ГЕНЕРАТОР НА КМОП ТРАНЗИСТОРАХ УЛЬТРАВЫСОКИХ МОДУЛИРОВАННЫХ ПО ЧАСТОТЕ КОЛЕБАНИЙ

Генератор на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний.
Полезная модель генератора на КМОП транзисторах ультравысоких[1] модулированных по частоте колебаний относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника ультравысоких частотно-модулированных сигналов. Ультравысокие радиочастоты занимают диапазон 0,3-3,0 (ГГц) [1, стр. 238].
Отношение сигнал/шум в линиях радиосвязи с частотной модуляцией (ЧМ) пропорционально индексу частотной модуляции
чм
d
н мод
ϕ=f/F,
d
н мод
где f - девиация частоты, F - нижняя модулирующая частота [2, стр. 233].
чммах
н мод.
н
Обычно максимальное значение ϕ≤0,5F «Например, при нижней частоте модуляции F=200 Гц максимальная частотная девиация будет всего 100 Гц. Обычно же для получения в приемном устройстве выгодных соотношений между сигналом и помехой частотная девиация должна доводиться до нескольких десятков килогерц. Для получения такой большой девиации в передатчике применяется многократное умножение частоты (в сотни раз)» [3, стр. 302-303]. Таким образом, реализуемые устройства частотной модуляции не отвечают оптимальным требованиям.
Наиболее близким к генератору на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний является известный генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах [4]. Он содержит внешний генератор управляющих прямоугольных импульсов, логический элемент (далее элемент) 2ИЛИ-НЕ и два элемента НЕ, реализованные на КМОП транзисторах, четыре конденсатора постоянных емкостей. Структурная схема генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах может быть представлена в виде фиг. 1 - прототип.
Механизм преобразования энергии источника питания в энергию переменных электрических сигналов объясняется «проявлением отрицательной
0
0
дифференциальной проводимости в объеме полупроводникового материала, обладающего электропроводностью n-типа, при приложении к нему электрического поля определенной напряженности. При этом постоянное напряжение U, приложенное к полупроводниковому образцу длиной L, должно создавать электрическое поле Е, находящееся в интервале,
который ограничивает падающий участок вольт-амперной характеристики»
(фиг. 2) [5, стр. 31].
Генерация амплитудно-манипулированных гармонических сигналов без применения колебательных систем возможна в широком (сотни МГц - единицы ГГц) интервале частот с низким коэффициентом нелинейных искажений при использовании КМОП транзисторов [4]. Недостатком известного генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах является то, что он не может генерировать модулированные по частоте гармонические колебания.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах путем совершенствования его конструкции.
Достигаемым техническим результатом настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах, заключающееся в генерации колебаний, модулированных по частоте.
разд
Генератор на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний (фиг. 3), содержащий выполненные на КМОП транзисторах: элементы 2ИЛИ-НЕ (2), первый элемент НЕ (3), второй элемент НЕ (4), конденсаторы постоянной емкости С1 (6), С2 (7), С3 (8), С (5), выход элемента 2ИЛИ-НЕ (2) соединен с первым выводом конденсатора С1 (6) и входом первого элемента НЕ (3), выход первого элемента НЕ (3) соединен с первым выводом конденсатора С2 (7) и входом второго элемента НЕ (4), выход второго элемента
разд
разд
o
~m
НЕ (4) соединен с первыми выводами конденсатора С3 (8), разделительного конденсатора С (5) и вторым входом элемента 2ИЛИ-НЕ (2), вторые выводы конденсаторов С1 (6), С2 (7), С3 (8) соединены с общей шиной источника питания устройства, второй вывод конденсатора С (5) является выходом заявленной полезной модели «Генератор на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний», отличающийся тем, что первый выход элемента 2ИЛИ-НЕ(2) соединен с общей шиной источника питания устройства, введен блок (9) для обеспечения питания элементов 2ИЛИ-НЕ (2), НЕ (3), НЕ (4) (фиг. 3) и для осуществления частной модуляции создаваемых генератором на КМОП транзисторах ультравысоких колебаний. Блок (9) представляет собой источник питания (фиг. 4) с регулируемым постоянным (U - напряжение смещения) напряжением и регулируемым переменным (U - модулирующим) напряжением. С учетом фиг. 3 и фиг. 4 структурная схема генератора на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний принимает вид, представленный на фиг. 5. Как в обычном случае заведения питания на элемент 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5) к потенциальному выходу источника питания подключен сток рМОП транзистора Q2 (16) (фиг. 6) с индуцированным каналом элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5). Как в обычном случае заведения питания на элементы НЕ к потенциальному выходу источника питания подключены сток рМОП (17) (фиг. 7) транзистора и сток рМОП (19) транзистора (фиг. 7) с индуцированными каналами первого элемента НЕ (3) (фиг. 5) и второго элемента НЕ (4) (фиг. 5) соответственно.
o
~m
Генератор на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний работает следующим образом. Пусть предварительно источник питания (фиг. 4) содержит на выходе только постоянное напряжение U, а переменное напряжение U=0. «В полупроводниковом материале с электронной проводимостью в 1963 году Ганн обнаружил явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в случае приложения к образцу полупроводникового материала с электронной проводимостью постоянного напряжения, превышающее некоторое критическое значение. Оказалось, что частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гигагерц»
i
[5, стр. 288]. Включение источника питания вызывает рост напряженности электрического поля (E>0) в канале nМОП (Q1) (14) транзистора с заземленным затвором (фиг. 6) элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5). При достижении реализации условия (1) в объеме полупроводникового материала с электронной проводимостью канала nМОП (Q1) (14) возникает генерация ультравысоких электрических колебаний. Реализация условия (1) порождает в объеме полупроводникового материала с электропроводностью n-типа канала nМОП (Q1) (14) транзистора (фиг. 6) элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5) механизм преобразования энергии источника питания в энергию переменных электрических колебаний (т.е. реализуется эффект Ганна).
Сгенерированное ультравысокое колебание, достигнув выхода генератора, попадает на вход цепи положительной обратной связи, состоящей из входного сопротивления nМОП транзистора Q4 (15) (фиг. 6) элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5), и емкости конденсатора С3 (8). Цепь положительной обратной связи обеспечивает выполнение баланса фаз и баланса амплитуд в генераторе для реализации в нем стационарного режима генерации ультравысоких не модулированных по частоте колебаний. «Эффект Ганна связан с тем, что в образце (полупроводникового материала с электропроводностью n-типа) периодически возникает, перемещается по нему и исчезает область сильного электрического поля, которую называют электрическим доменом. Домен возникает вследствие неустойчивости однородного распределения электрического поля при проявлении отрицательной дифференциальной проводимости [5, стр. 34]».
«Обычно домен возникает не внутри образца, а вблизи отрицательного электрода (катода) [5, стр. 34-35]». «Обычно домен образуется в непосредственной близости от катода, так как вблизи от контактов концентрация неоднородностей больше [6, стр. 73]». В данном случае «катодом» является исток nМОП транзистора Q1 (14) с заземленным затвором (фиг. 6) с индуцированным каналом логического элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5).
~m
Механизм осуществления частотной модуляции генерируемых ультравысоких колебаний следующий. Перейдем к случаю, когда переменное напряжение блока (9) (фиг. 4) U≠0. Вероятно, в течение времени, характеризующееся отрицательной
~m
дифференциальной проводимостью в объеме полупроводникового материала nМОП транзистора Q1 (14) с заземленным затвором (фиг. 6) с индуцированным каналом логического элемента 2ИЛИ-НЕ (2) (фиг. 5), переменная компонента (U) выходного напряжения блока (9) (фиг. 4) оказывает существенное влияние на дрейфовую скорость электронов. Поэтому частота генерации колебаний генератора на КМОП транзисторах ультравысоких колебаний изменяется под действием управляющего напряжения. Таким образом, осуществляется частотная модуляция генерируемых ультравысоких колебаний (фиг. 9). При росте амплитуды переменного напряжения блока (9) (фиг. 4) девиация частоты генерируемых колебаний будет увеличиваться.
разд
0
~m
мод
min
max
0
d
max
min
чм
d
мод
Проведено моделирование генератора на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний. Заданы: параметры каналов (длина l=0,18 u и ширина w=0,22 u) КМОП транзисторов с индуцированными каналами элементов 2ИЛИ-НЕ (2), НЕ (3), НЕ (4) (фиг. 5); конденсаторов С1 (6), С2 (7), С3 (8) {С1=0,1 pF, С2=0,2 pF, С3=0,3 pF}, емкость конденсатора С(5) принята равной 0,lpF (фиг. 5); параметры блока питания устройства и осуществления частотной модуляции генерируемых колебаний (фиг. 4): U=4 V - постоянное напряжение (напряжение смещения), U - переменное (модулирующее) напряжение изменяется в пределах (10-200) mV; f - частота модулирующего напряжения задавалась равной 1 МГц и 0,1 МГц. Определены: f - минимальная частота генерируемого колебания, f - максимальная частота генерируемого колебания, f - среднее значение частоты генерации, 2Δf - диапазон изменения частоты генерируемого колебания, f={f-f}/2 - девиация частоты генерируемого колебания, ϕ=f/f - индекс частотной модуляции. Амплитуда выходного сигнала генератора на КМОП транзисторах ультравысоких колебаний составила порядка 1,75 V. Для оценки влияния величины переменной компоненты напряжения блока (9) питания логических элементов и модуляции частоты генерируемых колебаний (фиг. 4) на значение частоты генерируемых колебаний использована гармоническая компонента (фиг. 8) с частотой 2 МГц.
В фиксированные моменты времени определялись значения напряжения гармонической компоненты (фиг. 8). Для заданных моментов времени на выходе генератора (фиг. 5) находилось значение частоты генерируемого колебания (фиг. 9). Результаты измерений отражены на фиг. 8, фиг. 9, в табл. 1 и табл. 2.
Таким образом, заявленная полезная модель «Генератор на КМОП транзисторах ультравысоких модулированных по частоте колебаний» обеспечивает более широкие функциональные возможности генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах [4]. Это заключается в генерации ультравысоких колебаний, модулированных по частоте.
Литература.
1. Словарь радиолюбителя. Под редакцией Л.П. Крайзмера и В.П. Сочивко. Издание пятое, переработанное и дополненное. Ленинград «Энергия», Ленинградское отделение. 1979.
2. Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства: учебник для вузов связи. Под. ред. В.В. Шахгильдяна. / Л.Е Клягин., В.Б., Козырев, А.А. Ляховкин и др. - М.: Связь, 1980. - 328 с.
3. Дробов С.А. Радиопередающие устройства, издание четвертое. Под общей редакцией С.А. Дробова. / С.А. Дробов, С.И. Бычков - М.: Советское радио, 1969. - 720 с.
4. Мушта А.И., Шеховцов Д.В. Патент на полезную модель РФ №158709. «Генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов». Приоритет полезной модели 29 апреля 2015 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 26 октября 2015 г. Опубликовано 20.01.2016 г., бюлл. №2.
5. Ефимов И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. / И.Е. Ефимов, Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. - М.: Высш. шк. 1977. - 416 с.
6. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы. / Ю.А. Овечкин. - М: Высш. шк. 1987. - 416 с.