radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-4-123-132radioelectronics-782Research ArticleМЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫMETROLOGY, INFORMATION AND MEASURING DEVICES AND SYSTEMSМинималистичная система характеристик нелинейных видеоимпульсных устройств и ее измерениеMinimalistic System of Characteristics of Non-linear Baseband Pulse Devices and Its MeasurementНазаровМ. А.NazarovM. A.

Назаров Максим Андреевич – младший научный сотрудник ИСЭ СО РАН, младший научный сотрудник кафедры радиоэлектроники и систем связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

ИСЭ СО РАН, пр. Академический, д. 2/3, Томск, 634055

Автор 11 научных работ. Сфера научных интересов – сверхкороткоимпульсные и сверхширокополосные нелинейные измерения.

Maxim A. Nazarov – junior researcher of Institute of High Current Electronics SBRAS, junior researcher of the Department of Radioelectronics and Communication Systems of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics.

IHCESBRAS, 2/3, Akademichesky Ave., Tomsk 634055

The author of 11 scientific publications. Area of expertise: ultra-short pulse and ultra-wideband nonlinear measurements.

mnaz90@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5470-1185СеменовЭ. В.SemyonovE. V.

Семенов Эдуард Валерьевич – доктор технических наук (2012), доцент (2009), старший научный сотрудник ИСЭ СО РАН , профессор кафедры радиоэлектроники и систем связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 

ИСЭ СО РАН, пр. Академический, д. 2/3, Томск, 634055

Автор более 160 научных и учебно-методических работ. Сфера научных интересов – синтез нелинейных моделей элементов и устройств для импульсных режимов; измерение нелинейных искажений сложных сигналов; диагностические и локационные системы с использованием нелинейного отклика на импульсные воздействия.

Edward V. Semyonov – Dr Sci. (Eng.) (2012), Associate Professor (2009), Senior Researcher of Institute of High Current Electronics SBRAS, Professor of the Department of Radioelectronics and Communication Systems of Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics.

IHCESBRAS, 2/3, Akademichesky Ave., Tomsk 634055

The author of more than 160 scientific publications. Area of expertise: synthesis of nonlinear models for elements and devices at pulse impacts; measurement of nonlinear distortions of complex signals; diagnostic and radar systems with analysis of nonlinear response to pulse impacts.

edwardsemyonov@narod.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences;Tomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation202301102023264123132Copyright © Назаров М.А., Семенов Э.В., 20232023Назаров М.А., Семенов Э.В.Nazarov M.A., Semyonov E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/782Введение

Введение. Распространенная система параметров, включающая точки компрессии и точки пересечения для различных гармоник, непригодна для устройств, работающих при видеоимпульсных воздействиях (например, до модулятора в передатчике, после демодулятора в приемнике). Ранее авторами разработаны простые модели в виде нелинейных рекурсивных фильтров, дающие удовлетворительную погрешность описания отклика широкого класса видеоимпульсных цепей. Система нелинейных функций таких моделей может рассматриваться как новая система характеристик нелинейно-инерционных видеоимпульсных цепей, для чего необходимо разработать метод, обеспечивающий их измерение с допустимой погрешностью. В общей постановке эта задача весьма сложна, поэтому в настоящей статье рассмотрен лишь нелинейный рекурсивный фильтр первого порядка. Полученные зависимости, тем не менее, дают удовлетворительные результаты для устройств без выброса на плоской вершине переходной характеристики.

Цель работы

Цель работы. Рассмотреть способ измерения характеристик нелинейно-инерционных видеоимпульсных устройств без выброса на плоской вершине переходной характеристики.

Материалы и методы

Материалы и методы. Рассмотренный рекурсивный фильтр представлен эквивалентной схемой из нелинейных резистивного и емкостного элементов. Поэтому задача сводится к измерению их вольт-амперной характеристики (ВАХ) и кулон-вольтовой характеристики. ВАХ измеряется на плоских вершинах переходных характеристик устройства. Имея определенную ВАХ, получаем возможность вычислить ток (и далее заряд) емкостного элемента. Экспериментальное исследование выполнено на примере трехкаскадного усилителя с апериодической переходной характеристикой.

Результаты

Результаты. Переходные характеристики фильтра аппроксимированы моделью с точностью не хуже 3.2 %.

Заключение

Заключение. Рассмотренная система функций может быть получена с определяемой и удовлетворительной для практики погрешностью, что позволяет ее рассматривать как новую систему параметров нелинейных видеоимпульсных устройств

Introduction

Introduction. The general system of parameters, including compression points and intersection points of various harmonics, is unsuitable for devices operating under the influence of baseband pulses (for example, before the modulator in the transmitter, after the demodulator in the receiver). Previously, the authors have developed simple models in the form of nonlinear recursive filters, which give a satisfactory error in describing the response of a wide class of baseband pulse circuits. The system of nonlinear functions of such models can be considered as a new system of characteristics of nonlinear-dynamical baseband impulse circuits, for which it is necessary to develop a method that ensures their measurement with an acceptable error. In the general formulation, this problem is rather challenging; therefore, this article considers only a first-order nonlinear recursive filter. However, the obtained result gives satisfactory results for devices without flat top transient overshoot.

Aim

Aim. To consider a method for measuring the characteristics of nonlinear-dynamical baseband impulse devices without overshoot on the flat top of the transient response.

Materials and methods

Materials and methods. The considered recursive filter is represented by an equivalent circuit consist of nonlinear resistive and capacitive elements. Therefore, the task is reduced to measuring their current-voltage characteristics (IV) and charge-voltage characteristics (CVC). IV characteristics are measured at the flat tops of the transient characteristics of the device. Having a certain IV, we obtain the opportunity to calculate the current (and then the charge) of the capacitive element. The experimental study was carried out on the example of a three-stage amplifier with an aperiodic transient response.

Results

Results. The transient characteristics of the filter are approximated by the model with an accuracy of no worse than 3.2 %.

Conclusion

Conclusion. The considered system of functions can be obtained with a definable error that satisfactory for practice, which allows it to be considered as a new system of parameters for nonlinear baseband pulse devices.

нелинейные поведенческие моделивидеоимпульсные сигналывольт-амперная характеристикакулон-вольтовая характеристиканелинейные искаженияnonlinear behavioral modelsbaseband pulse signalscurrent-voltage characteristiccharge-voltage characteristicnonlinear distortionsРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 22-29-00605.This work was supported by the Russian Science Foundation, project no. 22-29-00605.ReferencesNonlinear system and subsystem modeling in the domain / M. I. Sobhy, E. A. Hosny, M. W. R. Ng, E. A. Bakkar // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1996. Vol. 44, iss. 12. P. 2571–2579. doi: 10.1109/22.554605Sobhy M. I., Hosny E. A., Ng M. W. R., Bakkar E. A. Nonlinear System and Subsystem Modeling in the Domain. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1996, vol. 44, iss. 12, pp. 2571–2579. doi: 10.1109/22.554605Pedro J. C., Maas S. A. A comparative overview of microwave and wireless power-amplifier behavioral modeling approaches // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, iss. 4. P. 1150– 1163. doi: 10.1109/TMTT.2005.845723Pedro J. C., Maas S. A. A Comparative Overview of Microwave and Wireless Power-Amplifier Behavioral Modeling Approaches. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, iss. 4, pp. 1150–1163. doi: 10.1109/TMTT.2005.845723Systematic behavioral modeling of nonlinear microwave/RF circuits in the time domain using techniques from nonlinear dynamical systems / D. E. Root, J. Wood, N. Tufillaro, D. Schreurs, A. Pekker // Proc. of the IEEE Intern. Workshop on Behavioral Modeling and Simulation. Santa Rosa, 08 Oct. 2002. P. 71–74. doi: 10.1109/BMAS.2002.1291060Root D. E., Wood J., Tufillaro N., Schreurs D., Pekker A. Systematic Behavioral Modeling of Nonlinear Microwave/RF Circuits in the Time Domain Using Techniques from Nonlinear Dynamical Systems. Proc. of the 2002 IEEE Intern. Workshop on Behavioral Modeling and Simulation, Santa Rosa, 08 Oct, 2002, pp. 71–74. doi: 10.1109/BMAS.2002.1291060Broadband poly-harmonic distortion (PHD) behavioral models from fast automated simulations and large-signal vectorial network measurements / D. E. Root, J. Verspecht, D. Sharrit, J. Wood, A. Cognata // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, iss. 11. P. 3656–3664. doi: 10.1109/TMTT.2005.855728Root D. E., Verspecht J., Sharrit D., Wood J., Cognata A. Broadband Poly-Harmonic Distortion (PHD) Behavioral Models from Fast Automated Simulations and Large-Signal Vectorial Network Measurements. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, iss. 11, pp. 3656–3664. doi: 10.1109/TMTT.2005.855728Qi H., Benedikt J., Tasker P. A novel approach for effective import of nonlinear device characteristics into CAD for large signal power amplifier design // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, San Francisco, 11–16 June 2006. P. 477–480. doi: 10.1109/MWSYM.2006.249596Qi H., Benedikt J., Tasker P. A Novel Approach for Effective Import of Nonlinear Device Characteristics into CAD for Large Signal Power Amplifier Design. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, San Francisco, 11–16 June 2006, pp. 477–480. doi: 10.1109/MWSYM.2006.249596A novel measurement based method enabling rapid extraction of a rf waveform look-up table based behavioral model / S. Woodington, T. Williams, H. Qi, D. Williams, L. Pattison, A. Patterson, J. Lees, J. Benedikt, P. J. Tasker // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest. Atlanta, 15–20 June 2008. P. 1453–1456. doi: 10.1109/MWSYM.2008.4633053Woodington S., Williams T., Qi H., Williams D., Pattison L., Patterson A., Lees J., Benedikt J., Tasker P. J. A Novel Measurement Based Method Enabling Rapid Extraction of a RF Waveform Look-Up Table Based Behavioral Model. 2008 IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, Atlanta, 15–20 June 2008, pp. 1453–1456. doi: 10.1109/MWSYM.2008.4633053Amini A.-R., Boumaiza S. Time-invariant behavioral modeling for harmonic balance simulation based on waveform shape maps // IEEE MTT-S Intern. Conf. on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, 11–14 Aug. 2015. Acc. № 15805288. doi: 10.1109/NEMO.2015.7415098Amini A. R., Boumaiza S. Time-Invariant Behavioral Modeling for Harmonic Balance Simulation Based on Waveform Shape Maps. 2015 IEEE MTT-S Intern. Conf. on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, 11–14 Aug. 2015, Acc. no. 15805288. doi: 10.1109/NEMO.2015.7415098A generalized memory polynomial model for digital predistortion of RF power amplifiers / D. R. Morgan, Z. Ma., J. Kim, M. G. Zierdt, J. Pastalan // IEEE Trans. on Signal Processing. 2006. Vol. 54, iss. 10. P. 3852– 3860. doi: 10.1109/TSP.2006.879264Morgan D. R., Ma. Z., Kim J., Zierdt M. G., Pastalan J. A generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers. IEEE Trans. on Signal Processing. 2006, vol. 54, iss. 10, pp. 3852– 3860. doi: 10.1109/TSP.2006.879264Tarantola A. Inverse problem theory and methods for model parameter estimation / Soc. ind. appl. math. 2005. 354 p. doi: 10.1137/1.9780898717921Tarantola A. Inverse Problem Theory and Methods for Model Parameter Estimation. Soc. ind. appl. math. 2005, 354 p. doi: 10.1137/1.9780898717921Semyonov E. V. Simple behavioral model of baseband pulse devices in the form of a second-order nonlinear recursive filter // IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2021. Vol. 68, iss. 6. P. 2192–2196. doi: 10.1109/TCSII.2020.3048819Semyonov E. V. Simple Behavioral Model of Baseband Pulse Devices in the Form of a Second-Order Nonlinear Recursive Filter. IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2021, vol. 68, iss. 6, pp. 2192–2196. doi: 10.1109/TCSII.2020.3048819Semyonov E. V. Synthesis of behavioral models for circuits with nonlinearity less than model error // IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2023. Vol. 70, iss. 6. P. 2216–2220. doi: 10.1109/TCSII.2022.3231873Semyonov E. V. Synthesis of Behavioral Models for Circuits with Nonlinearity Less Than Model Error. IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2023, vol. 70, iss. 6, pp. 2216–2220. doi: 10.1109/TCSII.2022.3231873Ultra-short pulse current–voltage characterization of the intrinsic characteristics of high-κ devices / C. D. Young, Y. Zhao, M. Pendley, B. H. Lee, K. Matthews, J. H. Sim, R. Choi, G. A. Brown, R. W. Murto, G. Bersuker // Japanese J. of Applied Physics. 2005. Vol. 44, № 4S. P. 2437–2440. doi: 10.1143/JJAP.44.2437Young C. D., Zhao Y., Pendley M., Lee B. H., Matthews K., Sim J. H., Choi R., Brown G. A., Murto R. W., Bersuker G. Ultra-Short Pulse Current–Voltage Characterization of the Intrinsic Characteristics of High-κ Devices. Japanese J. of Applied Physics. 2005, vol. 44, no. 4S, pp. 2437–2440. doi: 10.1143/JJAP.44.2437Kuhn M. A quasi-static technique for MOS CV and surface state measurements // Solid-State Electronics. 1970. Vol. 13, № 6. P. 873–885. URL: https://homepages.rpi.edu/~sawyes/quasi_static_CV.pdf (дата обращения 04.05.2023)Kuhn M. A Quasi-Static Technique for MOS CV and Surface State Measurements. Solid-State Electronics. 1970, vol. 13, no. 6, pp. 873–885. Available at: https://homepages.rpi.edu/~sawyes/quasi_static_CV.pdf (accessed 04.05.2023)Назаров М. А., Семенов Э. В. Анализ нелинейно-инерционных свойств устройств оцифровки с использованием их модели в виде нелинейного рекурсивного фильтра // Докл. ТУСУР. 2022. Т. 25, № 4. С. 110–114.Nazarov M. A., Semyonov E. V. Simple Behavioral Model of a Recording Device Using a SecondOrder Non-Linear Recursive Filter. Proc. of TUSUR University. 2022, vol. 25, no. 4, pp. 110–114. (In Russ.)Singleton H. E. Theory of nonlinear transducers // MIT. Research Lab. of electronics. Tech. rep. № 100. 1950. 52 p. URL: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/4896/RLE-TR-160-04722817.pdf (дата обращения 30.04.2023)Singleton H. E. Theory of Nonlinear Transducers. MIT. Research Lab. of electronics. Tech. rep. № 100. 1950, 52 p. Available at: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/4896/RLE-TR-160-04722817.pdf (accessed 30.04.2023)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.