Расчет нелинейных искажений в пассивных аттенюаторах на полевых транзисторах

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Слухоцкий А. Е. Установки индукционного нагрева. — Л.: Энергоиздат, 1981. — 325 с.
2. Осипов А. В. Системы высокочастотного индукционного нагрева заготовок перед пластической деформацией. Автореф. дис. … к.т.н. — Томск, 2004. — 18 с.
3. Владимиров С. Н., Земан С. К., Осипов А. В., Толстов В. П. Особенности индукционного нагрева ферромагнитных сталей при
различных режимах работы преобразователя частоты // Известия вузов. Электромеханика. — 2004. — № 1. — С. 50−54. 4. Ромаш Э. М., Драбович Ю. И., Юрченко Н. Н., Шевченко П. Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. — М.: Радио и связь, 1988. — 288 с.
Поступила 04. 09. 2006 г.
УДК 621. 382. 323
РАСЧЕТ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В ПАССИВНЫХ АТТЕНЮАТОРАХ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
В.И. Туев
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: tvi@tv2. tomsk. ru
Предложен метод расчета нелинейных передаточных функций пассивных аттенюаторов на полевых транзисторах. Метод пригоден для расчета регулировочной характеристики и нелинейных искажений аттенюаторов на полевых транзисторах с затвором на основе p-n перехода, МДП-структуры и барьера Шотки. Представлены результаты исследования аттенюаторов с параллельным, последовательным и смешанным соединением регулируемых элементов.
Пассивные электрически управляемые аттенюаторы, в которых в качестве двухполюсников с изменяемыми параметрами используют полевые транзисторы (ПТ), применяются в системах автоматической регулировки усиления радиоприемных и радиопередающих трактов аппаратуры связи и телевидения, в системах связи, измерительной аппаратуре, в технике звуковоспроизведения в качестве регуляторов громкости и т. д. [1, 2]. Задача расчета нелинейных искажений (НИ) в этих устройствах решена не окончательно. Известные результаты [2, 3] имеют частный характер, обусловленный используемой аппроксимацией выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора конкретного типа, носят количественное и качественное расхождение с экспериментальными данными.
Цель работы — вывод соотношений для расчета НИ в пассивных аттенюаторах на ПТ. Вывод формул произведен в рамках метода нелинейного тока (МНТ), применяемого для расчета нелинейных передаточных функций (НПФ) цепей класса Воль-терра [4].
Типовые схемы наиболее часто используемых аттенюаторов на ПТ приведены на рис. 1 [2].
Моделирование свойств ПТ как регулируемых двухполюсников основано на применении аналитического описания нелинейной зависимости тока стока 1С от напряжений на затворе и1 и стоке и2 относительно внутреннего истока, отделенного от внешнего вывода паразитным сопротивлением неуправляемой части канала ги:
I, =-
(DU 2 А
и -U0
1 —
r U л
2
V U доп J
1 — e
+ FU2
1 + Qe-V RUf+T (Ui l+V)f
где
10 = A (Ui — U0)1
1 +
UiU
P
(1)
(2)
А, В, Д Д К, Р, О, Я, Т, щ, щ2, п — коэффициенты аппроксимации, Ц0 — пороговое напряжение (напряжение отсечки), Пт — максимально допустимое стоковое напряжение, V — контактная разность потенциалов. А — коэффициент пропорциональности, В — показатель, характеризующий степень нелинейности зависимости 1С от и1 в пологой области выходных ВАХ. Коэффициенты Р и К отражают влияние на ВАХ насыщения дрейфовой скорости носителей в канале транзистора. Этот эффект заметно проявляется в мощных транзисторах- для маломощных третий сомножитель в (2) принимают равным 1.
Второй сомножитель в (1) характеризует выходную ВАХ, слагаемое ВЦ описывает поведение 1С в пологой области и отражает эффекты укорочения канала и электростатической обратной связи между стоком и каналом в МДП ПТ. Для П Т с р-п затвором и затвором Шотки (ПТШ) /=0.
,(2) «. СО 2
. (2)г (1) 2
Тип П Т, А В D ги, Ом Ц В
КП103 0,76 1,95 1,10 20 1,25
КП303 1,53 1,57 0,90 12 -2,50
КП312 1,90 1,40 2,53 20 -4,75
Расчет переменных составляющих тока стока ПТ в соответствии с МНТ производится в виде
N
'- = 21″
п=1
(3)
где N — наивысший порядок учитываемой нелинейности, /» — нелинейный ток и-го порядка.
На основании обобщенных формул для расчета нелинейных эквивалентных источников тока многоэлектродных активных элементов [7] составляющие тока первых трех порядков (N=3), представляющие наибольший практический интерес [2−4], можно представить в виде
^ (1) (1) 11 = 2 8к'-ик к=1
12 2 12
к=1
(4)
= Я: и ] & gt- = 82 [и ] & gt- ?23 =
§ а2+1) и (1) и ^
?з = 2 и
(6) (7)
?31 = 8ГКТ, ?32 = 823) ЮЧ = 81(22+1)[и1(1)]2и21)
?з4 = 81(, 12+2)[и21)]2и1), ?3, = 28Ги1& quot-и™, I
Р),/1),/2)
^ и21) «(22)!
: 2ЯЙ
: 281,2
(8)
Рис. 1. Типовые схемы пассивных аттенюаторов на ПТ с параллельным (а), последовательным (б) и смешанным (в) соединением регулируемых элементов
Коэффициенты 0, Я, Т, щ, щ2 описывают влияние на ВАХ насыщения дрейфовой скорости носителей, наблюдаемое в ПТШ средней и большой мощности. Для маломощных ПТШ и кремниевых транзисторов третьим сомножителем в (1), содержащим эти коэффициенты, можно пренебречь.
Коэффициент и отражает возрастание 1С вследствие лавинного умножения носителей при пробое стоковой области.
Численные значения коэффициентов аппроксимации и величина ги для кремниевых МДП-ПТ и ПТШ приведены в [5, 6], для некоторых типов ПТ с затвором в виде р-и перехода — в табл. 1.
Выражения (1, 2) с погрешностью не более 20% описывают семейство ВАХ при напряжениях на затворе транзистора от и0 до 0 (ПТ с р-и затвором и ПТШ), от и0 до значения, соответствующего максимальному току стока (МДП-ПТ), и в диапазоне от V до иД0П напряжений на стоке для всех типов ПТ.
Таблица 1. Коэффициенты аппроксимации и значение ги для ПТ с р-п затвором в рабочей области ВАХ
где — частные и смешанные проводимости, определяемые из разложения (1) в кратный ряд Тейлора в окрестности рабочей точки, определяемой напряжениями смещения и10, и20:
1 дт'-+т2/с (и 10, и 20). (9)
8 (т1 +т2) 61,2
т1! т2!
5и1т- ди т
Эквивалентная схема аттенюатора с параллельным включением ПТ для переменного тока представлена на рис. 2.
Рис. 2. Эквивалентная схема аттенюатора с параллельным включением ПТ: и — напряжение на затворе, и2 — на стоке ПТ относительно внутреннего истока
Для узловых потенциалов в схеме, рис. 2, справедливы соотношения:
) = у& lt- п) — Ягп
I Vз (n) = Уп
(10)
Здесь и далее и=1,…, N.
В соответствии с МНТ расчет НПФ первого порядка, т. е. регулировочной характеристики аттенюатора, проводится при = в (3). Численные расчеты показывают, что при малых напряжениях смещения на стоке и20 (в крутой области выходных ВАХ ПТ) выполняется неравенство и, соот-
ветственно, выражение (4) может быть упрощено:
(11)
!821)и21) —
Решая систему уравнений (10) с учетом (11), получим нормированные к уровню входного сигнала узловые потенциалы и напряжения на управляющих электродах ПТ
^ =
82& quot- Г,
1 + 8 (: ги + Я)
1 + 8 21 г, 1 + 8 21)(г, + Я):
(12)
(13)

— 8? г.
1 + 8 Г (г, + Я)'-
. О)-,» ,(!)
1 + 8 20)(г, + Я)
(14)
(15)
Соответственно выражение для расчета НПФ первого порядка Н1 имеет вид
я, = ^ _- 1+^
1+(г, + Я)
(16)
?2мА/В: 0,005
0
-0,005 -0,01 -0,015 -0,02 -0,025
?2, ?2з

4



0
?'-3,мА/В3 + 0,05
0
-0,05 -0,1 -0,15 -0,2 -0,25
0,2
0,4
0,6
0,8
1 иу/и0
-. ?32
// Г
V 3
?38 ^ !

V
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1 иу/и0
Рис. 3. Составляющие нелинейных токов второго 12 и третьего 3 порядков в схеме аттенюатора с параллельным включением ПТ типа КП305
Расчет НПФ более высоких порядков Нп производится по аналогичным (10−15) соотношениям, полученным при ?=1″ и ^=0:

Я
(1+. 21) г")(1+. ?& gt- Я)
0))
Я
+. 2
(1)
у2и) = я =
2 п
8? -I Я
(1 + .Г г,)(1 + ^ Я)
(17)
(18)
Определяя частные и смешанные производные в соответствии с (9) при варьировании управляющего напряжения иу= и10 в диапазоне от и0 до 0 и фиксированном значении и20=0,6 В [8] и подставляя их в (5−8), рассчитаем токи /2 и ц. Численные значения составляющих токов для ПТ КП305 [5] приведены на рис. 3. Основной вклад в нелинейный ток второго порядка вносит нелинейность выходной проводимости ПТ?? К Нелинейный ток третьего порядка определяется следующими составляющими, приведенными в порядке их значимости: составляющей г38, образованной в результате нелинейно-параметрического взаимодействия линейного напряжения на стоке и напряжения второго порядка на затворе на смешанной проводимости второго порядка йа2+1) — составляющей /36, полученной взаимодействием напряжений первого и второго порядков на квадратичной нелинейности стока ^22) — составляющей г32, являющейся результатом влияния кубичной нелинейности выходной проводимости
Выражения для расчета НПФ аттенюаторов как с параллельным, так и с последовательным и смешанным соединениями ПТ (рис. 1), найденные в результате аналогичных (10−18) вычислений, сведены в табл. 2.
Регулировочная характеристика и коэффициент гармоник К в диапазоне регулирования аттенюаторов с параллельным, последовательным и смешанным соединением регулируемых элементов приведены на рис. 4. Расчетное значение коэффициента гармоник определено по формулам
№)2 [2]
кг =41
К 2
г 2 1 Лг 3 '-
Кг 2
Кг 3 _¦
4 Н
при среднеквадратическом значении входного сигнала Ц,=100 мВ. Расчет параметров аттенюатора со
1
1
Таблица 2. Выражения для расчета НПФ аттенюаторов на ПТ с параллельным, последовательным и смешанным соединением регулируемых элементов
Функция Рис. 1, а Рис. 1, б Рис. 1, в
н 1+8 21) г, 1+. 21)(г" + я) 8? Я 1+. 21)(г" + Я) 1+[. 24 2 г, Г8 (1)1 1 + + 2[ 8 21)]Т 2 г
-1пЯ I Я п [I] - [I ] 1 + [ 821)]т. г [1п ]Т 1 [1п ]Т 21 + Г82%2 г-
(1+. 21) г,)(1+. 21) Я) 1+. 21)(г" + Я) Г8(1)] 1 + 2[821)]т2г-. [821)]Т2 [82 ]т1 1 + [8242 г- 1 + [821)]т 2 г-
смешанным соединением ПТ производился при следующем соотношении управляющих напряжений на затворах ПТ: и= и- и2= Ц-их.
Рис. 4. Регулировочные характеристики и коэффициенты гармоник Кг аттенюаторов с параллельным при значении R=24 кОм (а), последовательным (R=10 кОм) (б) и смешанным (в) соединением регулируемых элементов
В подтверждение достоверности полученных теоретических результатов на рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные характеристики аттенюатора с параллельным включением ПТ.
В диапазоне управляющих напряжений от 0,3 до 1 варьирование коэффициента передачи аттенюатора осуществляется в пределах от 0,01 до 1, т. е. на 40 дБ. Расхождение расчетных и экспериментальных данных в этих пределах не превышают 20%. В области малых отношений увеличение погрешности расчета обусловлено неточностью используемой аппроксимации ВАХ ПТ (1).
Таким образом, в статье представлен метод расчета регулировочной характеристики и нелинейных искажений аттенюаторов на полевых транзи-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кривицкий Б. Х., Салтыков Е. Н. Системы автоматической регулировки усиления. — М.: Радио и связь, 1982. — 190 с.
2. Богданович Б. М., Ваксер Э. Б., Окулич Н. И. Проектирование элементов радиоприемных устройств (управляемых электронных аттенюаторов). — Минск: Высшая школа, 1979. — 192 с.
3. Игнатов А. Н., Рянский А. И. Анализ нелинейных свойств полевых транзисторов в области, близкой к отсечке // Радиотехника. — 1980. — № 9. — С. 36−38.
4. Буссганг Дж., Эрман Л., Грейам Дж. Анализ нелинейных систем при воздействии нескольких входных сигналов // ТИИ-ЭР. — 1974. — № 8. — С. 56−92.
5. Жаркой А. Г., Туев В. И. Аппроксимация вольт-амперных характеристик МДП-полевых транзисторов // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника. — 1988. — № 5. — С. 69−70.
Рис. 5. Регулировочные характеристики и коэффициент гармоник аттенюатора с параллельным соединением ПТ типа КП305 в условиях постоянного выходного напряжения иВых=Ю0 мВ на частоте 1000 Гц
сторах с различной структурой затвора. Приведены коэффициенты экспоненциально-степенной аппроксимации для ряда полевых транзисторов с затвором на основе р-п перехода, представлены расчетные соотношения для составляющих эквивалентного источника тока и для нелинейных передаточных функций. Рассмотрен механизм образования нелинейных токов и выявлены превалирующие источники нелинейности. Даны результаты исследования аттенюаторов с параллельным, последовательным и смешанным соединением регулируемых элементов. Показано, что расхождение расчетных и экспериментальных данных коэффициента гармоник в диапазоне регулирования коэффициента передачи 40 дБ в схеме параллельного аттенюатора на МДП полевом транзисторе не превышает 20%.
6. Жаркой А. Г., Туев В. И. Аппроксимация вольт-амперных характеристик GaAs ПТШ со стабильными областями отрицательного сопротивления // Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. — 1988. — Вып. 8. — С. 36−41.
7. Жаркой А. Г., Туев В. И. Расчет нелинейных эквивалентных источников тока многоэлектродных активных элементов // Радиотехника и электроника. — 1989. — Т. 34. — № 6. -С. 1142−1150.
8. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Ч. 1. — М.: Мир, 1984. — 453 с.
Поступила 23. 06. 2006 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой