автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Улучшение спектральных характеристик генераторов СВЧ на биполярных транзисторах на основе компенсации фазового фликкер-шума

005536545

На правах рукописи

ПЛУТЕШКО Андрей Владимирович

УЛУЧШЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИИ ФАЗОВОГО ФЛИККЕР-ШУМА

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

31 ОКТ 2013

Москва — 2013

005536545

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЦАРАПКИН Дмитрий Петрович

Официальные оппоненты: ХОТУНЦЕВ Юрий Леонтьевич

доктор физико-математических наук, профессор, кафедра общетехнических дисциплин МПГУ БЕСПАЛОВ Евгений Семёнович кандидат технических наук, доцент, кафедра космических информационных технологий МИРЭА Ведущая организация: ОАО «Конструкторское бюро «Аметист»

(г. Москва)

Защита состоится 21 ноября 2013 года в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НЕГУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «!•?"» октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.15 кандидат технических наук, доцент (/

.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В различных областях техники и науки к чистоте спектра автогенераторов (АГ) и синтезаторов частот диапазона СВЧ предъявляются жёсткие требования. В спектре реального синусоидального колебания неизбежно присутствуют фазовый шум (ФШ) и амплитудный шум (АШ). В АГ при небольших отстройках от несущей ФШ значительно превышает АШ, поэтому именно снижению ФШ уделяют особое внимание. Часто основное влияние оказывает та часть спектра колебания, которая вызвана флик-кер-шумом используемого активного элемента.

Снижение ФШ усилителей также является важной задачей, так как, во-первых, в основе любого АГ лежит некоторая усилительная схема, во-вторых, при формировании стабильного колебания буферный усилитель или усилитель, используемый в умножительной цепочке, может вносить значительный ФШ.

В АГ с рабочими частотами выше 500 МГц вклад фликкер-шума усилителя в ФШ АГ является значительным по сравнению с остальными источниками шума. Поэтому для улучшения кратковременной стабильности частоты АГ СВЧ следует разрабатывать методы, позволяющие снизить фазовый фликкер-шум усилителя, лежащего в его основе.

В устройствах генерирования и формирования синусоидальных колебаний СВЧ диапазона одним из широко используемых активных элементов является биполярный транзистор (БТ) на основе р-л-переходов. Он имеет лучшие показатели по флик-кер-шуму, чем полевые транзисторы, и не сильно уступает по этому параметру БТ на основе гетеропереходов.

Основной источник фликкер-шума БТ связан с рекомбинацией в эмиттер-ном р-и-переходе. Шумовая модель БТ, учитывающая этот источник флуктуа-ций, была предложена В.Н. Кулешовым и И.П. Бережняком. В работах В.Н. Кулешова была показана возможность полной компенсации ФШ, вызванного этим источником, в выходном сигнале малосигнального усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с помощью комплексной обратной связи (включение параллельного КС-звена в цепи эмиттера). В последующих работах В.Н. Куле-

шова и Т.И. Болдыревой был представлен ещё один способ компенсации ФШ в тасом усилителе, и показана невозможность компенсации при амплитудах выше некоторого значения. Этими же авторами исследовались и другие схемы включения БТ, но ни в одной из публикаций не сообщается о возможности компенсации ФШ, имеющей место в схеме ОЭ.

Проблемой снижения уровня ФШ, вызванного фликкерными флуктуа-циями, в малосигнальных усилителях на БТ занимались и другие авторы (E.S Ferre-Pikal, F.L. Walls, К. Theodoropoulos, J. Everard), но в их работах не упоминается о возможности полной компенсации ФШ.

Эффект компенсации ФШ в схеме ОЭ достигался на частотах порадка десятков мегагерц, на которых возможно применение более простого и эффективного спо соба подавления ФШ, вызванного фликкер-шумом. Этот способ сводится к введению незашунтированного резистора последовательно с эмитгерным выводом БТ (D. Halford, A.E.Wainwright, J.A. Barnes, D.J. Healy). Поскольку, как было показано этими авторами, ФШ, вызванный фликке]>шумом, имеет модуляционную природу, то увеличение глубины отрицательной обратной связи в усилителе позволяет значительно подавил, ФШ. Но такое использование резистора неприемлемо на СВЧ. Поэтому для разработки устройств на БТ, работающих в этом часшгаом диапазоне и имеющих улучшенные шумовые характеристики, актуально исследовать их на возможность компенсации ФШ, подобной упомянутой выше.

В этой связи в первую очередь интересны свойства усилителя по схеме с общей базой (ОБ), поскольку при этом включении БТ максимально реализуются его усилительные свойства на СВЧ. Изучение свойств схемы ОБ, в свою очередь, даёт основания для рассмотрения возможности компенсации ФШ в АГ на БТ.

Работа усилителя или АГ зависит от множества случайных факторов (температура, старение, замена элементов). Поэтому для практической реализации устройства на БТ, рассчитанного на продолжительную работу с улучшенными шумовые характеристиками, необходима система автоматической настройки на режим работы с компенсированным ФШ. Такая система не должна быть чрезмерно сложной, чтобы оправдывать средства, затраченные на достижение пониженного ФШ, по сравнению с каким-либо другим способом снижения ФШ.

4

Целью диссертации является разработка методов улучшения спектральных характеристик СВЧ устройств на БТ на основе компенсации ФШ> вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ. Основные задачи:

- анализ устройств на БТ на возможность компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока, с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

. - разработка способов пракшческой реализации устройств на БТ с компенсированным ФШ, вызванным фликкерными флукхуациями рекомбинационноп, тока БТ Методы исследования

В работе использовались метод квазистатического анализа, компьютерное моделирование устройств с фликкер-Шумом и физическое моделирование устройств с флуктуирующей рекомбинационной проводимостью. Новые научные результаты, полученные в диссертации

- показана возможность компенсации ФШ в усилителе по схеме ОБ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- показана возможность компенсации ФШ в АГ на БТ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- описан принцип рабслы си™ слеже.шл (СС) за нашройкой устрой^ на БТ на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ

Практическая ценность результатов работы:

1. полученные результаты существенно дополняют существующие знания относительно эффекта компенсации ФШ в устройствах „а БТ и позволяют проверить и уточнить существующую шумовую модель БТ.

2. Применение описанной в работе СС в устройствах на БТ даёт возмож-ноств реализации источников колебаний СВЧ с улучшенными спектральными характеристиками за счёт компенсации ФШ, вызванного фликкерными флук-туациями рекомбинационного тока БТ.

Реализация и внедрение результатов

По итогам диссертационной работы получен акт об использовании результатов работы в разработках ОАО «НПП «САЛЮТ».

Достоверность результатов

Достоверность результатов обеспечивается использованием при расчётах и компьютерном моделировании проверенных экспериментально и зарекомендовавших себя на практике моделей с последующей экспериментальной проверкой некоторых теоретических выводов.

Апробация результатов

Основные научные результаты и положения, выдвигаемые на защиту, апробированы на нескольких международных конференциях:

- семнадцатая и девятнадцатая международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 и 2013 гг.);

- средиземноморская конференция по встраиваемым системам МЕСО (19-21 июня 2012 г., Бар, Черногория).

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах, среди которых две статьи в научно-технических журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии, а также тезисы и сборники трудов трёх международных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями ре-комбинационного тока, в усилителе по схеме ОБ.

2. Метод компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями ре-комбинационного тока, в АГ на БТ.

3. Принцип работы системы слежения за настройкой устройств на БТ на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Структура и состав работы

Диссертация состоит из Введения, четырёх глав, Заключения, библиографического списка из 73 наименований (включая научные труды автора), шести приложений (на 13 страницах). Общий объём диссертации составляет 107 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, проводится обзор литературы по обсуждаемой теме, определяются цели и методы исследования, формулируются новые научные результаты, обосновывается практическая значимость, представляются основные положения, выносимые на защиту, а также приводятся сведения об апробации результатов диссертационной работы и список публикаций автора.

В первой главе изложены общие сведения о вкладе фликкерных флук-туаций в спектральную плотность мощности (СПМ) ФШ и их влияние на кратковременную нестабильность частоты источника колебаний.

ФШ в усилителях и автогенераторах (АГ) принято характеризовать СПМ флуктуаций фазы (р(0 исследуемого колебания и(С):

где и0 — амплитуда колебаний, а(€) - относительные амплитудные флуктуации (АШ), /о - средняя частота колебаний. Переменную Р называют частотой анализа или частотой Фурье.

ент, не зависящий от частоты. Она вызвана низкочастотной модуляцией коэффициента передачи усилителя источниками фликкер-шума. Для малосигнального усилителя 5_! не зависит от величины усиливаемого сигнала. Используемый в составе АГ усилитель переносит эту составляющую в ФШ АГ.

В первой главе приведён обзор публикаций по исследованиям ФШ устройств на БТ, вызванного фликкерными флуктуациями активного элемента. Описаны эквивалентные схемы БТ и механизм переноса НЧ фликкер-шума в спектр ВЧ колебания. На полной эквивалентной схеме БТ (Рис.1) относительные фликкерные флуктуации ц(£) вызывают случайные изменения нелинейной

зависимости (1 + ц) базового тока от напряжения на эмиттерном перехо-

де щ%, где р - коэффициент передачи тока в схеме ОЭ, =

= У0(1 + а(0) соз(2 7[/0г + ф(0),

(1)

В составе СПМ усилителя есть составляющая (-Ег), где 5'_1 - коэффици-

- тепловой ток эмиттерного перехода, Ф7 = к — постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, q — элементарный электрический заряд.

а Ь 3

¿зпС^йэ)

4/ 4/

(1 + И): к]

\

^ка(ибк) 6

I

Й6

4/

16

Рис. 1. Эквивалентная схема БТ на СВЧ.

В случае малосигнального режима работы (Рис. 2) нелинейные зависимости линеаризуются и описываются линейными элементами: рекомбинационной

проводимостью д = ——, источником тока с крутизной 5 = |3д, емкостями Сэ к т.?, Сэп, Ска и Скп, принимающими значения соответствующей нелинейной зависимости в рабочей точке.

Основное допущение при анализе - квазистатичность фликкерных флук-туаций коэффициента передачи усилителя, вызванных фликкер-шумом. Оно обусловлено тем, что частоты, на которых проявляется фликкер-шум, малы по сравнению с сигнальной частотой.

Исходя из этого, комплексный коэффициент передачи малосигнального усилителя К(/ш, ц) записывается как функция от относительных флуктуаций цОО, модулирующих параметры линейной цепи. Тогда СПМ АШ и ФШ выходного сигнала выражаются следующим образом

•Я, =

Ие-

Зц

К(МИ)

1т-

ЭВДм,|0

9ц

к (мо)

ц=о

с

ц*

где 5а — СПМ АШ, — СПМ ФШ, — СПМ относительных флукгуаций. Условие компенсации ФШ определяется равенством

1т

ЭКЦы.ц)

= 0.

(1)

ц=о

Пренебрегая влиянием флуктуаций барьерных емкостей переходов БТ, имеем следующие основные флуктуации параметров эквивалентной схемы БТ: Ад = (1 -А)\1д, Д5 = — ДСЭ = -ЛцСэ, где А - коэффициент, характеризующий зависимость параметров эквивалентной схемы БТ от флуктуаций рабочей точки.

9\

/Ч

«б

I

61 -■'.'■■'■.

Рис. 2. Малосигнальная эквивалентная схема БТ.

В первой главе описаны ранее известные способы компенсации в схеме ОЭ. В одном из них эффект достигается введением индуктивности в базовую цепь. В простейшем случае А = 0 (то есть, когда отсутствуют флуктуаций рабочей точки БТ) этот способ можно пояснить с помощью рис. 3.

Если во входную цепь усилителя включена индуктивность, можно добавить её сопротивление к внутреннему сопротивлению генератора и преобразовать по Нортону исходный генератор напряжения с изменённым внутренним сопротивлением в соответствующий ему генератор тока с некоторой проводимостью. Тогда компенса-

щи получится на частоте

параллельного резонанса контура, где флуктуации д изме-

няют только амплитуду

.. И не влияют на фазу усиливаемого сигнала.

Рис 3 Пояснение к механизму компенсации в схеме ОЭ ' с помощью индуктивности в базовой цепи.

Во второй главе описан квазистатический метод анализа флукгуаций и сличения его применимости. Проведено исследование малосильного

«ртопя и получены соотношения параметров усилителя ОБ с помощью этого метода и получены

усилителя, обеспечивающие компенсацию ФШ.

Эквивалентная схема усилителя на БТ, включенном но схеме с ОБ, приведена на рис. 4. Катушки и конденсаторы 16,1, Ь6п2, Сбл1, Ср1. СР2 представит блокировочные и разделительные элементы. Номиналы этих элементов полагаются такими, чтобы их влиянием можно было пренебречь на тех частотах на которых проводится анализ. Резисторы Кэ> Я, задают рабочую ХОчку БТ. Сигнал на усилитель на вход транзистора Т1 поступает с генератора № с комплексным внутренним сопротивлением 2г = *Г+ Д, Усилитель имеет

комплексную нагрузку = Кн + Дн •

Далее приведены результаты, полученные при следующих допущениях.

СЭП =Комгш№сный коэффициент передачи усилителя К(/ш, ц) .записанный как функция от ц, имеет вид:

К(/со, ц) =

5(1 -лц)г„

¿.бл?

(2)

О

Ср 2

Ш

<1.бл2

Свл1

□

(т

Еп

Рис. 4. Эквивалентная схема усилителя на БТ, включённом по схеме ОБ.

Решение уравнение (1) для коэффициента передачи (2) даёт при фиксированном ЯГ два значения ХГ. Их полные явные выражения слишком громоздки. Поэтому далее приведены результаты для А = О, что соответствует усилителю с низкоомными цепями смещения, либо с шунтирующим цепи смещения конденсатором большой ёмкости. При этом выражения становятся более компактными и не зависят от д:

у _ (1-2М2Сэг.6)±у4и2СаКг(165-С3Дг)+1 лг,,--г—:-.

2 шс.

(3)

Из (3) видно, что значения ХГг2 могут иметь разные знаки (Рис. 5), и что существуют такие значения параметров схемы усилителя, когда компенсация ФШ возможна на любой частоте (Рис. 6).

При этом важную роль играет наличие Ь6, поскольку при Ьб = О

X,

Г1,2

. 1±У1-4шг(С3Кг)2

2ш С,

Хт имеет только индуктивный характер, и всегда существует максимальная частота, на которой возможна компенсация: сокомп макс = 2тг/комп шкс =

э г

ГА

(Рис. 6). То есть в схеме ОБ, по сравнению со схемой ОЭ, возможно увеличение диапазона частот, в котором достигается компенсация ФШ.

Рис. 5. Частотные зависимости (а) Хгя (б) ХТг при различных значениях Ьъ.

Далее в главе приведена модель БТ для анализа влияния слабых нелинейных эффектов на условия компенсации. На основе этой модели проведён анализ условий существования компенсации усилителя ОБ, работающего в режиме

большого сигнала, и АГ на БТ.

В третьей главе описан принцип работы системы слежения (СС) с нулевой статической ошибкой, обеспечивающей практическую реализацию усилителей и АГ на БТ с компенсированным ФШ и использующей нестационарность фликкер-шума.

Необходимость применения СС определяется тем, что режим работы устройства на БТ, соответствующий компенсации фазового фликкер-шума, зависит от множества параметров и точности их значений. Зависимость этих значений от различных факторов (температура, старение, замена элементов) делает маловероятной продолжительную работу усилителя или АГ с требуемыми характеристиками. Поэтому целесообразно предусмотреть возможность автоматической настройки усилителя или АГ на точку компенсации.

-_ ,¿6. нГн

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

Рис. 6. Зависимость максимальной частоты компенсации /комп макс от 16.

На рис. 7 представлена СС за настройкой на минимум ФШ усилителя на БТ. Действие фликкерных флуктуаций ц(0 условно обозначено на рис. 7 источником тока. СС использует два различных воздействия, оказываемых цф. Одно из них - это флуктуации фазы выходного сигнала усилителя ср(С). Отклонение фазы выходного сигнала усилителя от фазы входного имеет вид

ФК> = Г(т)ц(0 + <рпи(0 , (4)

где Т(т) - коэффициент трансформации, тп - настраиваемый параметр, фпи(^ - ФШ, вызванный прочими источниками, выделяется в фазовом детекторе (ФД). Здесь предполагается, что ФД работает в линейной области своей характеристики, поэтому на его выходе имеется сигнал пропорциональный ср(£). Выделенный в ФД далее поступает на плечо «у» перемножителя:

У(0 = Ифд(Г) = Кфдф(0, (5)

где Кфд - крутизна характеристики ФД.

13

Другое воздействие, оказываемое проявляется на низких частотах и может быть обнаружено, например, как напряжение на каком-либо из резисторов, которыми устанавливается режим БТ по постоянному току. Это напряжение, усиленное вспомогательным усилителем Ух, подаётся на плечо перемножителя <а», то есть

x(t) = Кх№, (б)

где Кх - коэффициент усиления усилителя Ух. На выходе перемножителя получается сигнал

«л (0 = Кп *(0у(0 = ЛГіГ(т)ц2(0 + А-іФпй(0ц(0, (7)

где Кп - коэффициент передачи перемножителя, = КПКХКФЯ.

Далее полагается без ограничения общности, что Г(0) = 0, то есть, что компенсация ФШ достигается при значении т = 0. Линеаризованная в окрестности точки т = 0 зависимость Т(т) имеет вид

Т(т) « ¿Г(т)|т=0т . (8)

Тогда, исходя из (4)-(8), на выходе перемножителя в окрестности минимума ФШ имеется сигнал

un(t) = Kzm\L2if) + ^ФпиСОиСО. (9)

где = Kl ^ т(т) |т=о-

Настройка осуществляется сигналом mit) = 4- mB(t), где ma(t)

возмущение управляющего параметра.

В случае, если фильтр обрабатывает входные сигналы аналогично интегрирующей ДС-цепи, то есть ти'фСО + иф(С) = u„(t), где т - постоянная времени ЛС-цепи, пользуясь рис. 7 и (9), получаем обыкновенное линейное дифференциальное уравнение первого порядка, описывающее работу СС:

т тп' + ш(1 - Кгц2(£)) = т т'в + тв + ^„„(ОпСО- (Ю) Решение (10) допускает разделение m(t) на две составляющие, первая из них, ШустСО, описывает процесс установления при возмущении, связанном только со средним значением смещения настраиваемого параметра тв относительно точки компенсации m = 0, а вторая, rru(t), - реакцию СС на прочие воздействия из правой часта (10):

mit) = mycT(t) + m_(t). (")

Для mycT(t) получаем стандартное решение методом вариации постоянных, полагая при этом, что СС начинает работать в момент времени t = 0:

rn^Ct) = тве~™ + Щ|V(bM-bCO)dt2 , (12)

где ЬСО = iJo(l - ifi:|i2(ti))dti-

Слагаемые в правой части (12) всегда имеют один знак, поэтому для выполнения условия mycT(t) = 0 каждое из них должно стремиться к нулю при t -* оо. Тогда для стремления первого слагаемого к нулю необходимо потребовать

lim bit) = оо . (13)

t-»co

Это условие всегда выполняется приКЕ < 0. Преобразуем второе слагае-тв

мое, опустив множитель —:

Из (13) следует, что J° e„(t) имеет неопределённость вида - при t -» со. Этот предел исследуется с помощью правила Лопиталя. Рассмотрим предел

I™ "(«к оу = fe ~ I™ »'(О'

Тогда для того, чтобы lim J° gKt) = 0, достаточно потребовать

lim -L- = о. Для процесса ц(0, имеющего СПМ обратно пропорциональную £-»00 Ь'(0

частоте и ограниченную некоторой верхней частотой, верно

- fV^tOdti = 0(lnt) . (И)

£ Jo

Следовательно, |b(t)| = O(tlnt) при Kz< 0. Хотя ^ = itksW) H®

имеет предела, поскольку ц2(0 может принимать нулевые значения при сколь угодно больших t, но в среднем bit) растёт быстрее, чем t. Такая скорость роста среднего значения b(t) обеспечивает lim^ mycT(t) = 0- Значит, математическое ожидание отклика СС таково, что обеспечивается настройка

на компенсацию ФШ при t -»

Первое слагаемое в (12) убывает быстрее, чем e~kt, где к - некоторая константа, а второе - как при больших t, а при малых t - начинает расти от

нуля. Отсюда следует, во-первых, что начало процесса установления определятся поведением первого слагаемого, а характер асимптотического стремления т -* 0. Во-вторых, что второе слагаемое имеет экстремальное значение т2экс, которое достигается в некоторый момент времени t23KC. Как т2экс> так и t23KC, уменьшаются по мере роста \К?\. Это позволяет свойство регулировать степень влияния второго слагаемого на характер процесса установления в СС.

На рис. 8 показаны временные диаграммы процессов установления в описанной выше математической модели при различных значениях Kz. Моделирование проведено с помощью программного пакета Scilab. Отсчёты n(t) получе-

16

ны путём пропускания белого шума с нулевым математическим ожиданием и дисперсией равной 1 через фильтр с бесконечной импульсной характеристикой, ограниченной первыми N = 1000 коэффициентами. Причём соответствующая' частотная характеристика *(/<■>) такова, что |К(/о>)|2 = ± Отсчёты переменной t взяты с шагом Дс = 0,001. Как видно, рис. 8 демонстрирует приведенные выше качественные теоретические выводы относительно характера переходного процесса в СС.

: в конце третьей главы изложенные выше результаты распространяются на СС ДЛЯ АГ, а также даются рекомендации по проектированию отдельных узлов СС.

0.64 0.06 0,08 0.1 б)

Рис. 8. Процесс настройки СС при (а) = -1; (б) Кг = -Ю (тв = 1; т = 0,05; фпи(£) = 0).'

В четвёртой главе представлены результаты физического моделирования флуктуаций рекомбинационной проводимости в усилителе ОБ и компенсации влияния этих флуктуаций на фазу усиливаемого сигнала, подтверждающие некоторые результаты, полученные во второй главе.

Исследовался макет малосигнального усилителя на БТ, включённом по схеме ОБ, при >1 = 0. Фликкерные флуктуации входной проводимости имитировались подключением СВЧ полевого транзистора (ПТ) параллельно эмиттер-ному переходу БТ. Проводимость канала ПТ модулировалась напряжением отрицательной полярности в форме меандра.

Из теоретических результатов следует, что компенсацию фазовых флуктуации в усилителе ОБ можно получить соответствующей настройкой цепи связи усилителя с источником сигнала. Для ЭТ0Г0 в макет, использовался подстроечный конденсатор. При некотором положении конденсатора наблюдался минимум модуляционных составляющих, наблюдаемых на анализаторе спектра (Рис. 9).

пп«я!ИС' СПЄКГРН ВЫХ0ДН0Г0 сигнала макета усилителя ОБ при трёх после Довательных положениях настроечного конденсатора с диапазГо™ешй

ёмкости (4...20) пФ.

(Центральная частота 52 52 МГц; масштаб по горизонтальной оси: 20 кГц в клетке; масштаб по вертикальной оси: 5 дБ в клетке).

В Заключении формулируются основные итоги и результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:

- проведён обзор предшествующих исследований компенсации ФШ вызван ного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока, в устройства на БТ;

- показана возможность компенсации ФШ в усилителе по схеме ОБ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ. Описаны способы увеличение диапазона частот, в котором достигается компенсация ФШ по сравнению со схемой ОЭ;

- показана возможность компенсации ФШ в АГ на БТ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- описан принцип работы СС за настройкой на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Плутешко А.В., Царапкин Д.П. Компенсация фазового фликкер-шума в усилителе мощности на биполярном транзисторе // Радиотехника и электроника. — 2012. — Т. 57, № 4. — С. 437-440.

2. Плутешко А.В. Физическое моделирование компенсации фазового

фликкер-шума в транзисторном усилителе // Вестник МЭИ. _ 2013. _

№ 3. — С. 85-88.

3. Плутешко А.В., Царапкин Д.П. Компенсация мультипликативного фазового фликкер-шума транзисторного усилителя мощности, работающего в нелинейном режиме // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - М.: Издательство МЭИ, 2011, Т. 1. - С. 52-53.

4. Плутешко А.В., Царапкин Д.П. Компенсация фазового фликкер-шума транзисторного автогенератора на СВЧ // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов девятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. -М.: Издательство МЭИ, 2013, Т. 1. - С. 26.

5. Pluteshko А.V., Tsarapkin D.P. 1/f РМ Noise Compensation in CB BJT Amplifier // 2012 Mediterranean Conference on Embedded Computing (МЕСО). - 19-21 June 2012. -P. 182- 185.

Подписано в печать lS<W' (Ш(SГ Печ. л. ІХ6 Тираж WO Заказ 3$Ь Полиграфический центр ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ», Красноказарменная ул., д. 13

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201364001

ПЛУТЕШКО Андрей Владимирович

УЛУЧШЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИИ ФАЗОВОГО ФЛИККЕР-ШУМА

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Царапкин Дмитрий Петрович

Москва-2013

АННОТАЦИЯ

В диссертации разработаны методы улучшения спектральных характеристик СВЧ устройств на биполярных транзисторов (БТ) на основе полной компенсации фазового шума (ФШ), вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Представлен анализ устройств с использованием БТ: усилителя по схеме с общей базой (ОБ) и автогенератора (АГ), на возможность компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока. Получены соотношения, определяющие условия компенсации ФШ в усилителе ОБ и АГ на БТ.

Описан принцип работы системы слежения (СС) за настройкой устройств на БТ на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Применение описанной в работе СС в устройствах на БТ даёт возможность реализации источников колебаний СВЧ с улучшенными спектральными характеристиками за счёт компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1 ФАЗОВЫЙ ШУМ В ИСТОЧНИКАХ КОЛЕБАНИЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ, ВЫЗВАННЫЙ ФЛИККЕРНЫМИ ФЛУКТУАЦИЯМИ 11

1.1 Общие соотношения 11

1.1.1 Описание фазового шума в усилителях и автогенераторах 11

1.1.2 Модель Лисона 13

1.1.3 Требования к величине фазового шума в источниках колебаний 14

1.2 Обзор публикаций по фликкер-шуму биполярного транзистора 16

1.2.1 Исследования фазового шума, вызванного фликкерными флуктуациями в биполярном транзисторе 16

1.2.2 Источники низкочастотного фликкер-шум в биполярном транзисторе 18

1.2.3 Анализ фазового шума, вызванного фликкерными флуктуациями

в биполярном транзисторе, и его компенсация 21

1.3 Основные результаты 30

2 КОМПЕНСАЦИЯ ФАЗОВОГО ФЛИККЕР-ШУМА В УСТРОЙСТВАХ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ 31

2.1 Анализ систем с флуктуирующими параметрами 31

2.1.1 Аналитическое описание систем с флуктуирующими параметрами 31

2.1.2 Компьютерное моделирование систем с флуктуирующими параметрами 41

2.2 Компенсация фазового фликкер-шума в усилителе по схеме с общей базой 42

2.2.1 Компенсация фазового фликкер-шума в малосигнальном

усилителе 42

2.2.2 Компенсация фазового фликкер-шума в усилителе большого сигнала 55

2.3 Компенсация фазового фликкер-шума в автогенераторе на биполярном транзисторе 59

2.4 Основные результаты 62

3 СИСТЕМА СЛЕЖЕНИЯ ЗА НАСТРОЙКОЙ

НА МИНИМУМ ФАЗОВОГО ФЛИККЕР-ШУМА 63

3.1 Постановка задачи и обзор 63

3.2 Система слежения для усилителя 64

3.3 Система слежения для автогенератора 72

3.4 Узлы системы слежения 74

3.4.1 Перемножитель 74

3.4.2 Выделение фазового шума 76

3.4.3 Элемент управления 77

3.4.4 Малошумящие усилители 77

3.5 Основные результаты 78

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА 79

4.1 Физическое моделирование компенсации фазового шума в усилителе по схеме с общей базой 79

4.2 Основные результаты 85 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 87 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Численные значения параметров моделей 95 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Электрические схемы в ADS 2008 102 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты символьных вычислений

BwxMaxima 103

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Материалы по моделированию в Scilab 105

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Фотография макета усилителя ОБ 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акт об использовании результатов работы 107

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АГ - Автогенератор

АШ - амплитудный шум

БТ - биполярный транзистор

ВЧ - высокочастотный

НЧ - низкочастотный

ОБ - включение биполярного транзистора по схеме с общей базой

ОЭ - включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

ПТ - полевой транзистор

СПМ - спектральная плотность мощности

СС - система слежения

ФШ - фазовый шум

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В различных областях техники и науки к чистоте спектра автогенераторов (АГ) и синтезаторов частот диапазона СВЧ предъявляются жёсткие требования [6-12]. В спектре реального синусоидального колебания неизбежно присутствуют фазовый шум (ФПГ) и амплитудный шум (АШ). В АГ при небольших отстройках от несущей ФШ значительно превышает АШ, поэтому именно снижению ФШ уделяют особое внимание. Часто основное влияние оказывает та часть спектра колебания, которая вызвана фликкер-шумом используемого активного элемента.

Снижение ФШ усилителей также является важной задачей, так как, во-первых, в основе любого АГ лежит некоторая усилительная схема, во-вторых, при формировании стабильного колебания буферный усилитель или усилитель, используемый в умножительной цепочке, может вносить значительный ФШ.

В АГ с рабочими частотами выше 500 МГц вклад фликкер-шума усилителя в ФШ АГ является значительным по сравнению с остальными источниками шума [5]. Поэтому для улучшения кратковременной стабильности частоты АГ СВЧ следует разрабатывать методы, позволяющие снизить фазовый фликкер-шум усилителя, лежащего в его основе.

В устройствах генерирования и формирования синусоидальных колебаний СВЧ диапазона одним из широко используемых активных элементов является биполярный транзистор (БТ) на основе ^-«-переходов. Он имеет лучшие показатели по фликкер-шуму, чем полевые транзисторы, и не сильно уступает по этому параметру БТ на основе гетеропереходов [16].

Основной источник фликкер-шума БТ связан с рекомбинацией в эмиттерном р-п-переходе. Шумовая модель БТ, учитывающая этот источник флуктуаций, была предложена В.Н. Кулешовым и И.П. Бережняком [20]. В [19] В.Н. Кулешовым была показана возможность полной компенсации ФШ, вызванного этим источником, в выходном сигнале мало сигнального усилителя по схеме с общим эмиттером (ОЭ) с помощью комплексной обратной связи

(включение параллельного RC-звена в цепи эмиттера). В последующих работах В.Н. Кулешова и Т.И. Болдыревой был представлен ещё один способ компенсации ФШ в таком усилителе [21], и показана невозможность компенсации при амплитудах выше некоторого значения [23]. Этими же авторами исследовались и другие схемы включения БТ, но ни в одной из публикаций не сообщается о возможности компенсации ФШ, имеющей место в схеме ОЭ.

Проблемой снижения уровня ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями, в малосигнальных усилителях на БТ занимались и другие авторы (E.S Ferre-Pikal, F.L. Walls, К. Theodoropoulos, J. Everard), но в их работах не упоминается о возможности полной компенсации ФШ [24,25,29].

Эффект компенсации ФШ в схеме ОЭ достигался на частотах порядка десятков мегагерц, на которых возможно применение более простого и эффективного способа подавления ФШ, вызванного фликкер-шумом. Этот способ сводится к введению незашунтированного резистора последовательно с эмиттерным выводом БТ (D. Halford, A.E.Wainwright, J.A. Barnes, D.J. Healy) [17, 18]. Поскольку, как было показано этими авторами, ФШ, вызванный фликкер-шумом, имеет модуляционную природу, то увеличение глубины отрицательной обратной связи в усилителе позволяет значительно подавить ФШ. Но такое использование резистора неприемлемо на СВЧ. Поэтому для разработки устройств на БТ, работающих в этом частотном диапазоне и имеющих улучшенные шумовые характеристики, актуально исследовать их на возможность компенсации ФЩ подобной упомянутой выше.

В этой связи в первую очередь интересны свойства усилителя по схеме с общей базой (ОБ), поскольку при этом включении БТ максимально реализуются его усилительные свойства на СВЧ. Изучение свойств схемы ОБ, в свою очередь, даёт основания для рассмотрения возможности компенсации ФШ в АГ на БТ.

Работа усилителя или АГ зависит от множества случайных факторов (температура, старение, замена элементов). Поэтому для практической реализации устройства на БТ, рассчитанного на продолжительную работу с

улучшенными шумовые характеристиками, необходима система автоматической настройки на режим работы с компенсированным ФШ. Такая система не должна быть чрезмерно сложной, чтобы оправдывать средства, затраченные на достижение пониженного ФШ, по сравнению с каким-либо другим способом снижения ФШ.

Целью диссертации является разработка методов улучшения спектральных характеристик СВЧ устройств на БТ на основе компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Основные задачи:

- анализ устройств на БТ на возможность компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока, с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- разработка способов практической реализации устройств на БТ с компенсированным ФШ, вызванным фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Методы исследования

В работе использовались метод квазистатического анализа, компьютерное моделирование устройств с фликкер-шумом и физическое моделирование устройств с флуктуирующей рекомбинационной проводимостью.

Новые научные результаты, полученные в диссертации

- показана возможность компенсации ФШ в усилителе по схеме ОБ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- показана возможность компенсации ФШ в АГ на БТ с учётом особенностей работы БТ на СВЧ;

- описан принцип работы системы слежения (СС) за настройкой устройств на БТ на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Практическая ценность результатов работы:

1. Полученные результаты существенно дополняют существующие знания относительно эффекта компенсации ФШ в устройствах на БТ и позволяют проверить и уточнить существующую шумовую модель БТ.

2. Применение описанной в работе СС в устройствах на БТ даёт возможность реализации источников колебаний СВЧ с улучшенными спектральными характеристиками за счёт компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Реализация и внедрение результатов

По итогам диссертационной работы получен акт об использовании результатов работы в разработках ОАО «НПП «САЛЮТ».

Достоверность результатов

Достоверность результатов обеспечивается использованием при расчётах и компьютерном моделировании проверенных экспериментально и зарекомендовавших себя на практике моделей с последующей экспериментальной проверкой некоторых теоретических выводов.

Апробация результатов

Основные научные результаты и положения, выдвигаемые на защиту, апробированы на нескольких международных конференциях:

- семнадцатая и девятнадцатая международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2011 и 2013 гг.);

- средиземноморская конференция по встраиваемым системам MECO (19-21 июня 2012 г., Бар, Черногория).

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах, среди которых две статьи в научно-технических журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии, а также тезисы и сборники трудов трёх международных конференций.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями реком-бинационного тока, в усилителе по схеме ОБ.

2. Метод компенсации ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями реком-бинационного тока, в АГ на БТ.

3. Принцип работы системы слежения за настройкой устройств на БТ на минимум ФШ, вызванного фликкерными флуктуациями рекомбинационного тока БТ.

Структура и состав работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 73 наименований (включая научные труды автора), шести приложений (на 13 страницах). Общий объём диссертации составляет 107 страниц машинописного текста, 37 рисунков и 1 таблицу.

1 ФАЗОВЫЙ ШУМ В ИСТОЧНИКАХ КОЛЕБАНИЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ, ВЫЗВАННЫЙ ФЛИККЕРНЫМИ ФЛУКТУАЦИЯМИ

1.1 Общие соотношения

1.1.1 Описание фазового шума в усилителях и автогенераторах. Фазовый шум (ФШ) в усилителях и автогенераторах (АГ) принято характеризовать спектральной плотностью мощности (СПМ) 5^(70 флуктуаций фазы ф(*:) исследуемого колебания и(Ь):

"(0 = (1 + с°5(2тт/0£: + ф(0), (1.1)

где и0- амплитуда колебаний, а{€) - относительные амплитудные флуктуации (амплитудный шум (АШ)), /0 - средняя частота колебаний [1]. Предполагается а(0 = 0, ф(£) = 0. При условии, что а(Ь) = 0 (в случаях, когда ФШ значительно превышает АШ) и ф2(£) < °о имеет место равенство

(1.2)

'2

где 5и(/) - СПМ и(0 [2]. Поэтому СПМ ФШ выражают в дБн/Гц, где "дБн"

и2

обозначает децибелы, отсчитываемые от мощности несущей -у- (на

сопротивлении 1 Ом). F называют частотой анализа или частотой Фурье.

При анализе ФШ принято рассматривать не всю спектральную линию колебания, а лишь её скаты, описываемые в виде суммы членов с различными степенными зависимостями от F [1].

СПМ ФШ на выходе усилителя в большинстве случаев описывается в виде

(1.3)

где ¿"о, 5_г - коэффициенты, не зависящие от F [1, 3]. Не зависящая от составляющая 50 является аддитивной и обусловлена источниками теплового и дробового шумов. При малом сигнале действие этих шумов не зависит наличия

и2

усиливаемого сигнала. В этом случае обратно пропорциональна —. Данное

соотношение перестаёт быть верным при нелинейном режиме работы усилителя [4].

Вторая составляющая ("^г) ~~ мультипликативная. Она вызвана

низкочастотной модуляцией коэффициента передачи усилителя источниками фликкер-шума (см. ниже). Для малосигнального усилителя не зависит от величины усиливаемого сигнала.

СПМ ФШ АГ имеет более сложную форму и описывается в общем случае степенной зависимостью

4

5<р(в = + £ . 0.4)

Ш = 1

Каждая из составляющих ФШ АГ имеет своё название (табл. 1) [3]. Фазовый белый и фликкер шумы, а также частотный белый имеют своим основным источником усилитель. В частотный фликкер-шум вносят вклад как усилитель, так и резонатор, а частотный шум случайных блужданий зависит от нестабильности частоты резонатора, старения компонентов и всевозможных изменений внешних условий (температуры, влажности и т.д.).

Нестабильность колебаний в АГ описывается флуктуациями частоты

относительно её среднего значения у(£) = СПМ у (О равна

2тт/о

(1.5)

Во временной области нестабильность частоты колебаний принято описывать величиной

N / „

к=1 \ т=1 /

_ ф(Сь-)—фССЬ-—т) 1 гСк ^ ч I т

где ук = —--= - Г _ y(t)at, Т - временной интервал между взятием

Т Т ^Лс Т

т Jtk

отсчётов ф(^).

В случае Т = т величина <Ту (Я, т, т) называется дисперсией Аллена

а-у2(т) = (уаьу2а"т))2. (1.7)

Показано, что для различных составляющих ФШ выполняется т)~ту, где

у - показатель, характеризующий тот или иной тип шума (табл. 1) при условии 2ттРвт »1, где - граничная частота, выше которой по предположению отсутствуют фазовые флуктуации. Наибольшая стабильность частоты проявляется в области значений т, где преобладает частотный фликкер-шум.

Таблица 1. Составляющие ФШ АГ.

Составляющая ФШ У Название составляющей

-2 Фазовый белый шум

Р -2 Фазовый фликкер-шум

/Г2 -1 Частотный белый шум (фазовый шум случайных блужданий)

5-3 /73 0 Частотный фликкер-шум

5_4 /74 1 Частотный шум случайных блужданий

1.1.2 Модель Лисона.

Наиболее просто ФШ АГ описывает модель Лисона [4], представляющая АГ в виде соединённых в кольцо усилителя и частотно-избирательного фильтра (Ф) (резонатора) (Рис. 1.1). АГ работает на частоте^, являющейся резонансной частотой фильтра. Модель не учитывает собственный шум резонатора, АШ, нелинейные эффекты.

Согласно модели Лисона ФШ в сечениях 1 (выход Ф)5фД и 2 (выход усилителя) автогенераторного кольца равен

= (1.8 а)

= + 0-8 6) где - собственный ФШ усилителя, (} - добротность колебательной системы.

Из (1.8а,б) следует, что ФШ усилителя, вызванный фликкерными

флуктуациями, даёт вклад в компоненту ФШ АГ. Поскольку в АГ с рабочими

частотами выше 500 МГц этот вклад является преимущественным [5], то для достижения наилучшей стабильности частоты АГ СВЧ следует разрабатывать методы, позволяющие снизить фазовый фликкер-шум усилителя.

1.1.3 Требования к уровню фазового шума в источниках колебаний.

При формировании синусоидального колебания в его спектре неизбежно присутствуют ФШ и АШ. В АГ при небольших отстройках от несущей ФШ обычно значительно превышает АШ, поэтому именно снижению ФШ уделяют особое внимание.

Жёсткие требования к чистоте спектра АГ и синтезаторов частот предъявляются в различных областях техники и науки. В спутниковой связи особую роль играет частотный фликкер-шум, описываемый членом пропорциональным Р~3 [6].

В системах связи с частотным разделением каналов в результате смешения ФШ гетеродина и сильного сигнала ухудшается чувствительность соседних каналов [7, 8].

При передаче фазомаиипулированных сигналов заданные вероятность ошибки приёма и отношение сигнал/шум определяют требования к среднеквадратической ошибке между входным