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.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. 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.

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: 1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.