в [185] описаны генераторы с октавным (т. е. двойным) перекрытием по частоте. Однотактный генератор (рис. 9.64, а) использует для управления

/fBf22A

KBt22A т

0,0/

550 1,50 356

20 15 /О 5

-5 О 5/0/5 2J [/с ,В

Рис. 9.64. Генератор с электронной пере-стройкой частоты парой встречио включеи-иых варикапов (а) и его характеристи-а ки (б)

частотой встречно включенные варикапы, что обусловливает меньшую зависимость их емкости от амплитуды переменного напряжения на варикапах. Контур в цепи затвора разделен на две части отрезком микрополосковой линии. Импеданс цепи затвора носит индуктивный хара-стер.

При fo=500 МГц получен коэффициент перекрытия по частоте К/ = 2,1 при изменении управляющего напряжения С/см от 2 до 25 В. Зависимость выходной мощности Рвых и частоты f от напряжения С/см дана иа рис. 9.64, б. Крутизна модуляционной характеристики изменяется не более чем в 3,5 раза. Выходная мощность геиератора Р=17±2,5 дБ, КПД меняется от 3 до 7% при С/п=20 В (транзистор КП905А). Уровень высших гармоник достигает 20%.

Двухтактная схема генератора (рис. 9.65) обеспечивает эффективное подавление всех четных гармоник. Это уменьшает уровень высших гармо-

0,01

\ьС1

0,0/ /5н т

Л

0,01

, НН

i т.

Рис. 9.65. Двухтактная схема автогенератора на МДП-транзисторах

S50 550

ник иа выходе генератором. Зависимость f от управляющего напряжения С/см для этой схемы дана иа рнс. 9.66. Коэффициент перекрытия по частоте К/ = Шв/(Он= 1,85, изменение крутизиь модуляционной хара.ктеристики достигает 5 раз и более.

Вопросы проектирования СВЧ-геие-раторов вида на рис. 9.67 (цепи питания ие показаны) рассматриваются в [186]. Показано, что колебания возникают только при инверсном включеини транзисторов. Для транзисторов ЗП602А была получена частота генерации fo= = 5 ГГц при выходной мощности 30 МВт.

Представляет интерес применение в автогенераторах нового типа двух-затвориых полевых транзисторов Шотки. На рнс. 9.68 представлена схема автогенератора иа частоте fo=8,6 ГГц. Генератор работает в импульсном режиме и используется в доплеровском радиолокаторе. По сравнению со схемой иа диодах Гаина эта схема обеспечивает лучшую стабильность частоты. Схема иа рнс. 9.69 совмещает в себе функцию генератора и утроите-ля частоты. Конструкция на тетроде с длиной затвора 1 мкм позволила получить частоту генерации до 22 ГГц.

На низких частотах при большой выходной мощности (единицы-десят-

-5 0 5 10 15 Vt,3 Рис. 9 66. Зависимость частоты от управляющего напряжения для схемы рис. 9.65

1 r\\eZ22ZZZ22t-i

связи e I

L I

ев* гвязяе

Рис. 9.67. Автогенератор с колебательными цепями в виде отрезков длинной линии (а) и его функциональная схема (б)

Элепешы

нашройха

н обратной \ \ J/)

ITU

Рнс. 9 68. Генератор с рабочей час- Рис. 9.69. Схема совмещения

тотой fo=8,6 ГГц иа двухзатвориом функции генератора и утрои-

полевом транзисторе с барьером теля частоты для диапазона

Шоткн частот до 22 ГГц

ки ватт) в генераторах можно использовать ненасыщающиеся составные транзисторы [64], в которых мощный ПТ управляет более мощным биполярным транзистором. В [187] описана схема кв.рцевого генератора (рис. 9.70)

ГГ2.

Рис. 9.70. Кварцевый автогенератор на составном (полевой-биполярный) транзисторах

иа основе составного транзистора. На рис. 9.71 представлены зависимости потребляемого тока и выходной мощности от температуры. Максимальные изменения этих параметров не превышали 2,3 и 3,5% соответственно при изменении температуры от 25 до 70° С. При угле отсечки тока стока 0 = 70° С генератор обеспечил получение выходной мощности 10 Вт при общем КПД 65%. Частота генерации 7,41 МГц, среднестатическая часовая нестабильность частоты не превышала 2-10-.

ез т,С

Рис. 9.71. Зависимости потребляемо- Рис. 9.72. Уровни фазовых шумов

го тока (/) и выходной мощности автогенераторов на мощных ПТШ

(2) от температуры окружающей (/), СВЧ-биполяриых транзисторах среды (2) и диодах Ганиа (3)

Таким образом, автогенераторы на мощных ПТ перекрывают практически все используемые диапазоны частот. Для ряда применений важное значение имеют уровни фазовых шумов автогенераторов. Как вытекает из рис. 9.72, по этому параметру СВЧ-геиераторы на GaAs мощных ПТШ уступают генераторам на СВЧ-биполяриых транзисторах и диодах Гаииа. Ожидается уменьшение уровня модуляционных шумов на 20 дБ при разработке мощных ПТШ с субмикронной длиной канала [188].

Глава 10.

Моделирование электронных устройств на мощных полевых транзисторах

10.1. Технические и программные средства моделирования

Мощные ПТ - существенно нелинейные устройства. Это затрудняет, а часто и исключает применение простых аналитических методов расчета электронных схем на ПТ. Графические методы слишком трудоемки и неточны [44].

Работа мощных ПТ на пределе физических возможностей делает их чувствительными к перегрузкам по напряжению. А большие значения dic/dt ведут к тому, что такие перегрузки могут легко возникать даж; из-за малых паразитных индуктивностей цепей. Высокая стоимость приборов и их дефицитность приводят к тому, что разработчики аппаратуры бывают вынуждены отказаться от серьезных экспери.ментальных исследований. Во г/ыо-гих случаях эти исследования просто невозможны, поскольку ведут к выходу дорогостоящих приборов из строя и резко ухудшают экономические показатели НИР и ОКР.

В таких условиях особую важность приобретает моделирование работы электронных устройств на ЭВМ. Это давно поняли разработчики микросхем, при разработке которых экспериментальное исследование также не всегда возможно. Простейшие задачи моделирования могут решаться даже на программируемых калькуляторах и бытовых 8-разрядных персона.чьных компьютерах (ПК), например ZX-Spectrum, Atari, Commodore и др. [46, 47]. Однако основным типом профессиональных ПК стали персональные компьютеры класса IBM PC, XT, AT и PS-2. Эти ПК имеют приемлемое быстродействие (от 0,25 млн оп./с для IBM PC XT до нескольких млн оп./с для ПК класса Super AT и старших моделей PS-2).

Таблица 10.1. Технические характеристики персональных ЭВМ фисмы !ЗМ

Наиболее совершенные ПК, выполняемые на 32-разрядных микропроцессорах 80386 и 80486, имеют в 30 ... 50 раз большую производительность, чем ПК IBM PC XT. Применение математических сопроцессоров (8087, 80287, 80387) дополнительно повышает производительность ПК ШМ PC XT, AT в 5... 10 раз, а для отдельных операций до 50... 100 раз. В табл. 10.1 приведены данные о ПК фирмы IBM. Многие фирмы выпускают подобные компьютеры даже с несколько лучшими характеристиками и гарантированной программой совместимостью с ПК IBM.

Для САПР моделирования важное значение имеют графические возможности ПК. Сушествуют дорогие графические средства, дающие разрешение свыше 1024X1024 точек (пикселей). Однако в рядовой инженерной практике приходится довольствоваться более скромными воз.можностями, обеспечиваемыми стандартными видеоадаптерами и дисплеями ПК класса IBM PC (табл. 10.2).

Таблица 10.2. Характеристики графики персональной ЭВМ класса IBM PC при использовании различных видеоадаптеров

Цветное изображение у дисплеев ПК облегча-. .зод информации. Например, переходные процессы в различных точках c.c.su могут представляться линиями различного цвета. Однако большинство доступных принтеров и светокопировальных автоматов обеспечивают лишь двухцвгт.п,!е изображения и для разметки лнннй применяют кружки, квадратики, ромбики и другие метки.

Программные средства моделирования можно условно разделить на три основные группы.

1. Универсальные программы для математических расчетов (Eureka, MathCAD, MatLAB и др.).

2. Универсальные программы моделирования электронных схе.м (Micro САР, PSPICE, NAP-2 и др.).

3. Спецналнзнрованные программы моделирования отдельных классов схем или даже отдельных схем.

Программы для математических расчетов обычно используются на начальном этапе моделирования - при разработке н отладке моделей, моделирования отдельных режимов простейших схем. Более широкому их применению препятствует отсутствие спецнализнрованного входного языка для задания схем и обычно довольно низкое быстродействие.

Универсальные программы моделирования являются основиы.м средством моделирования схем. Их возможности и характеристики представлены в табл. 10.3. Программы PSPICE и NAP-2 были разработаны давно для больших ЭВМ класса IBM 360, ЕС ЭВМ [189]. В последнее время нх версии включены в программное обеспечение ПК класса IBM PC. К недостаткам

Таблица 10.3. Сравнительная характеристика программ дли моделирования аналоговых схем

Характеристика

Наименованне прогртччы или пакета программ

Micro САР II

PSPICE

NAP-2

Типы машин, на которых реализованы программы Наличие программы подготовки данных, описывающих модели элементов Наличие графического постпроцессора

Необходи.мость сопроцессора

Виды расчетов:

анализ стационарного режима по постоянному току

анализ переходных

процессов малосигнальный анализ на переменном токе

спектральный анализ анализ при различных температурах Формат описания схем

Состав библиотеки элементов;

резисторы конденсаторы

индуктивности трансформаторы

независимые источники напряжения независимые источники тока

-Функции изменения независимых источников: импульсная показательная синусоидальная кусочно-линейная слолчный двухчастот-ный сигнал Аналитическое задание функции

Зависимые источники Диоды

Биполярные транзисторы Полевые транзисторы Возможность определения субсхем

IBM PEP. EXE

Есть Желательна

Есть

Фиксированный

Линейные

Двухобмоточ-

Есть Нет

Есть Нет Есть Нет

Полиномиальное

Есть

VAX, IBM PART. EXE

PROBE. EXE

Обязательна

Есть

Свободный

Линейные Линейные, нелинейные То же Многообмоточные Есть

Есть

Полиномиальное

Есть

IBM, ЕС, СМ

Нет Обязательна

Есть

Свободный

Линейные Линейные, нелинейные То же Многообмоточные Есть

Есть

Любое

Есть