ГЕНЕРАТОР АМПЛИТУДНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ

Полезная модель генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника амплитудно-манипулированных гармонических сигналов.
0
1
2
н
Известен импульсный усилитель на эффекте Ганна (фиг. 1) в триггерном режиме. Усилитель содержит генератор входных импульсных сигналов, источник постоянного напряжения питания E, индуктивность L, защищающую источник питания от прохождения через него переменной составляющей тока, конденсаторы C, C, разделяющие пути постоянной и переменной составляющих токов, прибор Ганна, структура которого представлена на фиг. 6, и нагрузочный резистор R [1, стр. 289] - прототип.
0
0
Механизм преобразования энергии источника питания в энергию переменных усиленных импульсных сигналов объясняется «проявлением отрицательной 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 E, находящееся в интервале,
который ограничивает падающий участок вольт-амперной характеристики» (фиг. 2) [2, с. 31].
0
0
0
В схеме импульсного усилителя на эффекте Ганна в триггерном режиме (фиг. 1) напряжение батареи выбрано так, что создаваемая при этом напряженность электрического поля в объеме полупроводникового материала удовлетворяет условию (1). «При подаче на вход усилителя (фиг. 1) короткого импульса с длительностью меньше пролетного времени T электрона и с амплитудой, создающей в объеме полупроводникового материала электрическое поле E, удовлетворяющее условию (1), сопротивление прибора Ганна падает, благодаря чему образуется выходной импульс с полярностью, противоположной входному импульсу, и длительностью, равной пролетному времени R» [1, с. 289].
Недостатком этого известного усилителя импульсных сигналов является то, что он в принципе не может генерировать, не может манипулировать электрические колебания.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей усилителя импульсов путем совершенствования его структуры.
Достигаемым техническим результатом настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей усилителя импульсов, заключающееся в генерации гармонических сигналов, манипулированных по амплитуде.
3
4
4
Генератор гармонических амплитудно-манипулированных сигналов на КМОП-транзисторах (фиг. 3), содержащий внешний генератор U1 прямоугольных манипулирующих импульсов, разделительный конденсатор C4, отличающийся тем, что введены МОП-транзисторы Q1, Q4, Q6, Q8 с каналами n-типа, МОП-транзисторы Q2, Q3, Q5, Q7 с каналами p-типа, конденсаторы постоянной емкости C1, C2, C3, при этом потенциальный выход генератора прямоугольных манипулирующих импульсов подключен к затворам транзисторов Q1, Q3, исток pМОП-транзистора Q3 соединен со стоком pМОП-транзистора Q2, сток pМОП-транзистора Q3 соединен со стоком nМОП-транзистора Q1, со стоком nМОП-транзистора Q4, с затворами pМОП-транзистора Q5 и nМОП-транзистора Q6, с первым выводом конденсатора C1, стоки pМОП-транзистора Q5 и nМОП-транзистора Q6 соединены с затворами pМОП-транзистора Q7 и nМОП-транзистора Q8 и с первым выводом конденсатора C2, стоки pМОП-транзистора Q7 и nМОП-транзистора Q8 соединены с первыми выводами конденсатора C и конденсатора C, второй вывод конденсатора С является выходом генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах, истоки pМОП-транзисторов Q2, Q5, Q7 соединены с потенциальным выходом источника питания устройства, истоки nМОП-транзисторов Q1, Q4, Q6, Q8, а также вторые выводы конденсаторов C1, C2, C3 соединены с общей шиной источника питания устройства.
Генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов работает следующим образом. «В полупроводниковом материале с электронной проводимостью в 1963 году Ганном было обнаружено явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в случае приложения к образцу постоянного напряжения, превышающее некоторое критическое значение. Оказалось, что частота колебаний зависит от длины образца и лежит в диапазоне нескольких гигагерц» [1, стр. 288].
1
«Эффект Ганна связан с тем, что в образце (полупроводникового материала с электропроводностью n-типа) периодически возникает, перемещается по нему со скоростью (v) близкой к дрейфовой скорости электронов вне домена и исчезает область сильного электрического поля, которую называют электрическим доменом. Если поле вне домена превышает E(1), то у катода начинает формироваться новый домен, плотность тока уменьшается и процесс повторяется. Домен возникает вследствие неустойчивости однородного распределения электрического поля при проявлении отрицательной дифференциальной проводимости. Частота υ колебаний равна обратной величине длительности прохождения через образец, т.е.
В этом проявляется существенное отличие эффекта Ганна от генерации колебаний в других приборах с характеристикой N-типа, например, в цепи с туннельным диодом, где генерация не связана с образованием и движением доменов и частота колебаний определяется емкостью и индуктивностью цепи» [2, стр. 34-35].
Изменение (1→0) управляющего сигнала является командой для начала генерации высокочастотных колебаний генератором гармонических амплитудно-манипулированных сигналов на КМОП-транзисторах (фиг. 3). Благодаря наличию МОП-транзисторов с электронной проводимостью в заявляемом генераторе амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах в первый момент после подачи на его вход перепада напряжения 1→0 в n-канале МОП-транзистора Q1 возникает, перемещается по каналу и исчезает область сильного электрического поля (электрический домен), что порождает в полупроводнике генерацию высокочастотных колебаний.
1
1
Генерация высокочастотных гармонических колебаний в генераторе амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах по своей природе аналогична генерации высокочастотных колебаний в полупроводниковом материале с электронной проводимостью, обнаруженной Ганном [1, стр. 288]. Присутствие эффекта Ганна в процессе генерации высокочастотных гармонических колебаний в генераторе амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах обнаруживает, в частности, форма генерируемых гармонических сигналов (фиг. 4 (Моделирование выполнил С.А. Некрасов)). Форма (исходный вид) осциллограммы сгенерированного выходного гармонического сигнала (фиг. 4) генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах идентична форме осциллограммы импульса тока (фиг. 5) [3, стр. 68], отражающей явление генерации высокочастотных колебаний электрического тока в полупроводнике (эффект Ганна). Это свидетельствует о возможности генерации высокочастотных гармонических колебаний при использовании КМОП-транзисторов.
Сгенерированное высокочастотное гармоническое колебание, достигнув выхода генератора, попадает на вход цепи положительной обратной связи, образованной емкостью конденсатора C1 и входным сопротивлением nМОП-транзистора Q4. Цепь положительной обратной связи обеспечивает выполнение баланса фаз и баланса амплитуд в генераторе. В итоге, в генераторе реализуется стационарный режим генерации гармонических колебаний с частотой, равной сотням МГц - единицам ГГц (таблица).
Приведенные в таблице данные свидетельствуют о возможности генерации гармонических колебаний заявляемым генератором амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах в широком интервале частот с низким коэффициентом нелинейных искажений.
Высокочастотное гармоническое колебание на выходе заявляемой полезной модели генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах имеет место в течение времени, при котором напряжение на выходе управляющего генератора равно напряжению логического нуля. При возникновении на выходе управляющего генератора перепада напряжения 0→1 колебания на выходе генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах прекращаются (фиг. 4). В момент очередного перепада напряжения 1→0 управляющего сигнала вновь возобновляется генерация гармонических колебаний, в итоге, генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах формируется последовательность гармонических сигналов, манипулированных по амплитуде.
Таким образом, заявляемая полезная модель генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах обеспечивает более широкие функциональные возможности усилителя импульсов. Это заключается в генерации высокочастотных гармонических сигналов, манипулированных по амплитуде.
Заявляемая полезная модель не содержит классических, свойственных автогенератору (т.е. генератору с самовозбуждением) частотно-избирательных систем.
Наблюдаемая генерация гармонических колебаний при использовании генератора амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах по своей природе аналогична генерации высокочастотных колебаний в полупроводниковом материале с электронной проводимостью, обнаруженной Ганном [1, стр. 288].
Обеспечение стационарного режима генерации обусловлено введением в генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП-транзисторах положительной обратной связи, образованной за счет конденсатора C3 и входного сопротивления nМОП-транзистора Q4.
Амплитудная манипуляция генерируемых гармонических колебаний реализуется путем подачи от внешнего управляющего генератора прямоугольных импульсов на вход генератора амплитудно-манипулированных гармонических колебаний на КМОП-транзисторах перепадов напряжений 1→0, 0→1. Временные интервалы между перепадами напряжений 1→0 и 0→1 определяются соответствующим кодированием передаваемой информации.
Литература
1. Ефимов И.Е. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления. / И.Е. Ефимов, Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. - М.: Высш. шк. 1978. - 312 с.
2. Ефимов И.Е. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. / И.Е. Ефимов, Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. - М.: Высш. шк. 1977. - 416 с.
3. Балашов Ю.С. Физические основы функционирования интегральных устройств микроэлектроники / Ю.С. Балашов, М.И. Горлов. - Воронеж: ГОУВПО ВГТУ. 2008. - 187 с.