Автогенераторный модуль с дифференциальным активным элементом на биполярных транзисторах
На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВ МИХАИЛ ВИКТОРОВИЧ АВТОГЕНЕРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ АКТИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Московского энергетического института (Технического университета) кандидат технических наук, доцент
Научный консультант:
БОЛДЫРЕВА Татьяна Ивановна доктор физико-математических наук,
Официальные оппоненты:
профессор ХОТУНЦЕВ Юрий Леонтьевич кандидат технических наук, доцент МУСЯНКОВ Михаил Иванович ОАО «Российские космические
Ведущая организация: системы» (г. Москва)
Защита состоится 25 ноября 2010г. в 15ч. 30мин. на заседании диссертационного со вета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (Техническом универ ситете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная д.17, аудитория А-402.
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу:
Ученый совет МЭИ (ТУ), 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная д.14.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).
Автореферат разослан « » октября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157. Кандидат технических наук, доцент Т.И. Курочкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы В связи c широким распространением беспроводных сетевых систем передачи ин формации, датчиков систем навигации и пространственного положения объектов, а так же сотовой и спутниковой связи различных стандартов все более актуальной становит ся задача построения экономичных источников колебаний СВЧ с электрически управ ляемой частотой и низкими уровнями фазовых (ФМ) и амплитудных (АМ) шумов.
Современные малошумящие электрически перестраиваемые источники колебаний состоят, как правило, из двух каскадов: первичного источника колебаний – автогенера тора (АГ) и буферного каскада (БК). Такие источники колебаний реализуются с исполь зованием как гибридных, так и микроэлектронных технологий, и во всех случаях для достижения наилучших характеристик должны разрабатываться как единые модули.
Далее они будут именоваться автогенераторными модулями (АГМ).
В современных разработках АГМ все большую долю занимают модули, реализуемые на дифференциальных активных элементах (ДАЭ). Это объясняется в первую очередь тем, что в таких схемах влияние внешних помех на спектральные характеристики су щественно ослабляется благодаря эффекту компенсации синфазных воздействий. Кро ме того, в таких схемах АГМ удается получить хорошие энергетические характеристи ки при низких питающих напряжениях. При этом, из-за кажущейся простоты таких схем и наличия современных программных средств разработка конкретных АГМ, осо бенно ориентированных на интегральное исполнение, может быть достаточно быстро выполнена методами компьютерного моделирования. Поэтому по результатам такого анализа схем много публикаций [А.Занчи (A.Zanchi), К.Самори, (C.Samori) С.Ваучер (C.Vaucher), П.Лэй (P. W. Lai) и др.] Однако при таком подходе не проводится системного анализа связи между внешни ми характеристиками АГМ как источника колебаний (выходная мощность, полоса пе рестройки, уровень ФМ шумов и т.д.) и внутренними режимными характеристиками и параметрами схем, оказывающими основное влияние на внешние характеристики. Это не позволяет исследовать и сознательно использовать свойства различных режимов АГМ для достижения наилучших сочетаний показателей качества при решении при кладных задач.
В частности, совершенно недостаточно исследована работа, как усилителей, так и ав тогенераторов на основе ДАЭ в нелинейных и особенно перенапряженных режимах. В известных теоретических публикациях рассматриваются либо усилительные и ограни чительные каскады [А.Г.Алексенко, У.Титце, К.Шенк, Г.С.Остапенко, Е.А.Богатырев, В.Н.Павлов, Э.Л.Муро, В.З.Найдеров и др.], в которых транзисторы ДАЭ используются на относительно невысоких частотах, либо усилители и автогенераторы колебаний умеренно высоких частот [В.Н.Кулешов, М.П.Пацекин, О.Ф.Бокк и др.]. Во всех случа ях теоретический анализ выполнен для ДАЭ с транзисторами, работающими только в активной области.
В то же время реальные АГ часто работают с использованием перенапряженных ре жимов ДАЭ и при этом сочетание экспериментально полученных характеристик ока зывается вполне приемлемым для практики. Этот факт требует теоретического объяс нения.
В настоящее время анализ АГМ без учета его флуктуационных характеристик явля ется существенно неполным. Общие методы исследования флуктуационных характери стик автогенераторов описаны в ряде работ отечественных авторов [Рытова С.М., Ма лахова А.Н., Евтянова С.И., Кулешова В.Н., Бруевича А.Н., Хотунцева Ю.Л. и др.] и за рубежных [П.Пенфильда (P.Penfield), Дж.Маллена (J.Mullen), Д.Лисона (D.Leeson) и др.]. Однако применение этих методов к анализу флуктуационных характеристик АГ на ДАЭ имеет определенную специфику, на которую обращено внимание в соответст вующих разделах диссертации.
Таким образом, актуальным как с научной, так и с практической точек зрения явля ется систематический теоретический анализ всех важнейших режимных и флуктуаци онных характеристик АГМ в целом и входящих в него автогенератора и усилителя на ДАЭ, при работе этих устройств как в недонапряженном, так и в перенапряженном ре жимах. Такое исследование, расширенное и дополненное моделированием и проверен ное экспериментально позволит предложить и обосновать простые и надежные вариан ты построения АГМ с требуемым сочетанием основных внешних характеристик.
Цели работы Теоретическое и экспериментальное исследование режимных и флуктуационных ха рактеристик автогенераторных модулей, построенных на основе ДАЭ, состоящих из биполярных транзисторов и работающих как в недонапряженных, так и перенапряжен ных режимах, и создание основ методики инженерного проектирования таких модулей.
Решаемые задачи Исследование режимных характеристик нелинейных усилительных каскадов, постро енных на основе дифференциальных активных элементов, состоящих из биполярных транзисторов (ДАЭ БТ) и работающих как в недонапряженных, так и перенапряженных режимах.
Исследование режимных и модуляционных характеристик генераторов, управляемых по частоте напряжением (ГУН), построенных на основе ДАЭ БТ и работающих как в недонапряженных, так и перенапряженных режимах.
Исследование флуктуационных характеристик генераторов и усилительных каскадов, построенных на основе ДАЭ БТ.
Исследование взаимодействия автогенератора и буферного каскада (БК) построенных на основе ДАЭ БТ, входящих в состав АГМ, и влияния этого взаимодействия на энер гетические, флуктуационные и другие внешние характеристики АГМ.
Создание основ методики проектирования АГМ, построенных на базе ДАЭ БТ, по за данным требованиям к внешним характеристикам.
Методы исследования Для решения поставленных задач при анализе почти гармонического колебания при наличии флуктуаций в нелинейных системах использовался метод символических уко роченных уравнений, методы теории устойчивости и теории чувствительности, поли гармонический метод анализа нелинейных систем в среде ADS 2008, методы экспери ментального исследования режимных и модуляционных характеристик автогенератор ных модулей.
Новые научные результаты, полученные в диссертации 1. Разработан метод расчета временных диаграмм и спектральных характеристик токов транзисторов ДАЭ и напряжений на их электродах при работе БТ в активной области, областях отсечки и насыщения. На основе этого метода исследованы характеристики усилителя и автогенератора на ДАЭ, работающих в недонапряженном и перенапряжен ном режимах.
2. Получены соотношения для расчета естественных и фликерных шумов БК на ДАЭ, позволяющие проанализировать влияние параметров схемы БК на уровни ФМ и АМ шумов, вносимых БК, и связь между этими уровнями и мощностью, отбираемой с вы хода автогенератора.
3. Получены выражения для расчета и анализа режимных и модуляционных характе ристик ГУН, построенных на ДАЭ БТ, при работе ДАЭ в недонапряженных и перена пряженных режимах. Обнаружен и объяснен механизм управления частотой ГУН, ра ботающего в перенапряженном режиме, изменением тока токозадающего каскада.
4. Получены расчетные соотношения для анализа естественных ФМ и АМ шумов ав тогенераторов, построенных на основе ДАЭ БТ, в которых учтены как шумы БТ диф ференциальной пары, так и шумы токозадающего транзистора. Исследовано влияние режима автогенератора на уровни этих шумов.
5. Исследовано соотношение вкладов всех источников шумов автогенератора и буфер ного каскада АГМ в общий уровень ФМ и АМ шумов АГМ и разработаны рекоменда ции по снижению уровней ФМ шумов на выходе АГМ.
6. Определена граница применимости предложенной методики исследования. На ос новании компьютерного моделирования полигармоническим методом доказана спра ведливость предложенного метода.
Практическая значимость результатов работы 1. Разработанный подход к расчету и анализу режимов ДАЭ БТ позволяет разработчи кам сознательно выбирать рабочие режимы усилительных каскадов и автогенераторов, построенных на ДАЭ БТ, исходя из требований к уровню мощности, стабильности ам плитуды выходных колебаний и уровню фазовых шумов.
2. Разработанные проекты в среде ADS, исходные данные для которых получены на ос нове теоретического анализа, позволяют уточнить приближенные расчеты и довести проектирование АГМ на ДАЭ БТ до получения данных, необходимых для практиче ской реализации.
3. Обнаружен новый способ перестройки частоты ГУН, работающего в перенапряжен ном режиме за счет изменения тока токозадающего каскада.
4. Созданы макеты АГМ на ДАЭ БТ, подтверждающие теоретически полученные ре зультаты.
5. Сочетание теоретического анализа с использованием разработанных методов и моде лирования в среде ADS является основой для построения методик проектирования АГМ, в которых используются ДАЭ БТ, по заданным требованиям к внешним характе ристикам.
Исследования выполнены в рамках гранта НШ-3344.2008.8 Совета Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ.
Положения, выносимые на защиту 1. Метод анализа усилителей и автогенераторов на ДАЭ БТ при использовании актив ных элементов как в недонапряженных, так и в перенапряженных режимах.
2. Результаты исследований особенностей работы усилителей и автогенераторов на ДАЭ БТ в перенапряженных режимах.
3. Соотношения для расчета и результаты анализа фазовых и амплитудных шумов в усилителях и автогенераторах на ДАЭ БТ при учете вклада шумов токозадающего кас када и периодической нестационарности флуктуаций.
4. Анализ фазовых и амплитудных шумов в АГМ с учетом источников шумов в автоге нераторе и буферном каскаде и влияния буферного каскада на работу автогенератора.
Апробация результатов работы Основные результаты работы были доложены и обсуждены на следующих научно технических конференциях и семинарах: «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», научно-технический семинар, Ярославль 2008, Воронеж 2009;
11-й, 12-й и 14-ой Международной научно-технической конфе ренции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2005-2006, 2008;
«Международной научной конференции к 100-летию со дня рождения В.А.Котельникова», Москва 2008;
научно-методический семинар «Шумовые и дегра дационные процессы в электронных цепях», Москва, 2009, Публикации По теме диссертации автором опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 науч ных статьи и текстов докладов, из них 1 без соавтора и 2 статьи в журналах из списка, рекомендуемого ВАК РФ.
Объем и структура работы Диссертация изложена на 144 страницах, содержит 89 илл. и 1 табл. Работа состоит из введения, 5 разделов, заключения и списка литературы.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении приведен обзор публикаций по вопросам современных разработок ГУН и усилителей на ДАЭ БТ. Обоснована актуальность работы. Изложены цели и задачи работы. Подчеркивается, что в работе исследуется схема автогенераторного модуля на дифференциальном активном элементе (рис.1), в которой для стабилизации режима по постоянному току используются токозадающие каскады.
Рис. 1 Принципиальная схема генераторного модуля на ДАЭ В первом разделе разработан инженерный метод анализа режимов буферных усилителей на ДАЭ при описании работы БТ в активной области, областях отсечки и насыщения безинерционной нелинейной моделью Эберса-Молла. При ряде допуще ний, таких как электрическая симметрия n-p-n структуры и гармоничность напряже ния на входе uг() и дифференциальном выходе uн(), получены соотношения для рас чета напряжения на эмиттере (1) и р-n переходах транзисторов. Это позволило в яв ном виде записать выражения для расчета временных диаграмм токов БТ и, исполь зуя Фурье-преобразование, провести гармонический анализ токов и напряжений в стационарном режиме при работе усилителя в недонапряженном и перенапряженных режимах.
Eсм Eп J + e T m2 ch uг () + uн (), uг () uэ () = T m1 ln ch ln 0 (1) m1 m T T I кrsinv, J 0 = I 0 + 2 2 ;
m1,2, inv,, Iкrs, T – параметры модели БТ.
где = ( + 1) I кrs В результате расчета получены временные зависимости токов и напряжений при работе усилителя в недонапряженном и перенапряженном режимах, передаточная характеристика по напряжению БК на ДАЭ Uн(Uг) (рис.2 а) и колебательная харак теристика I1(Uг) (рис.2 б). Из этого рисунка видно, что при больших токах смещения в перенапряженном режиме колебательная и амплитудная характеристики усилителя имеют отрицательный наклон. Анализ временных диаграмм токов коллектора пока зал, что 1-я гармоника тока и амплитуда напряжения на контуре начинают умень шаться только при существенной деформации импульсов тока коллектора.
Рис.2. Семейство амплитудных (а) и колебательных (б) характеристик буферного усилителя на ДАЭ при токе I0: 1 – I0 = 1 мА, 2 – I0 = 2,5 мА, 3 – I0 = 5 мА и Eсм=1В, Rн=1 кОм, EП=4В Проведенное компьютерное моделирование в среде ADS 2008 усилителя на ДАЭ БТ полигармоническим методом подтвердило правильность расчетов, выполненных пред ложенным методом.
Второй раздел посвящен разработке методов теоретического исследования шумовых характеристик буферного каскада на ДАЭ с токозадающим каскадом в цепи эмиттеров.
На основании гибридной П-образной малосигнальной эквивалентной схемы (МЭС) БТ, содержащей источники естественных и фликерных шумов построена эквивалентная шу мовая схема БК на БТ (рис.3). В этой схеме: iр – шумовой ток рекомбинации, iтшБ – теп ловой шумовой ток базы, iдр – дробовой шумовой ток. Y(t) - суммарная проводимость сопротивления рекомбинации r(t) и диффузионной емкости CДЭ(t), Sп(t) – крутизна по базо-эмиттерному переходу в рабочей точке. Анализ флуктуационных характеристик проводился в предположении, что на входе БК действует малый гармонический сигнал с несущей частотой. Спектральная плотность мощности ФМ и АМ шумов БК представ лена в виде суммы СПМ естественных шумов и шумов типа 1/f :
S () = S1 () + S2 (), (2) Sa () = Sa1 () + Sa 2 () где S1 () и Sa1 () СПМ ФМ и АМ возникают из-за влияния естественных источ S 2 () ников шумов, и Sa 2 () – из-за влияния 1/f – флуктуаций параметров БТ, - частота анализа. Для расчета СПМ естественных шумов использовался матрично-векторный метод.
Расчет ФМ и АМ шумов типа 1/f сводился к расчету чувствительности амплитуды и фазы сквозного коэффициента передачи усилителя по напряжению к вариациям пара метров Y(t) и Sп(t) МЭС усилителя и связи его характеристик с СПМ первичных шумов 1,2 ( t ). Флуктуирующие параметры МЭС БТ представлены выражениями Y1,2 (t ) = Y0 (1 + 1,2 (t ) + C1,2 (t )), Sп1,2 (t ) = Sп1,2 (1 + S1,2 (t )), где 1, 1 ( t ) = 1 ( t ) (1 A1 ) + 2 ( t ) A2 ;
S1 ( t ) = C1 ( t ) = 1 ( t ) A1 + 2 ( t ) A, (3) 2 ( t ) = 2 ( t ) (1 A1 ) + 1 ( t ) A2 ;
S 2 ( t ) = C 2 ( t ) = 1 ( t ) A2 2 ( t ) A ( rБ + RЭ + RБД ) Sп 1 1 1 A1 = A + ;
A2 = A, A= и, (4) 1+ 1+ Sп 1 + ( rБ + RЭ + Rбд ) + Sп RЭ 2 RБД – эквивалентное сопротивление базовой цепи.
Для расчета СПМ ФМ и АМ шумов типа 1/f использовались соотношения:
S f ( ) = T f21 ( ) S1 ( ) + T f22 ( ) S 2 ( ) T f 1 ( ) = Im T1 ( i), T f 2 ( ) = Im T2 ( i), где, (5) Sa ( ) ( ) S1 ( ) ( ) S2 ( ) Ta1 ( ) = Re T1 ( i), Ta 2 ( ) = Re T2 ( i) = Ta2 + Ta S1 ( ) = S 2 ( ) = S ( ) – СПМ первичных флуктуаций, – частота анализа.
T1,2 ( i) - коэффициенты преобразования флуктуаций r(t) в АМ и ФМ шумы выход ного напряжения. Они связаны с параметрами схемы соотношениями:
r ( ) k is, i j i a(t ) + i (t ) = T1 ( i) 1 ( t ) + T2 ( i) 2 ( t ),где T j ( i) =, (6) r 0, i = ( ) i k i, i = 1,2..6, j i – флуктуации параметров за счет одного первичного источника: j = r при 1, j=2 при 2, 0 – вектор параметров схемы в рабочей точке, k ( i) – комплексный коэффициент передачи БК.
Исследовано влияние источников шумов транзисторов дифференциальной пары на работу буферного каскада. Проанализирована связь между шумами, вносимыми БК, и мощностью, отбираемой им от автогенератора (рис. 4,а). Показано, что введе ние сопротивлений в эмиттеры БТ (рис. 4,б) позволяет уменьшить уровни СПМ ФМ шумов БК при больших отстройках от несущей и понизить частоту перехода от об ласти, где СПМ изменяется по закону 1/f, к области, где она не зависит от частоты анализа.
Рис. 4. Зависимости СПМ ФМ естественных шумов БК от входной мощности (а) и полной СПМ ФМ шумов от частоты анализа при различных значениях сопротивления эмиттеров (б) Для оценки влияния параметров схемы и источников шумов ТК на вносимые ФМ и АМ шумы в выходное напряжение БК и АГ была построена эквивалентная схема ТК, содержащая источники естественных и фликерных шумов при разных схемах пи тания токозадающего каскада. Установлена связь флуктуаций параметров МЭС БК при наличии первичных 1/f шумов БТ в ТК.
Проведен анализ влияния источников естественных и фликерных шумов токоза дающего каскада на общий уровень ФМ и АМ шумов, вносимых БК. Рассмотрены два варианта питания цепи базы токозадающего транзистора: через резистивный делитель напряжения и токовое зеркало. Для обоих вариантов найдены условия малости вклада шумов токозадающего каскада в общий уровень шумов, вносимых БК.
В третьем разделе предложена методика расчета временных зависимостей токов и напряжений ДАЭ БТ, а также режима и характеристик АГ (рис.1), работающего в недонапряженном и перенапряженном режимах. В методике БТ описывается без инерционной моделью Эберса-Молла. При допущениях о гармоничности напряже ния на контуре uг() и полной симметрии схемы получены явные выражения для временных зависимостей напряжений на эмиттере uэ() (7), р-n переходах транзи сторов, а затем токов ДАЭ БТ.
E Uг 2 U uэ = T п + ln + ln ch 1ch г cos, cos ln 1 + (7) T 2mэT mк T J0 J где коэффициенты J0 и 1 определяются выражениями:
inv I кrs I 1 =, J0 = + 2 + 1. (8) (1 + inv ) I эrs (1 + ) I эrs В работе получено уравнение стационарного режима АГ на ДАЭ, в котором учте но совместное действие двух транзисторов и входное сопротивление каждого БТ.
Эквивалентная схема колебательной системы (КС) АГ показана на рис.5.
Рис. 5. Эквивалентная схема колебательной системы АГ на ДФК с учетом входных сопротивлений БТ На этом рисунке I1 (U 2,U1 ) и I 2 (U1,U 2 ) – комплексные амплитуды первых гармо &&& &&& ник коллекторных токов, Rвх1,2 – входные сопротивления БТ АГ по первой гармони ке. В результате решения уравнения стационарного режима по первой гармонике (9):
& U & & U г = 2 Rуд 2 I1 г, (9) & & & где U г = U1 U 2, Rуд – управляющее сопротивление АГ, учитывающее входные со противления транзисторов, I1 – сумма первых гармоник коллекторных токов БТ, бы ли получены все основные характеристики АГ на ДАЭ БТ.
В работе исследовано влияние параметров колебательной системы АГ и входных сопротивлений БТ на режимы работы ДАЭ, форму токов и напряжений, колеба тельные и нагрузочные характеристики автогенератора. Выявлены особенности этих характеристик автогенераторов на ДАЭ при работе в недонапряженном и пере напряженном режимах.
На рис. 6,а показаны колебательные характеристики I1 (U г ) АГ при разных зна чениях тока токозадающего каскада I0. Из этих характеристик видно, что первая гар моника контурного тока резко падает только при работе АГ в сильно перенапряжен ном режиме, который характеризуется полной деформацией импульса коллекторно го тока. Влияние входного сопротивления БТ показано на рис.6,б.
Рис. 6. Зависимость I1 (U г ) при разных значениях I0 (а), семейство нагрузочных линий при различных добротностях контура (пунктирная линия - нагрузочная прямая без учета Rвх) и I1 ( U г ) при I0 = 5 мА, ЕП = 4 В В сильно перенапряженном режиме входные сопротивления БТ Rвх1,2 резко уменьшаются, внося дополнительные потери в КС и уменьшая нагруженную доб ротность контура. Это приводит к тому, что в перенапряженном режиме амплитуда колебаний практически не меняется.
На рис.7 показано влияние величины тока I0 на амплитуду колебаний и электрон ный КПД автогенератора при разных значениях Q.
Рис. 7. Зависимость U г ( I 0 ) (а) и зависимость электронного КПД от тока токозадающего каскада I0 (б) при Eп = 4В и различных ненагруженных добротностях КС Проведенные экспериментальное исследование и компьютерное моделирование полигармоническим методом в среде ADS 2008, подтвердили справедливость пред ложенной методики расчета режимов АГ на ДАЭ с БТ в недонапряженном и пере напряженном режимах работы.
В четвертом разделе с использованием разработанного метода расчета стацио нарного режима автогенератора, решалась задача исследования работы перестраи ваемого по частоте напряжением генератора (ГУН) на ДАЭ. Перестройка частоты АГ осуществлялась варикапами. Получены зависимости изменения напряжения на контуре по диапазону перестройки. Проанализировано влияние изменения парамет ров контура на режимы работы ДАЭ АГ. Представлены результаты расчетов харак теристик автогенератора, построенного на БТ СВЧ с рабочей частотой много мень шей fT. Построено семейство зависимостей UГ(Ry) для разных значений тока и полу чены зависимости амплитуды выходного напряжения от управляющего напряжения на варикапе (рис. 8 а,б). Сделаны выводы о целесообразности использования систем автоматической регулировки амплитуды при разработках стабильных по амплитуде ГУН, работающих в недонапряжённом режиме. Показано, что разработанная мето дика позволяет прогнозировать и рассчитывать режимы работы ГУН на ДАЭ, оцени вать изменение частоты и амплитуды автоколебаний без использования сложных программ схемотехнического проектирования.
Рис. 8. Теоретическая зависимость амплитуды напряжения на контуре от управляющего со противления (а);
зависимость амплитуды напряжения на контуре от управляющего напря жения на варикапе (б) при I0: 1 – I0 = 20 мА, 2 – I0 = 10 мА, 3 – I0 = 5 мА, Eп = 4В В целях проверки разработанного метода было проведено моделирование ГУН на ДАЭ в среде ADS. Проведено экспериментальное исследование схемы ГУН на ДАЭ, результаты которого представлены и проанализированы в работе. Получены моду ляционные характеристики генератора (рис. 9).
Рис. 9. Модуляционные характеристики ГУН на ДАЭ: а – теоретический расчет, б – экспериментальные данные при: 1 – I0 = 2мА, 2 – I0 = 5мА Методами компьютерного моделирования исследованы возможности перестрой ки АГ на ДАЭ током токозадающего каскада при моделировании БТ зарядовой мо делью. Показано, что такая перестройка осуществляется, в основном, при достаточ но больших диффузионных емкостях открытых базо-коллекторных переходов БТ ДАЭ. Получены амплитудные и модуляционные характеристики перестраиваемого по частоте током I0 АГ на ДАЭ. Сделаны выводы о режимах работы БТ, целесооб разности и области применения подобных схем.
В пятом разделе получены соотношения для расчета флуктуаций частоты авто генератора на ДАЭ с БТ под влиянием флуктуаций рекомбинационной проводимо сти БТ в буферном усилителе, предложен способ снижения этих флуктуаций, а так же разработан метод расчета ФМ и АМ шумов автогенератора при учете как шумов БТ дифференциальной пары, так и шумов токозадающего транзистора.
С помощью полученных соотношений исследовано влияние фликерных флуктуа ций входного сопротивления буферного каскада АГМ на ДАЭ на уровень СПМ ФМ шумов SАГ ( ) автогенератора. Показано, что вклад, будучи незначительным на низ ких по сравнению с f частотах, резко возрастает с повышением рабочей частоты автогенератора. Кроме того, отмечено, что включение сопротивлений в цепи эмит теров БК в условиях сохранения постоянной амплитуды автоколебаний на достаточ но высоких частотах генерации, позволяет уменьшить СПМ ФМ шумов АГ SАГ ( ), а при частотах генерации значительно меньших, чем f БТ, могут возник нуть компенсационные эффекты. В тоже время при больших значениях емкости свя зи эффективным способом снижения этой составляющей фазовых шумов АГМ явля ется введение отрицательной обратной связи по токам транзисторов в буферном усилителе.
Для расчета собственных ФМ и АМ шумов АГ была построена эквивалентная схема АГ с учетом источников естественных шумов БТ дифференциальной пары, тепловых шумов контура и шумов токозадающего транзистора (рис. 10).
Рис. 10. Эквивалентная схема АГ с источниками естественных шумов В работе получены символические укороченные уравнения автогенератора при работе БТ в активной области, а также функции, описывающие периодически не стационарные шумовые токи, действующие в АГ и учитывающие дробовые шумы БТ АГ и шумовую составляющую ТК.
Методом медленно меняющихся амплитуд, в форме, разработанной С.И.Евтяновым, была составлена система флуктуационных уравнений:
[pT + (1 – (U0)Rуд)]Uф = RудIкшс(t) + QUшт.с(t), (10) U0Tpф = –RудIкшs(t) – QUшт.s(t), (11) в которых Iкш.с(t) и Iкш.s - синфазная с 1-й гармоникой токов коллекторов и квадра турная с ней составляющие полного шумового тока, U шт.с,U шт.s - синфазная и квад ратурная составляющие источника напряжения теплового шума, (U0) - локальная крутизна колебательной характеристики в точке стационарного режима, Т - постоян ная времени контура.
Из этих уравнений после расчета СПМ синфазной и квадратурной составляющих шумовых токов и напряжений были получены выражения для СПМ флуктуацией амплитуды Sm () и фазы S () автоколебаний в АГ на ДАЭ.
Полученные выражения позволяют анализировать влияние частоты автоколеба ний, добротности колебательной системы и параметров режима на уровни СПМ фа зовых и амплитудных шумов.
Исследовано влияние амплитуды автоколебаний генератора на все основные со ставляющие СПМ фазовых и амплитудных шумов. Показано, что при реальных па раметрах современных маломощных БТ вкладами рекомбинационных шумов и теп ловых шумов сопротивлений баз можно пренебречь. Доминируют вклады тепловых шумов колебательной системы, дробовых шумов генераторных и токозадающего транзисторов. Вклад шумов генераторных БТ в общий уровень фазовых шумов при малых амплитудах автоколебаний является преобладающим, но с увеличением ам плитуды резко убывает. Вклад шумов токозадающего БТ, напротив, сильно подав лен при очень малых амплитудах и доминирует при больших амплитудах, соответ ствующих реальным запасам по самовозбуждению. Поэтому эффективным методом снижения фазовых шумов АГ на ДАЭ является введение отрицательной обратной связи по току эмиттера токозадающего транзистора.
Кроме того, получены простые приближенные формулы для оценки минималь ных уровней СПМ ФМ и АМ шумов АГ на ДАЭ при «нешумящих» БТ, и верхние граничные значения, соответствующие для данной схемы случаю, когда токи кол лекторов генераторных и токозадающего БТ сопровождаются полными дробовыми шумами.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Предложен инженерный метод расчета временных зависимостей токов и напряжений в автогенераторе (АГ) и в буферном каскаде (БК) на дифференциальном активном эле менте (ДАЭ) на биполярных транзисторах (БТ), работающих в активной области и об ластях насыщения и отсечки. Получены уравнения стационарного режима БК и АГ при работе в недонапряженном и перенапряженном режимах.
2. Проведено исследование влияния параметров колебательной системы и режимов ДАЭ БТ на режимы работы БК и АГ, форму выходного колебания и основные харак теристики. Проведены компьютерное моделирование и экспериментальное исследова ние, подтверждающие справедливость предложенного метода.
3. На основании предложенной в работе методики расчета фазовых и амплитудных ес тественных и фликерных шумов буферного и токозадающего каскадов, проанализиро вано влияние параметров схемы на спектральную плотность мощности (СПМ) шумов на выходе БК. Сформулированы рекомендации по выбору оптимальных параметров и режимов БК при заданной мощности колебаний в автогенераторе.
4. Решена задача исследования работы ГУН на ДАЭ. Получены основные характери стики. Проанализировано влияния изменения параметров контура на режимы работы ГУН. Методами компьютерного моделирования исследованы возможности перестрой ки автогенератора на ДАЭ на емкостях коллекторных переходов биполярных транзи сторов. Сделаны выводы о режимах работы БТ, целесообразности и области примене ния подобных схем.
5. Получены соотношения, позволяющие рассчитывать уровни СПМ фазовых и ампли тудных шумов, вносимых функциональными узлами АГМ в спектр автоколебания. На основании разработанной методики расчета шумов сформулированы рекомендации по выбору режимов и параметров схем функциональных узлов АГМ для снижения уров ней фазовых шумов АГ.
6. Получены основные соотношения для расчета собственных фазовых и амплитудных шумов автогенератора на ДАЭ. Произведена оценка вкладов в шумовую картину АГМ каждого из ФУ схемы.
7. Часть результатов проведенных исследований и разработанных методик внедрена в учебный процесс в МЭИ (ТУ).
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева Исследование режимов автогенератора на дифференциальном каскаде. // Вестник МЭИ. –2009. –№ 1. – С. 80–88.
2. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Фазовые шумы дифференциального буферного усилителя на биполярных транзисторах // Электросвязь. – 2010. – №3. – С. 38–41.
3. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева Фазовые и амплитудные шумы стабилизирован ных широкополосных усилителей в интегральном исполнении // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Тез. докл. на 11-й междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов.—В 3 т. —М.: Издательский дом МЭИ, 2005.—Т. 1.—С. 16.
Исследование автогенератора на диф 4. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева ференциальном каскаде с автоматической регулировкой амплитуды //Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. 12-й Междунар науч. технич.конф. студ. и аспир..— в 3 т.– М.: Знак, 2006.—. 1.—С. 31-32.
5. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева Сравнительный анализ автогенераторов с авто матической регулировкой амплитуды // Радиоэлектроника, электротехника и энергети ка. Тез. докл. XIV МНТК студентов и аспирантов.— В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – Т. 1. – С. 19-20.
6. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Исследование режимов автогенератора на диф ференциальном каскаде // Труды науч.-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания».–Ярославль, 2008. – С.42-43.
7. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Влияние собственных шумов функциональных узлов системы АРА на нестабильности амплитуды автогенератора на дифференциаль ном каскаде. Тезисы докладов международной научной конференции к 100-летию со дня рождения В.А.Котельникова. М.: Издательский дом МЭИ 2008.—С.74—76.
8. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев, Е.С.Пустоварова Исследование режимов авто генераторов, управляемых напряжением, на дифференциальном каскаде // Труды Все росс. науч.-техн. сем. «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания» М.: Инсвязьиздат. С. 98—100.
9. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Фазовые шумы, вносимые буферным усилителем на дифференциальном активном элементе на биполярных транзисторах. Сборник док ладов всероссийского научно-технического семинара «Системы синхронизации, фор мирования и обработки сигналов для связи и вещания» М.: Инсвязьиздат. – С.15–16.
10. М.В.Васильев Флуктуации амплитуды и фазы, вносимые усилителем на диффе ренциальном активном элементе. Шумовые и деградационные процессы в полупровод никовых приборах. Материалы научно-методического семинара. М.:МНТОРЭС им.
А.С.Попова. –С. 158-163.
11. В.Н.Кулешов, Т.И.Болдырева, М.В.Васильев. Базовые ячейки функциональ ных узлов радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах;
под ред.:
В.Н.Кулешова. М.: Издательский дом МЭИ, 2009.— 184 с.