Спектротрон с внешней обратной связью Советский патент 1988 года по МПК H03K3/29 

сл 1 to

Изобретение может быть использовано в устройствах радиочастотной автоматики и служит для повышения надежности и расширения функциональных возможностей спектротрона. Спектро- трон (С) содержит корректирующий конденсатор 1, источник 2 постоянного напряжения смещения, элемент 3 индуктивности, нагрузочный резистор 4 и диодный детектор 6. Введение параметрических полевых транзисторов 16 и 17 и управляющей шины 15 позволяет минимизировать схему, увеличить число устойчивых состояний С, увеличить допустимый разброс па раметров элемента 3 индуктивности, уменьшить параметрическую чувствительность к изменению амплитуды напряжения входного сигнала и обеспечить управление запуском С. 6 ил. а « сл

LfS. 1

Изобретение относится к импульсно технике и предназначено для использования в устройствах радиочастотной автоматики.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей путем минимизации схемы и увеличения числа устойчивых состояний спектротрона, увеличения допустимого разброса.параметров элемента индуктивности, уменьшения параметрической чувствительности к изменению амплитуды напряжения входного сигнала и обеспечения управления запуском спектротрона.

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема спектротрона с внешней обратной связью; на фиг. 2 - зависимость частоты настройки контура LC при изменении напряжения затвор-подложка Ua параметрического полевого транзистора; на фиг. 3 - спектр напряжения сигнала на входной шине и резонансная харак- теристика контура LC,i, перемещающа- яся вдоль оси частот соj.. спектра входного сигнала под действием изменения напряжения затвор-подложка

в интервалесОл,и„-WMOKC -Д fta плитуда спектральной составляющей

сигнала,. U(c)) - частотная характеристика контура LCo; на фиг, 4 - зависимость напряжения на выходной шине и gjiij от собственной частоты контура на фиг. 5 - сток-затворная характеристика первого транзистора; на фиг. 6 - сток-затворная характеристика нормально открытого транзистора.

Спектротрон содержит корректирующий конденсатор 1, источник 2 постоянного напряжения смещения, элемент.. 3 индуктивности, нагрузочный резистор 4, разделительный конденсатор 5, диодный детектор 6, состоящий из дио да 7 и фильтра низких частот, содержащего последовательно соединенные резистор 8 и конденсатор 9, две шины 10 и 11 биполярного источника питания, входную 12 сигнала, выходную шину 13. Один вью од корректирующего конденсатора 1 присоединен к входной шине 12 сигнала, а другой через элемент 3 индуктивности и последовательно с ним соединенный источник 2 постоянного напряжения смещения присоединен к общей шине 14. Один вывод разделительного конденсатора 5

через нагрузочный резистор 4 присоединен к шине 10 положительного напряжения биполярного источника питания, а другой вывод разделительного конденсатора 5 соединен с анодом диода 7 и первым вьшодом резистораЗ фильтра низких частот. Второй вьшод резисто- ра 8 соединен с выходной шиной 13 и первым выводом конденсатора 9 фильтра низких частот 6, второй вьшод конденсатора 9 и катод диода 7 подключены к .общей шине 14. Кроме того, спектрртрон имеет управляющую шину 15 и два параметрических полевых транзистора 16 и 17 с встроенными каналами разного типа проводимости. Затвор первого транзистора 16 с каналом п-типа проводимости присоединен к точке соединения корректирующего конденсатора и элемента 3 индуктивности, исток подсоединен к общей шине 14, а сток - к точке соединения нагрузочного резистора 4 и разделительного конденсатора 5. Подложка соединена с общей точкой соединения резистора 8 и конденсатора 9; фильтра низких частот и к выходной шине 13. Исток второго параметрического полевого транзистора 57 с - каналом р-типа проводимости присоединен к той же точке, его сток - к шине 11 отрицательного напряжения биполярного источника питания. Подложка второго параметрического транзистора 17 подключена к общей шине 14, а затор - к управляющей шине 15.

Спектротрон с внешней обратной .связью работает следующим образом.

В исходном состоянии входные сигналы на шинах 12 (Ug), 15 (Uynp ) отсутствуют. На шине 15 управления имеется положительное постоянное напряжение, так что параметрический полевой транзистор 17 закрыт и тогда напряжение его истока равно нулю, так как емкость конденсатора 9 (Сф) разряжена. Соответственно напряжение на выходной шине 13 (Ug,,) также равно нулю. Напряжение затвор-подложка и параметрического полевого транзистора 16 с к:аналом п-типа в исходном состоянии определяется напряжением источника 2 постоянного смещения (и) . Встроенный канал п-типа транзистора 16 находится в режиме обеднения, и через транзистор и нагру3

(V

1401572

зочный резистор Л большой ток стока.

В некоторый момент времени на шину 15 управления (Unpp) приходит импульс запуска отрицательной полярности и малой длительности ( o-iit мкс) Параметрический полевой транзистор 17 практически скачком переходит в открытое состояние и конденсатор 9 (Са) начинает быстро заряжаться от источника 11 напряжения питания (-Е) через открытый транзистор, В результате заряда напряжение на емкости фильтра низких частот снижается ,до значения, приблизительно равно--- го - 2Uc/«. Таким образом, напряжение между затвором и подложкой транзис- .тора скачком изменяется от U(- до за время существования импульса запуска схемы на шине управления.

Значение напряжения между затвором и подложкой и транзистора 16 определяет величину емкости затвора (фиг.. 2), а также, резонансную частоту контура сОц, образованного элементом 3 индуктивности (L) и емкостью затвора Сз- Емкость фильтра низких частот выбирается из условия С-1 и практически не влияет

ЯР )Макс

на резонансную частоту этого контура. Коэффициент перекрытия емкости С, параметрического поле.вого транзистора ----- 10-15, что практически

Змоус

недостижимо для варикапов, а коэффиdC

циент нелинейности емкости /с --- в

U CdU

точке максимальной крутизны ее вольт- фарадной характеристики (фигi 2) на 2-3 порядка больше, .чем у варикапов с р-п Переходом. Добротность емкос- ти затвора определяется сопротивлением подложки парамет.рического полевого транзистора. Это сопротивление менее 0,01 Ом, и поэтому добротность емкости исключительно высока, что позволяет получить узкую полосу пропускания контура 2дсЭ| при соответствующей добротности элемента 3 индуктивности.

В отсутствии входного сигнала Ug(.t) емкость фильтра низких час- .то.т медленно разряжается от напряжения приблизительно -2U(-vi ДО нулевого напряжения. При этом изменяется напряжение затвор-подложка транзистора. 16 и плавно перестраивается частота контура (дЗ ц (фиг. 2) от максимальнопротекает не- го значения СО „„„ при U -ьУ

10

15

20

25

30

35

40

50

минимальногосо„„„ при U 0 и в максимального значения -UCAA соответствующего полн разряженной емкости С„.

В рабочем режиме на входну 12 поступает периодическое на и (t) с линейчатым спектром,с щим набор дискретных частот со G3j, . . . ,ьо;, , .., G3 (фиг , 3). в цессе перестройки контура от ния частоты при 1), +UCM лосу его пропускания попадает из сбставляющих спектра, в ко возникают резонансные колебан увеличенной амплитудой. Эти к ния усиливаются транзистором детектируются диодом 7. После рации цепочкой RojCcp возникает ляющее напряжение на подложке метрического полевого транзис 16, которое приближает частот ройки контура05 ; к захваченно те сэ; спектра входного сигнал

При соответствующем выборе циента усиления в цепи внешне ной связи, состоящей из парам ческого полевого транзистора детектора 6 с фильтром низких тот, переходной процесс в схем чивается состоянием, при кото полосу пропускания контура 2& падает одна частота и; линейч спектра. Напряжение этой часто контуре, преобразованное в це внешней обратной связи в упра

постоянное на емкости С

.

спо

поддерживать настройку контур тех пор, пока не исчезнет вхо сигнал. Собственная частота к ра в стационарном режиме к выбранной частоте спектра G) постоянное напряжение,на емкос или напряжение на выходной шин однозначно связано с частотой ройки контура WK .

Зависимость напряжения на ной шине и Qj,, от собственной

ты контура со It (фиг. А) при ли том спектре входного сигнала валентна характеристике гребе фильтра (на фиг. 4 нанесена л обратной связи для заданной в фарадной характеристики емкос вора). Точки пересечения греб характеристики Шк f, (Uew) и обратной связи UB, (Оц) оп ют стационарные состояния в сп

1401572

до

го значения СО „„„ при U -ьУ

0

5

0

5

0

5

минимальногосо„„„ при U 0 и вновь до максимального значения U, -UCAA соответствующего полностью разряженной емкости С„.

В рабочем режиме на входную гаину 12 поступает периодическое напряжение и (t) с линейчатым спектром,содержащим набор дискретных частот со, , G3j, . . . ,ьо;, , .., G3 (фиг , 3). в процессе перестройки контура от значения частоты при 1), +UCM в полосу его пропускания попадает одна из сбставляющих спектра, в контуре возникают резонансные колебания с увеличенной амплитудой. Эти колебания усиливаются транзистором 16 и детектируются диодом 7. После фильтрации цепочкой RojCcp возникает управляющее напряжение на подложке параметрического полевого транзистора 16, которое приближает частоту настройки контура05 ; к захваченной частоте сэ; спектра входного сигнала.

При соответствующем выборе коэффициента усиления в цепи внешней обратной связи, состоящей из параметрического полевого транзистора 16, детектора 6 с фильтром низких частот, переходной процесс в схеме оканчивается состоянием, при котором в полосу пропускания контура 2&сОцпопадает одна частота и; линейчатого спектра. Напряжение этой частоты на контуре, преобразованное в цепи внешней обратной связи в управляющее

0

0

постоянное на емкости С

.

способно

поддерживать настройку контура до тех пор, пока не исчезнет входной сигнал. Собственная частота контура в стационарном режиме близка к выбранной частоте спектра G), , а постоянное напряжение,на емкости C(j или напряжение на выходной шине однозначно связано с частотой настройки контура WK .

Зависимость напряжения на выходной шине и Qj,, от собственной частоты контура со It (фиг. А) при линейчатом спектре входного сигнала эквивалентна характеристике гребенчатого фильтра (на фиг. 4 нанесена линия обратной связи для заданной вольт- фарадной характеристики емкости эат- вора). Точки пересечения гребенчатой характеристики Шк f, (Uew) и линии обратной связи UB, (Оц) определяют стационарные состояния в спектретроне с внешней обратной связью. Отмеченные цифрами точки пересечения соответствуют устойчивым стационарным состояниям, а неотмеченные - неустойчивым.

Таким образом, при одном и том же числе гармоник в спектре входного, сигнала предложенный спектротрон с внешней обратной связью имеет вдвое большее количество устойчивые: состояний, различающихся значением напряжения на выходной шине. Это позволяет упростить реализацию генератора входного сигнала с линейчатым спектром при заданном числе устойчивых состояний схемы спектротрона с внешней обратной связью или при заданном количестве составляющих спектра перейти к запоминанию информации с большим основанием чисел. Сокращение числа элементов достигается за счет совмещения в одном параметрическом полевом транзисторе параметрической емкости Cj и высокого коэффициента усиления, так как крутизна его сток- затворной характеристики больше на 2-3 порядка по сравнению с аналогичным параметром обычного полевого транзистора.

Вольт-амперная и сток-затворная характеристики полевого параметрического транзистора формально опи-- сьшаются известными соотношениями для МОП-транзисторов, в частности ток стока транзистора определяется соотношением

1„- |Р„С: (Vo-2v,- |2)v |.(„.2.)--(,

де Z, L

и V

соответственно ширина и длина канала; подвижность электронов; соответственно напряжем ние на затворе и стоке (относительно истока); 2 Cf g 5 поверхностный потенциал;заряд электрона; диэлектрическая проницаемость подложки; - концентрация примесей

подложки;

- удельная емкость пара- электрика (; - диэлек трическая проницаеВ F F -S -noA

N,

С. f;/d

мость, d - толщина параэлектрика) .

HoporoiBoe напряжение транзистора находятся из формулы

,+2Ve+

:l2EssNAi2vej:yBs.l

(2)

BS

V

PB

где V - напряжение обратного смещения подложки; напряжение сдвига плоских зон МОП-структуры. Крутизна транзистора вычисляется

из выражения

ё I |.c,(,), (3)

а сдвиг сток-затворной характеристики определяется формулой

uVr V(VBS)-V(O)

). (м

Особенностью параметрического полевого транзистора является нелинейная зависимость 6; от напряженности поля в параэлектрике, а, следовательно, зависимость С; от напряжения на затворе. Диэлектрическая проницаемость параэлектриков ; при криогенных температурах, например, титана стронция и других около 210-10, что приводит при замене двуокиси кремния () параэлектриком к увеличению крутизны g. в 540 -5-10 раз.

Из-за з 1висимости диэлектрической проницаемости параэлектрика и емкости CJ от напряжения на затворе

крутизна сток-затворной характеристики параметрического полевого транзистора будет переменной. Таким образом, МОП-транзистор с параэлектриком является транзистором: с переманной крутизной.

Для параметрических полевых транзисторов в зависимости от напряжения на подложке меняются пороговое напряжение V и емкость G; (2).

55

Изменяя концентрацию примесей подложки Кд, напряжение обратного смещения Vg и подбирая материал подложки и параэлектрика, в т.ч. по диэлектрической проницаемости, можно получить все основные типы МОП- транзисто ров с каналами п- и р-типа (нормально открытые или закрытые).

В спектротроне с внешней обратной связью транзистор I6 нормально открытый с каналом п-типа. Его сток- затворная характеристика приведена на фиг. 5. В областях напряжения на затворе U, -V(V -UCM) Де С, параэлектрика слабо зависит от напряжения затвор-подложка, крутизна параметрического полево го транзистора невелика и соизмерима с крутизной сток-затворной характеристики обычного МОП-транзистора с окисью кремния, в области напряжений, где и изменяются, она сущест- венно возрастает. Удельная крутизна параметрического полевого транзистора повторяет зависимость C.f.(y на фиг. 5,

При работе устройства напряжение на подложке транзистора Vgg может изменяться в пределах {-2U(-(v,. . .0) , что эквивалентно с учетом напряжения источника и.,,, изменению напряжения

С Л

затвор-подложка в пределах (+11,., -и), Это же напряжение затвор-подложка при разряде емкости С-, (фиг. 1)

изменяется от +U до -U.

Сток-затворная характеристика нормально открытого транзистора 17 с каналом р-типа изображена на фиг. 6 сплошной линией. Там же показан импульс запуска отрицательной полярности, открывающий транзистор 17 на . время длительности импульса C j длй заряда емкости Сф (фиг. 1) до напряжения, равного или превьшающего

-2исл,.

Зависимость (U-i) для транзистора 17 не используется при работе устройства, но с приходом импульса запуска из-за увеличения С, эффективное пороговое напряжение транзис- .тора V может уменьшаться (2), и ток стока транзистора резко нарастает. Сдвиг порогового напряжения транзистора uV-p при этом незначителен (4).

В качестве транзистора 17 может быть применен нормально закрытый параметрический полевой транзистор с каналом р-типа, Его сток-затворная характеристика изображена на фиг. 6 пунктирной линией. В этом случае напряжение на управляющей шине Uunp может быть выбрано нулевым, а амплитуда импульса запуска схемы соответственно уменьшенной.

В качестве транзистора 16 возможно использование нормально открытого

параметрического полевого транзистора с каналом р-типа, а в качестве транзистора 17 - параметрического полевого транзистора с каналом п-типа. CooTBetcTBeHHo должны при этом измениться полярности источников , и Е Замена транзисторов 16 и 17 на дополняющие позволяет снизить потребляемую мощность в исходном состоянии.

Формула изобретения

Спектротрон с внешней обратной связ, содержащий корректирующий конденсатор, элемент индуктивности, источник постоянного напряжения смещения, нагрузочный резистор, разделительный конденсатор, диодный детектор, состоящий из диода и фильтра низких частот, содержащего резистор и конденсатор, две шины биполярного источника питания, входную щину сигнала, выходную шину, один вывод корректирующего конденсатора присоединен к входной шине сигнала, а другой через элемент индуктивности и последовательно с ним соединенный источник постоянного напряжения смещения присоединен к общей шине, один вьшод разделительного конденсатора через нагрузочный резистор подсоединен к шине положительного напряжения биполярного источника питания, а другой вьшод разделительного конденсатора соединен с анодом диода и первым вьюодом резистора фичьтра низких частот, второй вывод этого резистора соединен с выходной шиной и первым выводом конденсатора фильтра низких частот, второй вывод этого конденсатора и катод диода подключены к общей шине, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, расширения функциональных возможностей, в него введены управляющая шина и два параметрических полевых транзистора с встроенными каналами разного типа проводимости, затвор первого транзистора с каналом п-типа проводимости соединен с вторым вьшодом корректирующего конденсатора, исток подсоединен к общей шине, а сток - к первому выводу нагрузочного резистора, подложка соединена с общей точкой соединения резистора и.конденсатора фильтра низких частот, исток второго параметрического полевого транзистора с каналом р-типа проводимости присоединен к

той же точке, его сток - к шине отрицательного напряжения биполярного источника питания, подложка второго

аг.З

и.

ГГН.П

ФигЛ

параметрического транзистора поцклю- чена к о.бщей гаине, а его затор - к управляющей шине.

Сз (отн. единицы)

UcM

(J

так

1уЛ

С тех

Ij

иу Уе;-Уа$

i . в