Оптимизация электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов в нелинейном режиме работы малошумящих усилителей СВЧ диапазона

Дыбой, Александр Вячеславович

Оптимизация электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов в нелинейном режиме работы малошумящих усилителей СВЧ диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Дыбой, Александр Вячеславович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Воронеж МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптимизация электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов в нелинейном режиме работы малошумящих усилителей СВЧ диапазона»

Автореферат диссертации на тему "Оптимизация электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов в нелинейном режиме работы малошумящих усилителей СВЧ диапазона"

ТВ

.•и* да»

На .правах рукописи

ДЫБОЙ Александр Вячеславович

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ В НЕЛИНЕЙНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ МАЛОШУМЯЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ ДИАПАЗОНА

Специальность 01.04.03 - "Радиофизика"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена в Воронежском государственном университете.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Э.К.Алгазинов. Научный консультант - кандидат физико-математических наук,

доцент А.М.Бобрешов.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.Г.Хромых - кандидат физико-математических наук, доцент А.Д.Кононов (ВГАСА, г.Воронеж).

Ведущая организация - НПО "Исток" (г.Фрязино, Московская обл.).

Защита состоится 10 декабря 1998 г. в 1520 ч. на заседании диссертационного совета Д 063.48.06 Воронежского государственного университета. 394693, г.Воронеж, Университетская пл., 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан 9 ноября 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук.

доцент

В.К.Маршаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследуемой проблемы.

Исследования, проводимые в данной работе, неразрывно связаны с проблемами обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) и устойчивого функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) в условиях помех. Резкое усложнение радиоэлектронной обстановки, обусловленное увеличением номенклатуры, плотности размещения и расширением диапазонов рабочих частот РЭС различного функционального назначения, а также динамичным развитием средств радиоэлектронного противодействия, предопределяют актуальность и практическую значимость данной проблемы. Особый интерес данные исследования представляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в радиоэлектронные комплексы подвижных объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных помеховых условиях. Следует подчеркнуть, что разработанные к настоящему времени методы обеспечения устойчивой работы РПУ в условиях помех были ориентированы на оптимизацию и адаптивное управление режимами работы усилителей промежуточной частоты (УПЧ) и более низкочастотных каскадов приемника, то есть тех каскадов, полоса пропускания которых согласована со спектром сигнала. В то же время входные каскады РПУ, обладающие низкой избирательностью и определяющие его коэффициент шума, имели фиксированные характеристики настройки и не были включены в процесс управления качеством приема сигналов.

Среди существующих типов малошумящих усилителей (МШУ) в настоящее время наиболее широко распространены транзисторные усилители (ТРУ). Преобладание ТРУ в перспективе будет увеличиваться. Большинство современных МШУ исполь-

зугот полевые СВЧ транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили арсенид-галлиевые полевые транзисторы с затвором Шотки (ПТШ). Исследованию ПТШ, его моделирова-тшкгтг-расчету_тгараметр0В~модели на сегодняшним день посвящено большое число публикаций. Но в основном направленность работ связана с улучшением параметров ПТШ, обеспечивающих выполнение основной функции ТРУ - усиления слабого сигнала. Между тем, в условиях действия непреднамеренных или преднамеренных помех усилитель работает в нелинейном режиме. Как показали проведенные исследования, критерии качества прохождения сигнала в нелинейном режиме зависят от конструктивных параметров и электрического режима работы ТРУ. За счет их оптимизации может быть достигнуто значительное увеличение порога восприимчивости усилителя к помехам. В число конструктивных параметров МШУ входят электрофизические и геометрические параметры полевых транзисторов, которые в первую очередь определяют рабочие характеристики усилителя. На современном этапе моделирования транзистор представляется в виде эквивалентной схемы (ЭС) с сосредоточенными элементами, учитывающей нелинейные и шумовые свойства. Связь вход/выход усилительного каскада описывается функционалом рядов Вольтерра. Благодаря развитию вычислительной техники появилась возможность рассчитывать достаточно сложные модели транзистора, поэтому ставится задача не упрощения, а развития их точности представления. В работе проводится оптимизация конструктивных параметров ПТШ с целью увеличения верхней границы динамического диапазона усилителя.

Электрические режимы каскадов МШУ определяются напряжениями внешних источников питания, что позволяет использовать адаптивный выбор режима в зависимости от помеховой обстановки.

Поскольку на данном этапе не все параметры и характеристики МШУ могут быть рассчитаны с достаточной степенью точности, повышенного внимания требует совершенствование методов измерений. Разработанные в диссертации методы автоматизированного измерения и контроля будут способствовать решению указанных проблем и выполнению требований ГОСТ 29180-91 при разработке МШУ на ПТШ.

Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.

Целью работы является:

1. Развитие методов анализа влияния конструктивных и электрических параметров ПТШ на его нелинейные и шумовые свойства.

2. Оптимизация конструктивных параметров ПТШ с целью расширения границы линейности усилительного каскада.

3. Разработка адаптивных алгоритмов повышения помехозащищенности МШУ.

4. Разработка автоматизированных методик измерения характеристик ЭМС МШУ.

Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:

- синтезировать модель ПТШ, позволяющую анализировать нелинейные и шумовые характеристики МШУ;

- выработать методики расчета параметров модели ПТШ, а также исследовать область их применения;

- оценить влияние паразитных элементов на нелинейные параметры модели ПТШ;

- исследовать влияние конструктивных параметров ПТШ на значение верхней границы линейности передаточной характеристики усилительного каскада и выбрать их оптимальные величины;

- разработать алгоритм управления режимом работы МШУ на ПТШ, позволяющий повысить его помехозащищенность;

- разработать методики, алгоритмы автоматизированного измерения характеристик ЭМС МШУ и измерительную установку на базе современных аппаратных средств.

Научная новизна

В диссертационной работе исследовано влияние геометрических и электрофизических параметров ПТШ на многосигнальные характеристики усилительного каскада в нелинейном режиме. На этой основе проведена оптимизация конструктивных параметров и сформулированы рекомендации для разработки транзисторов и усилителей на их основе с улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости. Проведена оценка влияния паразитных элементов на нелинейные и шумовые параметры модели ПТШ. Обоснована необходимость учета паразитных элементов при расчете параметров ЭС по экспериментально измеренным малосигнальным Б-параметрам. Разработан алгоритм управления режимом усилителя на ПТШ для улучшения характеристик приема сигналов в условиях действия помех. Решена задача автоматизированного измерения полного набора характеристик ЭМС МШУ, подлежащих контролю как на этапе разработки, так и выпуска изделий.

Практическая ценность

Полученные в работе результаты определяют подход к выбору конструктивных параметров ПТШ для усилителей с улучшенными характеристиками помехозащищенности. На основании проведенных исследований разработаны компьютерные программы с удобным экранным интерфейсом и возможностью быстро получать, обрабатывать и систематизировать результаты. Пакеты программ рассчитаны на использование как в целях научного исследования, так и в учебном процессе. Они позволяют рассчитывать модель ПТШ на основе как конструктивных, так и экспериментально измеренных малосигнальных в-параметров с учетом паразитных сопротивлений. На

основе предложенных алгоритмов адаптации могут быть разработаны адаптивные МШУ с улучшенными характеристиками ЭМС. Разработанный измерительный комплекс позволяет обеспечить выполнение требований ГОСТ 29180-91.

Основными положениями, выносимыми на зашиту, являются:

- результаты анализа и оптимизации электрофизических и конструктивных параметров полевых транзисторов с целью улучшения нелинейных характеристик усилителей;

- модификация методики расчета нелинейных параметров модели ПТШ на основе экспериментальных 8-параметров;

- обоснование возможности разработки адаптивного усилителя с улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости;

- методика автоматизированного измерения параметров ЭМС МШУ.

Апробация работы. Основные материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и совещаниях: научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи" (г. Воронеж, 1996); всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы микроэлектроники и твердотельной электроники" (г.Дивноморское, 1997, 1998); международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи" (г.Воронеж, 1997); международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация и связь" (г.Воронеж, 1997); всероссийской конференции "Электроника и информатика" (г.Москва, 1997); международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (г.Санкт-Петербург, 1997); всероссийской,научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных иссле-

дованиях радиоэлектроники" (г.Рязань, 1997); научной сессии Воронежского государственного университета (г.Воронеж, 1998).

-Структура и "¿укем работы. Диссертация состоит из введения, трех

глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста и 50 иллюстраций на 36 листах, списка литературы из 113 наименований на 15 листах.

3 первой главе диссертационной работы исследуется модель ОоАб ПТШ на основе его эквивалентной схемы. Существует целый ряд ЭС ПТШ, достаточно точно отражающих физические процессы в исследуемом устройстве. В работе была синтезирована ЭС, позволяющая с достаточной степенью точности проводить анализ как нелинейных, так и шумовых свойств ПТШ. В ней можно выделить так называемую активную область прибора, которая отвечает за его поведение в целом. Границы активной области находятся из равенства параметров, описывающих процесс переноса заряда при термодинамическом равновесии электронного газа и кристаллической решетки. Активная область включает в себя 7 элементов. Это генератор тока с функцией передачи, равной крутизне прибора, выходная проводимость, емкость между затвором и истоком, емкость затвор-сток, а также сопротивление неперекрытой части канала. Сюда включены также два шумовых источника тока в цепи затвора и стока. Для многих приложений указанный набор элементов достаточно хорошо отражает поведение ПТШ, однако для достижения большей точности расчет проведен с учетом паразитных элементов. Для нахождения значений параметров ЭС ПТШ в работе была использована методика, в основе которой лежит предположение об одномерном характере переноса носителей заряда в полупроводнике и наличии резкой границы проводящего канала. Используя это приближение, можно моделировать ПТШ с микронной и более длиной затвора. Расчеты проводятся для двух областей: области насыщения, где носители заряда в канале движутся с максимальной средней скоростью, равной скорости насыщения, и

области, где средняя-скорость носителей заряда-еще не достигла скорости насыщения. Граница области насыщения находится из условия равенства токов. В режиме до насыщения применяется теория Шокли, тогда как в режиме насыщения распределение потенциалов в канале находится из решения двумерного уравнения Пуассона. На этой основе разработана компьютерная программа, позволяющая по конструктивным параметрам ПТШ рассчитывать значения параметров ЭС, максимальный устойчивый коэффициент усиления и коэффициент шума, минимальный коэффициент шума и граничную частоту. Однако, обобщенные конструктивные параметры представляют собой усредненные эффективные значения и не дают точной информации об исследуемом транзисторе. Использование же полного набора параметров значительно усложняет численное моделирование. Кроме того, следует учитывать, что и те и другие параметры доступны, как правило, только разработчикам ПТШ и не всегда могут быть известны исследователям. Учитывая сказанное, в работе реализован метод, позволяющий рассчитывать значения параметров модели ПТШ на основе экспериментально измеренных малосигнальных Б-параметров, которые приводятся в современной справочной литературе. В его основе лежит метод симплекса, используемый для нахождения минимального значения целевой функции в многомерном пространстве. Размерность пространства определяется числом элементов ЭС. Следует учитывать, что значения нелинейных параметров модели раскладываются в окрестности рабочей точки в степенной ряд по напряжениям на самом элементе эквивалентной схемы, а при измерении Б-параметров мы имеем дело с напряжениями на внешних электродах. Поэтому при вычислении нелинейных параметров модели на основе экспериментально измеренных Б-параметров необходимо учитывать это обстоятельство. В противном случае нелинейные параметры модели будут найдены с ошибкой, величина которой для коэффициентов разложения может достигать 35% и более. В работе проведено сравнение значения коэффициента сжатия передаточной характеристики усилительного каскада, рассчитанных с учетом и без учета падения напряжения на паразитных элементах. При

этом разница по уровню сигнала -21 дБ/Вт составляет величину порядка 2 дБ. Для реализации описанного метода разработан отдельный модуль компьютерной программы, позволяющий рассчитывать значения параметров -моделейг-представленных-различньши-эквивалентньши схемами, от самой_ простой до наиболее полной, содержащей 17 элементов. При этом в качестве исходных данных используются экспериментально измеренные малосигнальные Б-параметры либо их набор для различных частот и режимов. Вводятся дополнительные условия, предназначенные для контроля сходимости решений. При использовании набора Б-параметров программа может рассчитывать не только значения элементов ЭС, но и их коэффициенты разложения в степенной ряд, что необходимо при исследовании нелинейных характеристик усилительного каскада. Проведенные исследования позволили рассчитать зависимость параметров ЭС, а также коэффициента усиления, коэффициента шума и верхней границы динамического диапазона по линейности усилителя от конструктивных параметров ПТЗИ. На рис.1 приве-

КШКУ,АБ

г 4

з г 1

ДллБВт КшКу,дБ

Д„,дБВт

КшКу.дБ

Кщ, Ку . дБ

» п-КЯн"5

Рис.1

Дл

уГ Кщ

\ ! 1

б)

-23 -24

2,6 Цмкм

Дп ЛБВт

1111 ! 1 ! Дп

ГПРГМ

Кш

-— 1

-21 -22

-23 -24

480 ¡00 «ОО 730 100 <00 Ш.МКЫ

Г)

дены зависимости коэффициента усиления (Ку), коэффициента шума (Кш) и верхней границы динамического диапазона по линейности передаточной характеристики (Д,) от толщины эпитаксиального слоя (рис. 1а), длины затвора (рис.1б), концентрации основных носителей в канале (рис.1 в) и ширины затвора (рис. 1 г). Расчет проводился для транзистора со следующими значениями конструктивных параметров: длина затвора (Ь) - 1 мкм, толщина эпитаксиального слоя (а) - 0.35 мкм, ширина затвора (\У) - 400 мкм, концентрация носителей в канале (п) - 5 -10 ~м~ . Модель рассчитывалась на частоте 3.5 ГГц при фиксированном режиме по постоянному току. На основе анализа кривых, изображенных на рис.1 может быть проведена оптимизация и обоснован выбор следующих значений конструктивных параметров ПТШ: а - 0.25 мкм, Ь - 1 мкм, - 1000 мкм, п - !023лГ3 , способствующих увеличению Д, усилительного каскада. На рис.2 приведены зависимости

коэффициента усиления каска-

Ку, дБ

'3.5 13

——

----- ■ \

1 \ V—

11 \ ! 2

.....!, I 1

да от мощности входного сигнала для транзистора с исходными параметрами (кривая I) и параметрами, полученными в результате оптимизации (кривая 2). Видно, что за счет незначительного уменьшения ко-Ри,дБВт зффициента усиления (на 1,2 дБ) величина Д , возрастает на 6 дБ. При этом коэффициент шума, как видно из рис.1, увеличивается на 0,8 дБ. Таким образом, динамический диапазон может быть расширен.при наличии резерва по ухудшению усилительных и шумовых параметров транзистора, а также граничной частоты. Однако, как показывает приведенный пример, значительный выигрыш в величине Д , может быть получен при незначительном ухудшении основных параметров усилителя.

Рис.2

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке алгоритмов адаптивных регулировок для улучшения характеристик ЭМС МШУ. Современные тенденции развития адаптивных систем обязаны своим происхождением прогр Формации биологическн-

налы в широком диапазоне входных воздействий (100-130 дБ) при высокой чувствительности и разрешающей способности, хотя динамический диапазон различных сигналов при их одновременном воздействии не превышает 30 дБ. По мере повышения требований к качеству входных устройств при одновременном функционировании радиоэлектронных средств все большее внимание уделяется исследованию и практическому применению различных методов адаптации к электромагнитной обстановке. Надо полагать, что в изменяющейся обстановке оптимально может работать только усилитель с изменяющимися параметрами, которые каждый раз будут обеспечивать наилучшее качество приема сигнала по выбранному критерию. Поэтому актуальным требованием сегодняшнего дня является разработка так называемых адаптивных радиотехнических систем. Они обладают гораздо более широкими функциональными возможностями. Кроме того, прогресс в области цифровой техники позволяет создавать адаптивные системы, управляемые программируемыми микроконтроллерами, что вносит в их работу дополнительную гибкость и позволяет реализовывать алгоритмы управления практически любой сложности.

В представленной работе исследована возможность применения адаптивных механизмов для улучшения характеристик ЭМС МШУ, построенных на базе ПТШ. Для этих целей исследовались теоретические и экспериментальные зависимости коэффициента блокирования и коэффициента подавления собственного шума от мощности входной помехи. Для выбора оптимального электрического режима в отсутствии помехи рассматривались одпосигнальные характеристики. Показано, что увеличение напряжения на стоке дает положительный эффект в виде расширения динамического диапазона по блокированию. Однако известно, что увеличение напряжения на

ми анализаторами. ; , „. ■ ожет-восп

стоке может производиться до определенного предела, связанного в основном с температурным режимом ПТШ. В то же время увеличение отрицательного напряжения на затворе уменьшает коэффициент усиления, но приводит к расширению динамического диапазона по блокированию. Подавление шума носит тот же характер, что и блокирование, с той лишь разницей, что шум подавляется несколько слабее, чем сигнал, за счет интермодуляцн-онных составляющих. В исследуемом диапазоне входных мощностей помехи эта разница составляла величину порядка 0,5-1 дБ. Проведенные исследования позволили сделать вывод, что для разных значений мощности помехи может быть выбран соответствующий электрический режим на затзоре по заданному критерию. Это предполагает возможность построения адаптивного усилителя. Механизм адаптации такого усилителя основан на управлении режимом по постоянному току на затворе транзистора. Для иллюстрации возможности использования адаптивных механизмов на рис.3 представлена зависимость нормированного коэффициента блокирования усилительного каскада от входной мощности помехи. Кривая 1 соответствует нулевому напряжению на затворе, кривая 2 - -0,3В, кривая 3 - -0,6В, кривая 4 - -0,9В. Пунктиром на рисунке обозначена огибающая, которая является характеристикой блокирования адаптивного усилителя, работающего по критерию максимума сигнала на выходе. Видно, что динамический диапазон по блокированию адаптивного усилителя по уровню 3 дБ расширяется на 8 дБ относительно исходного усилителя, характеристика которого пред-

Рис.З Рис.4

ставлена кривой 1. На основе экспериментально измеренных характеристик блокирования построена характеристика управления, приведенная на рис.4. Для получения вида этой кривой каждому значению входной мощности по-мШгхтавится-злщответствие напряжение на затворе, оптимальное с точки зрения указанного критерия. Разработан~алгоритмг^озволякщш1^11ртв;1Ять режимом ПТШ, поддерживая максимальный уровень сигнала, снимаемого с выхода первого каскада тракта УПЧ, не охваченного обратной связью автоматической регулировки усиления. Подобная схема значительно упрощает структуру управляющей цепи МШУ и позволяет осуществлять непрерывный контроль за уровнем сигнала. В работе предложена блок-схема приемника, использующего данный алгоритм. Приемник эффективно работает как при наличии априорной информации о помехе, так и при ее отсутствии. Показано, что такой механизм позволяет добиться существенного улучшения характеристик МШУ по сравнению с другими механизмами адаптации, не учитывающими особенностей используемого усилительного элемента, к примеру, автоматической регулировкой чувствительности, основанной на использовании управляемого аттенюатора на входе первого каскада усилителя.

Третья глава диссертационной работы посвящена построению автоматизированного измерительного комплекса для измерения полного набора параметров ЭМС МШУ. Для получения экспериментальных данных и отработки алгоритма адаптации в работе использовался измерительный комплекс, построенный на базе приемника ИП-5 и ЭВМ "Электроника-60". Однако анализ показал, что возможности данного комплекса могут быть значительно расширены. В частности, выходной сигнал приемника содержит . всю необходимую информацию для получения полного набора характеристик ЭМС МШУ. С другой стороны, появление вычислительной техники следующего поколения потребовало создания новых программ, соответствующих современным требованиям. Необходимость проделанной работы объясняется тем, что в настоящее время параметры ЭМС МШУ и методы их измерений стандартизованы и подлежат обязательному контролю. В то же

время эти параметры являются многосигналъными и методики их измерения отличаются сложностью и связаны с большими затратами времени. В целях сокращения времени и повышения точности измерений на базе усовершенствованного приемника ИП-5 был создан новый автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс. Алгоритм измерения, в том числе управление внешними устройствами, съем и обработка данных с выхода приемника, реализованы программно с помощью 1ВМ-486 - совместимого компьютера, в состав которой входят модули ЦАП и АЦП.

Комплекс состоит из приемника с управляемым от ЭВМ блоком модуляторов и управляемого СВЧ тракта, разработанного в НПО "Исток". На рис.5 представлена его принципиальная блок-схема. В качестве тестовых сигналов, предназначенных для измерения коэффициента шума и коэффициента усиления, используются сигналы от генераторов шума ГШ] и ГШ2. Помехи имитируются электрически перестраиваемыми генераторами стандартных сигналов Гпом( и Гпом2. Для измерения характеристик блокирова-

Рнс.5

ния используется один генератор помехи, а для измерения характеристик интермодуляции - два. Для коммутации тестовых сигналов служит СВЧ тракт. Он содержит пинмодуляторы pinM, пинаггенюаторы pinA, согласующие элементы СУ, смеситель СМ с внешним гетеродином Гет и полосовой электронно-перестраиваемый фильтр Пф. Пинмодуляторы служат для реализации основного измерительного алгоритма и управляются сигналами Ui, U2 и U3, вырабатываемыми измерительным приемником ИП. Все остальные сигналы, указанные на схеме, вырабатываются ЦАП под контролем ЭВМ. Пинаттенюатор pinA; предназначен для программного изменения мощности помех и управляется сигналом U4. Сигнал Us предназначен для управления режимом питания МШУ при отработке алгоритма адаптации. Сигналы U6 и U7 управляют частотами генераторов помех. Блок модуляторов приемника ИП управляется с помощью сигнала Ug. Пинаттенюаторы pinA2, ршАз, pinA4 предназначены для задания уровней затухания при проведении операции калибровки СВЧ тракта. Управляющими сигналами для них являются соответственно U9, Ut0, Uu. Сигнал U(2 управляет частотой перестройки фильтра ПФ. Данная схема является упрощенной, поскольку на ней не отображены цепи, служащие для приведения сигналов к виду, используемому конкретными элементами.

Для измерения того или иного параметра МШУ требуется определенное сочетание управляющих сигналов, подаваемых на элементы СВЧ - тракта. Это сочетание обеспечивается программой, реализующей алгоритм измерения. Измерительная информация может быть передана на ЭВМ с целью запоминания или для дальнейшей обработки и представления результатов в удобной форме. Особенностью данной измерительной установки в сочетании с методикой измерений является высокая скорость и точность измерений. При создании комплекса были использованы модули АЦП и ЦАП отечественной фирмы L-Card, работающие в составе IBM PC 486 и выше. Разработанная программа позволяет производить измерение всех необходимых параметров МШУ в автоматическом режиме и отображать результаты в удобной форме.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты:

1. Синтезирована ЭС ПТШ, позволяющая с достаточной степенью точности проводить моделирование и анализировать усилительные, нелинейные и шумовые характеристики транзисторных усилителей.

2. Разработаны методики расчета нелинейных и шумовых параметров модели на основе конструктивных параметров ПТШ, а также на основе экспериментально измеренных S-параметров с учетом паразитных элементов. Проведена оценка влияния паразитных элементов на нелинейные параметры модели ПТШ.

3. Проведена оптимизация конструктивных параметров ПТШ для малошумящих усилителей с улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости.

4. Проанализированы возможности улучшения характеристик ЭМС МШУ на базе ПТШ путем использования методов адаптации. Приведен практический пример построения адаптивного усилителя.

5. На базе автоматизированного измерительного комплекса с использованием современных аппаратных и программных средств разработаны методики автоматизированного измерения полного набора характеристик МШУ, включая характеристики ЭМС.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Алгазинов Э.К., Бобрешов A.M., Нестеренко Ю.Н. Дыбой A.B. Автоматизированный измеритель параметров приемных устройств СВЧ//С6. трудов н-т конф. "Направления развития систем и средств радиосвязи" - Воронеж,-1996, т.З,С. 1157-1160.

2. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Расчет нелинейной модели полевого СВЧ-транзистора на основе его электрофизических параметров //Сб. трудов междунар. конф. "Аитенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи" - Воронеж,-1997, т.2,С.ЗО 1-306.

3. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Автоматизированная система определения параметров нелинейной модели полевого СВЧ

транзистора для анализа и синтеза усилителей на его основе// Сб.трудов ме-ждунар. симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии- Санкт-Петербург- 1997,- Ч.2.- С.194-197.

4.Бобрегио^А:Мг,-Дыбой^Ж_Мо11ешротние шумовых и нелинейных свойств полевого СВЧ-транзистораЛ'С§7тр5^в^серосиЬг1^£нф- с между-нар. участием "Актуальные проблемы микроэлектроники и твердотельной электроники "-Дивноморское- 1997,С.73.

5. Алгазинов Э.К., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Расчет параметров шумовой нелинейной модели полевого GaAs СВЧ транзистора с затвором Шотки на основе его конструктивных параметров//Всерос. н.-т. конф. студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях радиоэлектроники"-Рязань- 1997,С.20.

6. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Автоматизированное моделирование нелинейных и шумовых свойств полевого СВЧ транзистора с затвором Шотки// Тез.докл. Всерос. конф. "Электроника и информатика"-М.:МИЭТ-1997,C.24S.

7. Алгазинов Э.К., Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Исследование зависимости нелинейных характеристик входных малошумящих усилителей от конструктивных параметров GaAs полевого транзистора с затвором Шотки// Сб.трудов междунар. конф. "Радиолокация, навигация и связь"- Воронеж- 1998.- Т.З.- С.1253-1257.

8 .Аверина Л.И., Бобрешов A.M., Дыбой A.B. Влияние конструктивных параметров GaAs полевого транзистора с затвором Шотки на нелинейные характеристики входных малошумящих усилителей//Сб. тр. всерос. конф. с междунар. участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники",-Дивноморское- 1998.С.112.

9. Алгазинов Э.К., Бажанов A.C., Бобрешов A.M., Дыбой A.B., Нестеренко Ю.Н. Автоматизированное измерение характеристик электромагнитной совместимости малошумящих усилителей// Известия ВУЗов России.-

Радиоэлектр оника, 1998, N3,C.3-9. ^¡S^-—— ______ -

Заказ №3$0 от 5, 1998 г. Тир 4QO экз. Лаборатория оперативной полиграфии вГУ

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Дыбой, Александр Вячеславович, Воронеж

Воронежский Государственный университет

Оптимизация электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов в нелинейном режиме работы малошумящих усилителей СВЧ диапазона

Специальность 01.04.03 - "Радиофизика"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук,

профессор Э.К.Алгазинов

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук,

доцент А.М.Бобрешов

Воронеж - 1998

На правах рукописи

Дыбой Александр Вячеславович

Введение...................................................................................4

1 Влияние электрофизических и геометрических параметров полевых транзисторов с затвором Шотки на нелинейные характеристики входных мало шумящих усилителей.............27

1.1 Нелинейная модель полевого транзистора с затвором Шотки........................................................................29

1.2 Расчет нелинейной модели ПТШ на основе конструктивных параметров........................................38

1.3 Учет паразитных сопротивлений при расчете параметров ПТШ по конструктивным параметрам........55

1.4 Программа расчета параметров модели ПТШ по конструктивным параметрам.......................................63

1.5 Расчет параметров модели по 8-параметрам транзистора................................................................70

1.6 Учет паразитных сопротивлений при расчете модели ПТШ из экспериментальных Б-параметров...................72

1.7 Программа расчета параметров модели ПТШ по экспериментально измеренным малосигнальным 8-параметрам.................................................................77

1.8 Влияние конструктивных параметров ПТШ на нелинейные характеристики МШУ..............................82

Выводы..............................................................................88

2 Разработка методов адаптации МШУ на полевых транзисторах с целью улучшения • характеристик помехозащищенности .........................................................90

2 1 ГТЧ V> V/

.1 Теоретическим анализ нелинейных характеристик МШУ с целью разработки алгоритма адаптации...........92

2.2 Экспериментальные результаты................................i 102

2.3 Параметры и признаки адаптивных систем................. 110

2.4 Разработка адаптивного транзисторного МШУ........... 115

3 Разработка методов и средств измерений характеристик

ЭМС МШУ....................................................................... 121

3.1 Аппаратная часть измерительного комплекса............. 123

3.2 Основные соотношения и алгоритмы измерений........ 128

3.3 Измеряемые параметры и характеристики.................. 135

3.4 Программа управления автоматизированным измерительным комплексом и проведения измерений в автоматическом режиме............................................ 138

Выводы............................................................................ 144

Заключение........................................................................... 145

ЛИТЕРАТУРА....................................................................... 146

Введение

Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза входных устройств, построенных на базе а р с е н и д - г а л л и е в ы х (СаАв) полевых транзисторов с затвором Шотки (Г1ТШ) '[1-8]. Описаны возможности применения данных методов для улучшения реальных характеристик помехозащищенности малошумящих усилителей (МШУ). Разработаны и исследованы алгоритмы выбора управляющих напряжений ПТШ для получения оптимального режима работы, а также метод автоматизированных измерений характеристик электромагнитной совместимости (ЭМС) МШУ.

Актуальность темы

Исследования, проводимые в данной работе, неразрывно связаны с проблемами обеспечения ЭМС и устойчивого функционирования радиоэлектронных средств (РЭС) в условиях помех [9-16]. Резкое усложнение радиоэлектронной обстановки, обусловленное увеличением номенклатуры, плотности размещения и расширением диапазонов рабочих частот РЭС различного функционального назначения, а также динамичным развитием средств радиоэлектронного противодействия, предопределяют актуальность и практическую значимость данной проблемы. Особый интерес данные исследования представляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в радиоэлектронные комплексы подвижных

объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных иомеховых условиях. Следует подчеркнуть, что разработанные к настоящему времени методы обеспечения устойчивой работы РПУ в условиях помех были ориентированы на оптимизацию и адаптивное управление режимами работы усилителей промежуточной частоты (УПЧ) и более низкочастотных каскадов приемника, то есть тех каскадов, полоса пропускания которых согласована со спектром сигнала. В то же время входные каскады РПУ, обладающие низкой избирательностью и определяющие его коэффициент шума, имели фиксированные характеристики настройки и не были включены в процесс управления качеством приема сигналов.

Среди существующих типов МШУ в настоящее время наиболее широко распространены, транзисторные усилители (ТРУ). Преобладание ТРУ в перспективе' будет увеличиваться. Большинство современных МШУ используют полевые СВЧ транзисторы, среди которых наибольшее распространение получили ПТШ. Исследованию ПТШ, его моделированию и расчету параметров модели на сегодняшний день посвящено большое число публикаций. Но в основном направленность работ связана с улучшением параметров ПТШ, обеспечивающих выполнение основной функции ТРУ - усиления слабого сигнала. Между тем, в условиях действия непреднамеренных или преднамеренных помех усилитель работает в нелинейном режиме. Как показали проведенные исследования, критерии качества прохождения сигнала в нелинейном режиме зависят от конструктивных параметров и электрического режима работы

ТРУ. За счет их оптимизации может быть достигнуто значительное увеличение порога восприимчивости усилителя к помехам. В число конструктивных параметров МШУ входят электрофизические и геометрические параметры полевых транзисторов, которые в первую очередь определяют рабочие характеристики усилителя. На современном этапе моделирования транзистор представляется в виде эквивалентной схемы (ЭС) с сосредоточенными элементами, учитывающей нелинейные и шумовые свойства. Связь вход/выход усилительного каскада описывается функционалом рядов Вольтерра [17-25]. Благодаря развитию вычислительной техники появилась возможность рассчитывать достаточно сложные модели транзистора, поэтому ставится задача не упрощения, а развития их точности представления. В работе проводится оптимизация конструктивных параметров ПТШ с целью увеличения верхней границы динамического диапазона усилителя.

Электрические режимы каскадов МШУ. определяются напряжениями внешних источников питания, что позволяет использовать адаптивный выбор режима в зависимости от помеховой обстановки.

выполнению требований ГОСТ 29180-91 [31-33] при разработке МШУ на ПТШ.