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:     | 1 || 3 |

Моделирование нелинейных свч преобразующих устройств на полевых транзисторах с затвором шотки

-- [ Страница 2 ] --
Тип смесителя Потери преобразования, дБ Интермоду-ляции ИМЗ Рвых., дБм Кш, дБ
Диодный 7,2 10,5 0 7,7
Резистивный 6,5 21,5 9,1 6,6
Активный -6,0 16,0 5,0 5,0

11. Умножители СВЧ на ПТШ предпочтительнее диодных умножителей, так как имеют положительную эффективность преобразования. В отличие от усилителей, которые рассматриваются в основном как линейные системы, умножители строятся на работе ПТ в нелинейном режиме. Поэтому схемное построение не только на основной частоте, но и на гармонических частотах очень критично к нелинейным умножительным процессам. При этом, большое влияние на умножительные процессы оказывают режимы согласования входа, выхода прибора и обратной связи.

12. Основной путь умножения частоты на ПТШ – работа транзистора либо в области прямой проводимости, либо в области отсечки тока. Работа в области прямой проводимости даёт выигрыш в эффективности преобразования на 1 - 2 дБ, хотя при этом имеется риск разрушения прибора из-за увеличения тока стока. Поэтому режим отсечки тока предпочтителен, хотя и менее эффективен. В этом режиме транзистор работает как полупроводниковый выпрямитель. Помимо вольтуправляемого токового генератора в частичном удвоении значительную роль играет выходная проводимость транзистора. Совместно эти два элемента описывают приборную внутреннюю «динамическую» ВАХ.

13. Основными нелинейностями в умножителе на ПТШ являются крутизна gm и стоковая проводимость gc. Для умножения частоты в двухзатворном ПТШ используются два вида нелинейности: нелинейная зависимость тока стока от напряжения на затворе и нелинейная зависимость тока затвора от напряжения на нем. Нелинейные модели ПТШ для моделирования умножителей частоты должны учитывать режимы при работе на крутой и пологой областях ВАХ характеристики, режим отсечки тока стока, инверсный режим, режим прямого смещения на затворе, а также пробойные явления.

14. Умножители на двухзатворных ПТШ, по сравнению с умножителями на однозатворных ПТШ, дают повышенное усиление преобразования, лучшую изоляцию между входом и выходом, более выраженные нелинейные характеристики и лучшее регулирование усиления преобразования. По эффективности преобразования (усилению преобразованного сигнала) умножители на ПТШ и ДЗПТШ превосходят умножители частоты на биполярных транзисторах и варакторных диодах. Сравнительные характеристики умножителей на диодах, биполярных транзисторах и ПТШ приведены в таблице 2.

Табл. 2

Характеристика Умножители
на диодах на биполярном транзисторе на полевом транзисторе
Полоса частот Узкая Средняя Широкая
Задающая высокочастотная мощность, мВт 300 100 10
Выходная частота, ГГц 18 11 30
Эффективность преобразования частоты, % 50 - 70 60 90 – 200
Изоляция Плохая Средняя Очень хорошая
Мощность управления в 3-см диапазоне, Вт 1 - 4 0,5 1 - 4
Стабильность умножения Хорошая Плохая Очень хорошая
Искажение высших гармоник Большое Малое Очень малое

Из анализа, проведенного в данной главе, следует, что СВЧ смесители и умножители на ПТШ и ДЗПТШ в настоящее время превосходят их аналоги на других нелинейных элементах по основным параметрам уступая диодным только по высокочастотности.

Основная проблема при проектировании СВЧ смесителей и умножителей на ПТШ и ДЗПТШ в настоящее время заключается в разработке новых методов моделирования и расчета таких устройств с приемлемой инженерной точностью учитывая все нелинейные эффекты, возникающие в этих устройствах.

В третьей главе проведено моделирование ВАХ ПТШ и ДЗПТШ с учётом нелинейности объёма полупроводника, предложен метод анализа нелинейного СВЧ устройства при полигармоническом воздействии и на основе этого метода разработан метод расчета нелинейных характеристик преобразователя СВЧ на полевом транзисторе с затвором Шотки и приложение метода анализа к расчету умножителей СВЧ на ПТШ.

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. На рис. 1 представлена планарная модель двухзатворного ПТШ. Эти особенности существенно влияют на процессы переноса заряда в ПТШ как в объёме полупроводникового пространства в боковых областях (затвор-исток и затвор – сток), так и в канале, и кроме того, при выводе аналитического выражения для выходных ВАХ ПТШ следует учитывать свойства применяемого полупроводникового материала в ПТШ СВЧ диапазона, в котором нелинейные свойства должны быть учтены во всём пространстве дрейфа носителей [1], [2]. Вместе с тем малые размеры междуэлектродных областей способны значительно усилить упомянутые нелинейные эффекты объёмов и областей движения носителей тока при приложении внешнего электрического поля, соизмеримого по величине с пороговой напряженностью (характерной для эффекта Ганна).

Рис. 1

В предлагаемой квазиодномерной модели активный участок ДЗПТШ представляет собой 5 областей, в которых протекает ток основных носителей. При этом приняты следующие допущения:

  1. граница области пространственного заряда (ОПЗ) имеет резкий
    характер и имеет некоторый наклон в область стока;
  2. пространства протекания тока в межэлектродных областях исток-
    затвор I, затвор I - затвор 2, затвор 2-сток определены расстоянием полуизолирующей подложкой и границей ОПЗ;
  3. проникновение ОПЗ в межэлектродные области не влияет на величину протекающего тока.

При расчете тока I с учетом зависимости подвижности от электрического поля использованы формулы:

(1)

где j - плотность тока; - подвижность электронов на дне зоны проводимости; Е и Еп – электрическое и пороговое поля; n – концентрация носителей в эпитаксиальном слое; e – заряд электрона; S – площадь сечения токопроводящего канала.

Считаем, что ток, протекающий между истоком и стоком одинаков во всех областях структуры ДЗПТШ. Алгоритм расчета следующий:

1. Организуется цикл изменения потенциала 1,соответствующего левой границе первого затвора;

2. По заданным значениям 1 и напряжению между истоком и первым затвором однозначно определяется 1 и ток І;

3. Последовательно рассчитываются (2, 2), (3, 3), (4, 4);

4. Рассчитываются 5 = Uси, (, I, Uз1, Uз2), откуда получаются I(1, Uз1, Uз2, Uси).

Для реализации расчета тока а п. 2 алгоритма он представляется суммой нескольких токов, протекающих по прямоугольникам (рис. 2).

Рис. 2

Определяя напряженность поля Е из геометрических построений, после интегрирования (1) получим искомый ток на участке I.

Для участка II используется методика, описанная в [2].

(2)

Учитывая (1) и (2) получено квадратное уравнение относительно Е, решение которого можно проинтегрировать разделяя переменные и используя граничные условия получить трансцендентное уравнение для определения 2 в виде:

(3)

Для решения (3) используется метод половинного деления в области III и находится выражение для тока:

(4)

Решая (4) относительно 3 получаем: (5)

Расчет 4 для области IV аналогичен расчету 2.

Для области V решается обратная задача, при этом получено:

(6)

где . Решая трансцендентное уравнение (6) методом половинного деления получим: .

На рис. 3 приведены выходные характеристики ДЗПТШ 3П328-А2 (сплошные линии), имеющиеся в паспорте на прибор, и расчетные (точки), выполненные по вышеизложенной методике.

 Из рис. 3 видно, что предложенный-20

Рис. 3

Из рис. 3 видно, что предложенный метод расчета выходных характеристик двухзатворного ПТШ с учетом нелинейности объема полупроводника, имеет хорошее совпадение с реальными характеристиками исследуемого прибора и может быть рекомендован для инженерных расчетов.

Предложенный в разделе 3.2 этой главы метод анализа нелинейного устройства позволяет вычислить комплексные амплитуды гармоник отклика комплексного нелинейного двухполюсника на полигармоническое воздействие при любой аппроксимации характеристик нелинейных элементов.

Расчет комплексной амплитуды гармоники тока Jm (3.59) в комплексном нелинейном двухполюснике сводится к следующим действиям:

– по заданным , [m], [k] из (3.61) и (3.60) находятся положительные целые числа ps и ls при задаваемом порядке производной в ряде (3.59);

– по найденным ps и ls для каждого из заданных , используя (3.54). (3.55), находим производные соответствующего порядка в рабочей точке нелинейных двухполюсников для ряда (3.59);

– по найденным значениям ps и ls вычисляется коэффициент А и записывается ряд, так как все величины, входящие в него, найдены предыдущими действиями, а амплитуды воздействий заданы.

В разделе 3.3 продемонстрированы возможности метода, изложенного в разделе 3.2 на примере расчета нелинейных характеристик преобразователя СВЧ на ПТШ.

Получены выражения:

- комплексного коэффициента передачи: .

- АЧХ и ФЧХ ПЧ как модуля и аргумента комплексного числа:

,

- группового времени запаздывания (ГВЗ), принимая в качестве последнего производную от ФЧХ по частоте.

,

- коэффициента сжатия преобразователя частоты

- коэффициент блокирования преобразователя частоты

- интермодуляционных искажений преобразователя частоты

как отношение амплитуды мешающей гармоники к амплитуде полезной, т.е.

..

Таким образом, используя метод анализа нелинейных устройств, изложенный в разделе 3.2, можно рассчитать все основные характеристики преобразователя СВЧ на ПТШ и нелинейные эффекты, возникающие в нем при прохождении модулированных сигналов и воздействии квазигармонических помех.

В разделе 3.4 дано приложение метода анализа нелинейного устройства для расчета умножителей СВЧ.

В четвертой главе произведен анализ моделирования эквивалентных схем СВЧ полевых транзисторов. Рассмотрены различные подходы к разработке структурных моделей полевых транзисторов c барьером Шотки. Проанализированы различные модели эквивалентных схем ПТШ.

На основе анализа разработан метод моделирования ПТШ где нелинейные элементы эквивалентной схемы описываются рядами Тейлора в окрестностях напряжения смещения постоянного тока. Особенность предлагаемого моделирования состоит в том что, коэффициенты ряда Тейлора измеряются в конкретной точке смещения. В этом смысле моделирование аналогично отысканию линейных S-параметров. Предлагаемая методика измерения коэффициентов ряда Тейлора обладает достаточной простотой, ее можно применить для автоматизированных методов расчета, а вычисление ИM может быть получено с приемлемой точностью.

ПТШ моделируется эквивалентной схемой, которая включает три нелинейных элемента: емкость затвор-исток Сgs, ток сток-исток Ids и управляемый источник Id(Vg) ( рис. 4).

Рис. 4

Алгоритм моделирования нелинейных элементов эквивалентной схемы следующий:

- Емкость Сgs. Находится Сgs0, при нулевом напряжении и решается уравнение: .

Дифференцируя уравнение, получаем коэффициенты ряда Тейлора. ; ; .

- Проводимость gds находится непосредственно из измеренных S- параметров на низких частотах, 10 100 МГц. S-параметры потом преобразовываются в Y параметры, и проводимость находится по формуле:

- Способ получения параметров управляемого источника Id(Vg) сводится к подаче слабого сигнала на вход ПТШ и измерению на выходе второй и третьей гармоники. Сигнал должен быть в диапазоне частот 10 100 МГц, и мощностью 25 30 дБм на входе ПТШ. Схема установки показана на рис. 5. Для определения коэффициенов ряда Тейлора используются следующие уравнения:

На рис. 6 показаны графики вычисленных производных выходных характеристик (Id(Vg)) ПТШ, которые пропорциональны коэффициентам gn: 1-я производная (график-), Gm (=g1); вторая производная Id(Vg) (=2g2) (график-+); третья производная Id(Vg) (=6g3),график-.

В разделе 4.1 данной главы проведены моделирование и расчет смесителей СВЧ на ПТШ и ДЗПТШ. Разработанный смеситель на ПТШ, работающий в режиме нелинейного сопротивления имеет лучшие характеристики по ИМ2 и ИМ3, по сравнению с диодными и смесителями на ПТШ, работающими в активном режиме при тех же потерях преобразования что и у диодного. На рис. 7 показаны измеренные уровни интермодуляционных продуктов второго (ИМ2) и третьего (ИМ3) порядков на средней полосе пропускания смесителя как функции мощности гетеродина и напряжения смещения на затворе ПТШ при постоянном уровне входного сигнала – 6 дБм.

 ис. 6 Спроектированный-40 Рис. 5 Рис. 6

 Спроектированный повышающий-41

Рис. 7

Спроектированный повышающий смеситель на ДЗПТШ имеет следующие характеристики: выходная мощность преобразованного сигнала, измеренная на лабораторном макете, составляет 2,5 мВт в 7%-ной полосе частот 3см - диапазона при уровне интермодуляционных искажений -20 дБ. Мощность гетеродина равна 5 мВт, мощность сигнала ПЧ 0,4 мВт. Амплитудные характеристики смесителя приведены на рис. 8.

В разделе 4.2 было проведено моделирование и алгоритм расчета умножителя СВЧ на ПТШ на основе нелинейной модели ПТШ на примере СВЧ полевого транзистора средней мощности АП602А-2. Проведен анализ работы ПТШ в режиме удвоения частоты и приведен алгоритм расчета. Данная методика была использована для проектирования умножителя СВЧ на ПТШ. Разработанный удвоитель СВЧ на ПТШ 3П602Б-2 может быть использован в усилительно-умножительных цепочках для формирования высокостабильных колебаний.

Зависимость коэффициента передачи 2-й гармоники Кп от напряжения затвор-исток Uзи при различных напряжениях сток-исток Uси представлена на рис. 9. Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики удвоителя показаны на рис. 10 и 11.

 ис. 9 ис. 11 Разработанные-42 Рис. 8 Рис. 9

 ис. 11 Разработанные балансные-43

Рис. 10 Рис. 11

Разработанные балансные умножители на ДЗПТШ имеют лучшие характеристики чем схемы на однозатворных ПТШ. Основные характеристики балансных умножителей приведены на рис. 12 – 15. На рис.12 и 13 показаны АЧХ удвоителей на ДЗПТШ, собранных по балансной схеме при разных уровнях входной мощности. На рис. 14 и 15 показаны зависимости эффективности преобразования умножителя на ДЗПТШ от выходной частоты и входной мощности.

Рисунок 14 соответствует режиму удвоения, а рис. 15 – режиму утроения частоты.

Сравнительный анализ умножителей на ПТШ и ДЗПТШ позволяет сделать выводы:

- схема с однозатворным транзистором дает эффективность преобразования на 4 – 6 дБ ниже, чем схема на ДЗПТШ;

- схема с однозатворным транзистором дает эффективность преобразования примерно на 4 - 5дБ ниже, чем схема с двухзатворным транзистором;

- управление смещением напряжения на втором затворе позволяет двухзатворному умножителю частот изменять эффективность

преобразования на 36 дБ (от +8 до -28 дБ) на частоте удвоенного сигнала;

-

 ис. 13 ис. 15 В разделе 4.3-44 Рис. 12 Рис. 13

 ис. 15 В разделе 4.3 данной главы-45 Рис. 14 Рис. 15

В разделе 4.3 данной главы также проведен анализ шумовых параметров ПТШ и ДЗПТШ. Проанализирована природа шумов в СВЧ полевых транзисторах с барьером Шотки. На основании проделанного анализа сделаны выводы:

основным источником шумов в ПТШ является диффузионный шум;

в ПТШ кроме источников теплового шума, создаваемых омическими сопротивлениями областей затвора, истока и стока, следует учитывать два источника шумового тока: в цепи затвора и в цепи стока ;

основные механизмы, вызывающие возникновение шумовых флуктуации в полевых тетродах те же, что и у полевого транзистора

величины F при различных схемах включения (ОИ, ОЗ) практически равны, поэтому основной задачей, возникающей при теоретическом исследовании шумовых свойств тетрода, является определение того, насколько существенный вклад вносит его вторая половина в общую величину F прибора;



Pages:     | 1 || 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.