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一种高温压控振荡器.pdf

  • 上传人:sha****007
  • 文档编号:5610775
  • 上传时间:2019-02-23
  • 格式:PDF
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201310675486.4

    申请日:

    2013.12.11

    公开号:

    CN103647507A

    公开日:

    2014.03.19

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情:

    发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):H03B 5/04申请公布日:20140319|||实质审查的生效IPC(主分类):H03B 5/04申请日:20131211|||公开

    IPC分类号:

    H03B5/04; H03B5/08

    主分类号:

    H03B5/04

    申请人:

    东北大学

    发明人:

    杨杰; 孙宇舸; 叶柠; 沈鸿媛

    地址:

    110819 辽宁省沈阳市和平区文化路3号巷11号

    优先权:

    专利代理机构:

    沈阳东大专利代理有限公司 21109

    代理人:

    梁焱

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    内容摘要

    本发明提供一种高温压控振荡器,属于电子技术领域,包括选频及正反馈网络和放大器,其特征在于:所述选频及正反馈网络包括电感器、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器,其中,第五电容器为可变电容;所述放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管和第一电阻,第一半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管,该振荡器还包括源级跟随器和偏置电路。本发明振荡器的输出可用于高温下的无线传感,通信及数据传输,使用SiCJFET或其他等效的宽禁带半导体器件作为高温电路的核心元件,有效解决高温或其他极端情况下普通半导体器件的在高温下损毁导致电路失效问题;本发明应用GaNLED作为变容二极管,以适用于高温环境。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种高温压控振荡器,包括选频及正反馈网络和放大器,其特征在于:所述选频及正反馈网络包括电感器、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器,其中,第五电容器为可变电容,第一电容器的一端连接第五电容器的一端,第一电容器的另一端连接第二电容器的一端,第二电容器的另一端连接第三电容器的一端,第三电容器的另一端连接第四电容器的一端,第四电容器的另一端连接第五电容器的另一端,电感的一端连接在第一电容器、第二电容器之间,电感的另一端连接在第四电容器、第五电容器之间,第五电容器的另一端连接直流电源的负极; 
    所述放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管和第一电阻;第一半导体场效应晶体管的栅极连接在选频及正反馈网络的第三电容器、第四电容器之间,第一半导体场效应晶体管的漏极连接直流电源正极,第一半导体场效应晶体管的源极连接第一电阻的一端,第一电阻的另一端连接到选频及正反馈网络的第四电容器的另一端,第一电阻的一端还连接在选频及正反馈网络的第三电容器、第四电容器之间。

    2.  根据权利要求1所述的高温压控振荡器,其特征在于:所述第一半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。

    3.  根据权利要求1所述的高温压控振荡器,其特征在于:所述第五电容器用GaN LED替代。

    4.  根据权利要求1所述的高温压控振荡器,其特征在于:所述高温压控振荡器采用低温共烧陶瓷工艺制成电路板。

    5.  根据权利要求1所述的高温压控振荡器,其特征在于:还包括源级跟随器,该源级跟随器包括第二半导体场效应晶体管和第二电阻,第二半导体场效应晶体管的漏极连接第一半导体场效应晶体管的漏极,第二半导体场效应晶体管的栅极连接至第一半导体场效应晶体管的源级,第二半导体场效应晶体管的源级连接第二电阻的一端,第二电阻的另一端连接第一电阻的另一端。

    6.  根据权利要求1或5所述的高温压控振荡器,其特征在于:还包括偏置电路,该电路包括第三电阻和第四电阻,第三电阻的一端连接在第一半导体场效应晶体管的漏极与直流电源正极之间,第三电阻的另一端连接第四电阻的一端,第三电阻的另一端连接至第二电容与第一电容之间,再与第四电阻的一端连接,第四电阻的另一端连接在第四电容和电感之间。

    7.  根据权利要求5所述的高温压控振荡器,其特征在于:所述第二半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。

    说明书

    说明书一种高温压控振荡器
    技术领域
    本发明属于电子技术领域,具体是一种高温压控振荡器。
    背景技术
    在太空和其他极端条件下的传感和无线通信往往涉及高温环境。例如金星探测,金星的表面达到500°C的温度范围。因此,任何着陆于金星的探测器都将面临如何在如此高的温度下存在和工作。因此,能够在恶劣环境和极端温度下应用的传感器已经在过去的几十年中备受关注。一些先进的高温传感元件,如温度和压力传感器目前尚在实验阶段。由于缺乏用于传感器信号处理和无线传输的高温电子单元,使得这些先进的传感技术的应用受到极大地限制。
    当环境温度超过300℃时,常规的硅或绝缘体上硅(SOI)的电子设备将会失效。因此必须使用可承受更高温度的,禁带宽度大于2eV的宽禁带半导体元件,例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)半导体。 SiC和GaN器件的理论极限温度高于600?C,但是,目前对于SiC器件的开发主要面向于高电压和大电流的电力电子设备,对于GaN器件的开发主要面向于高频应用和LED发光二极管。
    发明内容
    针对现有技术存在的问题,本发明提供一种高温压控振荡器。
    本发明的技术方案是:
    一种高温压控振荡器,包括选频及正反馈网络和放大器;
    所述选频及正反馈网络包括电感器、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器和第五电容器,其中,第五电容器为可变电容,第一电容器的一端连接第五电容器的一端,第一电容器的另一端连接第二电容器的一端,第二电容器的另一端连接第三电容器的一端,第三电容器的另一端连接第四电容器的一端,第四电容器的另一端连接第五电容器的另一端,电感的一端连接在第一电容器、第二电容器之间,电感的另一端连接在第四电容器、第五电容器之间,第五电容器的另一端连接直流电源的负极; 
    所述放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管和第一电阻;第一半导体场效应晶体管的栅极连接在选频及正反馈网络的第三电容器、第四电容器之间,第一半导体场效应晶体管的漏极连接直流电源正极,第一半导体场效应晶体管的源极连接第一电阻的一端,第一电阻的另一端连接到选频及正反馈网络的第四电容器的另一端,第一电阻的一端还连接在选频及正反馈网络的第三电容器、第四电容器之间。
    所述第一半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。
    所述第五电容器用GaN LED替代。
    所述高温压控振荡器采用低温共烧陶瓷工艺制成电路板。
    所述的高温压控振荡器,还包括源级跟随器,该源级跟随器包括第二半导体场效应晶体管和第二电阻,第二半导体场效应晶体管的漏极连接第一半导体场效应晶体管的漏极,第二半导体场效应晶体管的栅极连接至第一半导体场效应晶体管的源级,第二半导体场效应晶体管的源级连接第二电阻的一端,第二电阻的另一端连接第一电阻的另一端。
    所述的高温压控振荡器,包括偏置电路,该电路包括第三电阻和第四电阻,第三电阻的一端连接在第一半导体场效应晶体管的漏极与直流电源正极之间,第三电阻的另一端连接第四电阻的一端,第三电阻的另一端连接至第二电容与第一电容之间,再与第四电阻的一端连接,第四电阻的另一端连接在第四电容和电感之间。
    所述第二半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。
    有益效果:
    本发明提供一种用于高温等极端环境下的无线应用的压控振荡器的电路设计,实现了高温压控振荡器的原型制作,并通过高温测试验证电路设计的可行性和输出频率的稳定性,该振荡器的输出可用于高温下的无线传感,通信及数据传输。
    本发明提出使用SiC JFET或其他等效的宽禁带半导体器件作为高温电路的核心元件,有效解决高温或其他极端情况下普通半导体器件的在高温下损毁导致电路失效问题;
    本发明提出在高温环境下使用陶瓷材料作为电路基片的设计技术;
    本发明应用GaN LED作为变容二极管,以适用于高温环境。
    高温压控振荡器的设计包括具体电路设计、原型电路的制作以及高温下测试。
    所述电路设计给出了高温压控振荡器的电路设计方案,振荡频率的确定以及电路参数的选择。
    所述原型电路的制作,提供了原型电路板的制作方法与工艺流程。
    所述高温测试,实现在室温25°C 和高温450 °C下原型电路的性能测试。
    附图说明
    图1是本发明实施例1的高温压控振荡器电路原理图;
    图2是本发明实施例2的高温压控振荡器电路原理图;
    图3是本发明实施例3的高温压控振荡器电路原理图;
    图4是本发明实施例450 °C时高温压控振荡器的时域仿真结果;
    图5是本发明实施例450 °C时振荡器的仿真结果;
    图6是本发明实施例的高温压控振荡器简化电路原理图;
    图7是本发明实施例的25 °C时Sic JFET的测试结果;
    图8是本发明实施例的450 °C时Sic JFET的测试结果。
    具体实施方式
    下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
    实施例1
    一种高温压控振荡器,包括选频及正反馈网络和放大器;
    如图1所示,选频及正反馈网络包括电感器L1、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4和第五电容器C5,其中,电容C1为高频电路与低频电路之间的耦合电容,同时改善电容三点式振荡器的性能,使得频段覆盖系数得以提高,更适于高频应用,且在改变振荡频率的过程中,振荡信号的幅度更加平稳。电容C2实现微调频率作用,并提高振荡电路的频率稳定度。与L1并联的第五电容器C5为可变电容,用来调节振荡器的工作频段。
    当忽略场效应管以及电路中的寄生电容,本实施例的高温压控振荡器的振荡频率f主要由电感器L1和第一电容C1,第二电容C2,第三电容C3,第四电容C4以及第五电容C5确定:

    正反馈网络是将输出信号送回输入端的电容分压式正反馈网络, 由第三电容C3和第四电容C4构成正反馈。
    在本实施例的高温压控振荡器的振荡频率以及压控灵敏度(电压信号导致载波频率的改变)可以通过调整高温压控振荡器电路中的电感L1,第一电容C1,第二电容C2,第三电容C3,第四电容C4和第五电容C5的值而实现。
    第一电容器C1的一端连接第五电容器C5的一端,第一电容器C1的另一端连接第二电容器C2的一端,第二电容器C2的另一端连接第三电容器C3的一端,第三电容器C3的另一端连接第四电容器C4的一端,第四电容器C4的另一端连接第五电容器C5的另一端,电感L1的一端连接在第一电容器C1、第二电容器C2之间,电感L1的另一端连接在第四电容器C4、第五电容器C5之间,第五电容器C5的另一端连接直流电源V1的负极。
    放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管J1和第一电阻R1;第一半导体场效应晶体管J1的栅极连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间,第一半导体场效应晶体管J1的漏极连接直流电源正极,第一半导体场效应晶体管J1的源极连接第一电阻R1的一端,第一电阻的另一端连接到选频及正反馈网络的第四电容器C4的另一端,第一电阻R1的一端还连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间。
    第一半导体场效应晶体管J1为SiC半导体场效应管。
    本实施例的高温压控振荡器是典型的共漏级电容反馈三点式振荡器,包括放大器电路、选频网络以及正反馈网络。当振荡器接通电源后,即开始有瞬变电流产生,经不断的对它进行放大、选频、反馈、再放大等多次循环,最终形成自激振荡,把输入信号的一部分送回输入端做输入信号,从而就产生了一定频率输出的正弦波信号输出。
    本实施例通过高温测试验证电路设计的可行性和输出频率的稳定性,该振荡器的输出可用于高温下的无线传感,通信及数据传输。
    高温压控振荡器采用低温共烧陶瓷工艺制成电路板,以验证其功能。由于高温压控振荡器的工作温度为450℃,远高于常规的印刷电路板(PCB)材料和电路制造技术,因此在本实施例中高温振荡器的原型电路板使用低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺实现。
    LTCC制作流程主要有混料、流延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静压、排胶烧结等主要工序。具体制作步骤如下:
    步骤一:混料与流延
    将有机物(主要由聚合物粘结剂和溶解于溶液的增塑剂组成)和无机物(由陶瓷和玻璃组成)成分按一定比例混合,用球磨的方法进行碾磨和均匀化,然后浇注在一个移动的载带上(通常为聚酯膜),通过一个干燥区,去除所有的溶剂,通过控制刮刀间隙,流延成所需要的厚度。此工艺的一般厚度容差是±6%。
    步骤二:打孔
    利用机械冲压、钻孔或激光打孔技术形成通孔。通孔是在生瓷片上打出的小孔(直径通常为0.1-0.2mm),用在不同层上以互连电路。在此阶段还要冲制模具孔,帮助叠片时的对准;对准孔用于印刷导体和介质时自动对位。
    步骤三:印刷
    利用标准的厚膜印刷技术对导体浆料进行印刷和烘干。通孔填充和导体图形在箱式或链式炉中按相关工艺温度和时间进行烘干。根据需要,可将需要集成的电阻器、电容器和电感器在此阶段印刷和烘干。
    步骤四:通孔填充
    利用传统的厚膜丝网印刷或模板挤压把特殊配方的高固体颗粒含量的导体浆料填充到通孔。
    步骤五:排胶与烧结
    200-500℃之间的区域被称为有机排胶区(建议在此区域叠层保温最少60min)。然后在5-15min将叠层共烧至峰值温度(通常为850℃)。气氛烧成金属化的典型排胶和烧成曲线会用上2-10h。烧成的部件准备好后烧工艺,如在顶面上印刷导体和精密电阻器,然后在空气中烧成。如果Cu用于金属化,烧结必须在N2链式炉中进行。
    步骤六:检验
    (根据需要)对电路进行激光调阻、测试、切片和检验, LTCC封装中(根据实际需要)可用硬钎焊引线或散热片。
    为保证高温稳定性,本实施例的多层电路板采用杜邦951生瓷片以及与之匹配的QG150金属浆料制作。SiC JFET、高温电容和电阻是利用高温粘合剂粘附在LTCC电路板上,通过丝网印刷机将平面电感直接印制在LTCC陶瓷板的顶表面上,本实施例的原型电路的制作也可通过厚膜印刷工艺在氧化铝等其他陶瓷基片上实现。
    对本实施例的高温压控振荡器进行高温测试,实现在室温25°C 和高温450 °C下原型电路的性能测试。
    将原型板被放置在一个电热板上以进行高温测试。由一个独立的热电偶来监控电路板的底部温度。电路由15V直流电源供电。高温压控振荡器的电压控制信号是由Agilent 33220A函数发生器生成的一个5 kHz,0.5 V的峰-峰值的方波输入信号。电源、接地和方波输入信号是通过探针连接至电路板,同时电路板输出的RF信号通过一个与泰克RSA3303B实时频谱分析仪相连的鞭状天线接收。频谱分析仪将接收到的信号在机内直接解调以恢复原始的方波。
    测试的温度范围从室温至450℃。在25℃和450℃下,测试结果分别如图7和图8所示。
    在图7中,测得的接收信号的频谱如图7(a),可以看出,在450 ℃的温度范围内,均可以获得非常强的和干净的RF信号。载波频率大约是60 MHz,稍低于设计值。接收到的功率从-11.3 dBm减少到-22.7 dBm,这主要是由于高温时碳化硅跨导的衰减和电容以及电感的损耗增加。峰值频谱(绕峰500KHz跨度)如图7(b)所示,此频段将用于频谱分析仪进行调频解调,可以明显看出载波是由低频方波信号调制而成。在整个温度范围内,可以观察到一个干净的,几乎无失真5 kHz的方波,表明本实施例的高温压控振荡器的频率调制和无线传输是成功的。在25℃时,0.5V压控信号导致的频率变化大约为60 kHz。
    在图8中,测得的接收信号的频谱如图8(a),峰值频谱如图7(b)所示,在450℃下,0.5V压控信号导致的频率变化降低为40kHz,这种压控灵敏度的下降主要是由于GaN LED在一定电压下电容的改变随温度的增加而降低导致的。根据要求可以通过调整高温压控振荡器中相应的电路元件的电容以调节控制灵敏度。解调波形的噪声分量在450 ℃下比25 ℃时更为明显的,而且当温度从25℃变化至450℃时,高温压控振荡器的振荡频率也从60.481MHz下降至59.534MHz。
    当温度从25 °C到450 °C变化范围内,高温压控振荡器的输出频率基本稳定在60MHz,输出频率的迁移率仅为1.5%,为在无线射频传输中载波频率的设置提供了有效的解决方案。
    实施例2
    一种高温压控振荡器,包括选频及正反馈网络和放大器;
    如图2所示,选频及正反馈网络包括电感器L1、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4和第五电容器C5,其中,第五电容器C5为可变电容,在实际电路中,为适应高温工作环境,采用GaN LED。第一电容器C1的一端连接第五电容器C5的一端,第一电容器C1的另一端连接第二电容器C2的一端,第二电容器C2的另一端连接第三电容器C3的一端,第三电容器C3的另一端连接第四电容器C4的一端,第四电容器C4的另一端连接第五电容器C5的另一端,电感L1的一端连接在第一电容器C1、第二电容器C2之间,电感L1的另一端连接在第四电容器C4、第五电容器C5之间,第五电容器C5的另一端连接直流电源V1的负极。
    放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管J1和第一电阻R1;第一半导体场效应晶体管J1为SiC半导体场效应管。
    第一半导体场效应晶体管J1的栅极连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间,第一半导体场效应晶体管J1的漏极连接直流电源正极,第一半导体场效应晶体管J1的源极连接第一电阻R1的一端,第一电阻的另一端连接到选频及正反馈网络的第四电容器C4的另一端,第一电阻R1的一端还连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间。
    由于放大器电路的输出阻抗一般比较高,通常在几千欧到几十千欧,如果后级的输入阻抗比较小,那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。因此本实施例在实施例1的高温压控振荡器的基础上进行了改进,增加了源级跟随器以实现缓冲和隔离。源级跟随器的另一个作用是将电流进行放大,从而提高振荡信号的输出功率。
    源级跟随器包括第二半导体场效应晶体管J2和第二电阻R2;第二半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。
    第二半导体场效应晶体管J2的漏极连接第一半导体场效应晶体管J1的漏极,第二半导体场效应晶体管J2的栅极连接至第一半导体场效应晶体管J1的源级,第二半导体场效应晶体管J2的源级连接第二电阻R2的一端,第二电阻R2的另一端连接第一电阻R1的另一端。
    高温压控振荡器采用低温共烧陶瓷工艺制成电路板,以验证其功能,并且对本实施例的高温压控振荡器进行高温测试,实现在室温25°C 和高温450 °C下原型电路的性能测试。
    实施例3
    一种高温压控振荡器,包括选频及正反馈网络和放大器;
    如图3所示,选频及正反馈网络包括电感器L1、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4和第五电容器C5,其中,第五电容器C5为可变电容,采用GaN LED。第一电容器C1的一端连接第五电容器C5的一端,第一电容器C1的另一端连接第二电容器C2的一端,第二电容器C2的另一端连接第三电容器C3的一端,第三电容器C3的另一端连接第四电容器C4的一端,第四电容器C4的另一端连接第五电容器C5的另一端,电感L1的一端连接在第一电容器C1、第二电容器C2之间,电感L1的另一端连接在第四电容器C4、第五电容器C5之间,第五电容器C5的另一端连接直流电源V1的负极。
    放大器包括基于宽禁带半导体材料的第一半导体场效应晶体管J1和第一电阻R1;第一半导体场效应晶体管J1为SiC半导体场效应管。
    第一半导体场效应晶体管J1的栅极连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间,第一半导体场效应晶体管J1的漏极连接直流电源正极,第一半导体场效应晶体管J1的源极连接第一电阻R1的一端,第一电阻的另一端连接到选频及正反馈网络的第四电容器C4的另一端,第一电阻R1的一端还连接在选频及正反馈网络的第三电容器C3、第四电容器C4之间。
    高温压控振荡器还包括源级跟随器,该源级跟随器包括第二半导体场效应晶体管J2和第二电阻R2;第二半导体场效应晶体管为SiC半导体场效应管。
    第二半导体场效应晶体管J2的漏极连接第一半导体场效应晶体管J1的漏极,第二半导体场效应晶体管J2的栅极连接至第一半导体场效应晶体管J1的源级,第二半导体场效应晶体管J2的源级连接第二电阻R2的一端,第二电阻R2的另一端连接第一电阻R1的另一端。
    为了进一步稳定高温下的输出频率,本实施例在实施例2的基础上附加了R3、R4组成的偏置电路以稳定输出,高温压控振荡器还包括偏置电路,该电路包括第三电阻R3和第四电阻R4,第三电阻R3的一端连接在第一半导体场效应晶体管J1的漏极与直流电源V1正极之间,第三电阻R3的另一端连接第四电阻R4的一端,第三电阻R3的另一端连接至第二电容出与第一电容C1之间,再与第四电阻R4的一端连接,第四电阻R4的另一端连接在第四电容R4和电感L1之间。
    当输入信号被施加到变容二极管(C5)上,信号电压的变化将改变变容二极管的第五电容C5,并最终调制高温振荡器产生RF载波频率。图4、图5分别给出了RF振荡器的时域与频域仿真结果,结果表明振荡器将产生一个大约65MHz的RF载波。
    高温压控振荡器采用低温共烧陶瓷工艺制成电路板,以验证其功能,并且对本实施例的高温压控振荡器进行高温测试,实现在室温25°C 和高温450 °C下原型电路的性能测试。
    本实施例的高温压控振荡器也可以采用如图6所示简化电路实现。图6与图3所示的电路区别在于图6为共栅极振荡器,而两者皆为电容反馈三点式振荡器,其工作原理是一致的。

    关 键  词:
    一种 高温 压控振荡器
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