Испытательный модуль для оценки стойкости полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей свч диапазона к воздействию импульсных помех большой амплитуды
Полезная модель относится к области устройств для электрических испытаний, характеризующихся объектом, подлежащим испытанию, не предусмотренным в других подклассах (испытание отдельных полупроводниковых приборов без их удаления из схемы, частью которой они являются), и может быть применена для оценки стойкости таких приборов и радиоаппаратуры на их основе к воздействию импульсных помех большой амплитуды антропогенного и природного происхождения. Технический результат заключается в повышение достоверности результатов испытаний полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона и достигается тем, что испытательный модуль для оценки стойкости полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона к воздействию импульсных помех большой амплитуды, включающий усилительный каскад на полевом транзисторе, подключенном по схеме с общим истоком, на затвор которого подается входной сигнал через разделительный конденсатор, а переменный сигнал снимается со стока транзистора через другой разделительный конденсатор; цепь смещения, подключенную к затвору транзистора через резистор; цепь питания, подключенную ко стоку через второй резистор, причем исток транзистора соединен с общим выходом источников питания, согласно полезной модели, содержит в цепи смещения две дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения смещения емкости и последовательно подключенную индуктивность, а также три дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения питания емкости и последовательно подключенную индуктивность в цепи питания, причем измерительная аппаратура подключается параллельно второму резистору; а высокочастотные вход и выход транзисторной схемы во всем диапазоне рабочих частот согласованы на заранее заданное стандартное сопротивление.
Полезная модель относится к области устройств для электрических испытаний, характеризующихся объектом, подлежащим испытанию, не предусмотренным в других подклассах (испытание отдельных полупроводниковых приборов без их удаления из схемы, частью которой они являются), и может быть применена для оценки стойкости таких приборов и радиоаппаратуры на их основе к воздействию импульсных помех большой амплитуды антропогенного и природного происхождения.
Известна работа Годовицына В.А. и др. [«Деградация малошумящих СВЧ полевых транзисторов с затвором Шоттки на арсениде галлия при воздействии мощных импульсных микроволновых помех» // «Радиотехника», 
8, 1994 г.], в которой для реализации малошумящего усилителя используется стандартная схема с общим истоком, что позволяет определить эффекты воздействия импульсных помех большой амплитуды на малошумящий усилитель, находящийся в рабочем режиме. Однако такой подход, хорошо работающий для радиоимпульсов, не позволяет рассматривать воздействие видеоимпульсов большой амплитуды и различной длительности. Это определяется, в первую очередь, тем, что во входных и выходных цепях активного элемента малошумящего усилителя отсутствуют цепи согласования, необходимые для устранения возможности самовозбуждения активного элемента, отсутствует защита измерительных приборов, которые оказываются подверженными импульсному воздействию ввиду существенно более широкого спектра импульсного сигнала и наличия больших значений напряжения на нулевой частоте.
Известна работа А.В. Дыбоя и др. [«Исследование обратимых отказов GaAs ПТШ при импульсных перегрузках» // Изв. вузов. Электроника, 5, 2006 г.], в которой исследуется воздействие видеоимпульсных электроперегрузок с длительностью несколько микросекунд на полевые транзисторы с затвором Шоттки. В работе рассматривается воздействие видеоимпульсов большой амплитуды с длительностью порядка нескольких микросекунд. Исследуются эффекты, возникающие в работе прибора при действии таких импульсных помех. Существенным недостатком схемы, которая мешает описанию физических процессов, является наличие самовозбуждения полупроводникового прибора, которое не только создает помехи для измерительных систем, но и часто приводит к выходу из строя самого прибора.
Известен однокаскадный усилитель (Фиг. 1), [Гринфилд Дж. Транзисторы и линейные ИС. // М. Мир, 1992, стр. 171], выбранный в качестве прототипа, который представляет собой наиболее используемый тип структурного блока входного малошумящего усилителя радиоэлектронного тракта СВЧ диапазона и состоит из усилительного каскада на полевом транзисторе, подключенном по схеме с общим истоком, на затвор которого подается входной сигнал через разделительный конденсатор, а переменный сигнал снимается со стока транзистора через второй разделительный конденсатор; цепь смещения подключена к затвору транзистора через резистор, цепь питания - к стоку через второй резистор, причем исток транзистора соединен с общим выходом источников питания
Его использование возможно для исследования влияния импульсных помех. Однако возникающие при воздействии импульсных помех эффекты самовозбуждения и отсутствие защиты от импульсного воздействия измерительных приборов препятствуют возможности испытаний стойкости элементной базы малошумящих усилителей к воздействию видеоимпульсов, наиболее точному анализу указанных обратимых и необратимых эффектов.
Целью разработки испытательного модуля является повышение надежности элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона и ее стойкости к воздействию импульсных помех большой амплитуды, а также повышение точности измерений, необходимой для оценки перспектив и стратегии развития технологии изготовления элементной базы и проектирования малошумящих усилителей.
Задача, на решение которой направлена данная полезная модель, заключается в разработке испытательного модуля для оценки стойкости современной полупроводниковой элементной базы к воздействию сверхширокополосных импульсных сигналов.
Технический результат заключается в повышение достоверности результатов испытаний полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона.
Технический результат достигается тем, что испытательный модуль для оценки стойкости полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона к воздействию импульсных помех большой амплитуды, включающий усилительный каскад на полевом транзисторе, подключенном по схеме с общим истоком, на затвор которого подается входной сигнал через разделительный конденсатор, а переменный сигнал снимается со стока транзистора через другой разделительный конденсатор; цепь смещения, подключенную к затвору транзистора через резистор; цепь питания, подключенную ко стоку через второй резистор, причем исток транзистора соединен с общим выходом источников питания, согласно полезной модели, содержит в цепи смещения две дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения смещения емкости и последовательно подключенную индуктивность, а также три дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения питания емкости и последовательно подключенную индуктивность в цепи питания, причем измерительная аппаратура подключается параллельно второму резистору; а высокочастотные вход и выход транзисторной схемы во всем диапазоне рабочих частот согласованы на заранее заданное стандартное сопротивление.
На фиг. 1 изображена типовая электрическая схема однокаскадного усилителя на полевом транзисторе, подключенного по схеме с общим истоком.
На фиг. 2 электрическая схема испытательного модуля для оценки стойкости полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона к воздействию импульсных помех большой амплитуды.
На фиг. 3 приведена фотография испытательного модуля.
На фиг. 4 изображена передаточная характеристика полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ) 3П362А-7, подключенного по типовой схеме с общим истоком.
На фиг. 5 приведена зависимость коэффициента усиления от напряжения на затворе полевого транзистора с затвором Шоттки (ПТШ) 3П362А-7.
На фиг. 6 изображена блок-схема измерительного комплекса на базе заявленного испытательного модуля.
На фиг. 7 приведена АЧХ малошумящего усилителя на базе ПТШ 3П362А-7.
На фиг. 8 приведены зависимости верхней границы динамического диапазона (ВГДД) по обратимой деградации от напряжения на затворе ПТШ 3П362А-7 для различных частот следования импульсов в серии (100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц).
Испытательный модуль представляет собой малошумящий усилитель СВЧ диапазона, с типовой усилительной схемой включения с общим истоком (Фиг. 2). Рабочий режим транзистора задается внешними источниками напряжения, через входы Eсм и Eпит . Напряжения смещения подается на затвор через сопротивление R1 а напряжение питания - на сток через R2 . Высокочастотный вход U/вч_вх предназначен для подачи на затвор полевого транзистора высокочастотного сигнала от независимого СВЧ генератора и/или контактного импульсного воздействия. Высокочастотный выход U/вч_вых предназначен для наблюдения усиленного высокочастотного сигнала на выходе малошумящего усилителя и эффектов импульсного воздействия. Конденсаторы C1 и C2 являются разделительными на входе и выходе малошумящего усилителя. В схеме предусмотрен отвод через индуктивность L2 для контроля тока стока транзистора с использованием измерительных приборов (например, АЦП). При этом резистор R2 используется в качестве датчика тока стока. Емкости C3-C7 служат для подавления возможного возбуждения схемы и создания нулевого потенциала для высокочастотного сигнала. Индуктивности L 1 и L2 служат для изоляции источников питания от высокочастотной цепи, и защищают внешние измерительные системы, в частности АЦП, от воздействия сверхкоротких импульсов. Между входом и выходом предусмотрена гальваническая развязка по постоянному току.
Электрическая схема позволяет свести к минимуму влияние измерительных приборов на характеристики транзисторной схемы и проводить исследования влияния сверхкоротких импульсов как на усилительные свойства транзистора в высокочастотном режиме, так и на его свойства в статическом режиме при испытаниях малошумящих усилителей на стойкость к воздействию видеоимпульсов различной полярности. Малые размеры испытательного модуля позволяют использовать его в различных испытательных стендах.
Величинами, измеряемыми в эксперименте, проводимом в статическом режиме, является ток стока транзистора, а в динамическом режиме еще и мощность выходного усиленного полезного сигнала, по которым можно оценивать стойкость полупроводниковой элементной базы (испытываемого транзистора) малошумящего усилителя к воздействию импульсных помех большой амплитуды. Мощность выходного полезного сигнала определяет усилительные свойства транзистора, входящего в состав исследуемого малошумящего усилителя. Ухудшение указанных функциональных характеристик транзистора в результате импульсных воздействий определяет влияние перегрузок на проводимость канала транзистора, следовательно и на основные функциональные параметры транзистора (коэффициент усиления, коэффициент шума), с которыми проводимость канала жестко связана. Последствия влияния импульсных помех на транзистор характеризуются величиной изменения тока стока и выходной мощности полезного сигнала относительно их нормальных рабочих значений во время действия помехи с последующим длительным восстановлением после ее действия.
При испытаниях транзистора в статическом и динамическом режимах, без подачи и с подачей полезного сигнала соответственно, используется вход Uвч _вх, к которому через сумматор подключается генератор радио- или видеоимпульсов. К выходу U/вч_вых малошумящего усилителя, к резистору R2, в цепи смещения между элементами C2 и точкой Eсм, а также в цепи питания между C4 и Епит могут подключаться измерительные приборы.
Пример.
Плата модуля (фиг. 2) изготовлена из фольгированного материала Roger с нормированной диэлектрической проницаемостью x=3.38 и толщиной подложки h=0.8 мм. На печатной плате предусмотрено место для размещения тестируемого транзистора, а также разъемы для подачи напряжений питания, испытательных сигналов и выходных сигналов, снимаемых с испытуемого транзистора.
Экспериментальные исследования проводились малошумящего усилителя (МШУ) на базе полевого транзистора с барьером Шоттки (ПТШ) 3П362А-7, подключенного по схеме с общим истоком, показанной на фиг. 3.
Для выбора рабочего режима транзистора была получена передаточная характеристика (фиг. 4) и зависимость коэффициента усиления от напряжения на затворе (фиг. 5). Исходя из приведенных зависимостей, были выбраны пять режимов по затвору: -1.95, -2.1, -2.3, -2.5, -2.6 В. При выборе режимов учитывались максимально возможный коэффициент усиления и линейность передаточной характеристики.
В первую очередь исследовалось воздействие серии сверхкоротких видеоимпульсов (СКИ). Это связано с тем, что отдельный видеоимпульс с субнаносекундной длительностью не может привести к существенным последствиям и практически не оказывает влияние на МШУ в целом.
Основным параметром, измеряемым в эксперименте, являлся коэффициент усиления, по поведению которого оценивалось воздействие СКИ. Экспериментальное исследование проводилось при помощи измерительного комплекса, схематично изображенного на фиг. 6.
Полезный сигнал с частотой 1650 МГц поступал с выхода генератора сигналов СВЧ диапазона С4-78, для работы в котором были оптимизированы входные и выходные цепи МШУ. Для выбора частоты полезного сигнала была получена АЧХ усилителя, приведенная на фиг. 7. Выбирался сигнал таким образом, чтобы попасть в полосу усиления МШУ. По приходу импульсов от генератора запускающих импульсов И1-18, генератор сверхкоротких импульсов формировал импульсы положительной полярности. Частота следования импульсов в серии могла меняться от 100 Гц до 100 кГц, длительность их в эксперименте составляла 250 пс по уровню 0,5, амплитуда варьировалась при помощи набора аттенюаторов. Таким образом, задавалась мощность импульсного воздействия. Для формирования СКИ отрицательной полярности был использован фазоинвертор, представляющий собой широкополосный симметрирующий трансформатор.
С выхода усилителя сигнал подавался на логарифмический амплитудный детектор мощности на основе микросхемы AD8319, значение напряжения на выходе которого однозначно связано с мощностью сигнала на входе. Напряжение на выходе детектора мощности фиксировалось при помощи АЦП, представляющего собой плату, подключенную через интерфейс 18А к персональному компьютеру (ПК). Программное обеспечение, установленное на ПК, позволяло записывать изменения напряжения на дифференциальном входе АЦП. Таким образом, зная мощности полезного сигнала на входе МШУ и зависимость мощности сигнала на его выходе от времени, АЦП позволяет регистрировать изменение коэффициента усиления (Kу) во времени.
В момент подачи серии СКВИ коэффициент усиления уменьшался, во время воздействия серии импульсов его падение продолжалось в течении нескольких секунд. После этого изменение значения коэффициента усиления прекращалось вследствие кумулятивного эффекта. После прекращения воздействия значение коэффициента усиления в течение времени порядка нескольких единиц или десятков секунд в зависимости от мощности воздействия восстанавливалось до исходного.
Минимальное значение коэффициента усиления Kу_ мин, которое определяет максимальное падение коэффициента усиления в течение импульсной серии, фиксировалось для каждой частоты и амплитуды воздействия. Измерения производились в различных, выбранных ранее режимах по затвору. Далее рассчитывалось относительное значение коэффициента усиления как отношение Kу_ мин к K0, и строились зависимости этого отношения от величины мощности помехи для различных значений напряжения смещения по затвору. По этим зависимостям были определены значения верхней границы динамического диапазона (ВГДД) по обратимой деградации Dод. Эта величина определяет мощность серии СКИ при которой коэффициент усиления падает на 1 дБ.
Для различных частот следования импульсов в зависимости от напряжения на затворе ВГДД по обратимой деградации представлено на фиг.8. Необходимо отметить, что степень влияния импульсных помех на МШУ определяется режимом его работы. Так, при увеличении по абсолютному значению напряжения на затворе ВГДД по обратимой деградации будет уменьшаться, то есть помеха меньшей мощности может оказаться достаточной, чтобы коэффициент усиления уменьшился на 1 дБ.
Из приведенных зависимостей видно, что при увеличении частоты следования СКВИ, требуется большая мощность импульсной помехи, чтобы привести к обратимой деградации. Так, кривая для частоты следования 100 Гц лежит ниже, чем кривая для частоты 100 кГц.
Испытательный модуль для оценки стойкости полупроводниковой элементной базы малошумящих усилителей СВЧ диапазона к воздействию импульсных помех большой амплитуды, включающий усилительный каскад на полевом транзисторе, подключенном по схеме с общим истоком, на затвор которого подается входной сигнал через разделительный конденсатор, а переменный сигнал снимается со стока транзистора через другой разделительный конденсатор; цепь смещения, подключенную к затвору транзистора через резистор; цепь питания, подключенную ко стоку через второй резистор, причем исток транзистора соединен с общим выходом источников питания, отличающийся тем, что содержит в цепи смещения две дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения смещения емкости и последовательно подключенную индуктивность, а также три дополнительно подключенные параллельно источнику напряжения питания емкости и последовательно подключенную индуктивность в цепи питания, причем измерительная аппаратура подключается параллельно второму резистору, а высокочастотные вход и выход транзисторной схемы во всем диапазоне рабочих частот согласованы на заранее заданное стандартное сопротивление.
