CC BY
106
Nelina Svetlana Nikolaevna
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: nelina76@mail.ru.
2, Shevchenko St., Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-603.
Department of Electronic Apparatuses Design.
Post-graduate student.
УДК 621.383.06
Г .Г. Червяков, ЕЛ. Осадчий
ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СВЧ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С ЗАТВОРОМ ШОТКИ
Рассмотрены шумовые процессы, протекающие в полевом транзисторе с затвором Шотки (ПТШ), при преобразовании частоты при трех разных режимах работы. Проведен сопоставительный анализ этих режимов работы для смесителей СВЧ на ПТШ.
ПТШ; коэффициент шума; эквивалентная шумовая схема; источник ; ; .
G.G. Chervyakov, E.N. Osadchiy THE NOISE FEATURES OF SCHOTTKY-GATE FET SHF CONVERTERS
The noise processes, occurring in SCHOTTKY-GATE FET at frequency conversion in three modes of working, are considered. Contrastive analysis of these working modes for SHF mixer on SCHOTTKY-GATE FET is carried out.
SCHOTTKY-GATE FET; noise figure; noise equivalent; heat noise source; total noise voltage; noise current source.
При воздействии на ПТШ частот сигнала и гетеродина вместе с частотой гетеродина будет изменяться концентрация неравновесных носителей An~(t),
Ic, -
словленной модуляцией толщины обедненной области. Вклад этого эффекта определяется модуляцией тока стока при изменении потенциала затвора.
В ПТШ кроме источников теплового шума, создаваемых омическими сопротивлениями областей затвора, истока и стока [1-4] следует учитывать два
источника шумового тока в цепи затвора i32 и в цепи стока ic2. Первый обусловлен дробовыми шумами обратносмещенного перехода затвора, а второй обусловлен тепловым шумом канала [2].
Так как толщина канала по его длине изменяется от нуля вблизи стока до его технологической толщины W вблизи истока, можно положить среднее значение, равным 0,5W, что соответствует проводимости канала в 2 раза меньшей, чем при отсутствии питающих напряжений, и Fs = 0,5. При обрат-
Известия ЮФУ. Технические науки
ном смещении затвора = 2/3, а при учете насыщения скорости в коротком канале > 1.
В преобразователях СВЧ на ПТШ можно реализовать три принципиально разных режима работы:
1. Преобразование частоты происходит в р-п-переходе затвора (диода с барьером Шотки - ДБШ), а напряжение промежуточной частоты усиливается
.
2.
сигнала и гетеродина в канале.
3.
частотой ю1 (входной сигнал), и этот сигнал взаимодействует с гетеродином на нелинейности стоковой характеристики (отсутствует постоянное напряжение на стоке, взаимодействие идет на четных гармониках частоты переменно).
Для анализа шумовых свойств ПТШ используем общепринятую физиче-[2]. , -дем учитывать также внутренние обратные связи в схеме транзистора. Предпо-, , частоты ю1 и Юг, а в выходной цепи контур, настроенный на частоту ют.
Так как в первом режиме преобразователь СВЧ на ПТШ эквивалентен каскадному включению диодного смесителя на ДБШ и усилительного каскада, то эквивалентная шумовая схема будет иметь вид, показанный на рис. 1.
□ л/ Ідрс 1д/\рт I л/\1 і. і. і. ілДдрг © © ШЖ П&>6> и
Рис. 1
Здесь обведенная пунктиром часть схемы, полностью соответствующая ДБШ при коротком замыкании на выходе смесителя, дополнена элементами:
ё„ = (Г + Г )Ю1С1, - резонансная проводимость контура в цепи затвора, настроенного на Юч, обусловленная сопротивлениями г и ги эквивалентной схемы ПТШ; ^ - проводимость нагрузки в цепи стока; - источник теплового
шума, создаваемого сопротивлениями г и ги ^тп = 4Г; и -
напряжение шумов ПЧ на затворе ПТШ; БИ - шумовой источник тока на выходе ПТШ, моделирующий процесс усиления шумов в ПТШ; - источник
шума на выходе ПТШ, отображающий тепловой шум канала
? = 4kГGкFs АТ;
- источник теплового шума, создаваемого нагрузкой
^ на выходе ПТШ /„2 = 4kГg^IAf, где gнm = (ГС + Ги )Ю1Сси; ^ - проводимость канала ПТШ.
Если шумы канала и нагрузки пересчитать к затвору транзистора, эквивалентная шумовая схема приобретает вид рис. 2.
Еп
и
Рис. 2
где 11=4кГА1(ад + + О2/ я2 + gн ]=
4кт £, + (ад + ^,)/ м2] — тепловые шумы, создаваемые проводимостью канала, нагрузкой и сопротивлениями г3, ги, пересчитанные к затвору транзистора; Ми =Я/(Ок + ^1Г) - коэффициент усиления ПТШ по на.
Коэффициент шума при этом определяется выражением
р =1+«1^+(1+т+)2 тЛ1—т2(1+2&.„ )(1+)—2 +
+ + (рД + ^»)Ми 2)] } ,
которое отличается от выражения для ДБШ дополнительным членом g01(^ + (Ра^ + g»м)Ми 2), характеризующим шумы сопротивлений
потерь контуров ПЧ в цепях затвора и стока и шумы канала транзистора.
Анализ этой формулы показывает, что при учете потерь в выходном контуре смесителя и проводимости нагрузки коэффициент шума смесителя на ПТШ будет меньше коэффициента шума диодного смесителя, использующего
переход затвора, если выполняется условие gH() > (Ок + gнm )/М^ , где ^
- .
Последнее условие может выполняться в смесителе СВЧ на ПТШ даже
при ^вд << ^т. Из этого следует, что в смесителе СВЧ на ПТШ возможно
некоторое увеличение отношения с/ш за счет уменьшения влияния шумов нагрузки в цепи стока в общем фоне шумов.
В смесителе СВЧ на ПТШ с преобразованием частоты в канале ПТШ (второй режим работы) процесс преобразования становится невзаимным. В этом режиме переход затвора работает в режиме прямого детектирования с выделением огибающей модуляции сигнала. При этом на затворе действует
Ю1
Ю2.
Я (ио + и2) = Я (?) = Я0 + 281со^ю21 + 282со^2ю21 +...
Малый сигнал с частотой ю1 и1 = и10СО$>(11;+р) создаст в токе стока
разностную составляющую С0т =Щ_—^2'; Кчс = 31и10 COs(шnt + р1) .
При этом номинальный коэффициент передачи ФП по мощности
О = 432/ ^ (gn + О + gи),
где gc = (Г + Г )^1 Сзи - резонансная проводимость контура сигнала в
цепи затвора; ^ = (гс + Г)®пС- резонансная проводимость контура
ПЧ в цепи стока; gl^ - проводимость нагрузки в цепи стока.
Эквивалентная шумовая схема смесителя с преобразованием частоты в канале имеет вид рис.3 и коэффициент шума определяется формулой
Р = 1 + 21, / 1о1 + 2р / и gc + (РО + ^ + gи )3/ Я?].
Рис. 3
,
составляющей тока затвора 101 (за счет возрастания доли дробовых шумов генерации носителей тока в переходе затвора в общем шуме смесителя) и крутизны преобразования Б1. Для уменьшения коэффициента шума необходимо также уменьшать потери в контурах сигнала §с и промежуточной частоты ^. При этом отношение с/ш будет равно
Мсш = 1с /{2е(/о1 + 21,)А/+4кШ^с + (РО + ^ + gИ)3 /32]}0,5.
Режим ограничения «шумом в сигнале» реализуется при
101 + 2/, >> 2рт [<?С + (Р°К + <?« + ^ )3 / Я12 ] ,
что соответствует мсш = /с /[2е(/01 + 2/, )А/]0,5.
Смеситель СВЧ с преобразованием частоты на нелинейности стоковой ( ), подается в цепь стока, эквивалентен каскадному включению прямого фотодетектора на ПТШ, выделяющего и усиливающего огибающую света и смесителя на двухполюсной нелинейной проводимости. Для ПТШ можно использовать аппроксимацию для тока стока 1С =Л(из —и 0)2(1—в~вис).
Проводимость канала определяется, как = Л(и — и0)2 Ве -ВиС и специфика её состоит в том, что при отсутствии постоянного напряжения на
стоке (и0 = 0) О(и0 +и2) = О(t) = О0 + 2Ок1со$а),^+2О2со$>2щ}+...
имеет равными нулю амплитуды всех нечетных гармоник Ок1= Ок3 =...= 0, т.е. преобразование частоты происходит на четных гармониках гетеродина.
. 4,
а напряжение на выходе и номинальный коэффициент усиления определяются выражениями:
^ = /cgз3/ &+ gн ) + g0(g0 + gн )] ;
где
о = 43>2^ ^[1 + 2Ш2 + ^(1 + ш2)]2,
Ок 0 = <§0 ; Ок 2 = g2 ;
3 = 3/go; т2 = g2/go; ^ /go; ^ ^/go.
Рис. 4
Зависимость 0(^н) имеет максимум при оптимальной нагрузке
&нношп = (1 + 2т2)/(1 + т2)
равный
°т = 31 т22/^ [(1 + 2т2)(1 + т2)] .
,
возрастает с ростом глубины модуляции проводимости канала т2, с ростом крутизны стокозатворной характеристики и уменьшением потерь в контуре в
цепи затвора, настроенном на ю1 , при этом &,сит;п = (г + Г )^1Ссз .
Коэффициент усиления смесителя меньше коэффициента усиления усилителя на ПТШ в т2 /(1 + т2)(1 + 2т2) раз за счет большей величины
ённопт.
Средний квадрат шумового тока к.з. на выходе, создаваемый всеми источниками шума С-3 = g232(1^с + + 1*)1 g 1(g0 + g2)2 +1* + С .
Величина среднего квадрата тока короткого замыкания, создаваемого сигналом будет равна = g332 /gi3(g0 + g2)2г'фс и коэффициент шума
:
Р = г2кз/& = 1 + 2/, //01 +
+ 2рg0 //01{&си + &С2я[^ + (1 + т2)2(1 — т^)/т2]/3я} >
т.е. для его уменьшения необходимо снижать потери в контурах gCH и gHH ^меньшая и проводимости нагрузки по ПЧ) и стремиться к выполнению условий m2 ^1 и Ioi >> Is.
Отношение с/ш для такого смесителя
^ = Ic /[2e(101+2IS W+4Щ&ЗИ f5,
g
где - эквивалентная шумовая проводимость, приведенная к затвору ПТ.
,
ослаблено за счет внутреннего усиления ПТ, возрастающего с ростом S. Условие реализации режима ограничения «шумом в сигнале» имеет вид
Is + 101 >> 2^я + gc[g« + g0(1 + m2)2(1 - m2]/ Sl } .
Сопоставительный анализ трех возможных режимов работы смесителя СВЧ на ПТШ показывает, что при возможности получения большого усиления ПТШ на частоте ю1 целесообразно использовать режим преобразования частоты с использованием нелинейности стоковой характеристики. При этом частота гетеродина может быть уменьшена в два раза за счет преобразования на второй гармонике. Если ПТШ обладает низкими усилительными свойствами на частоте ю1 и хорошими на частоте юпч можно использовать первый и , , затвора в течение всего периода гетеродина заперт и меньше дробовые шумы в цепи затвора.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ван-дер-Зил А. Шум. Описание, источники, измерение: Пер. с англ. / Под ред. АХ. Нарышкина. - М., Связь, 1973. - 228 с.
2. . . . , , . Монография. - Таганрог: ТРТУ, 1999. - 186 с.
3. Шварц ИЗ. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. - М.: Радио и связь, 1987. - 200с.
4. Pucel R.A., Haus H.A., Statz H. Signal and Noise Properties of Gallium Arsenide Microwave Field-effect Transistor.-In: Adv. Electron. And Electron. Phys.,v. 38. N.Y. Academic Press, 1975. - p. 195-265.
Червяков Георгий Георгиевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: rte@fep.tsure.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 8(8634)371-629.
Кафедра радиотехнической электроники.
.
Осадчий Евгений Николаевич
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: andron@fep.tsure.ru.
347928, . , . , 44.
Тел.: 8(8634)371-629.
Кафедра радиотехнической электроники.
.
Chervykov Georgiy Georgievich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: rte@fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-629.
Department of Electronic Devices.
Chair of the department.
Osadchiy Evgeniy Nikolaevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: andron @fep.tsure.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: 8(8634)371-629.
Department of Electronic Devices.
Associate professor.
УДК 621.3.049.77
И.Е. Лысенко МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ LL-ТИТТА
Описаны метод проектирования микромехантеского гироскопа-акселерометра с двумя осями чувствительности LL-muna. Предложено уравнение движения чувствительных элементов ММГА.
Метод; проектирование; конструкция; микроэлектромеханические системы; сенсор; гироскоп; акселерометр.
I.E. Lysenko DESIGN METHOD OF MICROMACHINED GYROSCOPE-ACCELEROMETER LL-TYPE
Design method of two-axis micromechanical gyroscope-accelerometer is described. Gyroscope-accelerometer model are developed.
Method; design; microelectromechanical systems; sensor; gyroscope; accelerometer.
Микромеханические сенсоры угловых скоростей, или микромеханиче-( ),
