ГЕНЕРАТОР НА КМОП ТРАНЗИСТОРАХ УЛЬТРАВЫСОКИХ МАНИПУЛИРОВАННЫХ ПО АМПЛИТУДЕ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности к схемам для генерирования электрических импульсов с использованием логических схем, и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике.
Ультравысокие радиочастоты занимают диапазон 0.3-3.0 (ГГц) [Словарь радиолюбителя. Под редакцией Л.П. Крайзмера и В.П. Сочивко / Издание пятое, переработанное и дополненное. Ленинград «Энергия», Ленинградское отделение. 1979. - 398 с.]
Прототипом заявляемого генератора является генератор амплитудно-манипулированных гармонических сигналов на КМОП транзисторах по патенту РФ 158709 [МПК H03K 3/027, опубл. 20.01.2016 г.]. Его структурная схема на фиг. 1. Он содержит внешний генератор 1, логический элемент ИЛИ-НЕ 2, два элемента НЕ 3-4, четыре конденсатора постоянных емкостей 5-8.
Целью заявленного технического решения является разработка конструкции генератора на КМОП транзисторах ультравысоких амплитудно-манипулированных колебаний.
Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств формирования ультравысоких манипулированных по амплитуде колебаний.
разд
разд
разд
Технический результат достигается тем, что генератор на КМОП транзисторах ультравысоких манипулированных по амплитуде колебаний, включающий внешний генератор управляющих прямоугольных импульсов, конденсаторы постоянных емкостей С, C1, С2, С3, выполненные на КМОП транзисторах с индуцированными каналами логические элементы (ЛЭ): два элемента НЕ и элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым выводом конденсатора С1 и входом первого элемента НЕ, выход первого элемента НЕ соединен с первым выводом конденсатора С2 и входом второго элемента НЕ, выход второго элемента НЕ соединен с первыми выводами конденсатора С3 и разделительного конденсатора С, вторые выводы конденсаторов C1, С2, С3 соединены с общей шиной источника питания устройства, второй вывод конденсатора С является выходом заявленного генератора, согласно полезной модели, дополнительно содержит nМОП транзистор с индуцированным каналом, при этом выход второго элемента НЕ соединен также со стоком nМОП транзистора, исток nМОП транзистора соединен со вторым входом элементом 2ИЛИ-НЕ, потенциальный выход генератора присоединен к затвору nМОП транзистора, а первый вход элемента 2ИЛИ-НЕ и подложка nМОП транзистора соединены с общей шиной источника питания устройства.
Заявленный генератор приведен на фиг. 2.
На фиг. 3 приведен вид элемента 2ИЛИ-НЕ в заявленном генераторе, содержащего первый 18 и второй 19 входы элемента соответственно, выход 20 элемента, вывод соединения с потенциальным выходом источника питания устройства 21.
На фиг. 4 приведен вид (а) первого элемента НЕ и (б) второго элемента НЕ, содержащих входы 22 и 23, выходы 24 и 25, выводы 26 и 27 соединения с потенциальным выходом источника питания устройства к первому и второму элементам НЕ соответственно.
разд
Заявленный генератор содержит генератор 9, выполненные на КМОП транзисторах с индуцированными каналами элементы: 2ИЛИ-НЕ 10, первый элемент НЕ 11 и второй элемент НЕ 12, конденсаторы 13-16 постоянных емкостей С, C1, С2, С3, выход ЛЭ 2ИЛИ-НЕ 10 соединен с первым выводом конденсатора 14 и входом первого элемента НЕ 11, выход первого элемента НЕ 11 соединен с первым выводом конденсатора 15 и входом второго элемента НЕ 12, выход второго элемента НЕ 12 соединен с первыми выводами конденсатора 16 и разделительного конденсатора 13, вторые выводы конденсаторов 14-16 соединены с общей шиной источника питания устройства, второй вывод конденсатора 13 является выходом заявленного генератора, затвор nМОП транзистора 17 и первый вход элемента 2ИЛИ-НЕ 10 соединен с общей шиной источника питания устройства, выход второго элемента НЕ 12 соединен также со стоком nМОП транзистора 17, исток nМОП транзистора соединен с вторым входом элементом 2ИЛИ-НЕ 12, подложка nМОП транзистора соединена с общей шиной источника питания устройства, потенциальный выход генератора 9 присоединен к затвору nМОП транзистора 17.
Заявленный генератор работает следующим образом.
Сначала рассмотрим процесс генерации на КМОП транзисторах ультравысоких не манипулированных по амплитуде колебаний, после чего - механизм осуществления амплитудной манипуляции генерируемых колебаний.
На фиг. 5 приведена структурная схема «вспомогательного» генератора на КМОП транзисторах с индуцированными каналами не манипулированных по амплитуде ультравысоких колебаний. На выходе «вспомогательного» генератора обнаружено ультравысокое колебание. В частности, если напряжение источника питания равно 5 В, длина канала КМОП транзисторов l=0.18 мкм, ширина канала w=0.22 мкм; С1=0.1 пФ, С2=0.8 пФ, С3=2.4 пФ, то частота ультравысоких колебаний обнаруженной генерации составляет 874.1459 МГц, напряжение на выходе - 0.65 В (фиг. 6).
i
Отметим, что частоту генерации можно варьировать путем изменения величины емкости хотя бы одного из конденсаторов C1, С2, С3. Итак, после подведения напряжения источника питания к транзисторам логических элементов на выходе второго элемента НЕ 12 имеет место ультравысокое колебание. Сгенерированное ультравысокое электрическое колебание, достигнув выхода второго элемента НЕ, попадает на вход цепи положительной обратной связи, состоящей из входного сопротивления nМОП транзистора Q4 (фиг. 3) второго входа 19 логического элемента 2ИЛИ-НЕ 10. Цепь положительной обратной связи реализует выполнение баланса фаз и баланса амплитуд в «вспомогательном» генераторе. Это обеспечивает стационарный режим генерации ультравысоких колебаний. При этом отсутствует любая манипуляция или какое-либо друге изменение параметров генерируемых колебаний. За генерацию ультравысоких колебаний непосредственно несут ответственность три конденсатора 14-16 и три логических элемента 10-12. Включение источника питания вызывает рост напряженности электрического поля (E>0) в канале nМОП транзистора Q1 с заземленным затвором элемента 2ИЛИ-НЕ 10. Возможно, определенное значение напряженности электрического поля порождает в объеме полупроводникового материала с электропроводностью n-типа канала nМОП транзистора Q1 с индуцированным каналом механизм преобразования энергии источника питания в энергию переменных электрических колебаний.
экв
зат
зс
i
си
вых
Обратимся к генератору (фиг. 2). Пусть напряжение на выходе генератора управляющих прямоугольных импульсов 9 не изменяется. Сгенерированное ультравысокое электрическое колебание, достигнув выхода второго элемента НЕ 12, попадает на вход цепи положительной обратной связи, состоящей из входного сопротивления nМОП транзистора Q4 второго входа логического элемента 2ИЛИ-НЕ 10 и эквивалентного сопротивления Z, которое образуют элементы nМОП транзистора (Q10) 17: С - емкость затвора, С - емкость затвор-сток, R - внутреннее сопротивление, С - емкость сток-исток, а также выходная емкость С генератора прямоугольных управляющих импульсов 9. Цепь положительной обратной связи обеспечивает выполнение баланса фаз и баланса амплитуд в генераторе (фиг. 2). В нем реализуется стационарный режим генерации ультравысоких не манипулированных по частоте колебаний.
VT
нас
VT
зап
VT
зап
VT
нас
Механизм амплитудной манипуляции генерируемых на КМОП транзисторах ультравысоких следующий. Под действием перепадов 1→0, 0→1 управляющего напряжения генератора прямоугольных импульсов 9, приложенного к затвору nМОП транзистора Q10 17 с индуцированным каналом, сопротивление канала указанного транзистора резко изменяется в зависимости от величины управляющего напряжения генератора 9. Сопротивление nМОП транзистора Q10 17 с индуцированным каналом в зависимости от управляющего напряжения может принимать два значения: R=R→0, если генератор включен, и R=R→∞, если выключен» [Опадчий Ю.Ф., стр. 410. Аналоговая и цифровая электроника. / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Радио и связь. 1996. - 768 с.]. В частности, при поступлении на затвор nМОП транзистора Q10 17 напряжения, равного уровню логического нуля, R=R→∞. Поэтому сигнал с выхода второго элемента НЕ 12 не поступает на второй вход элемента 2ИЛИ-НЕ 10. Генерация ультравысоких гармонических колебаний прекращается. При поступлении на затвор nМОП транзистора Q10 (10) с индуцированным каналом напряжения, равного уровню логической единицы, R=R→0. Поэтому сигнал с выхода второго элемента НЕ 12 практически без задержки поступает на второй вход элемента 2ИЛИ-НЕ 10. Генерация ультравысоких колебаний имеет место. При воздействии перепадов 1→0, 0→1 напряжения управляющего генератора 9 на затвор транзистора с индуцированным каналом n-типа Q10 17. Заявленный генератор генерирует манипулированную по амплитуде последовательность ультравысоких колебаний.
VT
нас
VT
зап
Итак, генератор 9 выполнен таким образом, что его выходная импульсная последовательность прямоугольных импульсов характеризуется скачкообразными изменениями, перепадами 0→1 и 1→0 с целью обеспечения скачкообразных изменений, перепадов сопротивления nМОП транзистора с индуцированным каналом Q10 17 R=R→0, если генератор включен, и R=R→∞, если выключен, соответственно для обеспечения амплитудной манипуляции вырабатываемой генератором последовательности ультравысоких колебаний. Таким образом, заявленный генератор формирует на своем выходе ультравысокие манипулированные по амплитуде колебания.
Проведено моделирование заявленного генератора.
0
Пример 1. Параметры КМОП транзисторов элемента 2ИЛИ-НЕ, первого элемента НЕ, второго элемента НЕ, nМОП транзистора Q10: длина канала L=0.18u, ширина канала w=0.22u; источник питания VCC 5 В; номиналы конденсаторов: С1=0.1 pF, С2=0.2 pF, С3=0.3 pF; параметры генератора прямоугольных манипулирующих импульсов: частота f=100 кГц, напряжение U=3 В. На фиг. 7а приведены прямоугольный управляющий сигнал и выходной манипулированный по амплитуде ультравысокий сигнал заявленного генератора. Ультравысокие выходные колебания имеют место только при поступлении на затвор nМОП транзистора Q10 напряжения, равного уровню логической единицы. Частота ультравысоких колебаний (фиг. 7а, 7b, 7с) составила 1.9459 ГГц, выходное напряжение - 1.35 В.
Пример 2. По сравнению с примером 1 изменены величины конденсаторов: С2=0.8 pF, С3=2.0 pF. Частота ультравысоких колебаний (фиг. 8а, 8b, 8с) составила 711.422 МГц, выходное напряжение - 0.66 В.
Таким образом, заявленный генератор расширяет арсенал технических средств генератора на КМОП транзисторах ультравысоких амплитудно-манипулированных колебаний.