Влияние тепловой обратной связи на устойчивость режима и шумовые характеристики транзисторного автогенератора

Большинству инженеров-исследователей и практиков приходится всё чаще сталкиваться с вопросами динамики нелинейных систем. Растущий интерес к нелинейным системам и их теории объясняется тем, что современные технические устройства зачастую основаны именно на применении нелинейных физических эффектов [1.1−1.6], а также тем, что при более жёстких конструктивных и эксплуатационных требованиях система проявляет свойства, для исследования которых приходится учитывать нелинейность характеристик её элементов в расширенном диапазоне работы.

Во многих отраслях науки и техники широкое распространение нашли автоколебательные системы, представляющие особый класс нелинейных дис-сипативных систем, способных генерировать незатухающие колебания с параметрами, не зависящими от начальных условий и определяемыми лишь свойствами самой системы [1.7]. Представления об автоколебаниях широко используются в моделях химических реакций, биологических систем, механических конструкций. На автоколебаниях основан принцип действия большого количества всевозможных радиотехнических устройств и приспособлений [1.7−1.9]. Термин «автоколебания» в русскоязычную терминологию был введён в первой трети XX века академиком A.A. Андроновым, который заложил основы теории автоколебаний, впервые связав их с предельными циклами Пуанкаре. Наиболее полная и детальная теория автоколебаний сформировалась в радиофизике, где автоколебания и автоколебательные системы являются одним из центральных объектов исследований.

Обширный класс автоколебательных систем в технике составляют автогенераторы (АГ) электромагнитных колебаний. В процессе развития радиофизики создавались и вводились в радиотехническую практику АГ на основе различных типов активных элементов, обеспечивающих взаимодействие колебательной системы генератора с источником энергии. Задачи разработки АГ стимулировали развитие теории нелинейных колебаний. В современных радиотехнических системах и комплексах АГ могут использоваться в качестве опорных 7 генераторов, возбудителей и гетеродинов, частотных модуляторов в различных устройствах автоматики и контрольно-измерительной аппаратуре, обеспечивая высокий уровень таких жизненно важных параметров систем, как надёжность, точность и дальность обнаружения, помехозащищённость [1.10−1,13] и т. д. Очевидно, что улучшение характеристик самих АГ даёт возможность улучшения характеристик использующих их систем.

Начиная с первых работ 20-х годов прошлого века и вплоть до настоящего времени подавляющее большинство моделей АГ в радиофизике формулируется в дифференциальной форме, то есть в форме нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений и систем уравнений, а также дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими физической ситуации граничными условиями [1.7−1.9]. При этом точных аналитических методов решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих АГ, практически не существует. В связи с этим было разработано большое количество разнообразных методов приближенного анализа нелинейных цепей, таких как метод линеаризации, квазилинейный метод, метод медленно меняющихся амплитуд, метод фазовой плоскости, метод малого параметра и метод математического моделирования [1.7−1.9, 1.14−1.17]. Каждый из них обладает определёнными преимуществами при решении некоторых задач, уступая другим в иных случаях. Даже при исследовании одной и той же схемы АГ в зависимости от режима его работы, интересующих нас вопросов, а также от требуемой точности и наглядности решения приходится применять различные методы.

При исследованиях разнообразных нелинейных систем, в том числе при анализе стационарных и переходных процессов в АГ, широкое распространение получил метод символических укороченных уравнений С. И. Евтянова [1−16, 1.17], являющийся разновидностью метода медленно меняющихся амплитуд [1.15] и хорошо пригодный для исследования колебаний, близких по форме к синусоидальным. Такие колебания в основном являются следствием использования высокодобротных контуров.

Обратимся к эквивалентной схеме АГ, представленной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Эквивалентная схема АГ.

Введём полное мгновенное напряжение на входном (управляющем) электроде активного прибора (АП).

0 = Я"+""(')> 0−1) где Евх — напряжение смещения на входном электроде АП относительно общего электродамвх (О — управляющее напряжение АГ, являющееся квазигармоническим колебанием [1.18, 1.19], которое принято записывать в виде.

О = Um (0 cos У (0 = Um (Ocos[a>°f + фвх (*)]. (1.2).

Здесь Um (/) = U°x + AU (t) — амплитуда колебания с учётом флуктуационного члена А£/(*) — U^ — среднее значение амплитуды- ^(0 — полная фаза колебаниясо = dxi/(i)/di = со° +ёфвх (t)/dt — мгновенная частотасо0 — среднее значение мгновенной частотыdcpBX (t)/dt = Дсо = со — to0 — отклонение частоты колебаний от среднего значения.

В большинстве случаев (даже при импульсном способе модуляции) амплитуда и фаза меняются за период высокой частоты медленно, то есть dUm (ОН «со°и°а- |ёф&bdquo- (ОН «со0. (1.3).

Эти допущения, впервые сформулированные Б. ван-дер-Полем [1.15], положены в основу метода Евтянова. Разработанный метод явился основой для работы целой школы радиоспециалистов. Его использование позволило получить важные результаты при исследовании обширного круга теоретических и практических вопросов теории колебаний [1.5, 1.7−1.9, 1.20]. 9.

В соответствии с (1.2) введём комплексную огибающую управляющего напряжения.

1−4).

Аналогично (1.1) полное мгновенное напряжение на выходном электроде АП записывается в виде е"ых (0 = ?Вых-мвых (0> (1−5) где Евых — напряжение смещения на выходном электроде АП относительно общего электродаивых (/) — переменное выходное напряжение АГ, которое также будем считать квазигармоническим колебанием. Тогда ивых (0=ивых (Осо8[оЛ+Фвых (*)], (1.6) где инт (?) и Фвых (/) — медленно меняющиеся амплитуда и фаза выходного напряжения АГ соответственно.

Выражение для комплексной огибающей напряжения «вых (*) можно записать аналогично (1.4):

С^вых ('Ь^вых (0еХР|>вых (0]- (1−7).

Комплексные огибающие (1.4) и (1.7) связаны соотношением ьЛО, (1−8) где р = <1/(1* — оператор дифференцирования по времени. В свою очередь, параметр к (р) характеризует передачу энергии колебания с выхода АГ на его вход через колебательную систему и называется коэффициентом обратной связи [1.8, 1.9, 1.20−1.23].

Если затухание контура мало, то с небольшой погрешностью можно считать, что к (р) не зависит от р, то есть к (р) = к. Таким образом, коэффициент обратной связи численно равен отношению амплитуд колебаний на входе и выходе АП к = ивх{()/ив «(*). (1.9).

В настоящее время стандартная методика анализа АГ квазисинусоидальных колебаний базируется на системе двух дифференциальных уравнений, учитывающих, соответственно, инерционность колебательной системы и цепей автосмещения [1.20−1.25]. С учётом введённых обозначений первое по счёту дифференциальное уравнение, отражающее баланс энергии по первой (основной) гармонике, имеет вид ивх (0 = Ы/ВНх1 М >или y (p)u"x (0 = 7."xi (0, (i.io) где /вых, (/) — /ВЬ|Хi (i)exp[jcp-. (i)] — комплексная огибающая первой гармоники выходного тока АП-^BbIxi (0 и Ф, (t) — соответствующие медленно меняющиеся амплитуда и фаза. Понятие Zy (p) было введено в 30-х годах прошлого века Н. М. Крыловым и H.H. Боголюбовым [1.14] и названо управляющим сопротивлением. В свою очередь, величина Y (p) = jZy (p) называется управляющей проводимостью.

Укороченное выражение для управляющего сопротивления применительно к одноконтурному АГ имеет известный вид.

Zy (p) = tfy/(l + TKp), (1.11) где Ry — управляющее сопротивление АГ на резонансной частоте колебательного контура со0- Q и тк = 2Qjсо0 — нагруженная добротность и постоянная времени контура соответственно. Полагая, что добротность контура достаточно высока, в рамках исследования АГ квазисинусоидальных колебаний балансы энергии по высшим гармоникам не учитываются.

В 1940 г. С. И. Евтяновым впервые в модель АГ был введён учёт конечного времени накопления заряда в конденсаторах цепей автосмещения [1.24]. Положим далее, что цепь смещения на входном (выходном) электроде АП состоит из источника внешнего смещения? вх (внх)0 и сопротивления автосмещения.

ZCM (р) в цепи общего электрода АП. Добавим, что реальный источник смещения имеет конечное внутреннее сопротивление, ограничивающее мощность, которую данный источник может отдать в нагрузку (рис. 1.2). Данное обстоятельство приобретает особую значимость при анализе мощных АГ, для которых характерны большие токи потребления от источников смещения. г вх (вых) К вх (вых) О вх (вых) О.

Рис. 1.2. Учёт падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника смещения.

Будем считать, что сопротивление автосмещения создаёт обратную связь только по низкочастотной составляющей тока. С учётом падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника Евх0 второе по счёту дифференциальное уравнение, описывающее процесс установления во времени напряжения смещения на управляющем электроде АП, может быть представлено в виде ах (0 = ЯзхО — rBJBx0(t)-ZCM (Р)1о6щ0 (i), (1.12) где /вх0 и /общ0 — постоянные составляющие токов входного и общего электродов АП соответственногьх —внутреннее сопротивление источника Евх0.

Следует заметить, что модель АГ, включающая уравнения (1.10) и (1.12), описывает лишь приближенное поведение АГ, и притом, преимущественно в недонапряжённом режиме. Известно, что существенное влияние на работу АГ могут оказывать параметры выходной цепи АГ, в частности, смещение на выходном электроде АП. Уточнение модели АГ в недонапряжённом режиме, а также её обобщение на критический и перенапряжённый режимы возможно посредством учёта дополнительного уравнения автосмещения вь, х (0 = ?W0 -Гвых'выхО {t)~ZCM (р)1общ0 (t), (1.13) где Евых0 и гвых —напряжение источника внешнего смещения и его внутреннее сопротивление соответственно- /вых0 — постоянная составляющая выходного тока АП.

Таким образом, уравнения (1.10), (1.12) и (1.13) являются стандартной основой для расчёта режимов АГ. Следует отметить, что выполнение баланса энергии по первой гармонике с учётом инерционного автосмещения способно обеспечить длительное существование конкретного стационарного режима только в том случае, если он устойчив. Вообще говоря, вопрос об устойчивости связан с определением условий равновесия и тех явлений, которые имеют место, если систему вывести из равновесного состояния. Ряд фундаментальных результатов по исследованию устойчивости нелинейных систем получен в прошлом столетии в работах выдающегося русского математика A.M. Ляпунова, который разработал классический метод определения устойчивости [1.26]. В свою очередь, применительно к АГ вопросы устойчивости стационарного режима достаточно подробно проанализированы в работах A.A. Андронова, A.A. Витта, С. Э. Хайкина, Ю. Б. Кобзарева, С. И. Евтянова, В. Н. Кулешова, С. М. Смольского, Се Си, Д. П. Царапкина, В. М. Богачёва [1.20, 1.24, 1.25, 1.27−1.32]. Научные достижения в этой области позволили объяснить физические механизмы, приводящие к явлениям самомодуляции и прерывистой генерации, которые имеют место в АГ с инерционным автосмещением.

Между тем на сегодняшний день остаётся ряд малоизученных механизмов, способных в некоторых случаях нарушать устойчивую работу АГ. В представленной диссертационной работе исследуется один из таких механизмов, который носит название внутренней тепловой обратной связи (TOC) [1.301.32]. TOC является неотъемлемым свойством любого полупроводникового прибора, поскольку её возникновение обусловлено тем, что все основные электрофизические параметры используемого полупроводника (подвижность свободных носителей, их концентрация, коэффициенты диффузии и теплопроводности, диэлектрическая проницаемость и т. д.) зависят от температуры. Отсюда вытекает зависимость радиотехнических параметров АП от рабочей температуры. Поскольку температура рабочей зоны полупроводника зависит от выделения тепла протекающим током, изменение режима порождает запаздывающее отклонение температуры, которое, в свою очередь, изменяет параметры АП, вызывая вторичное изменение режима, и т. д.

Необходимо отметить, что существующая на сегодняшний день теория АГ с инерционным автосмещением осталась практически неизменной с тех времён, когда в качестве активных элементов АГ использовались радиолампы, для которых явление TOC было попросту нехарактерным. Ясно, что переход на полупроводниковую элементную базу влечёт за собой необходимость учёта температурной зависимости электрофизических параметров полупроводника и, как следствие, радиотехнических параметров АП и АГ в целом.

Тепловое сопротивление отображающее инерционность тепловых процессов и связывающее прирост температуры транзистора с уровнем теплового воздействия, может быть представлено последовательным соединением /?С-звеньев с различными постоянными времени или эквивалентной лестничной структурой, дающей физически более точную модель (рис. 1.3). Минимальное значение тепловой постоянной времени колеблется от нескольких микросекунд до единиц миллисекунд [1.30, 1.33−1.35]. рТ т.

— L (V.

Рис. 1.3. Эквивалентная схема, отображающая инерционность тепловых процессов.

Иногда оказывается удобнее оперировать понятием тепловой проводимости Ут (р)> выражение для которой в соответствии с эквивалентной схемой на рис. 1.3 может быть получено следующим образом: 1.

Ут (р) = /гт (р) = рСп R.

1.14) т 1 рС.

Т2.

RT2+.

Преобразуя выражение (1.14), можно показать, что тепловая проводимость является дробно-рациональной функцией аргумента р, то есть Мт (р) птор' +пТ1р'~1 +. + пТ{ т^ WT (p) wT0p'-l+wTlp'-2 +. + wTI.

1.15) где п1Ч и — коэффициенты при степенях р в числителе и знаменателе дроби соответственно.

Предложенная модель иллюстрирует явную аналогию между тепловыми и электрическими процессами. Здесь отдельные части транзисторной структуры представляются в виде узлов с заданной теплоёмкостью, связанных между собой ветвями с заданной теплопроводностью, что в терминах электрических схем представляет собой не что иное, как набор конденсаторов, связанных между собой проводами с ненулевым сопротивлением, то есть ЛС-звеньев. Разумеется, в такой схеме работают законы Кирхгофа и Ома. Такой подход значительно упрощает анализ, однако накладывает дополнительные требования на качество тепловой модели. Большинство простых тепловых моделей обеспечивают недостаточную для анализа точность. Например, широко распространена упрощённая модель транзистора, реализуемая в виде цепочки резисторов от источника тепла (перехода) в окружающую среду через корпус. Такая модель описывает только стационарное состояние устройства (фактически, режим по постоянному току), в то время как для обеспечения высокой точности анализа требуются именно динамические модели.

Введение

понятия тепловой ёмкости в модели позволяет сделать их динамическими и перевести анализ во временную область.

В соответствии с рис. 1.3 структура транзистора разбивается на элементарные области, геометрические центры которых считаются тепловыми узлами. Температура в таком элементарном объёме считается одинаковой и имеет аналогом напряжение в электрической схеме. Теплоёмкость объёма представляется в виде конденсатора, а тепловой поток аналогичен электрическому току. Рассчитанные таким образом температуры в узлах схемы позволяют построить интерполяционную модель всей транзисторной структуры и определить температуру в любой её точке.

Уравнение теплового баланса, описывающее влияние инерционного изменения температуры на режим АГ, предложено Д. П. Царапкиным [1.30] и имеет вид.

Т (1) = Т0 + 2 Т (р)РТ (1), (1.16) где Т0 —температура окружающей средыРт = Р0 — Р{ (7) —мощность тепловых потерьР0 и Рх — мощность, потребляемая выходной цепью транзистора от источника питания, и колебательная мощность соответственно.

Согласно уравнению (1.16) прирост температуры определяется избыточной тепловой энергией, накопленной в АП. Любое изменение мощности тепловых потерь Рт (/), действуя через (/?), вызывает запаздывающее изменение температуры активной области которая, в свою очередь, воздействует на характеристики АП.

Уточнение математической модели АГ путём добавления (1.16), то есть учёт механизма ТОС, существенно дополняет разработанную С. И. Евтяновым теорию АГ с инерционным автосмещением.

Учитывая, что быстрые вариации мощности Р, изменяют температуру только в непосредственной близости к зоне тепловыделения, можно ограничиться рассмотрением тепловой эквивалентной схемы (ТЭС) транзистора, состоящей из одного инерционного звена (рис. 1.4). т.

Рис. 1.4. Упрощённая ТЭС транзистора, содержащая одно инерционное звено.

Здесь величина Рт характеризует теплопроводность активного слоя полупроводника, а Ст — его теплоёмкость. В соответствии с рис. 1.4 выражение для теплового сопротивления принимает вид.

Zт{p) = Rт|{ + %тp), (1.17) где тг = ЯТСТ — тепловая постоянная времени.

Для простоты условимся в дальнейшем не учитывать влияние внутренних сопротивлений источников смещения, то есть полагать г. вх =г.вых =0. Тогда с учётом соотношения (1.9), а также воздействия TOC рассматриваемая математическая модель АГ включает четыре дифференциальных уравнения: у (Р)^вх (О = 'вь, х 1 (иивх, ЕВХ, ЕВЫХ, Т) — (1.18) вх (0 =^вх о —^см (Р) Л, бщ o (t, UBX, EBX, Евых, Т) — (1.19).

ВЫх (0 = о —^м (р) /общ0 (i, t/", £вх, £вых, т) — (1.20).

Г (0 = г0 + Zr (р) Рг (f, ?/", £вх, Евых, Г). (1.21).

Использованная в (1.18)—(1.21) форма записи подчёркивает, что входящие в уравнения токи зависят от амплитуды колебаний UBX, напряжений смещения на входном и выходном электродах транзистора Евх и Евых, а также температуры Т активного слоя транзисторной структуры.

Очевидно, что анализ воздействия TOC в АГ не представляется возможным без создания корректной электротепловой модели АП, а также оценки его теплового режима. В настоящее время вопросами разработки динамических моделей АП с учётом тепловых свойств в разных постановках занимаются российские учёные, такие как В. Ф. Синкевич, В. А. Сергеев, A.M. Ходаков, Г. З. Гарбер, A.B. Королёв, Д. П. Царапкин [1.36−1.39]. Значительные успехи в данной области моделирования также достигнуты зарубежными специалистами, такими как Нюттинк (S. Nuttinck), Джебара (Е. Gebara), Ласкар (J. Laskar), Сно-уден (С. Snowden), Гроссман (P.C. Grossman), Хома (J. Choma), Морган (D.V. Morgan), Ващенко (V.A. Vashchenko) [1.36, 1.40−1.44].

Согласно результатам теоретических и экспериментальных исследований анализ теплового режима активного элемента в составе АГ приобретает всё большую значимость на фоне разработки нового поколения транзисторов преимущественно диапазона сверхвысоких частот [1.33, 1.45, 1.46], включая АП с гетероструктурой [1.40] и АП, созданные на основе нанотехнологий [1.47−1.50].

Вместе с тем анализ режимов АГ был бы неполным без учёта шумовых характеристик устройства. Впервые общее рассмотрение вопроса о характере воздействия флуктуаций в нелинейных динамических системах в рамках статистической радиофизики было сделано советскими учёными JI.C. Понтрягиным, A.A.

Андроновым, A.A. Виттом, Н. Д. Папалекси, Л. И. Мандельштамом и И.Л. Бер-штейном. Дальнейшее развитие теории флуктуационных явлений применительно к воздействию шумов в АГ на флуктуации амплитуды и фазы колебаний, а также спектр колебания нашло своё отражение в многочисленных работах учёных разных школ, таких как В. И. Тихонов, Р. Л. Стратонович, С. М. Рытов, А. Н. Малахов, С. И. Евтянов, В. Н. Кулешов, Д. П. Царапкин, А. Н. Бруевич, Ю.Л. Хо-тунцев, С. А. Корнилов [1.51−1.57]. Научные труды этих учёных заложили основу изучения шумов в АГ. Важно также отметить вклад зарубежных коллег в исследования флуктуаций, таких как Пенфилд (P. Penfield), Блакьер (A. Blaquiere), ван дер Зил (A. van der Ziel), Муллен (J.A. Mullen), Голэй (M.J.E. Golay), Эдсон (W.A. Edson), Барнс (J.A. Barnes), Катлер (L.S. Cutler), Ален (A.W. Allan), Лисон (D.B. Leeson), Рютман (J. Rutman), Уолс (F.L. Walls), Паркер (Т.Е. Parker), Дри-скол (M.M. Driscoll) [1.58−1.66].

Интерес к флуктуациям в АГ определяется как принципиальной важностью того факта, что они приводят к размытости спектральной линии АГ, так и практической необходимостью оценивать степень постоянства частоты и фазы автоколебаний, а также уровень спектральной плотности побочных излучений [1.10−1.13].

В настоящее время систематизированные исследования применительно к воздействию TOC на устойчивость режима и шумовые характеристики АГ практически отсутствуют, а сама TOC упоминается преимущественно в связи с тепловыми процессами в усилителях на основе мощных транзисторов [1.41−1.44, 1.46, 1.67−1.70]. Эффект влияния на режим АГ температурно-зависимой обратной связи рассматривался первично при анализе лампового АГ с инерционной нелинейностью [1.7], где в качестве инерционного нелинейного элемента, ограничивающего нарастание амплитуды колебаний, служила металлическая нить, нагреваемая переменным током. Феномен TOC в нашем понимании впервые исследован Д. П. Царапкиным применительно к АГ на диодах Ганна [1.30, 1.57]. Им была детально обоснована необходимость учёта внутренней TOC, неизбежно возникающей в АГ и приводящей в ряде случаев к деградации шумовых характеристик прибора. Естественно ожидать, что изучение режимов работы АГ на.

18 других типах АП с учётом TOC является весьма перспективным и актуальным. Данные научные исследования, имеющие большое теоретическое и практическое значение, легли в основу дальнейшего изучения TOC применительно к транзисторным АГ, которое находит своё отражение в настоящей работе.

Целью диссертационной работы является исследование проявлений внутренней TOC в транзисторных АГ, включая изучение влияния TOC на устойчивость стационарного режима АГ и его шумовые характеристики.

Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

Создание электротепловых моделей биполярного (БТ) и полевого (ПТ) транзисторов с учётом их характерных статических и динамических свойств;

Усовершенствование математической модели АГ с учётом TOC и её обобщение на случаи недонапряжённого, критического и перенапряжённого режимов;

Анализ влияния TOC на устойчивость стационарного режима АГ на транзисторах обсуждаемых классов. Разработка способа повышения запаса устойчивости и его экспериментальная проверка;

Анализ влияния TOC на шумовые характеристики АГ. Разработка способа устранения деградации шумовых характеристик, вызванной воздействием TOC;

Разработка методики экспериментального определения параметров ТЭС транзистора.

Решение поставленных задач реализуется различными методами, такими как:

Методы математического и компьютерного моделирования;

Методы теории систем автоматического управления;

Методы теории колебаний (в частности, метод символических укороченных уравнений Евтянова);

Методы теории устойчивости и теории чувствительности;

Теория и методы дифференциального и интегрального исчисления;

Методы численного решения нелинейных дифференциальных уравнений.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Проведено детальное изучение влияния TOC на устойчивость режима и шумовые характеристики транзисторного АГ;

2. Выявлен новый тип неустойчивости стационарного режима АГ, являющийся следствием инерционности тепловых процессов в транзисторе, который может приводить к деградации шумовых характеристик устройства и возникновению самомодуляции выходного сигнала;

3. Доказана возможность возникновения неустойчивости стационарного режима АГ при факторе регенерации меньшем двух единиц;

4. Разработаны рекомендации по повышению запаса устойчивости стационарного режима с учётом воздействия TOC и устранению деградации шумовых характеристик АГ, вызванной влиянием TOC.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе полученных в ней результатов, значительно дополняющих существующие представления о механизмах нарушения устойчивой работы обсуждаемого класса устройств, уточняется методика проектирования прецизионных АГ с низким уровнем шумов выходного сигнала. На базе проведённого анализа разработаны способы предупреждения аварийных ситуаций в работе АГ, вызванных влиянием тепловой инерционности АП.

Реализация и внедрение результатов. По итогам диссертационной работы получен Акт об использовании результатов от промышленной организации ФГУП «НЛП «Пульсар» (см. прил. 5). В частности, в рамках НИОКР «Затвор» и «Дробинка» проведено моделирование применительно к тепловым процессам в мощных транзисторах и усилителях на их основе.

Полученные в диссертационной работе данные используются в лекционном курсе «Устройства генерирования и формирования сигналов» кафедры Формирования колебаний и сигналов для потока специалистов Радиотехнического факультета ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ», о чём свидетельствует соответствующий Акт (см. прил. 5).

В феврале 2010 г. Министерством образования и науки Российской Федерации автор представленной диссертации награждён медалью по ито.

20 гам конкурса «Лучшая научная студенческая работа» (приказ Федерального агентства по образованию № 641 от 15 июня 2009 г.).

Апробация результатов. Основные научные результаты и положения, выдвигаемые на защиту, апробированы на нескольких конференциях и научно-технических семинарах, включая международные:

Тринадцатая, четырнадцатая, пятнадцатая и семнадцатая международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2007, 2008, 2009 и 2011 гг.);

Двадцать первый международный симпозиум ИИЭР (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, IEEE) по проблемам частоты, Женева, Швейцария, 29 мая-02 июня 2007 г. (The 21st EFTF-IEEE Frequency Control Symposium, Geneva, Switzerland, June 2007);

Международная научно-техническая конференция к 100-летию со дня рождения В. А. Котельникова, Москва, 21−23 октября 2008 г.;

Всероссийский научно-технический семинар «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания», Нижний Новгород, 27−29 июня 2010 г.;

Пятый научно-технический семинар по твердотельной СВЧ электронике «Практика применения тепловых моделей и расчётов при проектировании нового поколения СВЧ транзисторов и твердотельных модулей», ФГУП «НПП «Пульсар», Москва, 29 сентября 2010 г.;

Шестой научно-технический семинар по твердотельной СВЧ электронике «Перспективы создания отечественной СВЧ электронной компонентной базы для высокоскоростных систем передачи информации 4-го поколения», ФГУП «НПП «Пульсар», Москва, 21 апреля 2011 г.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, среди которых три статьи в научно-технических журналах, входящих в перечень Высшей аттестационной комиссии, а также тезисы и сборники трудов шести международных конференций и двух научно-технических семинаров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Учёт TOC в математической модели АГ;

2. Результаты исследования влияния TOC на устойчивость стационарного режима и шумовые характеристики АГ;

3. Способ повышения запаса устойчивости стационарного режима АГ с учётом воздействия TOC и, как следствие, устранения деградации шумовых характеристик АГ, вызванной влиянием TOC;

4. Методика экспериментального определения параметров однозвенной ТЭС БТ.

Структура и состав работы. Диссертация состоит из пяти глав, заключения, библиографического списка из 148 наименований (включая научные труды автора), пяти приложений, а также списка основных сокращений и обозначений. Общий объём диссертации составляет 216 страниц, в том числе 94 рисунка и 15 таблиц.

5.5. Основные результаты, полученные в главе 5.

Предложена методика экспериментального определения параметров одно-звенной ТЭС БТ. В качестве примера по предложенной методике идентифицированы параметры ТЭС транзистора КТЗ102А;

Экспериментально доказана возможность возникновения неустойчивости, сопровождаемой самомодуляцией колебаний, при работе АГ на БТ в недо-напряжённом режиме при факторе регенерации меньшем двух единиц, то есть когда рабочая точка реализуется на ветви ДСр с положительным наклоном. Данный эффект полностью обусловлен инерционностью тепловых процессов в транзисторе;

Проведена проверка эффективности устранения неустойчивости стационарного режима АГ на БТ с помощью предложенной автором коррекции в цепи эмиттерного автосмещения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленное в диссертации исследование показало, что влияние TOC на устойчивость стационарного режима транзисторного АГ с инерционным автосмещением представляет собой сложный и неоднозначный процесс. В зависимости от выбора рабочей точки АГ TOC может как сужать, так и расширять область устойчивости, причём повышенная чувствительность АГ к вариации тепловых характеристик транзистора характерна для слабых по напряжённости режимов. Любые модификации границ области устойчивости стационарного режима при этом преимущественно возникают при значениях наименьшей тепловой постоянной времени транзистора, соизмеримых со значением постоянной времени колебательного контура АГ.

Для адекватного описания электротепловых характеристик полупроводниковых АП в составе АГ (БТ и ПТ с МДП-структурой) разработаны сложные многопараметрические модели, отражающие сущность физических процессов, протекающих в транзисторе, таких как инжекция, экстракция, диффузия, рекомбинация и т. д., специфика проявления которых связана с взаимодействием р-и-переходов транзистора.

Теоретически выявлено и экспериментально подтверждено, что при работе АГ на БТ в недонапряжённом режиме при факторе регенерации меньшем двух единиц, то есть когда рабочая точка реализуется на ветви диаграммы срыва с положительным наклоном, существует возможность возникновения неустойчивости, сопровождаемой самомодуляцией колебаний. Формирование конечного порога устойчивости в данной ситуации — это новый, неизвестный ранее эффект, полностью обусловленный инерционностью тепловых процессов в транзисторе. Справедливо утверждать о выявлении принципиально нового типа неустойчивости стационарного режима АГ. Между тем реализуемая в перенапряжённом или критическом режиме рабочая точка АГ оказывается устойчивой при любой инерционности цепи автосмещения и тепловой инерционности АП.

Характерно, что по мере повышения частоты колебаний наблюдается тенденция к сужению области устойчивости стационарного режима АГ.

Уточнение ТЭС транзистора посредством учёта нескольких инерционных звеньев существенно дополняет математическую модель АГ. Обнаружено возникновение новых зон неустойчивости в случае, когда тепловые постоянные времени звеньев соизмеримы по величине, что может иметь место для бескорпусных транзисторов и транзисторов с гетеропереходами.

Влияние TOC на устойчивость режима АГ необходимо учитывать при анализе шумовых характеристик устройства, поскольку приближение к границе устойчивости в значительной степени модифицирует амплитудный и фазовый шумы. Увеличение шума может достигать нескольких десятков децибел в случае неудачного выбора постоянной времени цепи автосмещения при фиксированном уровне TOC. Схожий эффект наблюдается также по мере снижения тепловой инерционности транзистора. Очевидно, увеличение амплитудных флук-туаций неизбежно сопровождается ростом фазового шума, обусловленного наличием амплитудно-фазовой конверсии.

Как известно, существенным недостатком транзисторных схем является трудность обеспечения температурной стабилизации. Полевые приборы имеют в этом смысле преимущество перед биполярными аналогами, поскольку при их использовании возможен выбор рабочей точки практически с нулевым температурным коэффициентом. Обнаружено, что АГ на ПТ в среднем менее чувствительны к воздействию TOC. Для таких АГ существуют ситуации, когда воздействие TOC приводит к расширению области устойчивости во всём диапазоне значений тепловой постоянной времени вследствие компенсации влияния температуры на режим транзистора. Однако, как показал анализ, АГ на ПТ проигрывают АГ на БТ по уровню шумов вблизи несущей.

Проверена возможность устранения неустойчивости стационарного режима АГ на БТ с помощью предложенной автором коррекции в цепи эмиттер-ного автосмещения. Теоретическое исследование показало, что предложенный вариант коррекции может быть использован не только для повышения запаса устойчивости стационарного режима АГ, но и позволяет снизить (скорректировать) степень деградации шумовых характеристик устройства. Эффективность такой коррекции обеспечивается выбором оптимального соотношения парамет.

162 ров предложенной КЦ, при котором достигается максимально возможное расширение области устойчивости стационарного режима.

Обоснована и проверена предложенная автором методика экспериментального определения параметров однозвенной ТЭС БТ.

В целом, полученные в диссертационной работе результаты существенно дополняют имеющиеся на сегодняшний день представления о механизмах нарушения устойчивой работы обсуждаемого класса устройств, что позволяет уточнить методику проектирования прецизионных АГ с низким уровнем шумов выходного сигнала.

Следует подчеркнуть, что исследуемое направление особенно актуально на фоне развития нанотехнологий и сопутствующей им миниатюризации радиоэлектронных устройств, поскольку с уменьшением геометрических размеров устройства тепловая постоянная времени кристалла транзистора становится соизмеримой с постоянной времени колебательного контура АГ, следствием чего могут стать деградация шумовых характеристик прибора и возникновение самомодуляции выходного сигнала.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Д. П. Царапкину за руководство, постоянную поддержку и неизменный интерес к работе.

Автор выражает признательность научным рецензентам: доктору технических наук, профессору В. Н. Кулешову и кандидату технических наук, доценту A.B. Хрюнову. Их рекомендации помогли существенно улучшить излагаемый в диссертации материал.

Автор также благодарит В. А. Сотскова, научного сотрудника отдела мощных лазеров Института общей физики РАН им. А. М. Прохорова, за обсуждение результатов, полезные замечания и помощь в проведении экспериментов.