Схема генератора высокой частоты: Схемы генераторов сигнала высокой частоты (ВЧ) и генераторов шума

Схемы генераторов сигнала высокой частоты (ВЧ) и генераторов шума

Предлагаемые генераторы высокой частоты предназначены для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков кГц до десятков и даже сотен МГц.

Такие генераторы, как правило, выполняют с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами.

Принципиально схемы от этого существенно не изменяются, поэтому ниже будут рассмотрены LC-генераторы высокой частоты. Отметим, что в случае необходимости колебательные контуры в некоторых схемах генераторов (см., например, рис. 4, 5) могут быть без проблем заменены кварцевыми резонаторами.

Генераторы по схеме индуктивной трехточки

Генераторы высокой частоты (рис. 1, 2) выполнены по традиционной и хорошо зарекомендовавшей себя на практике схеме «индуктивной трехточки».

Рис. 1. Схема простого генератора ВЧ на одном транзисторе.

Они различаются наличием эмиттерной RC-цепочки, задающей режим работы транзистора (рис. 2) по постоянному току.

Для создания обратной связи в генераторе от катушки индуктивности (рис. 1, 2) делают отвод (обычно от ее 1/3… 1/5 части, считая от заземленного вывода).

Рис. 2. Однотранзисторный генератор ВЧ по схеме индуктивной трехточки.

Нестабильность работы генераторов высокой частоты на биполярных транзисторах обусловлена заметным шунтирующим влиянием самого транзистора на колебательный контур.

При изменении температуры и/или напряжения питания свойства транзистора заметно изменяются, поэтому частота генерации «плавает». Для ослабления влияния транзистора на рабочую частоту генерации следует максимально ослабить связь колебательного контура с транзистором, до минимума уменьшив переходные емкости.

Кроме того, на частоту генерации заметно влияет и изменение сопротивления нагрузки. Поэтому крайне необходимо между генератором и сопротивлением нагрузки включить эмиттерный (истоковый) повторитель.

Для питания генераторов следует использовать стабильные источники питания с малыми пульсациями напряжения.

Рис. 3. Генератор ВЧ по схеме индуктивной трехточки на полевом транзисторе.

Генераторы, выполненные на полевых транзисторах (рис. 3), обладают лучшими характеристиками.

Генераторы по схеме емкостной трехточки 

Генераторы высокой частоты, собранные по схеме «емкостной трехточки» на биполярном и полевом транзисторах, показаны на рис. 4 и 5. Принципиально по своим характеристикам схемы «индуктивной» и «емкостной» трехточек не отличаются, однако в схеме «емкостной трехточки» не нужно делать лишний вывод у катушки индуктивности.

Рис. 4. Генератор ВЧ по схеме емкостной трехточки.

Во многих схемах генераторов (рис. 1 — 5 и другие схемы) выходной сигнал может сниматься непосредственно с колебательного контура через конденсатор небольшой емкости или через согласующую катушку индуктивной связи, а также с незаземленных по переменному току электродов активного элемента (транзистора).

Рис. 5. Генератор ВЧ по схеме емкостной трехточки на полевом транзисторе.

При этом следует учитывать, что дополнительная нагрузка колебательного контура меняет его характеристики и рабочую частоту. Иногда это свойство используют «во благо» — для целей измерения различных физико-химических величин, контроля технологических параметров.

На рис. 6 показана схема несколько видоизмененного варианта ВЧ генератора — «емкостной трехточки». Глубину положительной обратной связи и оптимальные условия для возбуждения генератора подбирают с помощью емкостных элементов схемы.

Рис. 6. Генератор сигналов ВЧ по схеме емкостной трехточки.

Генератор ВЧ на двух транзисторах

Схема генератора, показанная на рис. 7, работоспособна в широком диапазоне значений индуктивности катушки колебательного контура (от 200 мкГн до 2 Гн) [Р 7/90-68].

Такой генератор можно использовать в качестве широкодиапазонного высокочастотного генератора сигналов или в качестве измерительного преобразователя электрических и неэлектрических величин в частоту, а также в схеме измерения индуктивностей.  

Рис. 7. Принципиальная схема  генератора ВЧ на двух транзисторах.

Генераторы на активных элементах

Генераторы на активных элементах с N-образной ВАХ (туннельные диоды, лямбда-диоды и их аналоги) содержат обычно источник тока, активный элемент и частотозадающий элемент (LC-контур) с параллельным или последовательным включением.

На рис. 8 показана схема ВЧ генератора на элементе с лямбдаобразной вольт-амперной характеристикой. Управление его частотой осуществляется за счет изменения динамической емкости транзисторов при изменении протекающего через них тока.

Рис. 8. Схема ВЧ генератора на элементе с лямбдаобразной вольт-амперной характеристикой.

Светодиод HL1 стабилизирует рабочую точку и индицирует включенное состояние генератора.

Генератор на аналоге лямбда-диода, выполненный на полевых транзисторах, и со стабилизацией рабочей точки аналогом стабилитрона — светодиодом, показан на рис. 9.

Устройство работает до частоты 1 МГц и выше при использовании указанных на схеме транзисторов.

Рис. 9. Генератор ВЧ сигналов на аналоге лямбда-диода, выполненный на полевых транзисторах.

На рис. 10 в порядке сопоставления схем по степени их сложности приведена практическая схема ВЧ генератора на туннельном диоде.

Рис. 10. Практическая схема ВЧ генератора на туннельном диоде.

В качестве полупроводникового низковольтного стабилизатора напряжения использован прямосмещенный переход высокочастотного германиевого диода.

Этот генератор потенциально способен работать в области наиболее высоких частот — до нескольких ГГц.

Более сложные схемы генераторов ВЧ

Высокочастотный генератор частоты, по схеме очень напоминающий рис. 7, но выполненный с использованием полевого транзистора, показан на рис. 11 [Рл 7/97-34].

Рис. 11. Высокочастотный генератор частоты, выполненный с использованием полевого транзистора.

Прототипом RC-генератора является схема генератора на рис. 12 [F 9/71-171; 3/85-131].

Рис. 12. Схема высокостабильного RC-генератора высокой частоты на трех транзисторах.  

Этот генератор отличает высокая стабильность частоты, способность работать в широком диапазоне изменения параметров частотозадающих элементов.

Для снижения влияния нагрузки на рабочую частоту генератора в схему введен дополнительный каскад — эмиттерный повторитель, выполненный на биполярном транзисторе VT3.

Генератор способен работать до частот свыше 150 МГц.

Генераторы ВЧ с ударным возбуждением

Из числа всевозможных схем генераторов особо следует выделить генераторы с ударным возбуждением. Их работа основана на периодическом возбуждении колебательного контура (либо иного резонирующего элемента) мощным коротким импульсом тока.

В результате «электронного удара» в возбужденном таким образом колебательном контуре возникают постепенно затухающие по амплитуде периодические колебания синусоидальной формы.

Затухание колебаний по амплитуде обусловлено необратимыми потерями энергии в колебательном контуре. Скорость затухания колебаний определяется добротностью (качеством) колебательного контура.

Выходной высокочастотный сигнал будет стабилен по амплитуде, если импульсы возбуждения следуют с высокой частотой. Этот тип генераторов является наиболее древним в ряду рассматриваемых и известен с XIX века.

Практическая схема генератора высокочастотных колебаний ударного возбуждения показана на рис. 13 [Р 9/76-52; 3/77-53]. Импульсы ударного возбуждения подаются на колебательный контур L1C1 через диод VD1 от низкочастотного генератора, например, мультивибратора, или иного генератора прямоугольных импульсов (ГПИ).

Рис. 13. Схема генератора высокочастотных колебаний ударного возбуждения. 

Большим преимуществом генераторов ударного возбуждения является то, что они работают с использованием колебательных контуров практически любого вида и любой резонансной частоты.

Генераторы шума

Еще один вид генераторов — генераторы шума, схемы которых показаны на рис. 14 и 15. Такие генераторы широко используют для настройки различных радиоэлектронных схем.

Генерируемые такими устройствами сигналы занимают исключительно широкую полосу частот — от единиц Гц до сотен МГц.

Для генерации шума используют обратносмещенные переходы полупроводниковых приборов, работающих в граничных условиях лавинного пробоя.

Для этого могут быть использованы переходы транзисторов (рис. 14) [Рл 2/98-37] или стабилитроны (рис. 15) [Р 1/69-37].

Рис. 14. Принципиальная схема генератора шума с использованием перехода транзистора.

Чтобы настроить режим, при котором напряжение генерируемых шумов максимально, регулируют рабочий ток через активный элемент (рис. 15).

Рис. 15. Принципиальная схема генератора шума с использованием стабилитрона.

Отметим, что для генерации шума можно использовать и резисторы, совмещенные с многокаскадными усилителями низкой частоты, сверхрегенеративные приемники и др. элементы.

Для получения максимальной амплитуды шумового напряжения необходим, как правило, индивидуальный подбор наиболее шумящего элемента.

Для того чтобы создать узкополосные генераторы шума, на выходе схемы генератора может быть включен LC- или RC-фильтр.

Литература: Шустов М.А. — Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Генераторы синусоидальных сигналов высокой частоты и СВЧ генераторы

В зависимости от требований к метрологическим характеристикам различают две группы ГВЧ: прецизионные и общего применения. Для ГВЧ первой группы характерно:

— погрешность установки и кратковременная нестабильность частоты 10.

— должны обеспечивать возможность модуляции сигналами различного вида, а также однополосную модуляцию и многочастотную структуру выходного сигнала.

При их создании используются методы диапазонно-кварцевой стабилизации и синтеза частот. Применяются при испытании устройств магистральной и радиотелефонной связи.

Основные характеристики ГВЧ общего применения.

— Погрешность установки частоты (0,01÷1,5)% при кратковременной нестабильности от 10-4
до 10-6

— Как правило, предусматривают следующие режимы работы:

1)      максимального сигнала.

2)      непрерывной генерации немодулированного сигнала

3)      внешней амплитудной (реже частотной) модуляции

4)      внутренней амплитудной модуляции.

В зависимости от величины стабильности выходной мощности принято различать генераторы сигналов (ГС) и генераторы стабильных сигналов (ГСС). Генераторы сигналов имеют входную мощность до 3 Вт и используются для питания передающих антенн и других мощных устройств.

ГСС – маломощные источники с низким уровнем выходного калиброванного напряжения (от 0,1 до 1,0) В. Применяются при испытании и настройке радиоаппаратуры, измерениях  чувствительности и избирательности приемников, частотных характеристик фильтров и т.п.

Рисунок 9.7. Обобщенная структурная схема генератора высокой частоты общего применения

На приведенной схеме обозначены:

— ЗГ — задающий генератор. Выполняется на базе генератора типа LC (трехточечная схема с емкостной положительной ОС). Частота формируемого сигнала . Переключение поддиапазонов частоты, как правило, производится за счет коммутации катушек индуктивности. Плавная перестройка “внутри”  поддиапазона осуществляется с помощью конденсаторов переменной емкости.

Коэффициент  перекрытия по частоте, в большинстве случаев, кп . К выходу ЗГ подключается основной и вспомогательный каналы преобразования.

— Вспомогательный канал содержит: дополнительный усилитель высокой частоты и электронно-счетный частотомер (ЭСЧ). Служит для формирования сигнала обеспечивающего возможность контроля значения и нестабильности частоты формируемого сигнала.

— Основной канал преобразования включает себя: модулятор (М), основной усилитель высокой частоты (УВЧ), систему автоматической регулировки уровня (АРУ), аттенюатор, внутренней генератор низкочастотных, как правило гармонических, сигналов.

— Модулятор представляет собой нелинейный электронный блок, коэффициент передачи которого, зависит от величины поданного управляющего напряжения.

— УВЧ — предназначен для усиления сформированного сигнала по напряжению и мощности, а также для “развязки” входа ЗГ от нагрузки, подключаемой к выходу прибора.

— Система АРУ включается в цепь ОС ГВЧ с целью стабилизации уровня напряжения на входе аттенюатора. Она содержит детектор (как правило среднеквадратических значений), источник опорного напряжения (ИОН) и дифференциальный усилитель.

С выхода дифференциального усилителя сигнал “рассогласования” подается на вход модулятора, коэффициент передачи которого устанавливается такой величины, чтобы разность напряжений на выходе детектора и ИОН оказалось равной нулю.

— Аттенюатор предназначен для внесения известного затухания (ослабления) в уровень выходного сигнала. Последовательно с входом АТТ как правило, включается сопротивление 50 Ом для согласования выхода УВЧ с нагрузкой в случае если аттенюатор установлен в положение “0”дБ.

— Внутренний генератор низкой частоты предназначен для обеспечения амплитудной модуляции выходного сигнала гармоническим сигналом частотой 1000 Гц (реже 400 Гц) в режиме внутренней амплитудной регуляции.

В современных измерительных комплексах ГВЧ используются в качестве источника калиброванного сигнала. В этом случае в ЗГ перестройка по частоте производится не механической коммутацией индуктивностей LC контуров, а за счет деления частоты. Это позволяет увеличить стабильность частоты формируемого сигнала, а также производить без инерционное переключение поддиапазонов.

Рисунок 9.8. Структурная схема задающего генератора с формированием поддиапазонов

за счет деления частоты

На схеме обозначены:

ЗГ – задающий генератор типа LC.

ПФ – полосовой фильтр

Генераторы СВЧ предназначены для работы в диапазоне частот(0,340) ГГц. Они применяются для настройки радиоприемных устройств,  радиолокационных и радионавигационных станций, систем космической связи и спутникового вещания, измерения параметров антенн, ретрансляторов, радиорелейных линий и т.п. в схему генераторов входит задающий генератор, модулятор, измеритель мощности, частотомер и аттенюатор. В зависимости от диапазона частот в качестве активного элемента схемы задающего генератора используют СВЧ – транзисторы, отражательные клистроны с внешним или внутренним объемным резонатором (810) ГГц. В более коротковолновой части спектра находят применение диоды имеющие участок вольт-апмерной характеристики  с отрицательным сопротивлением (туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна). Кратковременная нестабильность частоты 10 при использовании коаксиальных или объемных резонаторов из латуни. Для сферических ферритовых объемных резонаторов из ферромагнитного кристалла железоиттриевого граната (ЖИГ-резонатор), кратковременная нестабильность частоты 10.

За счет изменения напряженности внешнего магнитного поля ЖИГ-резонаторы можно перестраивать по частоте (кп2) , а также осуществлять ЧМ – модуляцию.

Генераторы СВЧ должны обеспечивать работу с различными видами модуляции и отвечать повышенным требованиям по экранированию СВЧ излучения.

oscillator — Генератор высокочастотных прямоугольных импульсов

Я собрал три простых генератора импульсов с питанием 5 В, который выдает импульс длительностью 30-40 нс с активным высоким уровнем каждые 1 мс или около того.

Нажмите, чтобы открыть PDF-версию.

Я использую его в качестве рефлектометра для моего цифрового осциллографа. Это работает довольно хорошо. Я предполагаю, что логика 74AC/ACT может подойти для ваших целей. Или вы можете попробовать 74ABT, это еще быстрее, но IME достигает только около 4 В, когда в лог.1.

Это 50 нс на деление, с 74AC04 в качестве драйвера линии:

На самом деле у меня есть веб-страница, показывающая раннюю версию этой игрушки. К настоящему времени у меня есть правильная печатная плата, и я уже знаю, что я должен был оставить отверстие в медной заливке GND под массивом терминатора (его паразитная емкость по отношению к GND действует как низкий импеданс на самых высоких частотах, что ухудшает согласование импедансов к линии передачи).

По поводу пульсаций: учитывая, что я использую это как простой рефлектометр, меня это мало волнует. Да, мне интересно, откуда эта рябь. Это может быть переключатель (FET) на выходе затвора, который немного зашкаливает — по уродливым подробным причинам, по которым иногда можно наблюдать, что FET делает это 🙂 Это может быть выход, взаимодействующий с комплексным сопротивлением нагрузки.

И блокировка питания. Или пульсация может возникать из-за того, что я использую несколько затворов, соединенных параллельно для более высокой пропускной способности (при тестировании линий до номинального сопротивления 50 Ом) = каждый затвор «срабатывает» в несколько разный момент.

Примерно так выглядит моя плата:

Размеры примерно 30 х 55 мм. Нажмите здесь, если вас интересует полный проект KiCad.

Что касается блокировки питания, то у меня 22n параллельно с 1n, максимально близко ко входу Vcc каждой микросхемы (корпуса).

Также обратите внимание, что скриншот формы импульса сделан с помощью осциллографа. Пробники не задействованы, пробник вставляется прямо во входной разъем BNC прицела. т.е. в этом случае не виноваты кабели датчиков 🙂 в противном случае они были бы еще одним потенциальным источником «звона» (например, кабель датчика, действующий как четвертьволновая секция TML). На самом деле версия 1.0 на правильной печатной плате имеет немного более длинное соединение с прицелом (с использованием муфты BNC M-M) по сравнению с моим оригинальным прототипом накладки, где я прикрутил панельный штекер к накладке с помощью куска профилированного стального листа (не пережевывая его).

резинка и скотч, но почти).

У меня нет снимка экрана того времени, но я могу сказать вам, что схема на правильной печатной плате с быстрым 74ABT04 показывает еще более сильные пульсации. В качестве возможной частичной причины я подозреваю хороший большой заземляющий слой, занимающий большую часть стороны пайки двухслойной печатной платы. В частности, выходная секция с относительно широкими дорожками и набором резисторов (терминаторы, выбираемые перемычкой), вероятно, имеет нетривиальную емкость по отношению к GND, что немного замедляет фронты импульсов, но также делает выход

тяжелее для линии передачи, чем должно быть. Аналогичный эффект имеет «разветвление» сигнала в сторону прицела и в сторону измеряемой линии (шлейф в сторону прицела должен быть как можно короче). Я вижу эту избыточную емкость на трассах осциллографа, где отраженный импульс на дальнем конце повторно отражается от источника сигнала (генератора импульсов), где я получаю только короткие отражения, поскольку согласование импеданса не совсем правильное на высоких частотах. (Я добавлю пример трассировки, если получу его.)

Итак, мой общий совет, если вас беспокоит пульсация:

• сделайте разводку печатной платы как можно меньше. Все паразитные индуктивности и емкости сводятся к физическим размерам сигнальных путей. Большие размеры заставляют любые паразитные собственные резонансные частоты смещаться вниз, где кремний также имеет большее усиление, что приводит к большему потенциалу сбоев и звона.
• обратите внимание на блокировку питания для микросхем
• обратите внимание на соответствие импеданса от источника сигнала к приемнику сигнала, а также то, как ваш вход осциллографа подключен = подключен/подключен к тестируемой схеме). Моя схема довольно универсальна = содержит слишком много деталей и лишних дорожек конкретно в пути выходного сигнала, которые почти никогда не используются, просто добавляются паразитные емкости. Вы, вероятно, можете пропустить часть раздувания, сократив схему до минимума, необходимого для вашего «приложения».
• помните об ограничениях вашего осциллографа и пробников.
• , если вам нужно использовать разъемы, рассмотрите возможность использования чего-то меньшего: SMA, MCX, MMCX, U.FL или что-то подобное. Эти BNC — огромные звери.

Генератор высоковольтных высокочастотных субнаносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с ступенчатым восстановлением из арсенида галлия

Генератор высоковольтных высокочастотных субнаносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с ступенчатым восстановлением

Скачать PDF

Скачать PDF

• ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА ИНЖИНИРИНГ
• Открытый доступ
• Опубликовано: 14 сентября 2021 г.

• Рожков А.В. ¹  

Приборы и экспериментальные методы том 64 , страницы 680–682 (2021)Цитировать эту статью

• 1157 доступов

• 1 Цитаты

• Сведения о показателях

Abstract

Показана перспективность использования высоковольтных GaAs дрейфовых диодов с ступенчатым восстановлением для формирования субнаносекундных импульсов. Описана электрическая схема генератора, обеспечивающего (при суммарном КПД не менее 25 %) формирование импульсов на нагрузке 50 Ом амплитудой до 550 В, временем нарастания напряжения 0,43 нс, полная ширина на полувысоте 0,73 нс и частота повторения до 200 кГц.

ВВЕДЕНИЕ

Кремниевые дрейфовые ступенчатые восстанавливающие диоды (DSRD) используются для генерации наносекундных высоковольтных импульсов в широком диапазоне коммутируемой мощности. Наносекундное восстановление блокирующей способности полупроводниковой структуры ДДРД обеспечивается как конструктивными особенностями самой структуры, так и параметрами режима модуляции [1]. В разработанных высоковольтных генераторах на основе сборки из нескольких последовательно соединенных Si ДДРД при амплитуде импульса более 2 кВ время нарастания напряжения составляет не менее 1,5 нс, а длительность импульса на полувысоте (полуширина на половине -максимум) достигает 2–3 нс [2, 3]. Генераторы высоковольтных импульсов с амплитудой ~500 В, временем нарастания напряжения 0,5–0,7 нс и шириной по полуширине = (1,5–1,7) нс изготавливаются на основе эпитаксиальных Si ДДРВ [4, 5].

Результаты первых экспериментальных исследований ДДРД на основе GaAs [6] показали ряд принципиальных и конструктивных преимуществ структур, изготовленных на основе полупроводниковых материалов, имеющих большую ширину запрещенной зоны по сравнению с Si и более высокую подвижность носители заряда. Цель настоящей работы состояла в экспериментальном подтверждении перспектив использования GaAs ДДРД для генерации субнаносекундных высоковольтных импульсов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Наши исследования проводились с использованием GaAs- p ⁺ – p–i–n–n ⁺ структуры, изготовленные методом жидкофазной эпитаксии из ограниченного объема раствора – расплава арсенида галлия в галлии. Диодные структуры имели профиль распределения концентрации примеси в областях p -, i — и n , характерный для ДДРВ. Градиент концентрации в базовых областях достигал двух порядков при концентрации остаточной примеси не более 5 · 10 ¹⁴ см ^–3 в области и и концентрации акцепторной и донорной примесей на уровне ~2 × 10 ¹⁶ см ^–3 на границе раздела p–p ⁺ и ~5 × 10 ¹⁵ см ^–3 на границе области n–n ⁺ . Толщины W участков p -, i — и n диодных структур изменялись в зависимости от технологических режимов и находились в следующих пределах: Вт _р = (20–30) мкм, Вт _i + Вт _n = (30–40) мкм. Площадь диода составляла ~0,8 мм ² и ограничивалась диаметром мезаструктур, изготовленных химическим травлением. Времена жизни неравновесных носителей заряда в базе n (τ _p ), измеренные методом Лакса, не превышали 100 нс. Максимальное напряжение запирающего диода U _b ~ 500 В было сравнимо с U _b ДДРД на основе Si с удельным сопротивлением 5 Ом·см [2]. Емкость GaAs ДДРВ составляла 7–4 пФ для обратных напряжений в диапазоне 200–500 В. тепловыделение на одном активном элементе цепи. На рис. 1 представлена ​​схема двухтактного генератора, в котором длительность и амплитуда прямого ( J _f ) и обратного ( J _r ) импульсов тока формировались с помощью двух встречно-параллельных L – C схемы. Для формирования сигналов управления I ₁ , I ₂ использовались логические микросхемы TTL и драйверы IXDD404SIA .

Рис. 1.

Принципиальная схема двухтактного генератора высоковольтных субнаносекундных импульсов с двумя встречно-параллельными контурами L–C : ( FТ ₁ – FТ ₄ ) Транзисторы полевые IRLML0040.

Изображение полного размера

Схема работает следующим образом. При подаче управляющего импульса I ₁ на затвор полевых транзисторов ФЭТ ₁ и ФЭТ ₃ в течение первого полупериода колебаний симметричного L 90 072 ₁ – C ₁ и L ₃ – C ₃ цепи, ток накачки Дж _f = 2 Дж _max1 проходит через ДДРД. В момент изменения направления тока при подаче управляющего импульса I ₂ на затворы ПТ ₂ и ПТ ₄ ПТ L 900 72 ₂ – С ₂ и L ₄ – C ₄ цепи обратного тока Дж _r = 2 Дж _max2 включены. Токи Дж _max1 и Дж _max2 ограничены волновым сопротивлением цепей: ρ ₁ = ( L ₁ / 9010 3 C ₁ ) ^1/2 = ( L ₃ / C ₃ ) ^1/2 , ρ ₂ = ( L ₂ / C ₂ ) ^1/2 = ( L ₄ / C ₄ ) ^{1/2 9 0067, сопротивление базовой области DSRD и сопротивление ПТ ₁ – ПТ ₄ транзисторы. Минимальное время нарастания прямого и обратного токов составляло t * = 7 нс, что ограничивалось временем работы полевых транзисторов.}

В настоящей работе определены условия быстрого восстановления блокирующей способности ДДРД, когда при выбранных скорости и продолжительности накопления и рассеяния неравновесных носителей заряда в соответствии с [1, 6] достигается необходимое синхронность момента истощения заряда плазмы в базе диода и момента образования 9Наблюдалась область пространственного заряда 0103 p–n перехода. Осциллограф DS06102A (Agilent Technologies) обеспечивал регистрацию переходных характеристик с временным разрешением ~200 пс. В измерительном тракте использовались два аттенюатора на 20 дБ. Для сохранения и дальнейшей обработки числовых данных использовались текстовые файлы формата CSV.

На рис. 2 представлена ​​осциллограмма процесса переключения диода до момента резкого увеличения напряжения. В режиме формирования субнаносекундных импульсов длительность прямого тока составляла t _f ≤ 20 нс. При напряжении U = 40 В максимальное значение накопленного заряда в базе диода достигало 120 нКл. При указанных длительностях прямого тока диффузионная модуляция слаболегированной базы диода отсутствовала.

Рис. 2.

Осциллограмма напряжения при переключении ДДРД на основе GaAs до момента его резкого восстановления. Напряжение питания U = 30 В.

Изображение в натуральную величину

Толщина плазменно-диффузионного слоя L _D = ( Dt _f ) ^1/2 при значениях коэффициента диффузии D = 20 см ² /с, характерных для GaAs, не превышало 6 мкм. Остаточное сопротивление составляло ~1 Ом. Время задержки управляющего сигнала I ₂ относительно I ₁ было выбрано таким образом, чтобы обратный ток прерывался на максимуме его амплитуды Дж _r . В результате прерывания тока в ДДРВ энергия, запасенная в L ₂ и L ₄ индуктивностях цепей обратного тока, была передана за время ~ L ₂ /(2ρ) на согласованную линию передачи с волновым сопротивлением ρ = R и далее на нагрузку R = 50 Ом. При этом амплитуда импульсов на нагрузке достигала U _м = 2 J _max2 р.

Осциллограмма выходного импульса генератора (см. рис. 3) показывает, что достигнутые время нарастания t _r и время спада t _f имеют рекордно низкие значения для дрейфовых диодов: t 901 51 р = 0,43 нс и t _f = 0,53 нс для длительности на полувысоте 0,72 нс. Разброс времени задержки формирования выходного импульса относительно момента начала импульса управления I ₂ не превышала значения, заданного стабильностью синхронизации измерительной схемы (~30 пс). Используемая электрическая схема генератора и динамические характеристики полевых транзисторов обеспечивали генерацию высоковольтных субнаносекундных импульсов с частотой до 200 кГц (период следования импульсов T = 5 мкс). При этом амплитуда генерируемого на нагрузке напряжения в 14 раз превышала напряжение питания схемы генератора.

Рис. 3.

Осциллограмма напряжения на нагрузке R = 50 Ом. Напряжение питания U = 39 В.

Увеличить

При отсутствии радиаторов и воздушной вентиляции активных элементов схемы общий объем, занимаемый элементами схемы двухтактного генератора с двумя встречно- параллельные цепи L – C были ограничены размерами 30 × 30 × 50 мм. Оценки показывают, что основное тепловыделение происходило на стадии нарастания и спада напряжения на активных элементах цепи. При сопоставимости полных динамических потерь на FET ₁ – FET ₄ транзисторы и один ДДРД на GaAs, рабочая частота генератора ограничивалась возможностями транзисторных ключей и величиной рассеиваемой мощности в диодной структуре, в плотность тока достигала 1,5 кА/см ² .

В табл. 1 представлены основные импульсные параметры генератора в зависимости от рабочей частоты для анализа уровня достигнутых частотно-импульсных характеристик и оценки эффективности модуляции на более высоких частотах. Значения напряжения U , средний ток i _sup источника питания и общий КПД η генератора.

Таблица 1. Основные импульсные параметры генератора в зависимости от рабочей частоты

Полная таблица

ВЫВОДЫ

Проведена оценка эффективности использования ДДРД на основе GaAs для генерации субнаносекундных высоковольтных импульсов на частотах в несколько сотен килогерц. показано экспериментально. Установлено, что КПД генератора во всем диапазоне частот составляет не менее 25 %. По ряду параметров подтверждено преимущество структур GaAs с большей шириной запрещенной зоны и большей подвижностью носителей заряда по сравнению со структурами Si. Плотность тока GaAs DSRD более чем в 10 раз превышает оптимальную плотность тока Si DSRD. Время нарастания напряжения и длительность импульса на полувысоте для GaAs ДДРВ значительно меньше, чем значения соответствующих параметров для Si ДДРВ. Последнее дает определенные преимущества при использовании GaAs ДДРД в модуляторах коротких импульсов в системах сверхширокополосной электроники, поскольку уменьшение длительности строб-импульсов приводит к повышению общей помехозащищенности. Существующий интерес к разработке подобных устройств определяет необходимость дальнейших исследований, направленных на увеличение амплитуды выходных импульсов в генераторах на основе сборок из нескольких последовательно соединенных GaAs ДДРВ.

История изменений

• 23 ноября 2021 г.

  Опубликована опечатка к данному документу: https://doi.org/10.1134/S0020441221060208

90 094 ЛИТЕРАТУРА

1. Грехов И.В. и Месяц Г.А., Усп. Физ. наук, , 2005, т. 1, с. 175, нет. 7, с. 735.

   Артикул Google Scholar

2. Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов А.К., Коротков С.В., Степанянц А.Л., Инструм. Эксп. тех., 2007, т. 1, с. 50, нет. 3, с. 353. https://doi.org/10.1134/S0020441207030098

   Статья Google Scholar

3. Меренский Л.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шмилович Д., Кесар А.С., IEEE Trans. Науки о плазме, 2013, том. 41, нет. 11, с. 3138. https://doi.org/10.1049/el.2013.2129

   Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

4. Меренский Л. М., Кесар А.С., Кардо-Сысоев А.Ф., Proc. Международный IEEE. Конференция по микроволнам, связи, антеннам и электронным системам (COMCAS 2013), Тель-Авив, 21–23 октября 2013 г. 978-1-4673-5756-2/13.

5. Кесар А.С., Шарабани Ю., Шафир И., Зоран Ш. и Шер А., IEEE Trans. Науки о плазме, 2016, том. 44, нет. 10, с. 2424. https://doi.org/10.1109/TPS.2016.2605744

   Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

6. Рожков А.В. и Козлов В.А. Semiconductors, 2003, vol. 37, нет. 12, с. 1425.

   Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar

Скачать ссылки

Информация об авторах

Авторы и организации

1. Физико-технический институт им. Иоффе РАН, 194021, Санкт-Петербург, Россия

   A В. Рожков

Авторы

1. Рожков А.В.

   Просмотр публикаций автора

   Искать этого автора можно также в PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за переписку

А. В. Рожков.

Дополнительная информация

Перевод А. Сеферова

Первоначальная онлайн-версия этой статьи была изменена в связи с ретроспективным распоряжением об открытом доступе.

Права и разрешения

Открытый доступ. Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и указать, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя.