СВЧ транзисторы и их применения

РЕФЕРАТ

Отчет по преддипломной практики содержит 18 стр., 10  рис., 6 источника.

Основной задачей преддипломной практики является изучение работы и программное моделирование транзисторного СВЧ автогенератора управляемого напряжением трехсантиметрового диапазона длин волн. Разработка модели транзисторного СВЧ автогенератора и симуляция в программной среде ADS (AdvancedDesignSystem). Первым этапом изучения является изучение и выбор необходимого списка литературы, сравнение и выбор СВЧ транзистора. Получение практических и теоретических навыков работы программной среды ADS. Проверка работоспособности выбранного транзистора, построение необходимых характеристик.    

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Кафедра радиоэлектроники и защиты информации (РЗИ)

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой РЗИ

_____А.С. Задорин

«___»_______2015 г.

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу студенту гр. 141 – 1
радиотехнического факультета
Гайворонскому Кириллу Анатольевичу

1. Тема проекта: Транзисторный СВЧ автогенератор управляемый напряжением трехсантиметрового диапазона длин волн (утверждена приказом ректора по университету от ____2015г. № ____)

2. Срок сдачи законченного проекта: 12 января 2016 г.

3. Назначение, область применения изделия.

Генератор предназначен для использования в качестве гетеродина приемного устройства радиолокационной станции.

Требования к составным частям изделия

3.1. Общие требования. Транзисторный СВЧ генератор содержит: транзистор, цепи согласования по входу и выходу, цепь обратной связи, резонатор.

3.2. Подлежат разработке: цепи согласования по входу и выходу, цепь обратной связи, микрополосовой резонатор.

4. Исходные данные для проектирования:

4.1. Белов Л.А. Устройство формирования СВЧ-сигналов и их компонентов. – Москва: ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ МЭИ, 2010.

4.2. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевыхтранзисторых. – Москва: РАДИО и СВЯЗЬ,1987 .

4.3. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые передатчики. – Москва: РАДИО и СВЯЗЬ, 1981.

4.4. Вольман В.И. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств: Учебное пособие. – Москва: РАДИО и СВЯЗЬ, 1982.

4.5. Энрико Р. Фазовые шумы и стабильность частоты в генераторах. – Издательство Кембриджского Университета 2009.

5. Стадия разработки по ЕСКД: Эскизный проект (ГОСТ 2.119-73).

6. Технические требования

6.1. Диапазон перестройки частот 10-12 ГГц,

6.2. Уровень выходной мощности, 30 мВт

6.3. Уровень фазовых шумов при отстройке 100 кГц, дБ (определить)

6.4. Неравномерность уровня выходной мощности: не более 3дБ

6.5. Стабильность частоты (определить)

6.6. Согласование по выходу, КСВН: не более 1,5

7. Подлежит разработке в проекте следующая документация

7.1. Чертежи

Генератор, схема электрическая принципиальная................................ 1 лист

Генератор, топология интегральной схемы........................................... 1 лист

Генератор, схема электрическая функциональная................................ 1 лист

Генератор, схема электрическая структурная....................................... 1 лист

Генератор, сборочный чертеж............................................................... 1 лист

Пояснительная записка

Пояснительная записка к дипломному проекту должна быть оформлена в соответствии с ОС ТУСУР 01-2013, и должна содержать:схему электрическую структурную транзисторного СВЧ генератора, схему электрическую принципиальную генератора, топологию ИС генератора, схему электрическую функциональную генератора, сборочный чертеж генератора.

8. Задание принято к исполнению.

           Студент гр. 141 – 1

    ______Гайворонский К.А

     «___»___________ 2015 г

                                                                             Руководитель ВКР:

                                                                      ________Трубачев А.А.

                                                                          «___»________ 2015 г.

   Содержание

Введение…………………………………………………………………………..7

1. СВЧ транзисторы и их применения……………………………………………..9

1.1. Описание программной среды ADS…………………………………………10

1.2.Главное окно………………………………………………………………11

1.3. Выбор типа проекта………………………………………………………12

1.4.  Окно проекта………………………………………………………………13

1.5. Работа в окне проекта……………………………………………………...13

1.6.  Окно схемного редактора………………………………………………....14

1.7. Окно моделирования и статуса…………………………………………..15

1.8.  Окно отображения результатов моделирования………………………...16

2. Выбор и описание транзистора…………………………………………………17

3. Симуляция работы СВЧ транзистора (MWT 7) в программной среде ADS...17

Заключение………………………………………………………………………….19

Список используемой литературы………………………………………………...20

Приложение А………………………………………………………………………21

Введение

Генераторы, как на биполярном, так и на полевом транзисторах нашли широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре. Они могут входить в состав, как интегральных схем, так и гибридных устройств (или модулей), в которых транзисторы являются самостоятельными элементами. В связи с разработкой в настоящее время транзисторов достаточно высокого уровня мощности, транзисторные генераторы используются не только в качестве задающих каскадов гибридных устройств, но и создаются устройства, выполненные на базе отдельного мощного прибора.

Создание транзисторных генераторов в настоящее время проводится по следующим основным направлениям:

- обеспечение большого уровня мощности с высокими энергетическими параметрами (на фиксированной частоте);

- обеспечение перестройки генерируемой частоты;

- обеспечение заданной структуры спектра выходного сигнала.

Схемотехническое проектирование транзисторных генераторов, как и других устройств радиоэлектроники, проводится на этапах разработки, предшествующих конструктивно-технологической реализации экспериментальных образцов. Оно предполагает, как правило, решение двух задач:

- определение условий сопряжения в выбранную схему построения отдельных, ранее созданных элементов, при котором должны достигаться заданные параметры генератора;

- определение значений параметров элементов генератора, которые должны вновь создаваться, если ранее разработанные элементы не соответствуют необходимым требованиям.

Разработка устройств высокого уровня мощности на полупроводниковых приборах обычно ведется с использованием ранее созданной элементной базы, в том числе и транзисторов.

В таком случае основными задачами схемотехнического проектирования СВЧ транзисторных генераторов являются определение электрического режима выбранного типа транзистора, обеспечивающего задаваемые выходные характеристики генератора, и оценка возможности работы прибора в этом режиме, а также определение геометрических параметров отрезков микрополосковых линий цепей электродинамической системы, т.е. ее топологии. Отдельным вопросом при создании СВЧ генераторов, особенно обеспечивающих высокую стабильность или перестройку частоты, является проектирование резонаторной системы. Исходные требования для этого проектирования вырабатываются в результате схемотехнического проектирования генератора.

СВЧ транзисторы и их применения

В основе работы микроволновых полупроводниковых биполярных (БТ) и полевых (ПТ) транзисторов лежат те же физические процессы, которые определяют их действие на низких (НЧ) и высоких частотах (ВЧ). Однако ряд факторов ограничивает использование НЧ- и ВЧ- транзисторов на сверхвысоких частотах (СВЧ) и требует решения ряда конструкторских и технологических задач.

Следует отметить, что частотный диапазон БТ ограничивается временем переноса носителей заряда через пространство активного взаимодействия. Это время для БТ оценивается суммарным временем задержек, характеризующих последовательные стадии пролёта носителей заряда от эмиттера к коллектору: tэк = 0,5/pfт = tэ +tк + tс, где tэ,

tк времена, определяющие заряд эмиттерных и коллекторных ёмкостей; tс время задержки в коллекторном р n-переходе; fт – граничная частота.

Можно показать, что tэ = RэСэ + t¢э, где Rэ = (¶Iэ/¶Uэ)1 сопротивление эмиттера; Сэ ёмкость эмиттера; t¢э = d2э(2D0b0)1 время рассасывания неосновных носителей в эмиттерном слое; dэ глубина залегания эмиттерного перехода; D0 коэффициент диффузии неосновных носителей заряда в эмиттере; b0 – коэффициент усиления по току.

Время задержки сигнала в базовом слое в случае однородного легирования базы, в которой скорость диффузионного пролёта Vдиф= =(D/n)(dn/dx) »2Dв/dв, где dв толщина базы в направлении тока базы, равно tв = d2б(2Dв)1, где Dв коэффициент диффузии неосновных носителей в базе.

При неоднородном легировании базы в ней может образоваться внутреннее поле Евнутр, приводящее к значительному ускорению пролёта базы электронами, и если Евнутр = const, то

tв = d2в{2Dв[1 + (Евнутр/Е0)3/2]}1, (1.1)

где tв – время задержки в базовом р n-переходе; Е0 = 2D/mdв.

Время задержки в обеднённом слое коллекторного р n-перехода благодаря сильному полю в нём определяется дрейфом носителей заряда с предельной скоростью Vнас и принимается равным половине времени пролёта:

tc = Lк/2Vнас. (1.2)

Время заряда обеднённой ёмкости коллектора tк = RкСк, где Rк – последовательно включённое сопротивление коллектора. Полным временем задержки  определяется граничная частота fт :

fт = 1/2ptэв , (1.3)

которая для БТ соответствует частоте, при которой коэффициент усиления по току в режиме короткого замыкания (КЗ) выхода схемы с ОЭ b = =(¶Iк/¶IБ) равен единице. Условие b = 1 соответствует уменьшению коэффициента усиления по току a в схеме с общей базой (ОБ) в два раза [так как b=a¤(1a)].

Можно оценить конструкторско-технологические решения, которые позволяют создавать БТ, работающие в СВЧ-диапазоне.

Исходным материалом для планарного БТ служит пленка высокоомного кремния n-типа, создаваемая эпитаксиальным наращиванием его на Si-подложку, где формируется вывод коллекторного контакта. Методом ступенчатой фотолитографии в изолирующей пленке создают окна, через которые в несколько стадий вводят легирующие примеси и формируют область базы с проводимостью р-типа, низкоомную приконтактную область базы р+, а в дальнейшем – эмиттерную область с проводимостью n+-типа. Металлическая пленка эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К) обеспечивает подачу управляющих и питающих напряжений.

На границе эмиттер-база создается обеднённый подвижными носителями заряда эмиттерный р n-переход, а на границе база-коллектор – коллекторный.

Кроме того, для СВЧ-транзисторов принимают меры по уменьшению времени переноса заряда через базу, для чего уменьшают её длину lб. Современная технология позволяет реализовать lб до десятых долей микрона. Наличие сверхтонкой базы является одной из особенностей БТ.

Однако при уменьшении толщины базы снижается пробивное напряжение коллектора и уменьшается выходная мощность.

Следовательно, для СВЧ-транзисторов значение выходной мощности единичного транзистора снижается (компенсация достигается объединением в одном корпусе нескольких структур).