работы нелинейного элемента. Каждому виду анализа нелинейного СВЧ устройства соответствует определенный способ аппроксимации нелинейной характеристики (см. таблицу 1.1 раздел 1.2).

Из обзора видов аппроксимаций характеристик нелинейных элементов сделаны следующие выводы и рекомендации:

- для исследования модуляторов детекторов преобразователей и делителей СВЧ спектральными методами, основанными на использовании тригонометрических формул кратного аргумента и рядов Тейлора, применяется полиноминальная аппроксимация;

- при расчете усилителей, генераторов, умножителей СВЧ методом угла отсечки используется кусочно-линейная аппроксимация;

- при исследовании детекторов и преобразователей СВЧ методом, основанном на исследовании функции Бесселя от мнимого аргумента, следует использовать экспоненциальную аппроксимацию.

При определении нелинейных искажений СВЧ устройств, их целесообразно разделить на два класса:

- устройства с существенной нелинейностью;

- устройства с несущественной нелинейностью.

Устройства с существенной нелинейностью – это устройства, у которых хотя бы один из операторов Li системы (1.1) в заданной области мгновенных значений токов или напряжений осуществляет их нелинейное преобразование (“отсечка”, ограничение, ключевой режим).

Устройства, у которых операторы системы (1.1) не осуществляют нелинейных преобразований, относятся к устройствам с несущественной нелинейностью. Для этих СВЧ устройств операторы Li можно с достаточной точностью представить в виде рядов Вольтерра с числом членов n не более трех. Для СВЧ устройств с существенной нелинейностью, подобное представление операторов Li будет неточным.

Одно и тоже СВЧ устройство может работать в режиме несущественной и существенной нелинейности какого-то либо СВЧ устройства может быть и по другой причине. Так преобразователи СВЧ содержат отдельные элементы, работающие в области существенной нелинейности, однако его оператор “вход-выход” должен быть близок к нелинейному. Различие подходов к одному и тому же СВЧ устройству позволяет использовать для его анализа наиболее эффективные методы.

Все вышеизложенные соображения используются в последующих главах диссертации.

Во второй главе проведен анализ нелинейных преобразующих СВЧ устройств на ПТШ и ДЗПТШ к которым относятся смесители и умножители СВЧ. На основании проведенного анализа сделаны выводы и рекомендации, заключающиеся в следующем:

1. Cмесители СВЧ на ПТШ, по сравнению с диодными, обладают положительным коэффициентом преобразования и низким коэффициентом шума. Применение ДЗПТШ в смесителях частоты обеспечивает усиление преобразованного сигнала при приемлемом коэффициенте шума, обеспечивает развязку между цепями сигнала и гетеродина за счет подачи их на разные электроды транзистора без применения направленных ответвителей и гибридных устройств Кроме того, использование ДЗПТШ в интегральных СВЧ-схемах позволяет строить смесители с автогенерацией self-oscillating mixer, а применение специальной структуры ДЗПТШ с дополнительным омическим контактом, расположенным между первым и вторым затвором, позволяет осуществить подавление зеркального канала band rejection mixer.

2. Резистивные смесители на ПТШ, не только не уступают диодным и активным смесителям на ПТШ, но и превосходят их по интермодуляционным искажениям, обладая при этом приемлемым коэффициентом шума и низкими значениями мощности гетеродина.

3. Анализ работы смесителей СВЧ на ПТШ основывается на нелинейном анализе элементов эквивалентной схемы транзистора в режиме большого сигнала

4. Основными нелинейными элементами эквивалентной схемы смесителя на ПТШ являются:

- крутизна gм и емкость затвор-исток CЗИ, (gate mixer);

- сопротивление канала и нелинейность емкости СЗС (drain mixer);

- сопротивление канала (resistive mixer).

5. Максимальный коэффициент преобразования смесителя СВЧ на ПТШ реализуется при КЗ на сигнальном гетеродинном входом для ПЧ и КЗ на ПЧ выходе для сигнала и гетеродина. Для более точного выражения коэффициента преобразования смесителя на ПТШ следует учитывать влияние домена сильного поля.

6. При полном анализе ПТШ в режиме большого сигнала следует учитывать параметры эквивалентной схемы как и является функциями двух переменных напряжений , .

7. Для преобразователей СВЧ на ПТШ оптимальная мощность гетеродина, необходимая для получения максимального коэффициента преобразования на 3-5 дБ больше оптимальной мощности гетеродина необходимой для реализации минимального коэффициента шума.

8. Для анализа смесителей на ДЗПТШ в режиме большого сигнала, двухзатворный ПТШ предпочтительнее представлять в виде двух однозатворных ПТШ, включенных последовательно. Обобщенные характеристики ДЗПТШ имеют три основные нелинейные области, каждой из которых соответствует свой режим работы транзистора. Для расчета смесителей на ДЗПТШ следует использовать те же модели, которые пригодны для расчета смесителей СВЧ на однозатворных ПТШ.

9. Использование ДЗПТШ в смесителях СВЧ предпочтительнее по сравнению с ПТШ по следующим соображениям:

-максимальный коэффициент преобразования такого СВЧ смесителя может достигать, при соответствующих условиях, максимального коэффициента усиления в линейном режиме;

- возможность работы в автодинном режиме;

-хорошая развязка между цепями сигнала и гетеродина, обусловленная конструктивными особенностями транзистора ;

- малые габариты и технологическая совместимость с монолитными схемами на .

10. Смесители на ПТШ, работающие в режиме управляемого сопротивления канала (резистивные смесители), благодаря высокой линей-

ности сопротивления сток-исток ПТШ имеют очень низкий уровень интермодуляционных составляющих, а отсутствие прямого тока через канал транзистора обеспечивает низкий коэффициент шума при равных потерях преобразования, что и у диодного смесителя. Отсутствие постоянного тока через канал транзистора позволяет избежать шумов , которые присущи смесителям, работающим в активном режиме. Данные смесители эффективно работают при очень низких значениях промежуточной частоты, возможна работа с нулевой промежуточной частотой в режиме фазового детектора. Сравнительная характеристика смесителей на ПТШ и ДБШ приведена в табл. 1.

Табл. 1



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.