ГЕНЕРАТОР УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2015 года по МПК H03F3/00 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к генераторам управляемым напряжением на транзисторах СВЧ и может быть широко использовано в системах связи и радиолокационных станциях.

В системах связи и радиолокационных станциях в ряде случаев требуется осуществлять перестройку частоты в широком диапазоне частот.

Известен генератор управляемый напряжением (генератор), содержащий полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки, выполненный из полупроводникового материала - арсенида галлия, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением (варакторный диод), при этом полевой транзистор соединен по схеме с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением [1, стр. 193].

Использование в таких генераторах в качестве активного прибора полевого транзистора с затвором в виде барьера Шотки, выполненного из полупроводникового материала - арсенида галлия, который обладает высокой подвижностью электронов, позволило существенно увеличить нижний предел диапазона перестройки частоты до сверхвысоких частот (СВЧ).

Однако в этом генераторе сложно получить широкий диапазон перестройки частоты, поскольку варакторный диод (полупроводниковый прибор, управляемый напряжением) обладает ограниченным интервалом изменения управляющего напряжения.

Кроме того, невозможно выполнить генератор в монолитном исполнении, поскольку полевой транзистор с затвором в виде барьера Шотки и варакторный диод выполняются из различных полупроводниковых материалов и раздельно.

Известен генератор управляемый напряжением, содержащий полевой транзистор с барьером Шотки, соединенные с ним колебательную систему и полупроводниковый прибор, управляемый напряжением, при этом полевой транзистор с барьером Шотки соединен по схеме активного прибора с общим истоком, один конец колебательной системы соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - с полупроводниковым прибором, управляемым напряжением, в котором с целью достижения линейного закона перестройки частоты от управляющего напряжения и увеличения верхнего предела диапазона перестройки частоты генератора и возможности реализации генератора как в гибридном, так и монолитном интегральном исполнении в качестве полупроводникового прибора, управляемого напряжением, используют второй полевой транзистор с барьером Шотки, соединенный по схеме с общим истоком, при этом другой конец колебательной системы соединен со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, на который подают постоянное напряжение положительной полярности, а на затвор второго полевого транзистора с барьером Шотки подают управляющее напряжение и постоянное напряжение отрицательной полярности [2] - прототип.

Данный генератор, как и предыдущий, не дает существенного выигрыша в ширине диапазона перестройки частоты, поскольку эту ширину ограничивают внутренние емкости полевых транзисторов с барьером Шотки.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении.

Указанный технический результат достигается заявленным генератором управляемым напряжением, содержащим линию передачи на выходе, два полевых транзистора с барьером Шотки, колебательную систему в виде последовательно соединенных индуктивности и емкости, при этом один конец колебательной системы соединен с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен, на его затвор подают управляющее напряжение, на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности.

В генератор

дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания,

при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр,

при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из выражения:

C=2×Z0/(2×π×f0), где

Z0 - волновое сопротивление линии передачи,

π - постоянное число, равное 3,14,

f0 - центральная частота рабочего диапазона частот.

Раскрытие сущности изобретения

Существенные признаки заявленного генератора управляемого напряжением каждый в отдельности и в совокупности обеспечивают, а именно:

введение в генератор дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей - второй и третьей в совокупности с предложенным соединением элементов генератора, а именно:

Соединение второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки и второй и третьей индуктивностей обеспечивает снижение общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.

Соединение затвора третьего полевого транзистора с барьером Шотки с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и заземление истока третьего полевого транзистора с барьером Шотки обеспечивает, по меньшей мере, уменьшение вдвое общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым обеспечивает увеличение верхней границы рабочего диапазона частот и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты,

Наличие третьего полевого транзистора с барьером Шотки и второй индуктивности и соединение стоков второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки через эту индуктивность обеспечивает в зависимости от ее указанной величины компенсацию внутренней выходной емкости второго полевого транзистора с барьером Шотки и внутренней входной емкости третьего полевого транзистора с барьером Шотки и тем самым обеспечивает уменьшение общей внутренней емкости этих полевых транзисторов с барьером Шотки и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты,

Наличие третьего полевого транзистора с барьером Шотки и третьей индуктивности и соединение его затвора с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки и притом, что их общая точка соединения заземлена через эту индуктивность, обеспечивает совместно с внутренними емкостями этих полевых транзисторов с барьером Шотки образование в схеме генератора делителя напряжения и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.

Введение дополнительно третьего полевого транзистора с барьером Шотки и двух индуктивностей и их соединение практически не влияют на величины внутренних проходных емкостей второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки и тем самым определяют нижнюю границу диапазона перестройки частоты и, как следствие, ее сохранение (нижнего границы диапазона перестройки частоты).

Подача на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки постоянного напряжения положительной полярности через низкочастотный фильтр питания обеспечивает развязку сигнала СВЧ и этого постоянного напряжения и, как следствие, дополнительное расширение диапазона перестройки частоты.

Выполнение третьей индуктивности величиной в пять раз меньшей величины второй индуктивности совместно с внутренними емкостями второго и третьего полевых транзисторов с барьером Шотки обеспечивает образование в схеме генератора делителя напряжения и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.

Выполнение разделительного конденсатора величиной емкости согласно указанному выражению обеспечивает минимизацию реактивного сопротивления этого конденсатора в рабочем диапазоне частот и, как следствие, расширение диапазона перестройки частоты.

Итак, поскольку ширина диапазона перестройки частоты генератора управляемого напряжением обратно пропорциональна величине емкости активного полупроводникового прибора, так что для расширения диапазона перестройки частоты необходимо снижать емкости полупроводниковых приборов, что в полной мере реализует совокупность существенных признаков заявленного генератора и соответственно достижение указанного технического результата - расширение диапазона перестройки частоты при сохранении нижней границы диапазона перестройки частоты.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дана топология заявленного генератора управляемого напряжением, где

- линия передачи на выходе - 1,

- первый и второй полевые транзисторы с барьером Шотки - 2, 3 соответственно,

- колебательная система 4 в виде последовательно соединенных первой индуктивности - 5 и емкости - 6,

- третий полевой транзистор с барьером Шотки - 7,

- вторая и третья индуктивности - 8, 9 соответственно,

- разделительный конденсатор - 10,

- низкочастотный фильтр питания - 11.

На фиг. 2 дана электрическая схема заявленного генератора управляемого напряжением.

На фиг. 3 дана зависимость частоты и выходной мощности от управляющего напряжения.

Пример конкретного выполнения заявленного генератора управляемого напряжением.

Генератор управляемый напряжением выполнен в монолитном интегральном исполнении на полупроводниковой подложке из арсенида галлия толщиной равной 0,1 мм с использованием классической тонкопленочной технологии.

Линия передачи на выходе 1 выполнена с волновым сопротивлением, равным 50 Ом, что соответствует ширине проводника 0,08 мм.

Емкость 6 и разделительный конденсатор 10 выполнены на основе окиси кремния толщиной 5 мкм, величиной 10 пФ согласно указанному выражению.

Полевые транзисторы с барьером Шотки 2, 3, 7 первый, второй и третий соответственно выполнены каждый с длиной затвора равной 0,4 мкм, шириной затвора равной 300 мкм, одинаковыми длинами стока и истока равными 20 мкм, имеют напряжение отсечки Uотс., равное - 2,0 В.

Индуктивности первая 5, вторая 8 и третья 9 выполнены в виде меандров шириной равной 10 мкм, длиной 0,5, 0,75, 0,15 мм соответственно.

При этом один конец колебательной системы 4 соединен с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки 3, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки 2, исток которого заземлен, на его затвор подают управляющее напряжение.

При этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 соединен с линией передачи на выходе 1 через разделительный конденсатор 10 и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через вторую индуктивность 8, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки 3, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность 9, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки 7 заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания 11.

Заявленный генератор управляемый напряжением работает следующим образом.

На сток второго полевого транзистора с барьером Шотки 3 через низкочастотный фильтр питания 11 подают постоянное напряжение положительной полярности +6 В.

На затвор первого полевого транзистора с барьером Шотки 2 подают управляющее напряжение, изменяющееся от -0,5 В до +0,5 В.

На образцах заявленного генератора управляемого напряжением были измерены зависимости величины частоты и выходной мощности от управляющего напряжения, изменяющегося в пределах от -0,5 В до +0,5 В.

Результаты представлены на фиг. 3.

Как видно из фиг. 3, частота f заявленного генератора управляемого напряжением изменяется от 10 до 12 ГГц, что соответствует диапазону перестройки частоты генератора 2 ГГц, что в 4 раза больше, чем у прототипа.

Перепад выходной мощности P генератора не превышает 3 дБ.

Таким образом, заявленный генератор управляемый напряжением по сравнению с прототипом обеспечит расширение диапазона перестройки частоты в 4 раза при сохранении нижнего предела перестройки частоты.

Кроме того, при сохранении возможности реализации генератора как в гибридном интегральном, так и в монолитном интегральном исполнении, поскольку она содержит три полевых транзистора с барьером Шотки, которые могут быть изготовлены в едином технологическом цикле на одной подложке из арсенида галлия.

Источники информации

1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов, В.В. Марков. - М., Радио и связь, 1988 г.

2. Патент РФ №2277293 МПК H03B 7/14, приоритет 05.10.2004 г., опубл. 27.05.2006 г. - прототип.

Изобретение относится к генераторам управляемым напряжением. Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении. В генератор дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания, при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания, при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из определенного выражения. 3 ил.

Генератор управляемый напряжением, содержащий линию передачи на выходе, два полевых транзистора с барьером Шотки, колебательную систему в виде последовательно соединенных индуктивности и емкости, при этом один конец колебательной системы соединен с затвором второго полевого транзистора с барьером Шотки, а другой - со стоком первого полевого транзистора с барьером Шотки, исток которого заземлен, на его затвор подают управляющее напряжение, на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности, отличающийся тем, что в генератор дополнительно введены полевой транзистор с барьером Шотки - третий, две индуктивности - вторая и третья, разделительный конденсатор и низкочастотный фильтр питания, при этом сток третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с линией передачи на выходе через разделительный конденсатор и одновременно - со стоком второго полевого транзистора с барьером Шотки через вторую индуктивность, затвор третьего полевого транзистора с барьером Шотки соединен с истоком второго полевого транзистора с барьером Шотки, и их общая точка соединения заземлена через третью индуктивность, исток третьего полевого транзистора с барьером Шотки заземлен, а на сток второго полевого транзистора с барьером Шотки подают постоянное напряжение положительной полярности через низкочастотный фильтр питания, при этом величина третьей индуктивности в пять раз меньше величины второй индуктивности, а величину емкости разделительного конденсатора определяют из выражения:
C=2×Z0/(2×π×f0), где
Z0 - волновое сопротивление линии передачи,
π - постоянное число, равное 3, 14,
f0 - центральная частота рабочего диапазона частот.