Автогенераторный модуль с дифференциальным активным элементом на биполярных транзисторах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Васильев, Михаил Викторович

• Васильев, Михаил Викторович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Васильев, Михаил Викторович

Список основных обозначений Список сокращений

ВВЕДЕНИЕ.

1. РЕЖИМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ УСИЛИТЕЛЯ НА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ С УЗКОПОЛОСНОЙ НАГРУЗКОЙ

1.1. Постановка задачи. Выбор модели активных элементов ДАЭ БТ.

1.2. Метод расчета временных зависимостей токов и напряжений активного элемента БК. Колебательная характеристика.

1.3. Анализ стационарного режима усилителя.

1.4. Моделирование режимов работы усилителя на ДАЭ в пакете ADS 2008.

1.5. Основные результаты главы.

2. ФАЗОВЫЕ И АМПЛИТУДНЫЕ ШУМЫ УСИЛИТЕЛЯ НА ДАЭ С ТОКОЗАДАЮЩИМ КАСКАДОМ

2.1. Постановка задачи.:.

2.2. Матрично-векторный метод расчета естественных шумов линейных усилителей. Модель усилителя на ДАЭ с источниками шумов.

2.3. Метод расчета СПМ фликерных фазовых шумов в усилителе ДАЭ.

2.3.1. Модель БТ с учетом фликерных источников шума. Вывод основных соотношений для расчета параметров эквивалентной схемы биполярного транзистора.

2.3.2. Метод расчета коэффициентов преобразования.

2.3.3. Результаты расчета СПМ ФМ шумов усилителя на ДАЭ.

2.4. Влияние собственных флуктуаций токозадающего каскада на ФМ шумы буферного усилителя.

2.4.1. Постановка задачи. Шумовая модель токозадающего каскада. Расчет шумов типа 1 !f.

2.4.2. Естественные шумы диодного включения БТ в базовой цепи ТК.

2.4.3. Естественные шумы токозадающего каскада.

2.5. Основные результаты главы.

3. РЕЖИМЫ АВТОГЕНЕРАТОРА НА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ

3.1. Постановка задачи. Схема. Модель БТ. Основные параметры модели.

3.2. Метод расчета временных зависимостей токов и напряжений активного элемента автогенератора. Колебательная характеристика.

3.3. Укороченные уравнения АГ. Расчет стационарного режима АГ.

3.4. Энергетические характеристики АГ на ДАЭ БТ.

3.5. Результаты компьютерного моделирования АГ на ДАЭ полигармоническим методом. Экспериментальное исследование АГ на ДАЭ.

3.6. Основные результаты главы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА ДАЭ БТ, УПРАВЛЯЕМЫХ ПО ЧАСТОТЕ НАРЯЖЕНИЕМ

4.1. Постановка задачи. Схема.

4.2. Основные характеристики перестраиваемого по частоте АГ на ДАЭ.

4.3. Исследование режимов работы ДАЭ при перестройке частоты.

4.4. Перестройка частоты током токозадающего каскада.

4.5. Основные результаты главы.

5. ФАЗОВЫЕ И АМПЛИТУДНЫЕ ШУМЫ АВТОГЕНЕРАТОРНОГО МОДУЛЯ НА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОМ АКТИВНОМ ЭЛЕМЕНТЕ С БИПОЛЯРНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ

5.1. Постановка задачи.

5.2. Влияние собственных ФМ и АМ шумов БК на шумы АГ на ДАЭ.

5.3. Расчет и анализ фазовых шумов, вносимых буферным усилителем в АГ на ДАЭ.

5.4. Модель автогенератора на дифференциальном активном элементе с учетом источников естественных шумов.

5.5. Уравнение стационарного режима АГ на ДАЭ при периодическом воздействии в отсутствии шумов.

5.6. Расчет шумовых составляющих входных и выходных токов ДАЭ АГ.

5.7. Символическое уравнение модели АГ на ДАЭ.

5.8. Анализ ФМ и AM шумов АГ на ДАЭ методом медленно меняющихся амплитуд. Флуктуационные уравнения.

5.9. Расчет СПМ естественных флуктуаций амплитуды и фазы АГ на ДАЭ.

5.10. Исследование ФМ и AM шумов АГ на ДАЭ с БТ.

5.10.1. Анализ характеристик стационарного режима.

5.10.2. Спектральные характеристики периодически нестационарных источников шума.

5.10.3. Вывод соотношений для расчета СПМ флуктуаций амплитуды и фазы автоколебаний.

5.10.4. Исследование влияния режима и параметров АГ на СПМ флуктуаций фазы.

5.10.5. Исследование влияния режима и параметров АГ на СПМ флуктуаций амплитуды.

5.11. Основные результаты главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автогенераторный модуль с дифференциальным активным элементом на биполярных транзисторах»

В связи с широким распространением беспроводных сетевых систем передачи информации', датчиков, систем навигации и пространственного положения объектов^ а также сотовой и спутниковой связи различных стандартов все более актуальной становится задача построения экономичных источников колебаний СВЧ с электрически управляемой 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 - автогенератора (АГ) и буферного каскада (БК). Назначение БК в автогенераторном модуле (АГМ) состоит в том, чтобы ослабить влияние изменений импеданса нагрузки на частоту колебаний генераторов. Для ослабления влияния нагрузки целесообразно строить БК так, чтобы он отбирал минимальную мощность от автогенератора. Однако с уменьшением мощности, подаваемой на вход БК, увеличивается вклад собственных фазовых и амплитудных шумов в спектр выходного колебания. Такие источники колебаний реализуются с использованием как гибридных, так и микроэлектронных технологий, и во всех случаях для достижения наилучших характеристик должны разрабатываться как единые модули.

В современных разработках генераторных модулей 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 существенно ослабляется-благодаря эффекту компенсации синфазных воздействий. Кроме того, в-таких схемах АГМ удается получить хорошие энергетические характеристики при низких питающих напряжениях. •

В автогенераторном модуле на ДАЭ все чаще в цепях эмиттеров используют токозадающие каскады (ТК) на биполярных транзисторах. С учетом последних блок-схема АГМ на ДАЭ показана на рис. В1.

Рис. В1. Блок-схема автогенераторного модуля

Требования низкого уровня спектральной плотности мощности (СПМ) фазовых (ФМ) шумов и одновременно высокого КПД автогенератора являются противоречивыми; очевидна необходимость теоретического исследования связи энергетических и флуктуационных характеристик генератора, а также поиска оптимальных режимов работы активных элементов.

Поскольку дифференциальный активный элемент является базовой ячейкой таких функциональных узлов, как усилители, повторители, автогенераторы и т.д., исследования характеристик ДАЭ всегда представляли интерес для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры. В ранних работах, посвященных исследованию ДАЭ, обсуждались в основном вопросы влияния инерционности и разброса параметров транзисторов на основные характеристики ДАЭ [2-4,10,11-13].

В настоящее время благодаря кажущейся простоте таких схем и наличию современных программных средств разработка конкретных генераторных модулей, особенно ориентированных на интегральное исполнение, может быть достаточно быстро выполнена методами компьютерного моделирования, поэтому по результатам такого анализа схем имеется достаточно много публикаций [53-56,62]. Однако при компьютерном моделировании, как правило, не производится системный анализ связи между внешними характеристиками АГМ как источника колебаний (выходная мощность, полоса перестройки, уровень фазовых шумов и т.д.) с 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 прикладных задач.

В частности, совершенно недостаточно исследована работа, как усилителей, так и автогенераторов на основе ДАЭ в нелинейных и особенно перенапряженных режимах. В известных теоретических публикациях рассматриваются либо усилительные и ограничительные каскады [1,2,4,8,10,12,13], в которых транзисторы дифференциального активного элемента используются на относительно невысоких частотах, либо усилители и автогенераторы колебаний умеренно высоких частот [1, 2, 52]. Во всех указанных работах теоретический анализ выполнен для ДАЭ с транзисторами, работающими только в активной области. В то же время реальные автогенераторы часто работают с использованием перенапряженных режимов ДАЭ и при этом сочетание экспериментально полученных характеристик оказывается вполне приемлемым для практики. Этот факт требует теоретического объяснения.

Методы инженерного проектирования АГМ зависят от типа и назначения автогенератора. Существуют различные типы АГ на ДАЭ по своему назначению [1,42,51- 63]. Это, например, диапазонные генераторы гармонического сигнала, используемые в качестве опорных в измерительной технике и системах ФАП, модуляторах, тактовые АГ для цифровой модуляции в квадратурах и синтезаторах частот и т.д., - для каждой конкретной задачи подбирается своё схемотехническое решение.

Обычно в радиоприёмнике частота гетеродина перестраивается по шагам выше сигнальной полосы. Как правило, эту функцию выполняет система ФАПЧ. Одним из основных элементов ФАПЧ является генератор, управляемый напряжением (ГУН), - генератор, чья частота определяется напряжением сигнала. Известно также, что в большинстве случаев основным фактором, определяющим чувствительность интегральных приёмников, являются шумовые характеристики ГУН. Фазовый шум, измеряемый в дБ/Гц, обычно выражается как отношение мощности шума в полосе 1 Гц на частоте П отстройки от несущей к мощности несущей частоты.

Типичные технические характеристики гетеродинов для некоторых распространённых стандартов беспроводной связи [21] приведены в таблице В1.

Таблица В1. Характеристики современных стандартов связи,

Стандарт Центральная частота (МГц) Ширина полосы F (3 МГц) (дБн/Гц)

GSM 900/1800 3.9%/1.9% -143

Bluetooth 2440 3.3% -119

WLAN 5250 5.7% -116

В широкополосных системах для интегрированных спутниковых приёмников также используются АГ на ДАЭ в синтезаторах частот [8]. Приёмники для спутниковой связи характеризуются довольно большой полосой пропускания (1-2ГГц) в отличие от узкополосных приёмников, используемых в сотовой и беспроводной связи.

Автогенераторы на дифференциальных активных элементах, используемые в качестве генераторов тактовых колебаний [68-70], должны обеспечивать большую крутизну фронтов. Это достигается за счёт введения дополнительных колебательных контуров. Кроме главного резонатора, настроенного на основную частоту, ставится ещё один (или два) дополнительных ЬС-контура, настроенных на третью гармонику [68].

При разработке малошумящих автогенераторов с электронной перестройкой частоты, управляемых напряжением, используются также буферные усилительные каскады (БК). Для стабилизации выходной амплитуды проектируется цепь автоматической регулировки амплитуды (АРА) [53, 54, 55]. Отсутствие анализа режимных характеристик в этих публикациях не позволяет оценить необходимость цепи автоматического регулирования и ее диапазона.

В ряде работ [21,22,35,36,39,41,47,66,76] исследовались режимные и шумовые характеристики отдельных функциональных узлов (ФУ) автогенераторных модулей, таких как буферный и'токозадающий. каскады, а также усилители с различными способами включения БТ. Однако отсутствуют оценки влияния параметров каждого из ФУ на характеристики АГМ в целом.

В ранних работах [3.7,38], посвященных исследованию флуктуационных характеристик автогенератора и; буферного каскада, стационарный, режим находился временным методом;. путем: численного интегрирования систем1 уравнений состояния, что влекло за собой учет конечного числа гармоник для анализа флуктуационных характеристик. Это приводило к возникновению погрешностей расчетов и необходимости коррекции определителя? характеристического уравнения; линеаризованной системы уравнений для малых отклонений от стационарного режима [37]. Большинство инженерных методов, использовавшихся для расчета флуктуаций АГ, основаны на предположениях о близости формы колебаний на нелинейном элементе к гармонической, о медленности изменения огибающей колебания [15,17,18, 23,46] и не учитывают воздействие на АГ спектральных составляющих шумов, лежащих в окрестности частот первой гармоники. Предположение о медленном изменении огибающей колебания приводили к невозможности определения спектральной плотности мощности флуктуаций при отстройках порядка ширины полосы пропускания колебательной системы (КС). Методы, разработанные в [17,21, 22,36-38,50] позволяют, используя полигармонический метод анализа флуктуаций с любой точностью рассчитывать значения СПМ фазовых и амплитудных шумов автоколебания на любых частотах анализа. Но эти методы сложны и неудобны для инженерных оценок и задач синтеза АГМ с низкодобротными избирательными цепями, поскольку необходимо решать системы уравнений состояний по.большому числу высших гармоник [36]. На основании результатов рассмотренных работ можно сделать вывод о том, что метод: полигармонического анализа целесообразно использовать на этапе проверки, конечной отработки и моделирования ФУ.

Зачастую в литературе [51,53,56,59;78] оценивается минимально возможный уровень фазовых шумов в АГ, обусловленный, тепловым шумом потерь в ХС-контуре. При этом ФМ шумы должны быть минимальными при максимальной амплитуде. Однако методы расчета вкладов шумов генераторных транзисторов и транзисторов токозадающего каскада в этих публикациях не описаны.

Приведенный обзор литературы позволяет сделать вывод о том, что актуальным как с научной, так и с практической точек-зрения является систематический; теоретический анализ всех важнейших режимных и флуктуацион-ных характеристик АГМ в целом и входящих в него автогенератора; и усилителя на ДАЭ, при работе транзисторов как в недонапряженном, так и в перенапряженном режимах. Такое исследование, расширенное и дополненное моделированием и проверенное экспериментально позволит предложить и обосновать простые и надежные варианты построения автогенераторных модулей с требуемым сочетанием основных внешних характеристик.

Цели работы

Теоретическое и экспериментальное исследование режимных и флук-туационных характеристик автогенераторных модулей, построенных на основе дифференциальных активных элементов (ДАЭ), состоящих из биполярных транзисторов и работающих как в недонапряженных, так и перенапряженных режимах и разработка основ методики инженерного проектирования таких модулей.

Решаемые задачи

Исследование режимных характеристик нелинейных усилительных каскадов, построенных 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* автогенераторных модулей, и влияния этого взаимодействшгна энергетические, флуктуационные и другие внешние характеристики АГМ.

- Создание основ методики проектирования автогенераторных модулей, построенных на базе ДАЭ БТ, по заданным требованиям к внешним характеристикам.

Методы исследования

Для решения поставленных задач при анализе почти гармонического колебания при наличии флуктуаций в нелинейных системах использовался метод символических укороченных уравнений, методы теории устойчивости и теории чувствительности, полигармонический метод анализа нелинейных систем в компьютерном пакете моделирования ADS 2008, методы экспериментального исследования режимных и модуляционных характеристик автогенераторных модулей.

Новые научные результаты, полученные в диссертации

1. Разработан метод расчета временных диаграмм и спектральных характеристик токов транзисторов дифференциального активного элемента и напряжений на их электродах при работе ДАЭ в недонапряженных и перенапряженных режимах.

2. Получены соотношения для расчета естественных и фликерных шумов буферного каскада на ДАЭ, позволяющие проанализировать влияние параметров схемы БК на уровни ФМ и AM шумов, вносимых БК, и связь между этими уровнями и мощностью, отбираемой с выхода БК.

3. Получены выражения для расчета и анализа режимных и модуляционных характеристик генераторов, управляемых напряжением, построенных на ДАЭ БТ, при работе ДАЭ в недонапряженных и перенапряженных режимах. Обнаружен и объяснен механизм управления частотой ГУН, работающего в перенапряженном режиме, путем изменения тока токозадающего каскада.

4. Получены расчетные соотношения для-анализа естественных ФМ и AM7, шумов автогенераторов, построенных на основе ДАЭ БТ, в- которых- учтены, как шумы биполярных транзисторов дифференциальной пары, так и шумы токозадающего транзистора. Исследовано влияние режимач автогенератора на уровни этих шумов.

5. Исследовано соотношение вкладов всех источников шумов автогенератора и буферного каскада АГМ в общий уровень ФМ и AM шумов АГМ и разработаны рекомендации по снижению уровней ФМ шумов на выходе АГМ.

6. Определена граница применимости предложенной методики исследования. На основании компьютерного моделирования полигармоническим методом доказана справедливость предложенного метода.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработанный подход к расчету и анализу режимов дифференциального активного элемента на биполярных транзисторах позволяет разработчикам сознательно выбирать рабочие режимы усилительных каскадов и автогенераторов, построенных на ДАЭ БТ, исходя из требований к уровням мощности, стабильности амплитуды выходных колебаний и уровню фазовых Шу1йизработанные проекты в среде ADS 2008, исходные данные для которых получены на основе теоретического анализа, позволяют уточнить приближенные расчеты и довести исследование АГМ на ДАЭ БТ до получения данных, необходимых для практической реализации.

3. Обнаружен новый» способ перестройки частоты автогенератора, работающего в перенапряженном режиме за счет изменения тока токозадающего каскада.

4. Созданы, экспериментальные макеты автогенератора и ГУН на ДАЭ БТ, подтверждающие теоретически полученные результаты.

5. Сочетание теоретического анализа по разработанным методам и моделирования в среде ADS является основой для построения методик проектирования

АГМ, в которых используются ДАЭ БТ, по заданным требованиями внешним характеристикам.

Положения; выносимые на защиту

1. Метод анализа усилителей и автогенераторов на дифференциальных! активных элементах на биполярных транзисторах при использовании активных 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 токозадаю-щего каскада и периодической нестационарности флуктуаций.

4. Анализ фазовых и амплитудных шумов в АГМ с учетом источников шумов в автогенераторе 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:

1. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева Фазовые и амплитудные шумы стабилизированных 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.

2. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева Исследование автогенератора на дифференциальном 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.

3. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев. Исследование режимов автогенератора на дифференциальном каскаде // Труды науч.-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи И'вещания».— Ярославль, 2008. - С. 42-43

4; М.В.Васильев, Т.И.Болдырева- Сравнительный анализ автогенераторов с автоматической регулировкой амплитуды // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XIV МНТК студентов и аспирантов.— В 3-х т. - М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - Т. 1. - С. 19-20.

5. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Влияние собственных шумов функциональных узлов системы АРА на нестабильности амплитуды автогенератора на дифференциальном каскаде. Тезисы докладов международной научной конференции к 100-летию со дня рождения В.А.Котельникова. М.: Издательский дом МЭИ. 2008—С.74—76.

6. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев Фазовые шумы, вносимые буферным усилителем на дифференциальном активном элементе на биполярных транзисторах. Сборник докладов всероссийского научно-технического семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Воронеж: МНТОРЭС им. А.С.Попова. 2009.—С. 15—16.

7. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев, Е.С.Пустоварова Исследование режимов автогенераторов, управляемых напряжением, на дифференциальном каскаде // Труды Всеросс. науч.-техн. сем. «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Воронеж: МНТОРЭС им. А.С.Попова. 2009. С. 98-100.

8. М.В.Васильев Флуктуации амплитуды и фазы, вносимые усилителем на дифференциальном активном элементе. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах. Материалы научно-методического семинара. М: МНТОРЭС им. А.С.Попова. 2010. С. 158-163.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в трех работах [19,20,43]

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Васильев, Михаил Викторович

5.11. Основные выводы по главе

1. Исследовано влияние фликерных флуктуаций входного сопротивления буферного каскада АГМ на ДАЭ на уровень фазовых шумов автогенератора. Получены соотношения для расчета этой составляющей фазовых шумов и показано, что вклад, будучи незначительным на низких по сравнению с частотах, резко возрастает с повышением, рабочей частоты автогенератора. На частотах, превышающихУр, вклад этих шумов необходимо учитывать и принимать меры по его уменьшению. i 133 i

2. Показано, что эффективным способом снижения этой составляющей фазовых шумов АГМ^ является введение отрицательной обратной связи по токам транзисторов дифференциальной пары в буферном усилителе. Даны, количественные оценки зависимостей СПМ этого шума* от глубины обратной связи.

3. С использованием метода символических укороченных уравнений в аналитической форме получены соотношения для расчета СПМ естественных фазовых и амплитудных шумов автогенератора на ДАЭ, вызванных тепловыми шумами колебательной системы, дробовыми, рекомбинационными и тепловыми шумами БТ дифференциальной пары и токозадающего транзистора.

Эти соотношения позволяют анализировать влияние частоты автоколебаний, добротности колебательной системы и параметров режима на уровни СПМ фазовых и амплитудных шумов.

4. Исследовано влияние амплитуды автоколебаний на все основные составляющие СПМ фазовых и амплитудных шумов. Показано, что при реальных параметрах современных маломощных БТ вкладами рекомбинационных шумов и тепловых 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 амплитуды резко убывает. Вклад шумов токозадающего БТ, напротив, сильно подавлен при очень малых амплитудах и доминирует при больших амплитудах, соответствующих 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 минимальных уровней СПМ ФМ и АМ шумов АГ на ДАЭ при «нешумящих» БТ, и верхние граничные значения, соответствующие для данной схемьь случаю, когда токи коллекторов генераторных и токозадающего БТ сопровождаются полными дробными шумами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проектирование малошумящих автогенераторных модулей должно содержать несколько, этапов. На* первом, этапе с использованием достаточно простых-моделей активных приборов ишетодов расчета необходимо выбрать режим работы активных элементов и начальное приближение для параметров схемы и питающих напряжений; при заданных требованиях к показателям качества модуля. На втором этапе спроектированная схема анализируется с помощью универсальных программ схемотехнического моделирования с использованием полной модели активного прибора полигармоническими или временными методами. После этого этапа обычно переходят непосредственно к макетированию.

Данная диссертационная работа посвящена первому этапу проектирования автогенераторного модуля. Предложен метод построения временных диаграмм токов и напряжений в усилителях и автогенераторах на ДАЭ с БТ при замене активного прибора достаточно простой моделью; но описывающей работу БТ как в активной области, так и в области насыщения. Получены и решены уравнения стационарного режима. Отмечены особенности колебательных и амплитудных характеристик АГ и усилителей при работе в перенапряженном режиме.

Проведен системный анализ связи между внешними характеристиками АГМ как источника колебаний (выходная мощность, полоса перестройки, уровень ФМ шумов и т.д.) и внутренними режимными характеристиками и параметрами схем, оказывающими основное влияние на, внешние характеристики. Проанализирована связь между отбираемой мощностью у автогенератора> и уровнями ФМ шумов буферного усилителя. Разработаны методы и алгоритмы расчета естественных и фликерных ФМ и АМ шумов буферных усилителей с ДАЭ на БТ и исследовано их влияние на ФМ' шумы АГМ в целом.

Обращено внимание на влияние шумов токозадающего каскада на уровни СПМ ФМ шумов буферного усилителя. Для минимизации; вносимых шумов ТК предложено использование диодного включения БТ в цепях подачи напряжения смещения в токозадающем каскаде.

Получены простые соотношения для расчета СПМ ФМ и АМ шумов автогенератора на ДАЭ с БТ с учетом естественных источников шумов колебательной системы, генераторных биполярных транзисторов и транзисторов, используемых в токозадающем каскаде. Исследовано влияние амплитуды выходного сигнала на вклады всех источников в СПМ ФМ шумов автогенератора. Показано, что эффективным методом снижения фазовых шумов АГ на ДАЭ является введение отрицательной обратной связи по току эмиттера в токозадающем каскаде.

Таким образом, в работе исследованы режимы работы и основные характеристики всех функциональных узлов, входящих в АГМ. Проведенный анализ дополнен моделированием в пакете АБ82008. Основные допущения проверены моделированием и экспериментально.

Современные 81Се биполярные транзисторы имеют граничные частоты до 70 ГГц. Поэтому разработанные методы и алгоритмы расчета режимных и флуктуационных характеристик автогенераторов и усилителей можно использовать до частот порядка единиц ГГц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Васильев, Михаил Викторович, 2010 год

1. Функциональные устройства на основе интегральной микросхемы дифференциального усилителя / В.П.Гетман, А.И.Голованов, В.З.Найдеров; З.Ф.Юсупов; под ред. В.З^Найдерова; М.:Сов. Радио, 1977.- 128с.

2. М.П. Пацекин. Теория и некоторые применения дифференциального каскада: Дисс. канд. техн. наук. М., 1979.140с.

3. Е.А.Богатырев. Обобщенные нелинейные модели дифференциального каскада и их применение / Тр. Моск. энерг. ин-та. 1975. Вып. 261. С. 106-114.

4. Е.А.Богатырев, Э.Л.Муро. Микроэлектронные аналоговые устройства, под редакцией Ю.В.Шарова. М.: Издательство МЭИ, 2004. 124 с.

5. Е.А.Чахмасазян, Г.П.Мозговой, В.Д.Силин. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных электронных схем. -М.: Радио и связь, 1985. 144 с.

6. П.Хоровец, У.Хилл. Искусство схемотехники. Т.1 перев. Б.Н.Бронин. М.: «Мир», 1993.

7. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы : Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1983.

8. Г.С.Остапенко. Усилительные устройства. М.: Радио и связь, 1989.

9. Усилительные устройства. Под ред. О.В.Головина М.: Радио и связь. 1993.

10. В.Н.Павлов, В.Н.Ногии. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Радио и связь, 2001.

11. И. Проектирование и применение операционных усилителей. Пер. с англ. Под ред. И.Н.Теплюка. М.: Мир, 1974.

12. А.Г.Алексе нко, И.И.Шагурин. Микросхемотехника / Под ред. И.П.Степаненко М.: Радио и связь, 1989.

13. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем. М.: «Мир», 1983.

14. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. Под ред. В.Н.Кулешова Н.Н.Удалова. М.: «Издательский дом МЭИ», 2008.

15. С.И.Евтянов. О связи между символическими и «укороченными» уравнениями // Радиотехника. 1946. Т. I. № 1. С. 68-79.

16. С.И.Евтянов. Радиопередающие устройства. М.: Связьиздат, 1950

17. Е.Н.Анисимов, Ю.Л.Хотунцев. О возможностях спектрального метода расчета стационарного режима // Радиотехника и электроника.1981.Т. 26. №2. С. 371-376.

18. А.И.Берг. Теория и расчет ламповых генераторов. Госэнергоиз-дат. 1932.

19. М.В.Васильев Флуктуации амплитуды и фазы, вносимые усилителем на дифференциальном активном элементе. Шумовые и деграда-ционные процессы в полупроводниковых приборах. Материалы научно-методического семинара. 2010. С. 158-163.

20. М.В.Васильев, Т.И.Болдырева. Исследование режимов автогенератора на дифференциальном каскаде.// Вестник МЭИ. 2009.№ 1. С. 80-88.

21. ЮЛ.Хотунцев, Д.Я.Тамарчак. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь,1982. 240 с.

22. А.С.Аблин, Л.Я.Могилевская. Ю.Л.Хотунцев. Транзисторные и варакторные устройства. М.: Радио и связь 1995.

23. М.В.Капранов, В.Н.Кулешов, Г.М.Уткин. Теория колебаний в радиотехнике. М.: «Наука» ред. Физ. мат. лит. 1984.

24. Ван Дер Зил А. Шум. Источники, описание, измерение /Пер. с англ. В.Н.Кулешова и Д.П.Царапкина; под ред. А.К.Нарышкина. М.: Сов. Радио, 1973.

25. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники; М.: Сов. Радио, 1966.

26. С.М.Рытов. Введение в статистическую радиофизику. М.:.«Наука» 1966.

27. Зимина О.В. Линейная алгебра-и аналитическая геометрия. М.: Издательство МЭИ, 2004.

28. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах М.: Сов. Радио, 1977.

29. Кулешов В.Н., Бережняк И.П. Фликкер-шум в транзисторах и флуктуации амплитуды и фазы в высокочастотных усилителях. // Радиотехника и электроника. 1980, N 11, С. 2393-2399

30. А.Н.Малахов. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: «Наука», 1968

31. Г. Хаус, Р.Адлер, Теория линейных шумящих цепей. Пер. с англ. Под ред. Л.А.Биргера. М.,ИЛ, 1963.

32. Г.С.Горелик, Г.А.Елкин. О преобразовании флуктуаций амплитуды и фазы автоколебаний резонансными системами. — «Радиотехника и электроника», 1957 т.2, №1, С.28-33.

33. А.Н.Бруевич. Флуктуации амплитуды и фазы в автогенераторах при периодически нестационарном дробовом шуме. «Радиотехника», 1968. т.23, №5. С 35-42.

34. Кулешов В.Н. Активные приборы электронных цепей: учебное пособие. М.: МЭИ, 1981.

35. Болдырева Т.Н. Кулешов В.Н., Сравнительный анализ амплитудных и^ фазовых шумов на биполярных транзисторах, простроенный по схемам с общим эмиттером и «общий эмиттер общая база»// «Радиотехника». 1998.— С. 88—94.

36. Перфильев A.A. Полигармонический анализ флуктуаций а автогенераторах на биполярных транзисторах. Дис. . канд. тех. наук 05.12.04. М.—2001.

37. Хотунцев ЮЛ1 Гринберг Г.С., Леонов В.Г. Могилевская Л:Я.

38. Анализ на ЭВМ энергетических и- флуктуационных характеристик перестраиваемых автогенераторов4 на. биполярных транзисторах. //Радиотехниками электроника. 1994. Т. 39, №10. С. 1647-1*651.

39. Леонов В.Г. Полигармонический анализ детерминированных флуктуационных процессов в транзисторных автогенераторах СВЧ. Дис. канд. физ.-мат. наук. 01.04.03. М., 1990.

40. Kuleshov V.N. Boldyreva T.I. 1/F AM and PM noises in BJT amplifiers: sources, ways of influence, techniques of reduction. //Proc. IEEE int. Freq. Contr. Symp.— 1997. P.446-455.

41. Кулешов B.H. Разработка и применение системы методов прикладного анализа флуктуаций в источниках колебаний. Дис. д.т.н. тех. наук 05.12.01. М., 1988.

42. Васильев М.В. «Исследование автогенератора на дифференциальном каскаде с автоматической регулировкой амплитуды: Магист. дисс.М. МЭИ, 2006. 74 с.

43. Болдырева Т.И., Васильев М.В. Фазовые шумы дифференциального буферного усилителя на биполярных транзисторах // «Электросвязь». 2010. № 3. С. 38-41.

44. А.К.Нарышкин, А.С.Врачев. Теория низкочастотных шумов. М: Энергия, 1972,

45. С.И.Евтянов, В.Н.Кулешов. Флуктуации в одноконтурных автогенераторах. «НДВШ. Радиотехника и электроика». 1958. 4, С. 93-102.

46. Weissman M. В., 1/F noise and other slow, nonexponential kinetics in condensed matter//Rev. Mod. Phys. 1988.Vol. 60. № 2. P. 537.

47. Коган Ш. M., Низкочастотный токовый шум со спектром типа \/f в твердых телах//УФН». 1985. Т. 145. Вып. 2. С. 285.

48. Кулешов В.Н. Полигармонический4 анализ флуктуаций в автогенераторах//«Радиотехника. 1989. № 12. С. 17-23.

49. A.Grebennikov. RF Mikrowave Transistor Oscillator Design / Johu Wiley And Sons, LTD, 2007.

50. О.Ф.Бокк, С.В.Слипко. Шумы автогенератора на дифференциальном каскаде // Теория и техника радиосвязи. Вып. 2. 2003. С. 101 — 108.

51. Zanchi Alfio, Samori Carlo, Lacaita Andrea, LevantinoSalvator.1.pact of ACC Design on Phase Noise Performance of VCOs // Analog and Digital1 Signal Processing. 2001.Vol.8.No.6. P. 537-547.

52. Cicero Vaucher, Dieter Kasperkovitz . A Wide-Band Tuning System for Fully Integrated Satellite Receivers.: Solid-State Circuits. 1998: vol. 33. No.7. P.987—97.

53. Garlo Samori, Salvatore Levantino, Andrea L. Lacaita. Integrated LC Oscillators for Frequency Synthesis in Wireless Applications.// IEEE Communications Magazine ( May 2002). P.l66-171.

54. C.Samori. Integrated Frequency Synthesizers for Wifeless Sistems, Cambridge University Press 2007.

55. ChristensenKenn. Патент «Techniques to provide increased.voltageswings in oscillators» US 6.998.927 B2 (February 14, 2006).

56. Yeonwoo Ku, Ilku Nam, Sohmyung Ha, KwyroLee; Seongwan Cho. Close-in Phase-noise Enhanced VCO Employing Parasitic V-PNP" Transistor in CMOS Process / IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (April 2006). Vol. 54. No. 4. P. 1363 1367.

57. Faramars Bahmani, Edgar Sanchez-Sinencio. A Stabile Loss Control Feedback Loop For VCO Amplitude Tuning// Circuits and Systems -1 (December 2006).Vol. 53. No 12. P. 2498 2504.

58. S. -L. Jang, Y. -H. Chung, S. -H. Lee, L. -R. Chi, C. -F. Lee. An Integrated 5 2.5-Ghz Direct-Injection Locked Auadrature LC VCO// Microwave and Wireless Components. 2007.Vol. 17 No. 2.P. 142 - 145.

59. Huijung Kim, Seoghan Ryu, Yujin Chung, Jinsung Choi, Bum-man Kim. A Low Phase-Noise CMOS VCO with Harmonic Tuned LC Tank// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (July 2006) Vol.54 No. 7. P. 2917 2924.

60. Ping Wing Lai, Laszlo Dobos, Stephen Long. A 2.4 Ghz SiGe Low Phase-Noise VCO Using On Chip Tapped Inductor// http://www.ece.ucsb.edu/rad7pubs/conference/ESSCIRC 2003.pdf.

61. О.Л.Калмыкова, В.Н.Кулешов, А.Г.Демьянченко, Е.А.Хуртин. Умножители частоты с кольцами фазовой АПЧ. М.: МЭИ. 1980. 70 с.

62. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. Под ред. И.Г.Арамановича. М.: «Наука» ред. Физ. мат. лит. 1968.

63. В.Н.Кулешов, Т.И.Болдырева, М.В.Васильев. Базовые ячейки функциональных узлов радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах; под ред.: В.Н.Кулешов. М.: Издательский дом МЭИ 2009.—184 с.

64. T.I. Boldyreva, "Comparative Study of Phase and Amplitude Noise of CE, CE CB and CC - CB Bipolar Transistor Amplifiers". Proc. 1998. IEEE Int. Freq. Contr. Symp., P.218-225

65. V.N.Kuleshov, "1 If Models of Bipolar Junction Transistor and Their Application to PM and AM Noise Calculation". // Proc. IEEE int. Freq*. Contr. Symp.— 1998. P. 164-171.

66. И.П.Бережняк. Шумы в источниках колебаний с кварцевой стабилизацией частоты. Дисс. канд. тех.наук: 05.12.01. -М., 1979, 251 с.

67. Б.Е.Лешуков. Флуктуации в автогенераторах, усилителях и умножителях частоты. Дисс. канд. тех.наук: 05.12.01. -М., 1985, 246 с.

68. K.Theodoropouls and J.Everard. Residal Phase Modeling of Amplifiers Using Silicon Bipolar Transistors. IEEE Tranc. on UFFC, vol. 57, N 3, March 2010. P. 562-573.

69. T.I.Boldyreva. Reduction of 1/F PM Noise in BJT Amplifiers with Emitter Feedback Using Compensation Effects. // Proc. of IEEE Frequency Control Symposium, 6-8 June, 2001, Seattle, Washington, USA, P.183-191

70. Wouter A. Serdijn, John R. Long. Spectral Analysis of Phase Noise in Bipolar LC-Oscillators Theory, Verification, and Design.// IEEE transaction on circuits and systems - 1. vol. 57, № 4 april 2010

71. Полупроводниковые приборы. Справочник. Под редакцией Н.Н.Горюнова. Энергоатомиздат. М.:1985

72. Т.И.Болдырева, М.В.Васильев. Исследование режимов автогенератора на дифференциальном каскаде // Труды науч.-технич. семинара «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Ярославль, 2008. С. 42-43