Способ согласования источника сигнала с электрической схемой и устройство для его осуществления

 

Использование: в радиоэлектронной и полупроводниковой технике для согласования источника сигналов с электрической схемой. Сущность изобретения: способ согласования источника с электрической схемой заключается с согласовании их импедансов в диапазоне заданных частот. Затвор полевого транзистора запитывают по крайней мере парой равных по величине парафазных сигналов с возбуждением тока сигнала вдоль него. Устройство для согласования включает полевой транзистор, затвор которого оснащен не менее чем парой токовыводов. Затвор выполнен прямолинейным с токовыводами по концам, а токовыводы истока и стока сформированы на общей с ним стороне полевого транзистора и размещены симметрично по разные стороны от него. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронной и полупроводниковой технике.

Известен способ согласования источника сигнала с электрической схемой путем согласования их импедансов (полных сопротивлений) в диапазоне заданных частот.

Известно устройство согласования источника сигнала с электрической схемой, реализующее этот способ, включающее полевой транзистор с токовыводами истока, затвора и стока.

Недостатки известных способа и устройства заключаются в следующем.

Известно, что полевой транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, который имеет полупроводниковую структуру, выполняющую функции управляемого "канала" тонкого полупроводникового слоя, по которому перемещаются основные носители тока (далее просто канал). На внешней стороне полупроводниковой структуры сформированы контактные области истока, стока, затвора. Затвор всегда располагается между истоком и стоком, причем конфигурации всех трех электродов могут быть различными. К контактным областям присоединяют соответствующие токовыводы для коммутации со схемой.

При подаче на сток положительного постоянного напряжения относительно истока по каналу, расположенному между истоком и стоком, начинает протекать ток. Отрицательное постоянное напряжение, поданное на затвор относительно истока, определяет рабочую точку выбранного режима по величине тока канала.

Затвор полевого транзистора управляет током канала с помощью электрического поля, создающего в области канала под затвором обедненную область пространственного заряда, размер которой зависит от величины поданных напряжений на токовыводы полевого транзистора. При определенном напряжении на затворе область пространственного заряда полностью перекрывает канал и ток прекращается. Это значение напряжения носит название напряжения отсечки. Рабочая точка полевого транзистора выбирается вблизи этого значения напряжения. Если на затвор такого полевого транзистора подать одновременно переменное напряжение сигнала, то оно модулирует ток канала. Переменная составляющая напряжения сигнала, снимаемая с нагрузки в цепи стока, оказывается усиленной.

Существует несколько типов полевого транзистора, основанных на этом принципе; типы полевого транзистора определяются в зависимости от устройства затвора и полупроводниковой структуры канала. Изобретение может быть использовано с любым из них.

Главной проблемой в использовании полевых транзисторов, в особенности на высоких частотах, является сложность согласования их с электрической схемой. Это связано с наличием паразитных элементов на входе полевого транзистора между контактами затвор и исток, которые, во-первых, шунтируют воздействие поля сигнала на ток канала. Эти паразитные элементы не участвуют в управлении полевым транзистором, но, потребляя энергию сигнала, влияют на качество согласования источника сигнала в полосе заданных частот и определяют потери сигнала в них. Эти потери не устранимы с помощью ранее применявшихся способов. Во-вторых, другим видом потерь являются потери, обусловленные отражением сигнала от несогласованности между импедансом входа полевого транзистора и импедансом источника.

Такими паразитными элементами являются С_вн внешняя межэлектродная емкость, С_зк емкость области пространственного заряда между затвором и каналом с током, С_зи-R_зи барьерная цепочка на границе раздела, образованного объемным пространственным зарядом, расположенная между затвором и истоком, состоящая из последовательно соединенных емкости запертого барьера С_зи и сопротивления R_зи; R_м сопротивление металлизации затвора, R_и сопротивление цепи истока.

Сумма паразитных элементов, приведенных к входу полевого транзистора, характеризуется низким входным импедансом Z_вх, который пытаются согласовать в возможно более широкой полосе частот, чтобы уменьшить отражение сигнала от входа полевого транзистора. Без дополнительных согласующих элементов согласование невыполнимо, а сами согласующие элементы вносят дополнительные потери, ухудшая тем самым чувствительность прибора. Обычно чувствительность усилителя ухудшается в 2-3 раза по сравнению с собственной чувствительностью полевого транзистора.

Асимметричность конструкции полевого транзистора усугубляет данный недостаток, так как при включении в схему требует несимметричных соединительных элементов, которые вносят дополнительные потери и превращают униполярный полевой транзистор в зависимый от полярности, что ограничивает эксплуатационные свойства. Различные, ранее применяемые, конструктивные варианты решения этой задачи с помощью изменения взаимного расположения контактов и мест подключения источника сигнала к затвору не давали положительного результата, потому что все изменения не замечаются сигналом, имеющим длину волны, значительно большую, чем детали конструкции. Длина волны самого высокочастотного участка КВЧ-диапазона не менее 3 мм, а максимальная ширина затвора 0,3 мм. Любую конструкцию можно рассматривать как сосредоточенную нагрузку, включенную на конце подводящей линии. Поэтому на практике не удавалось получить удовлетворительных результатов, зачастую различные усовершенствования только ухудшали положение, повышая стоимость транзистора, ничего существенно не изменяя.

В изобретении решается задача разработки такого согласования источника сигнала с электрической схемой, при котором удалось бы уменьшить отражение и шунтирующее влияние паразитных элементов полевого транзистора в наиболее широкой полосе частот.

Одновременно технический эффект изобретения состоит в снижении потерь, обусловленных асимметричностью токовыводов истока, стока и затвора, которые возникают от необходимости применения сложных цепей коммутации.

Технический результат достигают тем, что по способу согласования источника сигнала с электрической схемой путем согласования их импедансов в диапазоне заданных частот, согласно изобретению запитывают затвор полевого транзистора по крайней мере парой равных по величине парафазных сигналов с возбуждением тока вдоль него, а также тем, что в предназначенном для реализации заявленного способа устройстве, включающем полупроводниковую структуру с токовыводами истока, стока и затвора, согласно изобретению затвор по длине оснащен не менее чем парой токовыводов.

Именно оснащение затвора полевого транзистора по длине по крайней мере парой токовыводов обеспечивает согласно способу запитывание этого затвора по крайней мере парой равных по величине парафазных сигналов с возбуждением тока вдоль него. Это позволяет сделать вывод, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Для дополнительного снижения потерь, обусловленных асимметричностью расположения отдельных элементов конструкции полевого транзистора, его затвор может быть выполнен прямолинейным с токовыводами по концам, а сток и исток образованы на общей с ним стороне и размещены симметрично по разные стороны от него.

На фиг.1 представлен полевой транзистор согласно изобретению в плане; на фиг. 2 показана электрическая схема полевого транзисторов; на фиг.3 схема включения двух парафазных источников сигналов с одинаковыми импедансами; на фиг.4 схема включения затвора полевого транзистора в цепь полуволновой антенны-диполя; на фиг.5 принципиальная схема устройства (входной каскад усилителя).

Представленная на фиг. 1 конструкция полевого транзистора иллюстрирует один из наиболее простых вариантов реализации заявленного устройства.

Полевой транзистор 1 кристалл полупроводника, на котором выращена полупроводниковая структура 2, представляющая собой область рабочего слоя, расположенного под истоком 3, затвором 4 и стоком 5, размещенных на внешней стороне структуры. Исток 3 и сток 5 снабжены токовыводами 6 и 7 соответственно. Между истоком 3 и стоком 5 встроен затвор 4, к которому с обоих концов присоединены контактные области 8, 9 с токовыводами 10,11 соответственно. В полупроводниковой структуре 2 под истоком 3, затвором 4 и стоком 5 образован канал, по которому перемещаются основные носители тока. Управление каналом в заявленном устройстве полевом транзисторе осуществляется не за счет воздействия напряжения от внешнего источника, подводимого между затвором 4 и истоком 3, а за счет электромагнитного поля, образующегося вокруг тока, возбуждаемого вдоль затвора 4. Благодаря этому уменьшается влияние входных паразитных элементов на величину управляющего воздействия источника сигнала.

Заявляемая конструкция представляет собой идеально симметричный униполярный полевой транзистор, в работе которого ничего не меняется при изменении полярности истока и стока.

На базе описанного полевого транзистора можно строить различные радиотехнические схемы: входные, промежуточные усилители, смесительные и преобразовательные каскады, генераторы и другие устройства.

Поскольку утвержденного официально госстандартом условного обозначения заявленного полевого транзистора не существует, разработан вариант условного изображения, представленного на фиг.2, который используется ниже в описании принципиальной схемы.

Для разъяснения сущности заявленного способа необходимы следующие замечания.

Из курса радиотехники, теории передачи сигналов и электродинамики СВЧ известны следующие положения. Наилучшее согласование в цепях СВЧ достигается в случае сопряженного равенства импедансов источника сигнала и нагрузки, т. е. Z_и= Z*_н или R_и+jХ_и= R_н-jХ_н, где R_и и R_н активные составляющие; Х_и и Х_н реактивные составляющие источника и нагрузки соответственно. Указанное условие должно выполняться во всем диапазоне заданных частот. Только при выполнении этих условий 50% мощности источника сигнала достигает нагрузки и отсутствует отражение сигнала (коэффициент отражения Г=0). При этом в согласующих цепях устанавливается режим бегущей волны.

Эти положения имеют смысл только для нагрузок, потребляющих мощность сигнала. В полевых транзисторах мощность сигнала потребляется только цепями, образованными паразитными элементами, а цепь управления мощности не потребляет. Поэтому рассмотрим еще одну комбинацию включения источника сигнала с нагрузкой (фиг. 3). Если имеется цепь, состоящая из двух парафазных источников 12 и 13 сигнала с одинаковыми импедансами 14 и 15, то в такой согласованной цепи устанавливается режим стоячей волны, при котором в соединяющей их линии 16, по крайней мере, в центре найдется точка 17, где сопротивление линии равно нулю (узел напряжения), потому что в этой точке напряжения парафазных источников скомпенсированы, а ток в линии максимален (пучность тока), так как токи от этих источников в линии синфазны. На фиг.3 приведены распределения тока (I) и напряжения (U) в линии 16. Если в эту точку 17 включить любую нагрузку 18, то режим линии не изменится.

Аналогичный режим работы имеет место в антенне 19 (полуволновом диполе) (фиг. 4). Полуволновый диполь можно рассматривать как пространственный фильтр, согласованный с пространством в наиболее широкой полосе частот. Если в промежуток в середине между половинами 20 и 21 диполя включить затвор 4 заявленного полевого транзистора 1, то входной импеданс полевого транзистора не нарушает режима работы диполя. Вдоль затвора протекает максимальный ток сигнала, наведенный электромагнитным полем пространства в диполе.

Ток, протекающий по затвору, создает свое электромагнитное поле в области объемного пространственного заряда между затвором и каналом полевого транзистора, которое управляет током в канале транзистора. При этом паразитные элементы не оказывают шунтирующего действия, так как Zвх полевого транзистора много больше сопротивления диполя в месте включения затвора 4 полевого транзистора 1, так как Z=U/I=0. На фиг.4 приведены распределения тока (I) и напряжения (U) в антенне 19 (полуволновом диполе).

Эта схема включения затвора заявленного полевого транзистора позволяет реализовать чувствительность усилителя, близкую к чувствительности полевого транзистора, в наиболее широком диапазоне частот, большем чем традиционные схемы и конструкции, так как антенны являются наиболее широполосными пространственными фильтрами, согласующими пространство сигнала с полевым транзистором заявленной конструкции. Для реализации режима согласования по току такого полевого транзистора необходимо схему усилителя строить так, чтобы в месте включения затвора 4 выполнялось условие протекания тока по затвору и наличия указанного выше узла напряжения сигнала.

Вариант реализации изобретений на примере входного усилительного каскада показан на фиг. 5. Представленная принципиальная схема реализует сущность способа и устройства согласования источника сигнала с электрической схемой. Электромагнитное поле свободного пространства наводит в антенне 19 (диполе) парафазное напряжение на свободных концах, а в середине антенны включен затвор 4, по которому протекает максимальный ток сигнала при узле напряжения. В результате вокруг затвора 4 возбуждается свое электромагнитное поле сигнала, которое управляет током канала полевого транзистора. Таким образом, в заявленном устройстве ток затвора модулирует выходной ток полевого транзистора, а выходное напряжение каскада снимается с нагрузки 22.

Предложенный способ позволяет без усложнения конструкции электрических схем обеспечить эффективное согласование различных источников сигнала с полевым транзистором, значительно снизить влияние несимметричности его элементов, существенно повысить температурную стабильность аппаратуры за счет ослабления влияния изменения паразитных параметров от температуры, что особенно важно в генераторах.

Одновременно в конструкции полевого транзистора могут быть применены увеличенные контактные площадки токовыводов для использования инвертированного монтажа транзистора в гибридной интегральной схеме, выполненной на диэлектрических подложках из кварца, поликорунда, ситалла. Увеличенные контактные площадки являются продолжением стандартной полосковой линии с учетом различия диэлектрической проницаемости подложки транзистора и подложки схемы. Эта конструкция контактов позволяет автоматизировать процесс монтажа с высоким выходом годных схем. Разработанная технология позволяет значительно снизить себестоимость аппаратуры и повысить эксплуатационные параметры.

Формула изобретения

1. Способ согласования источника сигнала с электрической схемой путем согласования их импедансов в диапазоне заданных частот, отличающийся тем, что затвор полевого транзистора запитывают, по крайней мере, парой равных по величине парафазных сигналов с возбуждением тока сигнала вдоль него.

2. Устройство для согласования источника сигнала с входом электрической схемы, включающее полевой транзистор с токовыводами истока, стока, затвора, отличающееся тем, что затвор по длине оснащен не менее чем парой токовыводов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что затвор выполнен прямолинейным с токовыводами по концам, а токовыводы истока и стока сформированы на общей с ним стороне полевого транзистора и размещены симметрично по разные стороны от него.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5