Генератори електричних коливань на основі транзисторних структур з від"ємним опором - Автореферат

Використання реактивних властивостей напівпровідникових приладів з відємним опором (ВО) для побудови коливальних систем генераторів та керування з допомогою останніх ефективною перебудовою частоти генерації повністю не досліджено. Тому, одним із перспективних наукових напрямків побудови потужних НВЧ генераторів електричних коливань з широкою смугою перебудови частоти генерації (10…30)% є використання реактивних властивостей транзисторних структур з відємним опором (ТСВО), що дозволить вирішити одну з актуальних проблем сучасних класичних пристроїв генерації - побудову генераторів в діапазоні частот (105...1010) Гц з широкосмуговою перебудовою частоти генерації, підвищити їх ККД та стабільність. Основний зміст роботи складають результати наукових розробок та експериментальних досліджень, які проводилися протягом 2003-2007 років згідно з планом наукових досліджень Вінницького національного технічного університету та Міністерства освіти і науки України в рамках фундаментальних держбюджетних науково-дослідних робіт “Розробка основ теорії фазових і частотних методів вимірювання та контролю параметрів радіотехнічних і телекомунікаційних мереж та систем” (№ держ. реєстрації 0102U002264), “Розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з відємним опором” (№ держ. реєстрації 0102U002267), “Математичне моделювання генераторів електричних коливань з широкосмуговою перебудовою частоти генерації на основі транзисторних структур з відємним опором” (№ держ. реєстрації 0102U002420). Розроблено схемотехнічне рішення потужного НВЧ генератора на основі НЕМТ-транзисторної структури з електричною перебудовою частоти генерації в діапазоні 670..682 МГЦ, який характеризуються підвищеним ККД (46%) з відносної короткостроковою нестабільністю частоти генерації дf=0.65·10-4 і температурним коефіцієнтом частоти генератора ТКЧ=2.1·10-5 [МГЦ/ОС], а також схемотехнічне рішення потужного НВЧ генератора на основі СІТ-транзисторної структури з електричною перебудовою частоти генерації в діапазоні (770..910)МГЦ при зміні напруги живлення UЖ=(8,5..30) В і напруги керування UK=(2,0..8,0) В з потужністю НВЧ генерованого сигналу (0.027..2)Вт.У першому розділі проведено аналіз теоретичних основ побудови генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з відємним опором. Перебудова частоти генерації здійснюється шляхом зміни величини відємного диференційного опору активної складової і реактивної складової, яка має ємнісний характер, повного опору транзисторної структури. У другому розділі удосконалено лінійну і нелінійну математичні моделі генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з відємним опором, в основу яких покладена апроксимація статичної ВАХ ТСВО поліномом третього степеня. Отримано узагальнене диференційне рівняння (2) генератора електричних коливань на основі ТСВО, яке описує фізичні процеси в нормованому часі. Для діапазонних ГЕК на основі ТСВО розроблено нелінійну математичну модель, яка базується на обєднанні рівняння коливального контуру генератора і апроксимації статичної ВАХ ТСВО поліномом третього степеня (1), що дало змогу отримати нелінійне диференційне рівняння другого порядку, яке описує фізичні процеси в генераторі.В науковому аспекті розроблені математичні моделі генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з відємним опором, які мають покращені технічні та експлуатаційні характеристики, на основі нелінійної апроксимації статичних і динамічних характеристик генераторів і нелінійного диференційного рівняння коливального контуру генератора, що дало змогу отримати рівняння умов збудження генераторів, амплітуди і частоти генерованих коливань з врахуванням фізичних і геометричних параметрів транзисторів. Удосконалено лінійну математичну модель генератора електричних коливань для транзисторних структур з відємним опором, у яких спадаюча ділянка вольтамперної характеристики описується поліномом третього степеня, що лягло в основу розвязку нелінійного диференціального рівняння коливальної системи методом фазової площини і дозволило отримати аналітичні вирази для розрахунку амплітуди і частоти генерованих коливань, дисперсійних значень флуктуацій амплітуди і фази генерованих коливань. Удосконалено нелінійну математичну модель генераторів електричних коливань з електричною перебудовою частоти генерації на основі транзисторних структур з відємним опором, яка, на відміну від існуючих, враховує режими живлення генераторів для отримання гармонічних і релаксаційних коливань, що дозволило отримати рівняння амплітуди стаціонарних коливань, нелінійних спотворень форми і нелінійного відхилення частоти генерованих коливань.

2. Основний зміст роботи

Дисертаційну роботу присвячено розвязанню актуальної науково-технічної задачі підвищення коефіцієнта корисної дії, стабільності та розширення діапазону перебудови частоти електричних коливань генераторів на основі транзисторних структур з відємним опором.

В науковому аспекті розроблені математичні моделі генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з відємним опором, які мають покращені технічні та експлуатаційні характеристики, на основі нелінійної апроксимації статичних і динамічних характеристик генераторів і нелінійного диференційного рівняння коливального контуру генератора, що дало змогу отримати рівняння умов збудження генераторів, амплітуди і частоти генерованих коливань з врахуванням фізичних і геометричних параметрів транзисторів. В інженерно-технічному аспекті розроблені і досліджені нові схемотехнічні рішення генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з відємним опором в широкому діапазоні частот (105..109) Гц.

Отримані такі основні наукові та практичні результати: Вперше отримано аналітичні співвідношення для інженерного розрахунку вольтамперних характеристик активних елементів генераторів електричних коливань на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур з допомогою нелінійних рівнянь, що враховують фізичні процеси, які в них протікають, що забезпечує вибір оптимального режиму їх електричного живлення.

Удосконалено лінійну математичну модель генератора електричних коливань для транзисторних структур з відємним опором, у яких спадаюча ділянка вольтамперної характеристики описується поліномом третього степеня, що лягло в основу розвязку нелінійного диференціального рівняння коливальної системи методом фазової площини і дозволило отримати аналітичні вирази для розрахунку амплітуди і частоти генерованих коливань, дисперсійних значень флуктуацій амплітуди і фази генерованих коливань.

Удосконалено нелінійну математичну модель генераторів електричних коливань з електричною перебудовою частоти генерації на основі транзисторних структур з відємним опором, яка, на відміну від існуючих, враховує режими живлення генераторів для отримання гармонічних і релаксаційних коливань, що дозволило отримати рівняння амплітуди стаціонарних коливань, нелінійних спотворень форми і нелінійного відхилення частоти генерованих коливань.

Вперше отримано аналітичні співвідношення для визначення умови збудження генераторів електричних коливань на основі НЕМТ-транзисторних структур, амплітуди і частоти стаціонарних коливань, запасу стійкості генерації, які є базовими для інженерного розрахунку генераторів.

Удосконалено квазілінійні моделі генераторів електричних коливань на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур з пасивним і активним індуктивним елементом, які, на відміну від існуючих, враховують вплив режимів живлення і оптичного опромінення на розширення смуги перебудови частоти генерації в діапазоні низьких, середніх і високих частот.

Розроблено схемотехнічні рішення підвищення короткочасної стабільності частоти електричних коливань генератору різницевої частоти на основі БТ і двохзатворного МДН-транзистора з допомогою двох кварцових резонаторів і діапазонного генератору на основі біполярної транзисторної структури з допомогою струмового дзеркала.

Проведено експериментальні дослідження генераторів електричних коливань на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур з пасивним і активним індуктивним елементом з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації в діапазоні низьких, середніх, високих і надзвичайно високих частот. Результати експериментальних досліджень підтверджують правильність теоретично отриманих співвідношень.

1. Семенов А.О. Генератор гармонічних коливань НВЧ діапазону на основі транзисторної структури з відємним опором// Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - № 2(10). - С. 124-131.

2. Семенов А.О. Нелінійна апроксимація характеристик НЕМТ-транзисторної структури і дослідження НВЧ генератора електричних коливань на її основі// Вісник Хмельницького національного університету. -2006. - № 2, Т.1 (79). Технічні науки. - С. 143-147.

3. Семенов А.О. Дослідження оптично-керованого генератора на основі аналогу інжекційно-польового транзистора// Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - № 4 (83). Технічні науки. - С. 153-158.

4. Осадчук О.В., Семенов А.О. Математичне моделювання генератора НВЧ на основі транзисторної структури з відємним опором// Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 4, Ч. 1, Т. 2. - С. 256-259.

5. Осадчук О.В., Семенов А.О. Дослідження НВЧ генератора електричних коливань на основі транзисторної структури з відємним опором// Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2005. - № 5(62). - С. 149-154.

6. Осадчук О.В., Семенов А.О., Кофанов В.Л., Андрусь Р.В. Дослідження потужного генератора НВЧ електричних коливань на основі СІТ-транзисторної структури// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - № 2(26). - 2005. - С. 48-53.

7. Осадчук О.В., Семенов А.О., Андрусь Р.В., Гурський А.П. Дослідження оптично керованого генератора на основі транзисторної структури з відємним опором// Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Спецвипуск. - 2006. - С. 213-215.

8. Осадчук О.В., Семенов А.О. Дослідження мікроелектронного широкодіапазонного генератора на транзисторній структурі з відємним опором// Вісник Хмельницького національного університету. - 2005. - № 4, Ч. 1, Т. 1. - С. 154-160.

9. Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. Мікроелектронний частотний сенсор оптичного опромінення// Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - № 1(9). - С. 208-214.

10. Осадчук О.В., Семенов А.О. Теоретичні основи побудови генераторів електричних коливань на транзисторних структурах з відємним опором// Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - № 2, Т. 1 (79). - С. 147-151.

11. Осадчук О.В., Гурський А.П., Семенов А.О. Вимірювальний пристрій з відкритим каналом для визначення концентрації метану на основі оптичного генераторного перетворювача// Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - № 2, Т. 1 (90). - С. 221-225.

12. Семенов А.О. Апроксимація ВАХ двоелектродної транзисторної структури з відємним диференційним опором// Приборостроение 2004: Сборник трудов МНТК. Винница-Ялта, 15-18 сентября 2004 г. - Винница, 2004. - С. 49-53.

13. Семенов А.О. Автогенератор електричних коливань на основі аналогу лямбда діода// Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПТТП-2005): Матеріали І-ї МНТК. Вінниця, 2-5 червня 2005 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. - С. 168.

14. Семенов А.О. Електричні параметри широкодіапазонних генераторів НВЧ на основі транзисторних структур з відємним опором// Дні науки ‘2005: Матеріали МНПК. Дніпропетровськ, 15-27 квітня 2005 р.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - Том 36. Техніка. - С. 56-57.

15. Семенов А.А. Автогенератор с электронной перестройкой частоты генерации на основе транзисторной структуры с отрицательным сопротивлением// Молодежь и современные проблемы радиотехники (РТ-2005): Материалы МНТК студентов, аспирантов и молодых ученых. Севастополь, 24-29 апреля 2005 г. - Севастополь: Изд-во СЕВНТУ, 2005. - С. 96.

16. Семенов А.О. Генератор гармонічних коливань НВЧ діапазону на основі транзисторної структури з відємним опором// Контроль і управління в складних системах (КУСС-2005): Тези доповідей 8-ї МНТК. Вінниця, 24-27 жовтня 2005 року. - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 2005. - С. 119.

17. Семенов А.О. Дослідження стійкості НВЧ діапазонного генератора на основі транзисторної структури з відємним опором// Автоматика-2006: Тези доповідей ХІІІ-ої МНТК з автоматичного управління. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 201.

18. Семенов А.А. Автогенератор на основе транзисторной структуры с отрицательным сопротивлением// Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций: Материалы ІІ-й МНТК студентов, аспирантов и молодых ученых (РТ-2006). Севастополь, 17-21 апреля 2006 г. - Севастополь: Изд-во СЕВНТУ, 2006. - С. 217.

19. Семенов А.О. Узагальнене диференційне рівняння ГЕК на основі ТСВО// Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПРТП-2007): Матеріали ІІ-ї МНТК. Вінниця, 31 травня-2 червня 2007 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. - С. 77-78.

20. Семенов А.О., Осадчук О.В. Апроксимація сімейства статичних ВАХ лямбда-транзистора// Наука і освіта ’2005: Матеріали VIII МНПК. Дніпропетровськ, 7-21 лютого 2005 р.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - Том 62. Техніка. - С. 39-42.

21. Возняк О.М., Анфілов Р.А., Семенов А.О. Дослідження енергетичних властивостей відємної ємності// Наука і освіта ‘2004: Матеріали 7-ї МНПК. Дніпропетровськ, 10-25 лютого 2004 р. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Том 63. Технічні науки - С. 40-41.

22. Осадчук О.В., Семенов А.О. Генератор з електронною перебудовою частоти генерації на основі транзисторної структури з відємним опором// Динаміка наукових досліджень ‘2004: Матеріали 3-ї МНПК. Дніпропетровськ, 21-30 червня 2004 р.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Том 63. Технічні науки. - С. 31-33.

23. Семенов А.О., Стальченко О.В., Коваль К.О. Аналіз методів вимірювання S і T параметрів НВЧ чотириполюсників// Науковий потенціал світу ’2004: Матеріали І-ої МНПК. Дніпропетровськ, 1-15 листопада 2004 р. - Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2004. - Том 61. Технічні науки. - С. 41-43.

24. Osadchuk A.V., Semenov A.A., Andrus R.V. The oscillator with an optical control// Оптоелектронні інформаційні технології “Фотоніка ОДС-2005”: Збірник тез доповідей 3-ї МНТК, Вінниця, 27-28 квітня 2005 року. - Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”, 2005. - С. 219.

25. Осадчук О.В., Семенов А.О. Дослідження генератора лінійно змінної напруги на основі транзисторної структури з відємним опором// Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПМРТП-2006): Матеріали ІІ-ї МНТК. Вінниця, 16-19 листопада 2006 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 126.

26. Осадчук О.В., Семенов А.О., Андрусь Р.А. Автогенератор на основі транзисторної структури з відємним опором// Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПТТП-2005): Матеріали І-ї МНТК. Вінниця, 2-5 червня, 2005 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. - С. 169-170.

27. Гурський А.П., Семенов А.О., Трофіменков С.В. Вимірювальний пристрій з відкритим каналом для визначення концентрації метану на основі оптичного перетворювача з частотним виходом// Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування (СПМРТП-2006): Матеріали ІІ-ї МНТК. Вінниця, 16-19 листопада 2006 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С. 99-100.

28. Рудик А.В., Дрючин О.О., Семенов А.О. До визначення точності результатів вимірювань// Наука і освіта ’2005: Матеріали VIII МНПК. Дніпропетровськ, 7-21 лютого 2005 р.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - Том 62. Техніка. - С. 35-37.

29. Патент на корисну модель 10400 України, МКИ Н03С3/36. Оптично керований генератор електричних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № 200503819; Заявл. 22.04.2005; Опубл. 15.11.2005, Бюл. № 11. - 3 с.

30. Патент на корисну модель 9202 України, МКИ Н03В7/00. Мікроелектронний генератор електричних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № 200501559; Заявлено 21.02.2005; Опубл. 15.09.2005, Бюл. № 9. - 3 с.

31. Патент на корисну модель 16587 України, МКИ Н03В7/00. Електрично керований генератор/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О., Кушнір М.В. (Україна). - № u200601788; Заявлено 20.02.2006; Опубл. 15.08.2006, Бюл. 8. - 3 с.

32. Патент на корисну модель 14410 України, МКИ Н03В7/00. Різницевий генератор гармонічних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № 200510894. Заявлено 17.11.2005; Опубл. 15.05.2006, Бюл. № 5.- 3 с.

33. Патент на корисну модель 16590 України, МКИ Н03В7/00. Стабільний діапазонний генератор гармонічних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № u200601795. Заявл. 20.02.2006; Опубл. 15.08.2006, Бюл. № 8.-3 с.

34. Патент на корисну модель 7411 України, МКИ Н03В7/00. Генератор з електричним регулюванням частоти генерації/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № 20041210199; Заявл. 13.12.2004; Опубл. 15.06.2005, Бюл. № 6. - 2 с.

35. Патент на корисну модель 7911 України, МКИ Н03В7/00. Генератор електричних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - № 20041210233; Заявлено 13.12.2004; Опубл. 15.07.2005, Бюл. № 7. - 2 с.

Размещено на .ru