Спектротрон с внешней обратной связью

(51) 4 Н 03 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ У 21ационныйдзеА.З. Стру титут Ситникове принципыния многоус.С.ущейчи 1964 вых элементовР 12,адиотехни Много Сигорский и Утяков Л,Л, ты дискретной Энергия, 1966 (54) СПЕКТРОТ СВЯЗЬЮ (57) Изобрете Ситников Л устойчивые ки, - М., Л 6, рис, 2 ВНЕЧНЕИ ОБС элеменхни 36,АТНО с. РОН Сбыть е мож ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ К Д ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Сигорский В.Пи Утяков Л.Л, Общиствления и примене 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 изме- а нению амплитуды напряжения входного сигнала и обеспечить управление запуском С, 6 ил.Изобретение относится к импульснойтехнике и предназначено для использования в устройствах радиочастотнойавтоматики,11 елью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных воэможностей путем минимизации схемы и увеличения чисда устойчивых состояний спектротрона, увеличения допустимого разброса,параметров элемента индуктивности, уменьше"ния параметрической чувствительностик изменению амплитуды напряжениявходного сигнала и обеспечения управления запуском спектротрона.На фиг. 1 представлена электрическая принципиальная схема спектротрона с внешней обратной связью; нафиг. 2 - зависимость частоты настройки контура ЬС при изменении на"3пряжения затвор-подложка 0 параметрического полевого транзистора; нафиг. 3 - спектр напряжения сигналана входной шине и резонансная характеристика контура ЬС, перемещающа-яся вдоль оси частот яспектравходного сигнала под действием изменения напряжения затвор-подложкав интервалеымик Ямаксе где О- ам плитуда спектральной составляющейсигнала,. 0(и) - частотная характеристика контура ЬС, на фиг. 4 зависимость напряжейия на выходнойшине У 8 от собственной частотыконтура а; на фиг. 5 - сток-эатвор 35ная характеристика первого транзистора; на фиг. 6 - сток-затворная характеристика нормально открытоготранзистора.40Спектротрон содержит корректирующий конденсатор 1, источник 2 постоянного напряжения смещения, элемент3 индуктивности, нагрузочный резистор4, разделительный конденсатор 5,диодный детектор 6, состоящий из дио;да 7 и фильтра низких частот, содержащего последовательно соединенныерезистор 8 и конденсатор 9, две шины10 и 11 биполярного источника питания, входную 12 сигнала, выходнуюшину 13. Один вввод корректирующегоконденсатора 1 присоединен к входной шине 12 сигнала, а другой черезэлемент Э индуктивности и последова"тельно с ним соединенный источник 2постоянного напряжения смещенияприсоединен 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 диода7 и первым вьводом резистора 8 фильтранизких частот. Второй вьвод резистора 8 соединен с выходной шиной 13 ипервым 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 шину15 и два параметрических полевыхтранзистора 16 и 17 с встроенными каналами разного типа проводимости.Затвор первого транзистора 16 с ка"налом и-типа проводимости 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 иразделительного конденсатора 5. Под"ложка соединена с общей точкой соединения резистора 8 и конденсатора 9фильтра низких частот и к выходнойшине 13, Исток второго параметрического полевого транзистора 17 сканалом р-типа проводимости присоединен к той же точке, его сток - кшине 11 отрицательного напряжениябиполярного источника питания. Подложка второго параметрического транзистора 17 подключена к общей шине14, а затор - к управляющей шине15. Спектротрон с внешней обратной связью работает следующим образом.В исходном состоянии входные сигналы на шинах 12 (Оз ), 15 Рцэр ) 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,р) разряжена. Соответственно напряжейие на выходной шине 13 (Б ,) также равно нулю. Напряжение затвор-подложка 0 параметрического полевого транэис" тора 16 с каналом и"типа в исходном состоянии определяется напряжением источника 2 постоянного смещения (О ). Встроенный канал и-типа транзистора 16 находится в режиме обеднения, и через транзистор и нагру14015724 Ф 10 15 20 25 30 45 50 55 зочный резистор Л Щ протекает небольшой ток стока,В некоторый момент времени нашину 15 управления (У) приходитимпульс запуска отрицательной полярности и малой длительности (С с 1 мкс)Параметрический полевой транзйстор17 практически скачком переходит воткрытое состояние и конденсатор 9(С, ) начинает быстро заряжаться отисточника 11 напряжения питания (-Е)через открытый транзистор, В результате заряда напряжение на емкостифильтра низких частот Ср снижается,до значения, приблизительно равного - 2 Бсм, Таким образом, напряжениемежду затвором и подложкой транзис.тора скачком изменяется от -У, до+Б за время существования импульсазапуска схемы на шине управления.Значение напряжения между затвором и подложкой БЭ транзистора 16определяет величину емкости затвора(фиг. 2), а также резонансную частоту контура сй, образованного элементом 3 индуктивности (1,) и емкостьюзатвора С э. Емкость фильтра низкихчастот выбирается из условияС,Сэ и практически не влияетэ макана резонансную частоту этого контура. Коэффициент перекрытия емкостиСэ параметрического полевого транэисС дымимтора= 1 О, что практическиСэмакснедостижимо для варикапов, а коэффийСциент нелинейности емкости=вСЖточке максимальной крутизны ее вольтфарадной характеристики (Фиг; 2) на2-3 порядка больше, .чем у варикаповс р-и-переходом. Добротность емкости затвора определяется сопротивлением подложки параметрического полевого транзистора. Зто сопротивлениеменее 0,01 Ом, и поэтому добротностьемкости исключительно высока, чтопозволяет получить узкую полосу пропускания контура 24 и при соответствующей добротности элемента 3 индуктивности,В отсутствии входного сигналаП(В) емкость фильтра низких час.тот медленно разряжается от напряжения приблизительно -2 Ус до нулевогонапряжения, При этом изменяется напряжение затвор-подложка транзистора.16 и плавно перестраивается частотаконтура ы(фиг, 2) от максимального значения я , при П= +Г , доминимально о ь кф при 11 О и вновь лоМаКСИМаЛЬНОГО ЗиаЧЕНИЯ Умкс ПРИ П)=-Бс , соответствующего полностьюразряженной емкости СВ рабочем режиме на входную шину12 поступает периодическое напряжениеБслинейчатым спектром, содержащим набор дискретных частот а,Юы;сй (фиг. 3). В процессе перестройки контура от значения частотыакс при П= +Псм в полосу его пропускания попадает однаиэ сдставляющих спектра, в контуревозникают резонансные колебания сувеличенной амплитудой. Эти колебания усиливаются транзистором ж идетектируются диодом 7, После фильтрации цепочкой В С, возникает управляющее напряжение на подложке параметрического полевого транзистора1 ж, которое приближает частоту настройки контураОк, к захваченной частоте ы; спектра входного сигнала,При соответствующем выборе коэффициента усиления в цепи внешней обратной связи, состоящей иэ параметрического полевого транзистора 1 ж,детектора ж с фильтром низких частот, переходной процесс в схеме оканчивается состоянием, при котором вполосу пропускания контура 26 ипопадает одна частота и; линейчатого спектра, Напряжение этой частоты на 35контуре, преобразованное в цепи внешней обратной связи в управляющее постоянное на емкости С способно поддерживать настройку контура до тех пор, пока не исчезнет входной сигнал. Собственная частота контура сй ; в стационарном режиме близка к выбранной частоте спектра Сд апостоянное напряжение на емкости Срипи напряжение на выходной шине Боднозначно связано с частотой настройки контура Ик,.Зависимость напряжения на выходной шине У , от собственной частоты контура ы к (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 ы = Г,(Ц) и линии обратной связи 11Г (ы) определяют стационарные состояния в спектро"5 140572 троне с внешней обратной связью, Отмеченные цифрами точки пересечениясоответствуют устойчивым стационарныи состояниям, а неотмеченные - неустойчивым.Таким образом, при одном и том же числе гармоник в спектре входного:сигнала предложенный спектротрон с г внешней обратной связью имеет вдвое большее количество устойчивых состояний, различающихся значением напряжения на выходной шине. Это позволяет упростить реализацию генератора и входного сигнала с линейчатым спект=Ч+2 У,+ 2) еких ся), ( ром при заданномсостояний схемыней обратной свя исле устоичивыхектротрона с внешю или при заданно ЕР =Ч (Чв ) Ч (О-2 о - ) Ч 40 Г ,л//л Ь Чв+29 в) где Е оответственно ширинадлина канала; ктронов; 45напряжеи стоке одвижность э оответственн ние на затвор (относительно поверхностный истока); потенциколичестве 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 сток- затворной характеристики больше на 2-3 порядка по сравнению с аналогичным параметром обычного полевого транзистора,Вольт-амперная и сток-затворная характеристики полевого параметрического транзистора формально опи-. сываются известными соотношениями для МОП-транзисторов, в частности ток стока транзистора определяется соотношением мость, и - толщина параэлектрика),Пороговое напряжение транзисторанаходятся из формулы 5 де Ч - напряжение обратного 85 щения подложки; Ч - напряжение сдвига пл зон МОП-структуры. Крутизна транзистора вычисл з выраженияа сдвиг сток-затворной характеристики определяется формулой Особенностью параметрического полевого транзистора является нелинейная. зависимость Я, от напряженностиполя в параэлектрике, а, следовательно, зависимость С; от напряжения назатворе, Диэлектрическая проницаемость параэлектриков Я; при криогенных температурах, например, титанастронция и других около 2 1 О -103 4что приводит при замене двуокисикремния (Я; =,4) параэлектриком к уве личению крутизны я в 510 -5 1 Ораз. Из-за зависимости диэлектрической проницаемости параэлектрика и емкости С; от напряжения на затворе крутизна сток-затворной характеристики параметрического полевого транзистора будет переменной. Таким образом, МОП-транзистор с параэлектриком является транзистором с переменной крутизнойДпя параметрических полевых транзисторов в зависимости от напряжения на подложке меняются пороговое напряжение Чт и емкость С; (2).Изменяя кон эл 5 аемо концент подложк можМОП -С =Ей ипа аналами тые или акрытые). алзаряд электрона; рическая прониь подложкирация примесей удельная емкость параэлектрика (Я; - диэлектрическая проницаеподложки Ид, нап смещения Ч и п ложки и параэлек диэлектрической но получить все транзисто/ров с к (нормально открь нтрацию примесейряжение обратногоодбирая материал подтрика, в т.ч. проницаемости сновные типыВ спектротроне с внешней обратной связью транзистор 16 нормально открытый с каналом и-типа. Его стокэатворная характеристика приведена5 на фиг. 5В областях напряжения на затворе У= Чс,-Чнз(Чс,= -П ), где Сзс С и С; параэлектрика слабо зависит от напряжения затвор-подложка, крутизна параметрического полевого транзистора невелика и соизмерима с крутизной сток-затворной характеристики обычного МОП-транзистора с окисью кремния, в области напряжений, где У изменяются, она существенно возрастает. Удельная крутизна параметрического полевого транзистора повторяет зависимость Сэ=Г(цэ) на Фиг. 5.При работе устройства напряжение на подложке транзистора Ч вз может изменяться в пределах (-2 Пс, О) что эквивалентно с учетом напряжения источника У изменению напряжения затвор-подложка в пределах (+Б25 -У м), Это же напряжение затвор-подложка при разряде емкости С (Фиг. 1) изменяется от +Б до -11сцСток-затворная характеристика нормально открытого транзистора 17 с З 0 каналом р-типа изображена на фиг. 6 сплошной линией. Там же показан импульс запуска отрицательной полярности, открь 1 вающий транзистор 17 на время длительности импульсадля 35 заряда емкости С(Фиг. 1) до напряжения, равного или превьннающего2 ПсмЗависимость Сэ=й(Б) для транзистора 17 не используется при работе 40 устройства, но с приходом импульса запуска из-за увеличения С; эффективное пороговое напряжение транзис,тора Ч может уменьшаться (2), и ток стока транзистора резко нарастает. 45 Сдвиг порогового напряжения транзистора дЧ при этом незначителен (4).В качестве транзистора 17 может быть применен нормально закрытый параметрический полевой транзистор с 5 О каналом р-типа, Его сток-затворная характеристика изображена на фиг, б пунктирной линией, В этом случае напряжение на управляющей шине У может быть выбрано нулевым, а амплитуда импульса запуска схемы соответственно уменьшенной.В качестве транзистора 16 возможно использование нормально открытого параметрического полевого транзистора с каналом р-типа, а в качестве транзистора 17 - параметрического полевого транзистора с каналом п-типа. Соответственно должны при этом измениться полярности источников С , 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 яСпектротрон с внешней обратной связьюсодержащий 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 биполярного источника питания, а другой вывод разделительного конденсатора соединен с анодом диода и первым выводом резистора Фичьтра низких частот, второй вывод этого резистора соединен с выходной шиной и первым выводом конденсатора фильтра низких частот, второй вывод этого конденсатора и катод диода подключены к общей шине, о т л и ч а ю щ и й с я 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 обшей точкой соединения резистора и.конденсатора Фильтра низких частот, исток второго параметрического полевого транзистора с каналом р-типа проводимости присоединен ктой же точке, его сток - к шине отрицательного напряжения биполярного источника питания, подложка второго параметрического транзистора подключена к о.бщей шине, а его затор - куправляющей шине,