Спектротрон с внешней обратной связью

 

Изобретение может быть использовано в устройствах радиочастотной автоматики и служит для повышения надежности и расширения функциональных возможностей спектротрона. Спектротрон (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

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 Н 03 К 3!29

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 391 0951/24-21 (22) 17.06.85 (46) 07.06,88. Бюл. Р 21 (71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) Ю.Е. Наумов и А.З, Струков (53) 621 ° 374(088.81 (56) Сигорский В.П., Ситников Л.С. и Утяков Л.Л, Общие принципы осуществления и применения многоустойчивых элементов. — Радиотехника, 1964, М 12, Сигорский B.Ï., Ситников Л.С. и Утяков Л.Л. Многоустойчивые элементы дискретной техники. — M. Л.:

Энергия, 1966, с. 1!6, рис, 2-36, .(54) СПЕКТРОТРОН С ВНЕ!ЧНЕЙ ОБРАТНОЙ

СВЯЗЬЮ (57) Изобретение может быть исполь„.,SU, 1401572 А1 зовано в устройствах радиочастотной автоматики и служит для повышения надежности и расширения функциональных возможностей спектротрона, Спектротрон (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 параметров элемента 3 индуктивности, уменьшить параметрическую чувствительность к изменению амплитуды напряжения входного сигнала и обеспечить управление запуском С, 6 ил.

1401572

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

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных воэможностей путем минимизации схемы и увеличения числа устойчивых состояний спектротрона, увеличения допустимого разброса.параметров элемента индуктивности, уменьше" ния параметрической чувствительности к изменению амплитуды напряжения входного сигнала и обеспечения управ- 1g ления запуском спектротрона.

На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема спектротрона с внешней обратной связью; на фиг. 2 - зависимость частоты настройки контура LC при изменении наЪ пряжения затвор-подложка U+ параметрического полевого транзистора; на фиг. 3 - спектр напряжения сигнала на входной шине и резонансная харак-:25 теристика контура ЬС, перемещающа- яся вдоль оси частот я „ спектра входного сигнала под действием изменения напряжения затвор-подложка в интервале сд мин (a„ «, где U©> ам-ЭО плитуда спектральной составляющей сигнала,. UÄ(u) — частотная характеристика контура LC, на фиг. 4 -. зависимость напряжейия на выходной шине U ц„„от собственной частоты контура й„; на фиг. 5 - сток-эатвор35 ная характеристика первого транзистора; на фиг. 6 - сток-затворная ха- . рактеристика 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 вывод корректирующего конденсатора 1 присоединен к входной шине 12 сигнала, а другой через элемент Э индуктивности и последова" тельно с ним соединенный источник 2 постоянного напряжения смещения присоединен к общей шине 14. Один вывод разделительного конденсатора 5 через нагруэочный резистор 4 присоединен к шине 10 положительного напряжения биполярного источника питания, а другой вывод разделительного конденсатора 5 соединен с анодом диода

7 и первым выводом резистора8 фильтра низких частот. Второй вывод резистора 8 соединен с выходной шиной 13 и первым выводом конденсатора 9 фильтра низких частот 6, второй вывод конденсатора 9 и катод диода 7 подключены к .общей шине 14. Кроме того, спектротрон имеет управляющую шину

15 и два параметрических полевых транзистора 16 и 17 с встроенными каналами разного типа проводимости.

Затвор первого транзистора 16 с ка" налом и-типа пговодимости присоединен к точке соединения корректирующего конденсатора 1 и элемента 3 индуктивности, исток подсоединен к общей шине 14, а сток — к точке соединения нагрузочного резистора 4 и разделительного конденсатора 5. Под" ложка соединена с общей точкой соединения резистора 8 и конденсатора 9 фильтра низких частот и к выходной шине 13. Исток второго параметрического полевого транзистора 17 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 (U@,), 15 (U>„ð ) 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 {С ) разряжена. Соответственно напряжейие на выходной шине 13 (Б „) также равно нулю. Напряжение затвор-подложка

U> параметрического полевого транэис" тора 16 с каналом n"типа в исходном состоянии определяется напряжением источника 2 постоянного смещения (U ). Встроенный канал и-типа транзистора 16 находится в режиме обеднения, и через транзистор и нагру1401572

4 зочный резистор 4 Щ протекает небольшой ток стока, В некоторый момент времени на шину 15 управления (У,,„,) приходит импульс запуска отрицательной полярности и малой длительности (f. с! мкс)

Параметрический полевой транзйстор

l7 практически скачком переходит в открытое состояние и конденсатор 9 (С, ) начинает быстро заряжаться от источника 11 напряжения питания (-Е) через открытый транзистор. В результате заряда напряжение на емкости фильтра низких частот С,р снижается ,до значения, приблизительно равного — 2U, Таким образом, напряжение между затвором и подложкой транзис.тора скачком изменяется от -U до

+Б за время существования импульса запуска схемы на шине управления.

Значение напряжения между затвором и подложкой U транзистора 16 определяет величину емкости затвора (фиг. 2), а также резонансную частоту контура сг„, образованного элементом 3 индуктивности (L) и емкостью затвора С . Емкость фильтра низких частот выбирается из условия

С, » С и практически не влияет э мака на резонансную частоту этого контура. Коэффициент перекрытия емкости

С параметрического полевого транэисC дымим тора ----- = 10-! 5, что практически

Сэмакс недостижимо для варикапов, а коэффиdC циент нелинейности емкости = --- в

CdU точке максимальной крутизны ее вольтфарадной характеристики (фиг ° 2) на

2-3 порядка больше, чем у варикапов с р-и-переходом. Добротность емкости затвора определяется сопротивлением подложки параметрического полевого транзистора. Зто сопротивление менее 0,01 Ом, и поэтому добротность емкости исключительно высока, что позволяет получить узкую полосу пропускания контура 24 и„ при соответствующей добротности элемента 3 индуктивности, В отсутствии входного сигнала

U „(t) емкость фильтра низких частот медленно разряжается от напряжения приблизительно -2U до нулевого напряжения, При этом изменяется напряжение затвор-подложка транзистора

16 и плавно перестраивается частота контура ы „ (фиг, 2) от максимальноспектра. Напряжение этой частоты на

35 контуре, преобразованное в цепи внешней обратной связи в управляющее постоянное на емкости С,„, способно поддерживать настройку контура до

40 тех пор, пока не исчезнет входной сигнал. Собственная частота контура сд „; в стационарном режиме близка

5

Ф

30 го значения 43 „„„при U = +U до минимального (Эмин при U =0 и Вновь 10 максимального значения M„„„, при U =

-U,, соответствующего полностью разряженной емкости с, °

В рабочем режиме на входную шину

12 поступает периодическое напряжение

U „(t) c линейчатым спектром, содержащим набор дискретных частот и, G3,.. °, ;,...,cD „(фиг. 3). В процессе перестройки контура от эначеЗ IIPH П +11 лосу его пропускания попадает одна иэ сдставляющих спектра, в контуре возникают резонансные колебания с увеличенной амплитудой. Эти колебания усиливаются транзистором !6 и детектируются диодом 7. После фильтрации цепочкой К С, возникает управляющее напряжение на подложке параметрического полевого транзистора

16, которое приближает частоту настройки контураЯк; к захваченной частоте ы; спектра входного сигнала.

При соответствующем выборе коэффициента усиления в цепи внешней обратной связи, состоящей иэ параметрического полевого транзистора 16, детектора 6 с фильтром низких частот, переходной процесс в схеме оканчивается состоянием, при котором в полосу пропускания контура 26и„попадает одна частота и; линейчатого к выбранной частоте спектра сд,, а постоянное напряжение на емкости С ипи напряжение на выходной шине U „„ однозначно связано с частотой настройки контура И„, .

Зависимость напряжения иа выходной шине U „,„ от собственной частоты контура як (фиг. 4) при линейчатом спектре входного сигнала эквивалентна характеристике гребенчатого фильтра (на фиг. 4 нанесена линия обратной связи для заданной вольтфарадной характеристики емкости затвора), Точки пересечения гребенчатой характеристики (йк = f,(U „„) и линии обратной связи U ÄÄ Е (ы„) определяют стационарные состояния в спектро140!572 троне 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 устойчивых состояний, различающихся значением напряжения на выходной шине. Это позволяI,= -р С I(V -2) — --)V

Lt (6 5 2 — - — — -Л-"Л(<, г,) -<г „) "j}, (1) где Z, L соответственно ширина и длина канала; подвижность электронов; соответственно напряжение на затворе и стоке (относительно истока); поверхностный потенциал„ заряд электрона; диэлектрическая проницаемость подложки; концентрация примесей подложки; гс,,=, К з пОдл

С =Е;/с1 удельная емкость параэлектрика (Я; - диэлек трическая проницаеет 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 С и высокого коэффициента усиления, так как крутизна его стокзатворной 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= сываются известными соотношениями для МОП-транзисторов, в частности ток стока транзистора определяется соотношением мость, d — толщина параэлектрика).

Пороговое напряжение транзистора находятся из формулы

5 (2) ч=ч„ +24,+ где V — напряжение обратного смеBS

10 щения подложки;

Ч вЂ” напряжение сдвига плоских зон МОП-структуры.

Крутизна транзистора вычисляется из выражения

gD= - 1",С,(V -V.), (3)

= «Z а сдвиг сток-затворной характеристики определяется формулой

2о дч= ч, (ч„)-ч(О) = - — - -Л"-"(2q, 7,,:-./г . ). Са)

Особенностью параметрического полевого транзистора является нелинейная. зависимость Я; от напряженности поля в параэлектрике, а, следовательно, зависимость С; от напряжения на затворе. Диэлектрическая проницае30 мость параэлектриков Я; при криогенных температурах, например, титана стронция и других около 2 10 -10

3 4 что приводит при замене двуокиси кремния (E; =,4) параэлектриком к уве35 личению крутизны g в 5 10 -5 10

D раз.

Из-за зависимости диэлектрической проницаемости параэлектрика и емкости С; от напряжения на затворе

40 крутизна сток-затворной характеристики параметрического полевого транзистора будет переменной. Таким образом, МОП-транзистор с параэлектриком является транзистором с пере45 менной крутизной °

Дпя параметрических полевых транзисторов в зависимости от напряжения на подложке меняются пороговое напряжение Ч и емкость С; (2).

Изменяя концентрацию примесей подложки ИД, напряжение обратного смещения V и подбирая материал подложки и параэлектрика, в т.ч. по

55 диэлектрической проницаемости, можно получить все основные типы МОП— транзисторов с каналами и- и р-типа (нормально открытые или закрытые).

140! 572

В спектротроне с внешней обратной связью транзистор 16 нормально открытый с каналом и-типа. Его стокэатворная характеристика приведена

5 на фиг. S. В областях напряжения на ре U з V< Vs (с, Псм ) ° где

Сз< С „„и С; параэлектрика слабо зависит от напряжения затвор-подложка, крутизна параметрического полево-10

ro транзистора невелика и соизмерима с крутизной сток-затворной характеристики обычного MOII-транзистора с окисью кремния, в области напряжений, где U изменяются, она существенно возрастает. Удельная крутизна параметрического полевого транзистора повторяет зависимость Сэ=Г(Бэ) на фиг. 5.

При работе устройства напряжение на подложке транзистора Ч вз может изменяться в пределах (-2U ...О)> что эквивалентно с учетом напряжения источника У изменению напряжения затвор-подложка в пределах (+1!

-U ), Это же напряжение затвор-подложка при разряде емкости С (фиг. 1) изменяется от +Б до -13 сч

Сток-затворная характеристика нормально открытого транзистора 17 с каналом р-типа изображена на фиг. 6 сплошной линией. Там же показан им пульс запуска отрицательной полярности, открывающий транзистор 17 на время длительности импульса, для 35 заряда емкости С (фиг. 1) до напряжения, равного или превышающего

2Псм

Зависимость C>=f(U ) для транзистора 17 не используется при работе 40 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. 45

Сдвиг порогового напряжения транзистора Ч при этом незначителен (4).

В качестве транзистора 17 может быть применен нормально закрытый параметрический полевой транзистор с 50 каналом р-типа. Его сток-затворная характеристика изображена на фиг. 6 пунктирной линией, В этом случае напряжение на управляющей шине Уч» может быть выбрано нулевым, а ампли-. 55 туда 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.

Соответственно должны при этом измениться по".ÿ.ðíîñòè источников U „, и Е.

Замена транзисторов 16 и 17 на дополняющие позволяет снизить потребляемую мощность в исходном состоянии.

Формула и э о б р е т е н и я

Спектротрон с внешней обратной связью > содержащий корректирующий конденсатор> элемент индуктивности, источник постоянного напряжения смещения, нагруэочный резистор, разделительный конденсатор, диодный детектор, состоящий иэ диода и фильтра низких частот, содержащего резистор и конденсатор, две шины биполярного источника питания, входную шину 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 вывод разделительного конденсатора через нагрузочный резистор подсоединен к шине положительного напряжения би-. полярного источника питания, а другой вывод разделительного конденсатора соединен с анодом диода и первым выводом резистора фильтра 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 воэможностей, в него введены управляющая шина и два параметрических полевых транзистора с встроенными каналами разного типа проводимости, затвор первого транзистора с каналом и-типа проводимости соединен с вторым выводом 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

1401572

1О той же точке, его сток - к шине отрицательного напряжения биполярного источника питания, подложка второго параметрического транзистора подключена к общей шине, а его затор — к управляющей шине, 1401572

+ Мсье

Составитель А. Кабанов

Редактор Н. Гунько Техред М.Дидьзс Корректор И. Муска

Заказ 2791/93 Тираж 928 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 .

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4