2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Список используемых сокращений.......................................4
Введение.............................................................5
Глава 1. Моделирование усилителя СВЧ на НЕМТ транзисторе в нелинейном режиме...................................................26
1.1. Нелинейная модель НЕМТ транзистора.......................31
1.2. Модель управления зарядом для НЕМТ транзистора...........32
1.3. Расчет нелинейной модели НЕМТ транзистора на основе конструктивных параметров................................39
1.4. Программа расчета параметров модели НЕМТ транзистора по конструктивным параметрам................................51
1.5. Расчет параметров модели по 8-параметрам транзистора 59
1.6. Модель СВЧ усилителя.....................................64
Выводы...................................................... 73
Глава 2. Исследование нелинейных шумовых характеристик твердотельных СВЧ усилителей на НЕМТ транзисторах...................74
2.1. Основные источники возникновения шумов в НЕМТ транзисторах.............................................75
2.2. Теоретический анализ нелинейного взаимодействия интенсивной сосредоточенной помехи с собственным шумом усилителя на НЕМТ транзисторе..............................................83
2.3. Анализ усиления сигнала на фоне внешних шумов в нелинейном режиме усилителя на НЕМТ транзисторе.....................93
2.4. Изменение коэффициента шума входного усилителя на НЕМТ
транзисторе в нелинейном режиме...............................98
Выводы.......................................................103
Глава 3. Моделирование усилителя на двухзатворном НЕМТ транзисторе. ...................................................................107
з
3.1. Нелинейная модель двухзатворного НЕМТ транзистора 109
3.2. Исследование нелинейных шумовых характеристик твердотельных СВЧ усилителей на двухзатворных НЕМТ
транзисторах.................................................113
Выводы.......................................................120
Глава 4. Оптимизация конструктивных параметров и режима работы НЕМТ транзисторов с целью улучшения характеристик помехозащищённости усилителя СВЧ...................................123
4.1. Влияние напряжения смещения на затворе и стоке НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ....................................................124
4.2. Влияние электрофизических и геометрических параметров НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ......................................139
4.3. Влияние электрофизических и геометрических парамезров и режима работы двухзатворного НЕМТ транзистора на характеристики электромагнитной совместимости МШУ......144
4.4. Влияние дестабилизирующих факторов на устойчивость
усилителя на НЕМТ транзисторе................................156
Выводы.......................................................165
Заключение.........................................................167
Библиографический список использованной литературы.................169
4
Список используемых сокращений
НЕМТ - транзистор с высокой подвижностью электронов.
АЧХ - амплитудно-частотная характеристике!;
ВАХ - вольт-амперная характеристика;
вгдд - верхняя граница динамическог о диапазона;
МИС - монолитная интегральная схема;
МШУ - малошумящий усилитель;
РПУ - радиоприемное устройство;
РЭА - радиоэлектронная аппаратура;
РЭС - радиоэлектронные средства;
СВЧ - сверхвысокие частоты;
ЭМО - электромагнитная обстановка;
ЭМС - электромагнитная совместимость;
ЭС - эквивалентная схема.
5
Введение
Диссертационная работа посвящена исследованию и развитию методов анализа и синтеза входных устройств, построенных на базе транзисторов с высокой подвижностью электронов (НЕМТ транзисторов) [[-5\ и применению данных методов для улучшения реальных характеристик помехозащищенности малошумящих усилителей (МШУ).
Актуальность темы
Исследования, проводимые в данной работе, неразрывно связаны с проблемами обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) и устойчивого функционирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в условиях помех [6-21]. Резкое усложнение электромагнитной обстановки (ЭМО) обусловлено непрерывным возрастанием общего числа радиоэлектронных средств (РЭС) и загружен ностыо освоенных диапазонов, что влечет за собой Еюзрастание общего уровня электромагнитных помех. Если при этом учесть еще несовершенство технических характеристик РЭС и их сосредоточение на ограниченной территории, то проблема обеспечения электромагнитной совместимости становится особенно актуальной. Особый интерес данные исследования представляют для разработчиков радиоприемных устройств (РПУ), входящих в комплексы подвижных объектов (кораблей, самолетов) и функционирующих в наиболее сложных помеховых условиях.
В настоящее время широкое применение во входных каскадах РПУ находят гетероструктурные полевые транзисторы с селективным легированием (НЕМТ транзисторы). Они получают широкое распространение благодаря своим чрезвычайно малым собственным шумам в наземных и космических телекоммуникационных системах, радиотелескопах в астрономии, приемниках прямого спутникового
6
вещания и навигационном оборудовании. Эти приборы могут использоваться во входных цепях малошумящих входных усилителей и генераторов СВЧ диапазона в полосе частот вплоть до 200 ГГц [22]. Отметим здесь усилитель, имеющий полосу 20-24 ГГц с усилением 18 дБ и коэффициентом шума 2.5 дБ. Подобные показатели являются одними из лучших в классе малошумящих усилителей.
Сюда следует отнести не только обычные однозатворные транзисторы, но и новый класс двухзатворных НЕМТ транзисторов. Наличие второго затвора существенно ослабляет обратную связь между стоком и первым затвором, что приводит к улучшению основных характеристик прибора, в частности, к повышению коэффициентов усиления и стабильности по сравнению с однозатворным НЕМТ транзистором. На полевом тетроде построены смесители, фазовращатели, малощумящие усилители [23-25] и другие устройства СВЧ диапазона. В широкополосных усилителях с регулируемым усилением [26] полевой тетрод является просто незаменимым элементом.
Исследованию НЕМТ транзисторов, их моделированию и расчету параметров моделей на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций [27-37]. Однако в основном направленность работ связана с улучшением параметров этих транзисторов, обеспечивающих выполнение функции усиления слабого сигнала. Как показали проведенные исследования, критерии качества прохождения сигнала в нелинейном режиме усилителя на НЕМТ транзисторе зависят от конструктивных параметров и режима работы прибора. За счет их оптимизации может быть достигнуто значительное увеличение порога восприимчивости усилителя к помехам. Использование высоколинейного прибора в смесителе, усилителе и других устройствах приемопередающего тракта улучшает ЭМС характеристики устройства. Большое
7
число публикаций, вышедших до настоящего времени и то видное место, которое занимают вопросы анализа и изучения исследования усилителей на НЕМТ транзисторах в научных программах, подтверждает незавершённость существующих исследований. В особенности это относится к различного рода задачам нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов.
В число конструктивных параметров МШУ входят электрофизические и геометрические параметры НЕМТ 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 [38-46]. 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 НЕМТ транзистора 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.
Таким образом, практическая потребность в решении перечисленных задач определяет актуальность тематики данной диссертации.
Целью работы является:
1. Разработка методики анализа влияния геометрических и электрофизических параметров НЕМТ транзистора, а также
8
режима его работы по постоянному току на его нелинейные и шумовые свойства.
2. Оптимизация конструктивных параметров НЕ VIT транзистора с целью повышения значений верхней границы динамического диапазона усилительного каскада по различным нелинейным эффектам.
3. Развитие методов анализа нелинейных явлений, возникающих при взаимодействии интенсивной помехи и шума в усилителе на НЕМТ транзисторе.
4. Расширение области применимости SPICE-совместимых программ для исследования нелинейных явлений во входных каскадах устройств на НЕМТ транзисторах.
Основные задачи диссертации вытекают непосредственно из ее целей:
- синтезировать модель однозатворного и двухзатворного НЕМТ транзисторов, позволяющую анализировать нелинейные и шумовые характеристики МШУ;
- выработать методики расчета параметров модели НЕМТ транзисторов, а также исследовать область их применения;
- оценить влияние паразитных элементов на нелинейные параметры модели НЕМТ транзисторов;
- исследовать влияние режима работы НЕМТ транзисторов на значения верхней границы динамического диапазона по различным нелинейным эффектам;
- исследовать влияние конструктивных параметров однозатворных и двухзатворных НЕМТ транзисторов на значение верхней границы линейности передаточной характеристики усилительного каскада и выбрать их оптимальные величины;
9
проанализировать изменение условий устойчивости входного каскада МШУ при работе его в нелинейном многочастотном режиме, а также при оптимизации его электрического режима; проанализировать влияние интенсивности монохроматической помехи на величину составляющих спектральной плотности собственного шума усилителей на НЕМТ транзисторах;
- синтезировать модель НЕМТ транзистора для SPICE программы, разработать методику расчета параметров модели, и методику расчета нелинейных характеристик.
Научная новизна
В диссертационной работе разработана модель НЕМТ транзистора с расширенной областью применения и исследовано влияние его геометрических и электрофизических параметров, а также режима работы по постоянному току 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. На основе рядов Вольтерра проанализирована устойчивость усилителя на НЕМТ транзисторе, как в рабочей полосе частот, так и вне неё в нелинейном режиме. Проведен теоретический расчет двухсигнального коэффициента шума усилителя на НЕМТ транзисторе. Показано, что подавление собственного шума в присутствии мощной помехи играет положительную роль в том смысле, что противодействует резкому возрастанию коэффициента шума.
10
Практическая ценность
Полученные в работе результаты определяют подход к выбору конструктивных параметров однозатворных и двухзатворных НЕМТ транзисторов 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 как на использование в целях научного исследования, так и в учебном процессе. Они позволяют рассчитывать модель НЕМТ транзистора на основе как конструктивных, так и экспериментально измеренных малосигнальных Б-параметров с учетом паразитных сопротивлений, и находят применение при расчёте характеристик электромагнитной совместимости входных усилителей на НЕМТ транзисторах. Кроме того, проведена адаптация БРГСЕ программы для расчета характеристик электромагнитной совместимости устройств на НЕМТ транзисторах.
Полученные результаты используются в учебном процессе кафедры электроники В1 У.
Состояние исследуемой проблемы
НЕМТ транзисторы получают широкое распространение благодаря своим высоким эксплутационным характеристикам. Они позволяют получать усиление в широкой полосе частот в СВЧ-диапазоне и способны работать на частоте 10 ГГц и более, при этом обладая низким уровнем собственных шумов [47,48]. К примеру, для полевых транзисторов с затвором Шотки минимальный коэффициент шума составляет 5.5 дБ на частоте 100 ГГц, в то время как для НЕМТ транзисторов он снижается до 2.5 дБ [49].
11
Применение НЕМТ транзисторов очень перспективно благодаря совместимости технологий в монолитных интегральных схемах (МИС), например в МИС приемопередающих модулей. Такие модули с малыми габаритами и массой, с высокой надежностью, малой стоимостью находят широкое применение в системах связи и радиолокации.
Основное направление разработчиков НЕМТ транзисторов касается улучшения их усилительных и шумовых свойств в малосигнальном режиме. И в этой области исследователи уже добились достаточно высоких результатов.
В настоящее время постоянное увеличение числа радиоэлектронных средств и их уплотнение приводит к возрастанию уровня шума в радиочастотном диапазоне. Это заставляет разработчиков радиоприемных и передающих устройств переходить к более высоким рабочим частотам и активно использовать СВЧ-диапазон. Однако даже в области СВЧ плотность радиоэлектронных средств и количество передаваемой информации постоянно повышается, особенно в условиях современных мегаполисов. В результате изменение уровня помех и полезною сигнала на входе радиоэлектронных устройств в обычных условиях может составлять 90-100 дБ. При работе же в экстремальной электромагнитной обстановке перепад уровней может превышать 100-160 дБ и более. Это относится и к области военного применения, но здесь проблема усугубляется еще и тем, что помехи могут создаваться противником преднамеренно, что еще более повышает требования к надежности радиоприемных устройств и их способности эффективно работать в условиях действия различных типов помех. Таким образом усложняющаяся электромагнитная обстановка требует повышенного внимания к восприимчивости к помехам отдельных радиоэлектронных средств [9,15,50].
12
Любое устройство нельзя считать качественным, если в отсутствии помех оно выполняет свое назначение и не выполняет при наличии помех даже допустимого уровня. Если изделие не удовлетворяет требованиям ЭМС, то остальные показатели качества могут потерять значение, поскольку изделие нс сможет обеспечить прием полезного сигнала.
Заметим, что наиболее уязвимой частью РЭС являются входные цепи. Это связано с тем. что применение фильтров на входе РПУ наряду с увеличением реальной избирательности снижает чувствительность входного тракта приемника за счет потерь в самом фильтре, и зачастую делает невозможным прием слабых сигналов. С другой стороны, сильная помеха может вызвать блокирование входного МШУ. 11оэтому в литературе значительная часть публикаций по теме посвящена моделированию входных цепей с целью повышения их помехозащищенности [11,15]. При этом наибольший интерес для исследователя представляют нелинейные усилительные элементы входной цепи, гак как в первую очередь они формируют ее свойства. В качестве таких элементов широко используются полупроводниковые устройства, среди которых получают широкое распространение НЕМТ транзисторы.
Не случайно именно НЕМТ транзисторам и их моделированию посвящено большое число публикаций и монографий [51-55]. При этом упор в исследованиях как правило делается на повышение адекватности используемых моделей, расширении их области применения и учету всех возможных факторов, относящихся к конструктивным параметрам и технологии изготовления. При расчете моделей НЕМТ транзисторов все более широко используются достижения в области вычислительной техники и численных методов [56-58]. Такой подход имеет неоспоримые преимущества как для понимания физических процессов работы НЕМТ транзисторов, например, при моделировании методом Монте-Карло, так и
13
для получения транзисторов с наилучшими характеристиками быстродействия, усилительными и шумовыми свойствами. Но при этом остаются слабо исследованные области. В частности, в литературе мало внимания уделено исследованию нелинейных свойств НЕМТ
транзисторов, а также влиянию конструктивных параметров на характеристики электромагнитной совместимости, в какой-то мере определяемые видом нелинейной передаточной характеристики
транзистора. Исследованию данной проблемы посвящена значительная часть представленной работы. В результате был намечен подход к выбору конструктивных параметров, а также режима работы для транзисторов с улучшенными характеристиками электромагнитной совместимости. Известно также, что в большинстве современных моделей НЕМТ
транзисторов, претендующих на точность, присутствуют паразитные параметры, привносимые внешними электродами и чисто резистивными областями полупроводника [59-64]. В данной работе проводится учет этих элементов при расчете нелинейных характеристики усилительных
каскадов на НЕМТ транзисторах.
Необходимо отметить и тот факт, что большая часть схемотехнических расчетов разработчиками производится сегодня на основе йРГСЕ-совместимых программ, однако они непосредственно не предназначены для расчета нелинейных характеристик вида блокирования, интермодуляции и т.д., поэтому нами производилась соответствующая адаптация программы, включая построение нелинейной модели НЕМТ транзистора.
Таким образом, проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ позволяет заключить следующее:
14
1. Для решения задач электромагнитной совместимости самостоятельный интерес представляет интерес нелинейные модели однозатворных и двухзатворных НЕМТ транзисторе в.
2. Особое внимание при исследовании их моделей следует уделить поведению нелинейных характеристик усилительных каскадов на этих типах транзисторов.
3. При расчете нелинейных характеристик усилителей на НЕМ'Г транзисторах с учетом его шумовых свойств необходимо использовать такие его модели и методы анализа, которые позволили бы рассмотреть наиболее полным образом с единых позиций влияние мощной помехи на уровни полезного сигнала, собственного и внешнего шума в широкой полосе частот.
В первой главе диссертационной работы рассматриваются различные подходы к моделированию характеристик НЕМТ транзисторов. Несмотря на их разнообразие, все они, как правило, для нахождения зависимости концентрации электронов двумерного электронного газа в канале ІІЕМ1' транзистора пользуются моделью управления зарядом. Предложен подход, который в рамках данной модели позволяет находить концентрацию электронов в зависимости от напряжения между каналом и верхней поверхностью транзистора. Данный подход применим к любым НЕМТ структурам, не требует использования больших вычислительных ресурсов и обладает большей точностью по сравнению с решением, основанном на аппроксимации треугольной потенциальной ямы с двумя квантованными энергетическими уровнями.
Необходимо отметить тот факт, что хотя рядом авторов и рассматривался вопрос о нелинейных моделях НЕМТ транзисторов, тем не
15
менее, вопросу расчета ЭМС характеристик из геометрических и электрофизических параметров не уделено внимание. В работе предложена нелинейная модель НЕМТ транзистора, обладающая приемлемой точностью при значительном сокращении времени вычислений. Данная модель уточняет известные аналитические модели НЕМТ транзисторов и расширяет область их применения. Для нахождения параметров ЭС НЕМТ транзистора в работе была использована методика, в основе которой лежит предположение об одномерном характере переноса носителей заряда в полупроводнике. Подобные ограничения допустимы для планарных структур с длинами затворов не менее 0.5 мкм. В модели НЕМТ транзистора выделяют две области: область 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.
Для проведения численного эксперимента с использованием данной методики разработана программа, моделирующая НЕМТ транзистор. Предложенная модель позволяет рассчитать зависимость параметров ЭС НЕМТ транзистора, его 5-параметров и минимального коэффициента шума от геометрических и электрофизических параметров прибора, а также режима работы транзистора по постоянному току. Достоинством данной программы является возможность получения приближенного вида нелинейных параметров модели НЕМТ транзисторов без проведения экспериментов по измерению его 5-параметров.
С другой стороны, если известны 5-параметры НЕМТ транзистора, то на основе предложенной методики и программы, описанной в данной главе, могут быть рассчитаны параметры ЭС транзистора, как для его линейной, так и нелинейной моделей.
16
Полученные параметры ЭС НЕМТ транзистора затем используются для расчета различных нелинейных характеристик входных каскадов МШУ на НЕМТ транзисторах. Для этого был разработан пакет программ, позволяющих провести расчет характеристик блокирования, интермодуляции и передаточные характеристики схемы как в частотной, так и в амплитудной областях.
Во второй главе разрабатывается методика анализа нелинейного взаимодействия многочастотных и шумовых сигналов в СВЧ усилителе на НЕМ!' транзисторе на основе функциональных рядов Вольтерра.
Дело в том, что в реальных условиях слабый сигнал усиливается на фойе шумов как внешних,, поступающих на вход усилителя вместе с сигналом, так и собственных, образующихся в транзисторе. В связи с этим необходимо иметь информацию не только о подавлении сигнала, но и об изменении шума. Подобные исследования проводились для лампы бегущей волны [65], электростатического усилителя [66] и усилителя на полевом транзисторе с затвором Шотгки [67]. В данной работе проводится анализ взаимодействия помехи и шумов в нелинейном режиме усилителя на НЕМТ транзисторе, с учетом его особенностей.
При анализе шумовые токи представляются случайным процессом, являющимся суперпозицией, гармонических колебаний, амплитуда и фаза которых случайна. Это более общий случай модели, предложенной Релеем, для которой им получено известное распределение. В таком представлении реальный процесс в полосе До представляет собой суперпозицию п колебаний со случайными начальными фазами и средним квадратом амплитуд, равным О(о))-Дсо/п.
Выведено соотношение для расчета изменения спектральной плотности собственного шума О(со) усилителя на НЕМТ транзисторе под
- Київ+380960830922