Генератори електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

Генератори електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором

Спеціальність 05.11.08 - Радіовимірювальні прилади

Семенов Андрій Олександрович

Вінниця - 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Осадчук Олександр Володимирович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри радіотехніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Манойлов В'ячеслав Пилипович,

Житомирський державний технологічний університет,

завідувач кафедри електронних апаратів

доктор технічних наук, професор

Філіпський Юрій Костянтинович,

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри радіотехнічних пристроїв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значну частину радіотехнічних вимірювань проводять за допомогою методів і технічних засобів, до складу яких входять генератори електричних коливань (ГЕК). При цьому, ГЕК можуть використовуватись як окремі пристрої, так і в якості складових частин вимірювального обладнання. Тому, створення теорії та розробка приладів для генерування коливань із заданими характеристиками і параметрами в широкому діапазоні частот є актуальною науковою задачею.

Використання реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором (ВО) для побудови коливальних систем генераторів та керування з допомогою останніх ефективною перебудовою частоти генерації повністю не досліджено. Поява нових потужних напівпровідникових приладів, таких як статично індуковані транзистори (СІТ) та багатошарові гетеротранзисторні структури (НЕМТ), дозволяє значно підвищити потужність до (0,5..2,0) Вт вихідного сигналу НВЧ генераторів з досить широкою смугою перебудови частоти генерації. 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 від'ємним 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. При цьому, на базі конкретного схемотехнічного рішення в залежності від режимів роботи можна реалізувати як генератор гармонічних коливань, так і генератор імпульсних коливань спеціальної форми в усьому діапазоні радіотехнічних частот - низьких, середніх і високих. Одним із факторів, окрім електричного, який можна застосувати для подальшого розширення смуги перебудови, є оптичний вплив на фоточутливу структуру.

Україна займає одну з провідних позицій по розробці генераторної апаратури та частотних перетворювачів фізичних величин на їх основі. Розробками теоретичних підходів для створення і дослідження генераторної апаратури на основі приладів з ВО активно займались наукові школи колишнього радянського союзу. Найбільший вклад в цьому напрямку зробили відомі радянські та українські вчені, як Гаряінов С.А., Бібірман Л.І., Дьяконов В.П., Яковлєв В.Н., Степанова Л.Н., Негоденко О.П., Арш Е.І., Ауен Л.Ф., Уткін Г.М., Андрєєв В.С., Молотков М.І., Солодовник В.Ф., Осадчук В.С. і Осадчук О.В.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. 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 від'ємним опором” (№ держ. реєстрації 0102U002267), “Математичне моделювання генераторів електричних коливань з широкосмуговою перебудовою частоти генерації на основі транзисторних структур з від'ємним опором” (№ держ. реєстрації 0102U002420).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення коефіцієнта корисної дії, стабільності та розширення діапазону перебудови частоти електричних коливань генераторів на основі транзисторних структур з від'ємним опором. генератор стаціонарний коливання опір

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

1. Розробити квазілінійні математичні моделі генераторів на основі транзисторних структур з від'ємним опором, які базуються на об'єднанні рівняння паралельного коливального контуру і нелінійної апроксимації статичної ВАХ транзисторної структури, що дасть змогу отримати нелінійне диференційне рівняння другого порядку, яке описує фізичні процеси в генераторі електричних коливань.

2. Отримати нелінійні рівняння, які апроксимують статичні ВАХ активних елементів генераторів на основі транзисторних структур з від'ємним опором з врахуванням фізичних процесів, які в них протікають, що дасть змогу обрати оптимальні режими їх електричного живлення для підвищення ККД.

3. На основі методу фазової площини провести дослідження стійкості роботи розроблених схем генераторів, визначити амплітуду і частоту стаціонарних коливань. На основі лінійної моделі генератора визначити флуктуації амплітуди і фази генерованих коливань, що дасть змогу оцінити короткотривалу нестабільність генератора.

4. На основі асимптотичного методу малого параметру розробити математичну нелінійну модель генератора на основі транзисторної структури з від'ємним опором, визначити режими збудження, амплітуду і частоту стаціонарних коливань. Визначити нелінійні спотворення форми і нелінійне відхилення частоти генерованих коливань.

5. Виконати експериментальні дослідження параметрів генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором в широкому діапазоні частот в залежності від режимів електричного живлення, параметрів коливального контуру, оцінити вплив зовнішніх факторів.

Об'єктом дослідження є процес перетворення енергії джерел постійної напруги в енергію електричних коливань в генераторних пристроях на основі транзисторних структур з від'ємним опором з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації.

Предметом дослідження є статичні і динамічні характеристики активних елементів генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації.

Методи дослідження. Використані в дисертаційній роботі методи дослідження базуються на: теорії апроксимації для отримання аналітичних співвідношень, що описують статичні ВАХ та залежності від'ємного опору (провідності) активних елементів ГЕК від напруг живлення; теорії асимптотичних методів рішення нелінійних диференційних рівнянь (метод фазової площини та метод малого параметру); теорії стійкості для визначення умов стійкості навантажених ГЕК на основі ТСВО під час широкосмугової перебудови частоти генерації; теорії чутливості для визначення абсолютних та відносних чутливостей ГЕК від зовнішніх факторів та їх впливу на стабільність частоти генерації; теорії аналізу електронних схем для визначення основних параметрів ГЕК з еквівалентної схеми, отриманої на основі квазілійного методу; теорії планування експерименту та комп'ютерного моделювання для експериментальної перевірки отриманих теоретичних положень.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Удосконалено лінійну математичну модель генератора електричних коливань для транзисторних структур з від'ємним опором, у яких спадаюча ділянка вольт-амперної характеристики описується поліномом третього степеня, що лягло в основу розв'язку 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.

2. Удосконалено нелінійну математичну модель генераторів електричних коливань з електричною перебудовою частоти генерації на основі транзисторної структури з від'ємним 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.

3. 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.

4. Вперше отримано аналітичні співвідношення для інженерного розрахунку вольт-амперних характеристик генераторів електричних коливань на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур за допомогою нелінійних рівнянь, що враховують фізичні процеси, які в них протікають, що забезпечує вибір оптимального режиму їх електричного живлення.

5. 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.

Практичне значення одержаних результатів.

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

2. Розроблено схемотехнічне рішення широкодіапазонного генератора електричних коливань на основі МДН-транзисторної структури з електричною перебудовою частоти генерації в діапазоні (85..520) кГц при зміні напруги живлення U_Ж=(1,5..7,0) В і напруги керування U_К=(3,0..7,0) В з відносної короткостроковою нестабільністю частоти генерації дf=0.281·10^-4 і температурним коефіцієнтом частоти генератора ТКЧ=2.27·10^-4 [кГц/^оС].

3. Розроблено схемотехнічне рішення ГЕК на основі СІТ-транзисторної структури в діапазоні НЧ з оптичною перебудовою частоти генерації в межах (15..110)кГц при зміні потужності оптичного опромінення в межах (0..80)мкВт/см² при напрузі живлення U_Ж=(2..10) В.

4. Розроблено схемотехнічні рішення потужних низькочастотних генераторів електричних коливань на основі аналогу інжекційно-польового транзистора з пасивною індуктивністю і електричною перебудовою частоти генерованих імпульсів в межах (200..1400) кГц при зміні напруги живлення (1,8..7,0) В і напруги керування (1,0..2,0) В, а також з активною індуктивністю і оптичною електричною перебудовою частоти генерованих імпульсів при зміні напруги живлення в межах (2,5..4,5) В і величини освітленості в межах (600..2500) лк.

5. 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 U_Ж=(8,5..30) В і напруги керування U_К=(2,0..8,0) В з потужністю НВЧ генерованого сигналу (0.027..2)Вт.

6. Розроблено схемотехнічне рішення НВЧ генераторів з електричною перебудовою частоти генерації на основі БТ і МДН-тетроду в діапазоні частот (677..681) МГц з ККД (42..44)%, з потужністю генерованого сигналу (0,54..22)мВт, напругою джерела живлення (1..5) В, а також схемотехнічне рішення НВЧ ГЕК з оптичною перебудовою частоти генерації на основі БТ і ПТШ в діапазоні частот (780..940) МГц при зміні потужності оптичного опромінення (0..80) мкВт/см² при напрузі живлення U_Ж=(2,5..4,5) В.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення і результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У наукових працях, які написані в співавторстві, здобувачеві належать: визначення математичних співвідношень нелінійної апроксимації статичних ВАХ і залежності від'ємної провідності від напруги транзисторного аналогу лямбда-діода [4] і дослідження на її основі НВЧ генераторів електричних коливань на ТСВО з НВЧ польових [4] і НЕМТ [5] транзисторів; отримані аналітичні співвідношення, які описують спадаючу ділянку статичної ВАХ, величину від'ємного опору та умови збудження генераторів на основі СІТ-транзисторної структури з електричною [6] та оптичною [7] перебудовою частоти генерації; побудовані квазілінійні моделі мікроелектронних широкодіапазонного [8] і НВЧ оптично-керованого [9] генераторів і досліджені на їх основі режими роботи генераторів; отримані аналітичні співвідношення, що визначають ширину смуги частоти нестабільності генераторів на приладах N- і Л-типів [10]; побудована квазілінійна модель оптичного генераторного перетворювача концентрації метану, на основі якої отримані функція перетворення і рівняння чутливості [11]; отримано математичні співвідношення нелінійної апроксимації статичних ВАХ і залежності від'ємної провідності від напруги лямбда-транзистора [20]; отримані математичні співвідношення енергетичних характеристик від'ємної диференційної ємності активного елементу ГЕК [21]; отримані результати експериментальних досліджень низькочастотного діапазонного генератора на основі біполярних транзисторів з пасивною та активною індуктивністю [22]; проведені аналіз і систематизація параметрів та характеристик діапазонних генераторів [22] і методів вимірювань параметрів НВЧ транзисторів [23]; запропоновано ввести в подільник напруги фоточутливий елемент з можливістю регулювання режимами роботи по постійному струму оптично керованих генераторів осциляторного типу [24, 29]; запропоноване схемотехнічне рішення і проведене експериментальне дослідження генератора лінійно-змінної напруги на основі складеного транзистору з електричною перебудовою параметрів генерованих імпульсів [25]; запропоноване схемотехнічне рішення побудови на основі ТСВО оптичного генераторного перетворювача концентрації метану з використанням фоточутливого елементу [27]; вдосконалена оцінка систематичних і випадкових похибок та границь довірчого інтервалу вимірюваних величин [28]; запропоновано ввести фазоване вибірне коло зворотного зв'язку для підвищення стабільності роботи генератора з постійними [26, 30] та електрично керованими [31] опорами; запропоновано підвищення стійкості роботи діапазонних генераторів електричних коливань за допомогою кварцових резонаторів [32] та струмового дзеркала [33]; запропоновані схемотехнічні рішення генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором для розширення діапазону перебудови частоти генерації [34], збільшення напруги [35] і потужності [36] генерованих коливань, що призводить підвищення ККД генераторів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на 12 міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: МНТК “Приборостроение 2004” (Вінниця-Ялта, 2004); четвертій і п'ятій МНПК “Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” КСАВП-2005 і КСАВП-2007 (Хмельницький, 2005 і 2007); ІІІ МНТК “PHOTONICS-ODS” (Вінниця, 2005); першій і другій МНТК аспірантів та молодих вчених “Молодёжь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций” РТ-2005 і РТ-2006 (Севастополь, 2005-2006); першій, другій і третій МНТК “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” СПРТП-2005, СПМРТП-2006 і СПРТП-2007 (Вінниця, 2005-2007); VIII МНТК “Контроль і управління в складних системах КУСС-2005” (Вінниця, 2005); першій МНТК “Автоматика-2006” (Вінниця, 2006); другій МНТК “Датчики прилади та системи ДПС-2006” (Черкаси, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 36 наукових праць, з яких 11 статей у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 8 патентів України, 14 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференцій, 3 публікації у збірках тез міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі списку скорочень, вступу, п'ятьох розділів, основних висновків по роботі, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації 178 сторінок, з яких основний зміст викладений на 145 сторінках друкованого тексту, містить 89 рисунки. Список використаних джерел складається з 142 найменувань. Додатки містять схемотехнінчні рішення широкосмугових генераторів електричних коливань з високим ККД і підвищеною стабільністю частоти генерованих коливань, результати теоретичних і експериментальних досліджень низькочастотних генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором та акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, сформульовано мету і задачі досліджень, відображено основні наукові результати і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз теоретичних основ побудови генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором. Розглянуто сучасний стан технічної реалізації таких генераторів та методи їх дослідження.

Показано, що за останні десятиріччя спостерігається інтенсивний розвиток пристроїв генерації на основі приладів з від'ємним опором та їх схемотехнічних аналогів в усіх діапазонах радіотехнічних частот - низьких, середніх, високих і надзвичайно високих. Перспективним напрямком побудови генераторів та радіовимірювальних частотних перетворювачів на їх основі є використання транзисторних структур зі статичними вольт-амперними характеристиками N- і Л- типів. Перебудова частоти генерації здійснюється шляхом зміни величини від'ємного диференційного опору активної складової і реактивної складової, яка має ємнісний характер, повного опору транзисторної структури. На основі аналізу літературних джерел визначено мету та задачі досліджень.

У другому розділі удосконалено лінійну і нелінійну математичні моделі генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором, в основу яких покладена апроксимація статичної ВАХ ТСВО поліномом третього степеня. В залежності від електричного живлення ГЕК на основі ТСВО можуть працювати в осциляторному і релаксаційному режимах роботи. Актуальною науковою задачею є аналіз режимів роботи ГЕК в залежності від зміни напруг живлення. Побудова квазілінійної і нелінійної моделей генератора пов'язана з багатьма труднощами, які зумовлені характерною нелінійністю статичних і динамічних характеристик активного елементу ГЕК на основі ТСВО. Рівняння апроксимації статичної ВАХ ТСВО

(1)

Отримано узагальнене диференційне рівняння (2) генератора електричних коливань на основі ТСВО, яке описує фізичні процеси в нормованому часі.

(2)

На основі лінійної математичної моделі ГЕК на ТСВО отримано співвідношення умови виникнення коливань для м'якого режиму генерації

(3)

Амплітуда і частота стаціонарних коливань визначаються рівняннями

(4) (5)

Дисперсійні значення флуктуацій амплітуди і фази генерованого сигналу

(6)

(7)

Для діапазонних ГЕК на основі ТСВО розроблено нелінійну математичну модель, яка базується на об'єднанні 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. Рішення нелінійного диференційного рівняння методом малого параметру дало змогу отримати співвідношення для визначення амплітуди стаціонарних коливань

(8)

коефіцієнту нелінійних спотворень

(9)

і нелінійного відхилення частоти

(10)

Вперше побудовано фазові портрети ГЕК на ТСВО в м'якому і жорстоку режимах збудження, які дають можливість дослідити граничні цикли стаціонарних і неусталених режимів, умову самозбудження і запас стійкості ГЕК.

Третій розділ присвячений дослідженню характеристик НВЧ генераторів електричних коливань на основі НЕМТ-транзисторних структур. Розроблено і досліджено НВЧ ГЕК, електрична схема якого представлена на рис.1,а.

Рис.1. Електрична схема (а) і сімейство статичних ВАХ активного елементу (б) НВЧ генератору на основі НЕМТ-транзисторної структури

Рівняння апроксимації сімейства статичних ВАХ НЕМТ-транзисторної структури (рис.1,б) і залежності від'ємної провідності від напруг живлення і керування мають вигляд:

(11)

(12)

Умова самозбудження генератору і амплітуди стаціонарних коливань описуються співвідношеннями

(13)

(14)

У четвертому розділі проведено дослідження широкодіапазонних НЧ ГЕК на основі ТСВО з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації. Для дослідження властивостей широкодіапазонних НЧ ГЕК з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації розроблено математичні моделі, на базі яких отримано залежності активної і реактивної складових повного опору та ємності транзисторної структури, резонансної частоти від режимів живлення по постійному струму при різних значеннях інтенсивності освітленості.

Для розширення смуги перебудови частоти генерації в НЧ ГЕК використовуються транзисторні аналоги індуктивності. На рис.3 представлена електрична схема широкодіапазонного генератора з активним індуктивним елементом на основі МДН-транзисторної структури. В роботі отримано рівняння нелінійної апроксимації спадаючої ділянки статичної ВАХ (15) і залежності від'ємної диференційної провідності від напруги живлення (16). На рис.4 представлена залежність частоти генерації від зміни напруги живлення і керування.

(15)

(16)

В роботі проведено дослідження характеристик низькочастотного оптично керованого ГЕК на основі БСІТ і двохзатворного МДН-транзистора, електрична схема і сімейства статичних ВАХ якого представлені на рис.5. На рис.6 представлені рафіки зміни частоти генерації (6,а) і крутизни закону перебудови частоти генератора (3,б) від густини потужності оптичного опромінення. Відхилення від лінійної залежності становить не більше 3%.

Отримано рівняння, що описують спадаючу ділянку статичної ВАХ (17) і величину від'ємної диференційної провідності (18) транзисторної структури

(17)

(18)

Розроблено і досліджено потужні низькочастотні ГЕК на основі аналогу інжекційно-польового транзистора з пасивною індуктивністю і електричною перебудовою частоти генерованих імпульсів (рис.7,а) в межах (200..1400) кГц при зміні напруги живлення (1,8..7,0) В і напруги керування (1,0..2,0) В, а також з активною індуктивністю і оптичною електричною перебудовою частоти генерованих імпульсів (рис.7,б) при зміні напруги живлення в межах (2,5..4,5) В і величини освітленості в межах (600..2500) лк.

Також в роботі розроблено схемотехнічні рішення підвищення короткочасної стабільності частоти електричних коливань генератору різницевої частоти на основі БТ і двохзатворного МДН-транзистора з допомогою двох кварцових резонаторів (рис.8,а) і діапазонного генератору на основі біполярної транзисторної структури з допомогою струмового дзеркала (рис.8,б).

У п'ятому розділі проведено дослідження НВЧ ГЕК на основі ТСВО. На рис.9 представлено електричну схему НВЧ ГЕК на основі БТ і двохзатворного МНД транзистора з електричною перебудовою частоти генерації. Отримано рівняння, яке описує статичну ВАХ ТСВО

(19)

На основі базової схеми (див. рис.9) в роботі проведено дослідження оптично керованого НВЧ ГЕК на основі двохзатворного МНД транзистора і ПТШ у якого фоточутливим елементом є фоторезистор, який включений в коло зворотного зв'язку. Діапазон перебудови частоти генерації складає (780..940) МГц при зміні потужності оптичного опромінення (0..80) мкВт/см² при напрузі живлення U_Ж=(2,5..4,5) В. В роботі побудована квазілінійна модель оптично керованого НВЧ ГЕК з якої отримано функцію перетворення

(20)

В роботі проведено дослідження НВЧ ГЕК на основі СІТ-транзисторної структури, електрична схема і статичні ВАХ якого представлена на рис.10. Проведено експериментальні дослідження потужних НВЧ ГЕК на основі СІТ-транзисторних структур з електричною перебудовою частоти генерації в діапазоні (750..910) МГц при зміні напруги живлення U_Ж=(8,5..35) В і напруги керування U_К=(2,0..8,0) В, з потужністю НВЧ генерованого сигналу (0.027..2) Вт.

Рівняння, що описують спадаючу ділянку статичних ВАХ і залежність від'ємної провідності від напруги живлення, мають вигляд

(21)

(22)

ВИСНОВКИ

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

В науковому аспекті розроблені математичні моделі генераторів електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним 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 від'ємним опором в широкому діапазоні частот (10⁵..10⁹) Гц.

Отримані такі основні наукові та практичні результати:

1. Вперше отримано аналітичні співвідношення для інженерного розрахунку вольт-амперних 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 від'ємним опором, у яких спадаюча ділянка вольт-амперної характеристики описується поліномом третього степеня, що лягло в основу розв'язку 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 від'ємним 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.

СПИСОК ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Семенов А.О. Генератор гармонічних коливань НВЧ діапазону на основі транзисторної структури з від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним опором// Дні науки `2005: Матеріали МНПК. Дніпропетровськ, 15-27 квітня 2005 р.- Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2005. - Том 36. Техніка. - С.56-57.

15. Семёнов А.А. Автогенератор с электронной перестройкой частоты генерации на основе транзисторной структуры с отрицательным сопротивлением// Молодёжь и современные проблемы радиотехники (РТ-2005): Материалы МНТК студентов, аспирантов и молодых учёных. 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 від'ємним 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 від'ємним опором// Автоматика-2006: Тези доповідей ХІІІ-ої МНТК з автоматичного управління. Вінниця, 25-28 вересня 2006 р. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. - С.201.

18. Семёнов А.А. Автогенератор на основе транзисторной структуры с отрицательным сопротивлением// Молодёжь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций: Материалы ІІ-й МНТК студентов, аспирантов и молодых учёных (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 від'ємної 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 від'ємним 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 від'ємним 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 від'ємним 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. - 3с.

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. - 3с.

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.-3с.

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.

36. Патент на корисну модель 9209 України, МКИ Н03В7/00. Генератор електричних коливань/ Осадчук В.С., Осадчук О.В., Семенов А.О. (Україна). - №200501599; Заявлено 21.02.2005; Опубл. 15.09.2005, Бюл. №9. - 2 с.

АНОТАЦІЯ

Семенов А.О. Генератори електричних коливань на основі транзисторних структур з від'ємним опором. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.08 - Радіовимірювальні прилади. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця - 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розв'язанню актуальної науково-технічної задачі підвищення коефіцієнта корисної дії, стабільності та розширення діапазону перебудови частоти електричних коливань генераторів на основі транзисторних структур з від'ємним опором. Удосконалено лінійну і нелінійну математичні моделі генераторів на основі транзисторних структур з від'ємним опором, на основі яких отримано співвідношення для визначення умови збудження генераторів, амплітуди і частоти генерованих коливань, дисперсійних значень флуктуацій амплітуди і фази, нелінійних спотворень і нелінійних відхилень частоти. Розроблено схемотехнічні рішення діапазонних генераторів на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур зі збільшеними стабільністю і потужністю генерованих коливань, підвищеним ККД. Удосконалено квазілінійні моделі генераторів на основі БТ-, МДН-, СІТ- і НЕМТ- транзисторних структур з пасивним і активним індуктивним елементом з електричною і оптичною перебудовою частоти генерації та отримано аналітичні співвідношення для інженерного розрахунку вольт-амперних характеристик активних елементів генераторів. Результати експериментальних досліджень підтверджують правильність теоретично отриманих співвідношень.

Ключові слова: генератор, транзисторна структура, від'ємний опір, амплітуда, частота, стабільність.

Генераторы электрических колебаний на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.08 - Радиоизмерительные приборы. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи повышения коэффициента полезного действия, стабильности и расширения диапазона перестройки частоты электрических колебаний генераторов на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением. Усовершенствовано линейную и нелинейную математические модели генераторов на основе транзисторных структур с отрицательным сопротивлением, на основе которых получено соотношения для определения условия возбуждения генераторов, амплитуды и частоты генерированных колебаний, дисперсионных значений флуктуаций амплитуды и фазы, нелинейных искажений и нелинейных отклонений частоты. Разработано схемотехнические решения диапазонных генераторов на основе БТ-, МДН-, СИТ- и НЕМТ- транзисторных структур с увеличенными стабильностью и мощностью, повышенным КПД. Усовершенствовано квазилинейные модели генераторов на основе на основе БТ-, МДН-, СИТ- и НЕМТ- транзисторных структур с пассивным и активным индуктивным элементом с электрической и оптической перестройкой частоты генерации и получены аналитические соотношения для инженерного расчёта вольтамперных характеристик активных элементов генераторов. Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность теоретически полученных соотношений.

Ключевые слова: генератор, транзисторная структура, отрицательное сопротивление, амплитуда, частота, стабильность.

Semenov A. Oscillators on negative-resistance transistor structure. - A manuscript.

The thesis for the candidate of science degree by specialty 05.11.08 -Radiomeasuring devices. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2007.

The thesis is dedicated to solving of an actual scientific and technical task: increasing of efficiency, and expanding of frequency tuning range for oscillations of the oscillators on negative-resistance transistor structure. Mathematical linear and nonlinear models of the oscillators on negative-resistance transistor structure are improved. Equations are obtained on their base in order to define excitation conditions, oscillations' amplitude and phase, dispersion values of oscillations' amplitude and phase, nonlinear distortions of oscillations' form and frequency. For the first time phase portraits of the oscillators on negative-resistance transistor structure in soft and hard modes are developed, which give an opportunity to examine boundary cycles of stable and unstable regimes, self-excitation conditions and stability margin of the oscillators.

Schematic decisions for range oscillators on bipolar transistor, MOS transistor, CIT and HEMT structures with increased stability and power of the oscillations, and advanced efficiency are proposed. For the first time analytical equations for engineering calculation of volt-ampere characteristic of active elements of the oscillators on bipolar transistor, MOS transistor, SIT and HEMT structures using nonlinear equations, allowing physical processes in themselves, are obtained, that provides a choice of an optimal mode for the electrical supply. Quasilinear models of the oscillators on bipolar transistor, MOS transistor, SIT and HEMT structures with passive and active induction element are improved. They differ from existing ones by allowing the influence of supply regimes and optical emission on frequency tuning range expanding in low, middle, and high frequency ranges. For the first time analytical equations are obtained to define excitation conditions of the oscillators on bipolar transistor, MOS transistor, SIT and HEMT structures, stable oscillations' amplitude and phase, generation stability margin, which are basic for engineering calculation of oscillators.

Schematic decisions are developed for increasing of oscillations frequency short-time stability of a frequency difference oscillator on bipolar transistor and double-gate MOS transistor using two quartz resonators and a range oscillator on bipolar transistor structure using a current mirror.

Simulation of the oscillators on bipolar transistor structures using the PSPICE module of the ORCAD 9.1 program is performed. Results of the simulation coincide with theoretical statements, obtained in the thesis; this proves an adequacy of the oscillators, developed in the thesis.

Experimental researches of the oscillators on bipolar transistor, MOS transistor, CIT and HEMT structures with passive and active induction element and with frequency electrical and optical tuning in low, middle, high and super high frequency ranges are carried out.

Results of the experimental researches prove the correctness of the equations theoretically obtained.

Keywords: oscillator, transistor, structure, negative resistance, amplitude, frequency, stability.

Размещено на Allbest.ru

...