Сравнение последовательной и параллельной схем сложения мощностей многих автогенераторов
Аннотация
Исследованы параллельная и последовательная схемы сложения мощностей больших ансамблей автогенераторов (АГ) гармонических колебаний. Работа мотивирована исследованиями в области спинтроники и спин-трансферных наноосцилляторов (СТНО). Основными недостатками подобных осцилляторов является низкая выходная мощность генерируемых колебаний, достигающая сотен нановатт, поэтому одним из способов повышения мощности устройств на базе СТНО является объединение их в ансамбли с целью синхронизации и сложения мощностей. При сложении мощностей активных элементов используются мостовые схемы, обеспечивающие взаимную развязку и отсутствие связи через общую нагрузку. При сложении мощностей наноразмерных осцилляторов использовать мостовые схемы сложения не представляется возможным, поскольку количество генераторов может достигать нескольких сотен. В этом случае встает вопрос о наилучшем способе объединения генераторов (геометрии объединения) и методе связи с нагрузкой. Одним из способов связи наноосцилляторов является токовое включение короткозамкнутыми соединителями, которое приводит либо к параллельной, либо к последовательным схемам включения.На основе упрощенной эквивалентной схемы единичного АГ, состоящей из колебательного контура с потерями и нелинейного активного элемента, получены укороченные уравнения ансамблей и исследованы простейшие равноамплитудные синхронные режимы. На базе полученных моделей построено семейство нагрузочных характеристик ансамблей АГ и найдены условия работы ансамблей при аварийном выходе из строя произвольного количества элементов. Показано, что при аварийных отказах M элементов в ансамбле из N автогенераторов параллельная схема будет работоспособной только при N > 2 M , тогда как последовательная схема будет работать для любых N > M . Отметим, что условие самовозбуждения для параллельной схемы при M > N /2 не выполняется. При коротком замыкании в параллельной и обрыве в последовательной схемах происходит выход из строя всего ансамбля, поэтому необходимо использовать более сложные топологии объединения элементов, например, объединять рассмотренные виды ансамблей в подансамбли. Данные результаты важны при построении больших ансамблей АГ (спин-трансферных наноосцилляторов), когда реализация мостовых схем невозможна.
Литература
2. Grollier J., Cros V., Fert A. Synchronization of Spin-transfer Oscillators Driven by Stimulated Microwave Currents // Phys. Rev. 2006. V. 73. P. 060409(R).
3. Georges B., Grollier J., Cros V., Fert A. Impact of the Electrical Connection of Spin Transfer Nano-oscillators on Their Synchronization: an Analytical Theory // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. P. 232504.
4. Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Mutual Phase Locking of Very Nonidentical Spin Torque Nano- oscillators via Spin Wave Interaction // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2014. V. 67. P. 20601.
5. Сафин А.Р. и др. Нагрузочные характеристики спин-трансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ. 2017. № 6. С. 56—63.
6. Mitrofanov A., Safin A., Udalov N., Kapranov M. Theory of Spin Torque Nano-oscillator-based Phase- locked Loop // J. of Appl. Phys. 2017. V. 122. P. 123903.
7. Дворников А.А. Фазированные автогенераторы радиопередающих устройств. М.: Энергия, 1980.
8. Дворников А.А., Уткин Г.М. Автогенераторы в радиотехнике. М.: Радио и связь, 1991.
9. Tamaru S. e. a. Measurement of Shot Noise in Magnetic Tunnel Junction and its Utilization for Accurate System Calibration // J. Appl. Phys. 2017. V. 122. P. 193901.
10. Kreissig M. e. a. Vortex Spin-torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop Using Integrated Circuits // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 056653.
11. Awad A. e. a. Long-range Mutual Synchronization Of Spin Hall Nano-oscillators // Nat. Phys. 2016. V. 14. P. 1—9.
12. Lebrun R. e. a. Mutual Sybchronization of Spin Torque Nanooscillators Through a Long-Range and Tunable Electrical Coupling Scheme // Nat. Comm. 2017. V. 8. P. 1—7.
---
Для цитирования: Сафин А.Р., Удалов Н.Н., Капранов М.В. Сравнение последовательной и параллельной схем сложения мощностей многих автогенераторов // Вестник МЭИ. 2018. № 3. С. 141—145. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-3-141-145.
#
1. Slavin A., Tiberkevich V. Nonlinear Auto-oscillator Theory of Microwave Generation by Spin-Polarized Current. IEEE Trans. Mag. 2009;45:1875—1918.
2. Grollier J., Cros V., Fert A. Synchronization of Spin-transfer Oscillators Driven by Stimulated Microwave Currents. Phys. Rev. 2006;73:060409(R).
3. Georges B., Grollier J., Cros V., Fert A. Impact of the Electrical Connection of Spin Transfer Nano-oscillators on Their Synchronization: an Analytical Theory. Appl. Phys. Lett. 2008;92:232504.
4. Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Mutual Phase Locking of Very Nonidentical Spin Torque Nano- oscillators via Spin Wave Interaction. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2014;67:20601.
5. Safin A.R. i dr. Nagruzochnye Kharakteristiki Spin-Transfernogo Nanoostsillyatora. Pis'ma v ZHTF. 2017;6:56—63. (in Russian).
6. Mitrofanov A., Safin A., Udalov N., Kapranov M. Theory of Spin Torque Nano-oscillator-based Phase- locked Loop. J. of Appl. Phys. 2017;122:123903.
7. Dvornikov A.A. Fazirovannye Avtogeneratory Radioperedayushchikh Ustroystv. M.: Energiya, 1980. (in Russian).
8. Dvornikov A.A., Utkin G.M. Avtogeneratory v Radiotekhnike. M.: Radio i Svyaz', 1991. (in Russian).
9. Tamaru S. e. a. Measurement of Shot Noise in Magnetic Tunnel Junction and its Utilization for Accurate System Calibration. J. Appl. Phys. 2017;122:193901.
10. Kreissig M. e. a. Vortex Spin-torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop Using Integrated Circuits. AIP Advances. 2017;7:056653.
11. Awad A. e. a. Long-range Mutual Synchronization Of Spin Hall Nano-oscillators. Nat. Phys. 2016;14:1—9.
12. Lebrun R. e. a. Mutual Sybchronization of Spin Torque Nanooscillators Through a Long-Range and Tunable Electrical Coupling Scheme. Nat. Comm. 2017;8:1—7.
---
For citation: Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Comparison between the Series and Parallel Power Output Summation Arrangements for an Ensemble of Self-oscillators. MPEI Vestnik. 2018;3:141—145. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-3-141-145.
