2 Транзисторні аналоги індуктивності

На ультрависоких та надвисоких частотах реалізуються напівпровідникові аналоги індуктивності на основі біполярних та польових транзисторах. При цьому для отримання високої добротності або складові транзистори, або лавинний режим роботи транзистора.

2.2.1 Біполярний транзистор –як аналог індуктивності

В якості індуктивних елементів в інтегральній мікросхемі може бути використаний також біполярний транзистор. Транзистор, включений по схемі зі спільною базою, на великих частотах, мають вхідний індуктивний опір. Така схема має назву - як індуктивний транзистор.

У транзисторів реактивна складова має повного опору має індуктивний характер. Однак залежність останніх від фізичних властивостей напівпровідникових кристалів і фізичних процесів, що в них відбуваються, вимагають жорстких умов до допоміжних кіл електричного живлення та настроювання. Спроби застосувати транзисторних p-n-p-n структур як еквіваленти індуктивності, мають задовільні результати в діапазоні частот до 100 М Гц. Тому базовим індуктивним елементом мікроелектронної схемотехніки в широкій області робочих частот є індуктивний транзистор.

На рис. 8 показана еквівалентна схема нелінійної моделі еквівалентного транзистора.

А) б)

Рисунок 8 – Еквівалентна схема нелінійного індуктивного транзистора

Виникнення індуктивних властивостей у транзисторних структурах зв’язано з кінцевою швидкістю руху носіїв струму в базі транзистора. Сигнал, прикладений до емітера, не може зявитися в колекторі, поки носії струму дифундують через базу, результатом чого є запізнення в часі, яке називається часом переходу. Якщо струм забезпечується неосновними носіями, то прикладення електричного поля змінює густину рухливих носіїв і збурення поширюється зі швидкістю, із якою неосновні носії дифундують у матеріалі. Результуючий дифузійний струм являє собою тільки усереднений рух носіїв, накладений на безладний тепловий рух. Індуктивністю транзистора можна керувати як електричним, так і технологічним шляхом.

2.2.2 Індуктивний транзистор

В якості аналога індуктивності може бути використаний індуктивний транзистор, який зображений на рис.9.

А) б)

в) г)

Рисунок 9 – Індуктивний транзистор

Висока добротність індуктивного кола “емітер - колектор”такоїсхемидосягаєтьсятількитоді, коли коефіцієнтпередачі по струму зі спільною базою . Ця вимога виконується для точкових транзисторів (але вони в наш час не випускаються), або в режимі лавинного множення (що погіршує шумові властивості, температурну стабільність та надійність). Подолання цих недоліків було зроблено шляхом використання схеми Ямачуги(14), який ще до появи індуктивного транзистора показав, якщо до входу біполярного транзистора, включеного по схемі зі спільним колектором (рис.7б), підключити низько добротну індуктивність, то у визначеному діапазоні частот його вихідний опір буде індуктивном з відємною складовою (вона являється комбінованим транзисторним динамічним негатроном).

З урахуванням даних двох технічних рішень був запропонований складений індуктивний транзистор (рис.7в), який забезпечує високу добротність в широкому діапазоні частот, і паралельний коливальний контур на його основі (рис.7.г). Властивість біполярного транзистора, включеного по схемі зі спільним колектором, і польового транзистора, включеного по схемі зі спільним стоком, як спільний перетворювач імітансу – одинакові.

2.2.3 Транзистори при лавинному режимі роботи

В якості індуктивних елементів можуть бути використані також транзистори, що працюють в режимі лавинного множення.

Дослідження ефекту лавинного множення в колекторному переході біполярного транзистора привело до створення лавинного транзистора, на ВАХ якого є ділянка негативного опору. Теоретичні дослідження таких негатронів і імпульсних пристроїв на їх основі, проведені В.П. Дьяконовим [21 ] , показали можливість формування імпульсів з часом наростання 0,1 ... 1 нс і амплітудою до 15 В і більше на опорі навантаження в 750 Ом. Деякі транзистори дозволяють при меншій амплітуді генерувати імпульси з частотою повторення до 1 ГГц, інші, при значно менших частотах повторення, здатні формувати імпульси з амплітудою по напрузі до 100 В на навантаженні 50 Ом або імпульси з амплітудою по струму до 50 А на опорі навантаження в 0,5 ... 1 Ом . Наявність між емітером і колектором лавинного транзистора індуктивного імпедансу з негативною речової складової стало передумовою використання його в якості високодобротного напівпровідникового аналога індуктивності. Однак великі шуми таких негатронів, обумовлені лавинним ефектом, і низька температурна стабільність зробили застосування лавинних транзисторів у такій якості безперспективним.

Технологічні методи створення планарних напівпровідникових приладів досягли високої досконалості. Тому негатрони на p-n переходах можуть мати відносно високу надійність і відтворюваністю . Однак процес їх виготовлення трудомісткий, оскільки вимагає проведення від двох до чотирьох високотемпературних процесів окислення і дифузії, і відповідної кількості процесів фотолітографії. З цієї точки зору більш цікаві аморфні і полікристалічні напівпровідникові плівки, у яких поряд з ОС ( негативним опором ) існує і переключення з пам'яттю. При додатку до плівки певного порогової напруги , вона стрибком переходить на низькоомний стан і зберігає його навіть у випадку відключення живлення.

2.2.4 Аналог індуктивності на базі одноперехідної транзисторної структури

Транзисторний еквівалент котушки індуктивності отриманий внаслідок заміни біполярного лавинного транзистора одно перехідним (рис.9), в результаті чого була підвищена надійність і знижений рівень шумів.

Рисунок 9 Транзисторний еквівалент котушки індуктивності

Одноперехідний транзистор VT1 має коефіцієнт передачі по струму α >1, що дозволяє реалізувати на його основі високо добротну напівпровідникову індуктивність. Даний транзистор працює в активній області і процес повного множення відсутній, це забезпечує більш високу надійність напівпровідникової індуктивності і більш низький рівень шумів в порівнянні з лавинним індуктивним транзистором.

Другий варіант транзисторного еквівалента котушки індуктивності зроблений на основі схеми з відємним диференційним опором (рис.10). На відмінну від рис.9, використання вихідного кола одно перехідного транзистора дозволяє збільшити амплітуду сигналу і збільшити значення добротності.

Рисунок 10 Напівпровідникова індуктивність

Дослідження перетворення імітансу на основі одно перехідної структури показали, що вона забезпечує реалізацію високо добротних аналогів індуктивності і в залежності від полярності напруги на емітері володіє властивостями конвертора. Це дозволяє реалізувати на її основі паралельні і послідовні високо добротні коливальні контури без використання котушок індуктивності, яка являється основною для побудови активних полосо-пропускаючих та полосо-запираючих фільтрів. При цьому реалізується можливість електричного управління центральною частотою полоси пропускання шляхом зміни тільки полярності управляючої напруги на емітері транзистора.

Таким чином, при створенні напівпровідникових аналогів індуктивності необхідно вирішити ряд завдань, пов'язаних із зменшенням температурного коефіцієнта індуктивності, розширенням смуги пропускання і електронним регулюванням величини індуктивності. Крім того, технологія їх виготовлення повинна поєднуватися з технологією виготовлення інтегральних мікросхем. Такі аналоги індуктивності знаходять застосування в якості керованих реактивностей в різноманітних фільтрах, генераторах, перетворювачах і так далі. Використання як активних елементів операційних підсилювачів дозволяє отримати досить стабільні аналоги індуктивності. Однак операційні підсилювачі мають високий коефіцієнт посилення в обмеженому частотному діапазоні. Тому висока стабільність індуктивності в таких пристроях (досягається за рахунок великого коефіцієнта посилення) характерна для дуже обмеженого частотного діапазону. Розвиток схемотехнічних методів побудови транзисторних еквівалентів p-n, n-p структури з низьким (близьким до нуля, але не нульовим) негативним диференціальним опором (яке досягається за рахунок компенсації позитивного зворотного зв'язку по струму, негативним зворотним зв'язком по напрузі) дозволило істотно розширити частотний діапазон, підвищити температурну стабільність. Використання для побудови аналогів індуктивності низькоомних приладів дозволило ще більше зменшити температурний дрейф. Введення послідовно з резистором R0, що задає положення робочої точки, переходу колектор - емітер транзистора, опір якого змінюється від температури , дозволяє досягти високої температурної стабільності. Слід відмітити, що за рахунок шунтування резисторів, включених в ланцюзі зворотного зв'язку еквівалента p-n-p-n-структури, ланцюгом, що складається з послідовно включеного резистора і переходу колектор -емітер транзистора, опір якого функціонально пов'язано з керуючим струмом або напругою, отримані керовані аналоги індуктивності. Зараз створені інтегральні керовані аналоги індуктивності.

3 ПРИЛАДИ НА ОСНОВІ ІНДУКТИВНОГО ЕФЕКТУ

Індуктивні властивості транзисторів дозволяють використовувати їх при створенні різних радіоелектронних приладів. До них відносяться контури, фільтри, резонансні підсилювачі, генератори, комутатори та інші. Нелінійні властивості індуктивних елементів можуть знайти застосування при створенні різних параметричних приладів. Перевагами таких приладів являється можливість виготовлення їх у вигляді інтегральних мікросхем, широкий частотний діапазон роботи від сотні кілогерц до десятки герц, електричне регулювання параметрами.