Усилитель радиосигналов
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. саид-ву
Саюэ Советских
Социалистических
Республик
«»401275 (51)М. Кл.
Н 01 Ь 19/00
Н 03 Г 3/04 (22) Заявлено 21.12.71.(21) 1725307/26-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет—
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий
Опубликовано 0506.79 Бюллетень М21
Дата опубликования описания 050679 (53) УДК 621 382
° 3 (088.8) (72) -Автор изобретения
Ю. В. Гуляев
Ордена Трудового Красного Знамени институт радистехники и электроники АН СССР (71) Заявитель (54) УСИЛИТЕЛЬ РАДИОСИГНАЛОВ
Изобретение относится к устройствам для усиления радиосигналов и может быть использовано в СВЧ-электронике и радиотехнике. известны твердотельные усилители 5 радиосигналов — транзисторы и электронно-акустические усилители (ЭАУ}.
В биполярном транзисторе эффект усиления достигается эа счет того, что напряжение во входной (эмиттерной) цепи, инжектируя неосновные носители заряда в область коллектора, меняет сопротивление выходной (коллекторной) цепи и тем самым влияет на протекание тока в ней. В униполярном (полевом} транзисторе влияние входного напряжения на выходную цепь осуществляется с помощью .эффекта поля. Важным достоинством транзистора является низкое напря 20 жение питания и возможность работы в непрерывном режиме.
Однако такие транзисторы характеризуются относительно малым коэффициентом усиления и трудностью прод25 вижения в области высоких частот, так как, например, в биполярном транзисторе инерционность самого эффекта определяется временами жизни неосновных носителей заряда (10 — 10 9c) 0
В электронно-акустическом усилителе входной радиосиГнал сначала преобразуется в звук с помощью электромеханического преобразователя (ЭМП), затем усиливается сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов обычно в пьезополупроводнике или в слоистой структуре пьезодиэлектрик-полупроводник, а на выходе вновь с помощью
ЭИП преобразуется в.радиоcèãíàë. Достоинством этого усилителя является большой коэффициент усиления. Однако в усилителе имеются значительные потери на двойное преобразование сигнала в звуке и обратно (в лучшем случае 6-10 дВ). и повышенный уровень шума, связанный с усилением звуковых флуктуаций. Кроме того, необходимс использовать высокие напряжения для придания электронам сверхзвуковой скорости на большой длине пути порядка 1 см, с чем связана трудность получения непрерывного режима усиления.
Цель изобретения — повышение коэффициента усиления при одновременном уменьшении напряжения питания.
Это достигается тем, что усилитель выполняют на основе пьезоэлектрического полупроводника или слоис01275 туры пьезодиэлектрик — полупроводник) составляет (o) - 4
P>s=Ðü <О ° (1>
Если поглощение звука на пути от
ЭМП до контактов 3 и 4 составляет
5 АдБ {при наличии усиления звука в рабочем элементе d <О), то мощность звукового потока под контактами 3 и
4 следующая: +С !
О P Р /О
Входной радиосигнал, как и в ЭАу, преобразуется в звук с помощью ЭПИ и вводится в пьезополупроводник или в слоистую структуру пьезоэлектрик полупроводник.
Как известно, в проводящей среде звук создает сгустки концентрации электронов (волну объемного заряда), бегущие вместе с ним. Эти сгустки пробегают через цепь коллектора и модулируют сопротивление этой цепи с частотой сигнала, что позволяет получить при соответствующих условиях усиление сигнала.
Таким образом, предлагаемый усилитель соединяет в себе элементы
ЭАУ и транзистора: входной радиосигнал, преобразуясь сначала в звук, как в ЭАУ, и создавая сгустки объемного заряда, меняет затем с помощью этих сгустков сопротивление цепи коллектора, как в транзисторе.
На фиг. 1 показана принципиальная схема предложенного усилителя; на фиг. 2 — прибор, выполненный íà основе пленки; на фиг. 3 — прибор, выполненный на.снове слоистых структур.
Схема содержит электромеханичес-, кий преобразователь 1, бегущие сгуст- 5 ки 2 концентрации электронов, неинжектирующие контакты 3 и 4, батарею 5 коллекторной цепи и сопротивление б нагрузки цепи коллектора.
Звук, в который преобразовался 40 входной радиосигнал, как бы инжектирует сгустки -концентрации электронов в пространство между контактами 3 и
4 цепи коллектора, меняя тем самым сопРотивление этого участка цепи. 45
При наличии батареи это вызывает в сопротивлении нагрузки переменный ток с частотой сигнала. Путем выбора параметров цепей коллектора и эмиттера получают усиление мощности вход- 5О ного радиосигнала. Для уничтожения отраженных звуковых сигналов в режиме бегущей волны можно использовать заглушку. Однако прибор может работать и с использованием стоячей звуковой волны.
Если на входной электромеханический преобразователь. подается переменный электрический сигнал с частотой со и мощностью Р, а потери на преобразование сигнала в звук в
ЭМП составляют дБ, то полная мощность звукового потока на входе рабочего элемента (пьезополупроводникового кристалла или слоистой струкбО
2 Рбк — see ьл= о
65 е. (5) той структуры пьезодиэлектрик-полупроводник, причем батарею питания и нагрузку присоединяют к пластине с помощью двух неинжектирующих контактов, например, в виде гребенок, расПоложенных на противоположных плоскостях пластины.
Мощность звукового потока связана с амплитудой механического смещения
У соотношением .r.
РФ8= 5 (10,) (3) где S - площадь поперечного сечения звукового пото«ау
С вЂ” модуль упругости кристалла;
V и g- скорость и волновое. число звука (Ю = ф Vj„
Для простоты считаем задачу одномерной, имея в виду, что для объемных волн выбором ориентации кристалла этого обычно можно добиться (в случае поверхностных звуковых волн вместо S и С фигурируют некие эффективные величины, определяемые конфигурацией задачи).
Амплитуда механического смещения
Ue однозначно связана с амплитудой переменной концентрации электронов в поле звуковой волны (41
8 ф (о ьп= е (4) в
Здесь JS — (эффективный) пьезомодуль кристалла (или слоистой структуры); заряд электрона; л- максвелловское .и r, =
9yf60 97fe8и, время релаксации и дебаевский радиус;
P = е1 р; Е, и Т вЂ” электропроводность, диэлектрическая проницаемость и температура .(в энергетических единицах) кристала;
„щипр — подвижность и равновесная концентрация электронов (в случае слоистой структуры эти данные относятся к проводящему слою);
Ч )
Vd где VJ — скорость дрейфа электронов в направлении распространения звука.
Комбинируя формулы (2) и (4), получаем следующую связь ï и Pg
В=й.+ли, (6) З 6юх
30 (18) Cg gyo xt) 2160
К о
9У
) + 1
S Ув н (1 3) 65
4012
Сопротивление рабочего элемента между контактами 3 и 4 составляет где Re — сопротивление в случае отсутствия звука; R — амплитуда переменной добавки,; вызванной наличием сгустков концентрации электронов.
Если продольный размер контактов (или, по крайней мере, одного из них) порядка или меньше половины длины волны звука 3g g то
= — )((7) д по о где численный множитель X поРядка )5 единицы и определяется конкретной геометрией контактов. Кроме того, всегда можно написать и = — — ° о жабо 90 где И, — положительный фактор размерности длины, также определяемый геометрией контактов.
Если lhRI«R<,òî амплитуды переменной составляющей тока через на- 25 грузочное сопротивление и переменного напряжения на нем м
Ц6„„(„ д ) LR
6я н где М н и Я вЂ” внутреннее сопротивление и ЭДС коллекторной батареи.
Комбинируя формулы (7) — (9) для выходной мощности;переменного тока, выделяющейся на сопротивлений В „ . (т. е. для мощности, которая выхо- 40 дит в выходной тракт с входным сопротивлением Я„ ), =3 бых Змл 6 к имеем р = (цеухС) ", ° I c,nl 45 вых 6н м о,(10)
Подставляя сюда из формулы (5) лп для|коэффициента усиления по мощносР ти . К„=Р получаем 50 вх
Уа МХЕ 0 R. Я„
"Р,Т,.;, >, ) ()r) . 55 или, вводя константу электромеханической связи
1= (12) о ш т„"О ф, ) (,„В ° В) Коэффициент усиления ЗИТ по мощности в децибелах соответственно
ГР = lOГ ИР, (14>
Формулы (13) и (14,) решают поставленную задачу в общем виде. Максимиэируя выражейие дляХрпо отношению к параметрам коллекторной цепи, легко увидеть,что последний множитель в формуле (13) достигает максимума при
Я„= - в ° г „(< P (15) и Равен 27 % 0,105 Яо . Под256 о ставляя это в формулу (13) и используя выражение (8) и выражение для фз, получаем Г+, К ) Я = 0,21 )Х 10
ro р макг и u) p +(f+a g ) к. - в. а ие е-
Sv т .:(16)
Й
Считая далее дрейфовое усиление звука отсутствующим (И V ), а также расстояние от ЭМП до контактов 3 и 4 достаточно коротким, так что затуханием звука Х можно пренебречь по сравнению с потерями на преобразование 1, максимизируем выражение (16) по частоте сигнала. Видно, что предпоследний множитель достигает своего максимума на той же частоте
Coopt, что и линейный коэффициент усиления звука (4) где ", 11 ут так называемая диффузионная частота (Di+ . — коэффициент дифТ фузии, электронов). Это соответствует волновому числу звука
1ор в (19)
На этой частоте и < 1 для Кр получаем окончательно
О Я!.Х .(0 а eE акс со о
Если имеет место еще и дрейфовое усиление звука, то так как а достигает максимального значения на той же частоте u„y, для максимального коэффициента усиления получаем
hill
О,РУ Х )0 а ЕС (21) (К )наксР "(i(uðt ((— ) I+ (S Чв где M-0- - ) «
v>
Из формул (20) и (21) видно, что усиление прибора тем больше, чем больше подвижность электронов )
ЭДС батареи.Е и величина (, которая по существу характеризует линейный размер контактов 3 и 4. Усиление растет с увеличением концентрации звуковой энергии (т. е. с уменьшением S ), а также с понижением температуры (до некоторого
401275 диэлектрика 1 3, полупроводниковую пленку или тонкую пластинку 14.
В случае LiNbOJ,+ Si при Т 300 К, Ô а 1200 смг/ В с, )1, = 5 10 см
0 37 = 10 См см о (=
=260 МГц, Ь = 6,7 мкм, Д -3 мкм, d.
=5 мкм, j. = 0,5 см, k =- 10 Е = 30 В, H„ = 100 Ом, р- = 5 дБ.
К э = 1680, Гр 32 дБ.
Полный ток н коллекторной цепи 79 мА, сплотность тока под штрихом гребенки а
25 A/ñì, выделяемая джоулева мощность во всем элементе 1,8 Вт, что вполне возможно в непрерынном режиме.
В случае LiNbO> tGe при Т = 77 К, 5 ° 10 см" /В с, П = 10 см б,= 8 ° 10 См /cM < g = 0,37, ор =
72 МГц, Д, = 25 мкм, Д = 10 мкм, с(= 5 мкм, А. = 0,5 см, Лб = 10, Я,= 3 В,йя — 0,4,кОм, Ptd. = 5 дБ получаем Кр = 364, Гр — 25,6дБ.
Полный ток в цепй коллектора 18 мА р плотность тока под штрихом гребенки
17, 2 А/см, выделяемая;джоулена г мощность 4 мВт, что возможно в непрерывном режиме.
В случае использования CdS npu комнатной температуре — 24 мГц, Я = 300 В, 2j7
62, Гр," 10 (gory = 18 дБ.
Таким образом, предложенный прибор может быть использован для эффективного усиления радиосигналов в диапазоне СВЧ.
В другом назначении коллекторная часть прибора может быть использована как активный приемник звука, частично или полностью компенсирующий потери линии задержки (которой фактически являетдя входная часть прибора), Таким образом, прибор по существу представляет собой активную линию задержки, в которой потери не только могут быть уменьшены, но может быть получено и усиление задерживаемого сигнала.
Если в активном элементе прибора имеется усиление звука сверхзвуковым дрейфовым потоком электронов, то усиление прибора в децибелах складывается с этим усилением.
Возможны и другие выполнения прибора, например, с точечными контак- тами, с запорным слоем и т. д. Ха-, рактерной особенностью прибора является то, что при его работе звук, в который превратился входной радиосигнал, инжектирует электроны в коллекторную область, изменяя тем самым сопротивление коллекторной цепи °
45 формула изобретения
Усилитель радиосигналов в диапазоне СВЧ, работа которого основана на промежуточном преобразовании радиосигнала в звук, выполненный, предела, определяемого проводимостью кристалла, иначе величина в знаменателе формул (20) и (21) начинает возрастать) .
В качестве материала для прибора следует брать полупроводник с большой подвижностью электронов, а н качестве пъезоэлектрика — материал с возможно большим пьезомодулем..Лучше всего использовать поверхностные звуковые волны, ибо н них звуковая энергия концентрируется сильнее. Кро-10 ме того, так как коэффициент усиления пропорционален размеру контакта а, этот контакт целесообразно выполнять в виде гребенки, вполне идентичной по параметрам и располо- 15 женной параллельно гребенке входного электромеханического преобразователя
ЭМП.
Наиболее выгодно применять для прибора поверхностные звуковые вол- 20 ны в слоистых структурах пьезодиэлектрик — полупроводник, где имеются гораздо большие возможности оптимального выбора полупроводника с высокой подвижностью и пьезоэлектрика с боль- 25 шим пьезомодулем. Например, в качестве полупроводника можно брать Ge, Si, GaAs, ЭпЯЬ, CdS, CdSe и т. д., а н качестве пьезодиэлектрика 1 114ЬО
Я 1
Bi 2 GeO ä пьезОкерамики кварц ZnO 3p
CdS CdSe и др.
Так как некоторые полупроводники, такие как GaAs, CdS, обладают довольно сильными пьезосвойстнами, их можно использовать в приборе и непосредственно без сочетания с пье35 з оэлек триком.
Например прибор (см.фй:с.2), вы-, полненный на основе пленки 7 GaAs
I выращенной на сильнолегированной подложке 8 из GaAs, служащей однонре- 40 менно контактом, содержит гребенчатый ЭМП 9 с длиной штрихов L, шириной Р и расстоянием между ними л
I коллекторный контакт 10 в виде гребенки, вполне идентичной гребенке входного ЭМП (число штрихов N), коллекторную батарею 11 и нагрузку
12.
Типичные параметры материала и конструкции следующие: 1 = 77 К, „Р = 50 10 см /В ° с, yl 2 ° 10 см, 8
3,2 См /cM, Гор(= 3 ГГq, Л = 1,1 мкм, Я = 0,5 мкм. .d = 20 мкм, 0,5 см, = 100, 0,3 В, R
l,23 10 Ом,p +< = 10 дБ.
Из формулы (20) получаем
Кр = 1620, Гр = 31 дБ °
Полный ток и коллекторной цепи равен
61 А, плотность тока вблизи, каждого штриХа гребенки составляет )2 10 А/см г
> 60 а выделяемая джоулева мощность равна 15,8 Вт, что также может быть в непрерынном режиме.
Прибор (см. фиг. 3), выполненный на основе слоистых структур LiNbo +
Si и 1.1МЬО+ Се, имеет брусок пьезо401275
10 например, на основе пластины из пьезоэлектрического полупроводника, отличающийся тем, что, с целью,уовышения коэффициента усиления при одновременном уменьшении напряжения питания, на противоположных плоскостях пластины расположены два неинжектирующих контакта, например,в виде гребенок,для подсоединения нагрузки и батареи питания.