Ширина спектральной линии спин-трансферного наноосциллятора, синхронизированного фазовой автоподстройкой частоты.

Ширина спектральной линии спин-трансферного наноосциллятора,
синхронизированного фазовой автоподстройкой частоты.
А.А. Митрофанов1, А.Р. Сафин1,2, Н.Н. Удалов1.
1
Национальный Исследовательский Университет «МЭИ»
2
Национальный Исследовательский Университет «МГТУ им. Н.Э. Баумана»
E-mail: mitrofanov_alexander@mail.ru
Спин-трансферные наноосцилляторы (СТНО) представляют собой
новый тип генераторов микроволнового излучения, которые обладают
такими преимуществами, как наноразмеры, широкий диапазон перестройки
частоты, совместимость с технологией производства
КМОП, малое
энергопотребление, радиационная стойкость [1,2]. Принцип работы таких
генераторов основан на эффекте спинового токопереноса (англ. spin–transfer
torque), благодаря которому при достаточном значении постоянного тока
смещения в магнитном слое СТНО возникает прецессия намагниченности.
Благодаря току смещения и эффекту гигантского магнетосопротивления
(ГМС) происходит колебание выходного напряжения. В зависимости от
конструкции, значения тока смещения и внешнего магнитного поля
покрываемый диапазон частот составляет от сотен мегагерц до сотен
гигагерц [3].
Для любого генератора одной из главных характеристик является
уровень фазовых шумов. Первые измерения показали высокое значение
фазовых
шумов,
которые
не
соответствуют
требованиям
телекоммуникационных и передающих устройств. Одним из способов их
уменьшения является использование системы фазовой автоподстройки
частоты (ФАПЧ) [4]. Кроме того, одним из применений ФАПЧ СТНО
является создание устройств для измерения фазовых шумов [5]. Ранее,
авторами была исследована динамика таких систем [6]. В данной работе
представлен анализ дисперсии шума СТНО, синхронизированного ФАПЧ.
В качестве модели для исследования шумовых характеристик СТНО
используем укороченные уравнения для линеаризованной модели СлавинаТиберкевича [2], дополненного функцией, описывающей влияния ФАПЧ [6]:
 d u
 dt  Г u  E  D f n (t )

(1)

d

D

 N l u 
f n (t )
 dt
U0
где Г - коэффициент затухания, учитывающий влияние эффекта спинового
токопереноса и релаксации колебаний, E - коэффициент синхронизации,
учитывающий влияние сигнала ошибки в цепи обратной связи ФАПЧ, N l линеаризованный
коэффициент
неизохронности, f n (t )
-
функция,
описывающая влияние белого температурного шума,  u и  - малые
отклонения от стационарного значения амплитуды и фазы колебаний СТНО,
соответственно, D - дисперсия шума, U 0 - стационарное значение
амплитуды.
В работах [2,7] было показано, что за время  дисперсия автономного
СТНО нарастает по следующему закону:
  ( ) 
2
При больших 
приращением:
Dn
U 02
2 Г 
DnU 0 2
e
 N
(   (1 
))
Г
2Г
2
(2)
получим диффузионный закон со стационарным
2
 Dn
2 DnU 0 
(3)
  ( )   2  N
 
Г
U
 0

Для определения дисперсии синхронизированного ФАПЧ СТНО
вычислим корреляционную функцию, используя (1):
D
1
  t t
k (t2  t1)  2
e 2 1 ((( Г  NU ) 2  ENl )cos  0 t2  t1 
U 0 4 ENl
(4)

(( Г  NU ) 2  ENl )
sin  0 t2  t1 )
2
0
где   2Г ,  02  ENl   2 . При этом дисперсия фазовых флуктуаций
определяется выражением:

2
D ( Г  NU )2  ENl )
 k (0)  2
8 ГENl
U0
(5)
На рис. 1 показаны зависимости дисперсии фазовых флуктуаций для
трех типов автогенераторов – автономного изохронного ( E  0, N l  0 ),
автономного неизохронного ( E  0 ) и синхронизированного неизохронного
от нормированного времени  .
Видно, что неизохронность, являясь механизмом для изменения
частоты, существенно ухудшает шумовые свойства СТНО. Также видно, что
дисперсия фазового шума не имеет конечного значения. Это связано с тем,
что отклонения фазы, вызванные шумами накапливаются, так как
отсутствует возвращающая сила. Это характерно для всех автономных
автогенераторов [8].
В случае использования системы ФАПЧ такая возвращающая сила
существует, и спектральная плотность имеет конечное значение на нулевой
частоте. Соответственно фазовые отклонения со временем в такой системе не
накапливаются.
Рис. 1. Зависимость дисперсии автономного изохронного, автономного
неизохронного и синхронизированного неизохронного СТНО от времени
наблюдения.
Библиографический список
1. W. H. Rippard, M. R. Pufall, S. Kaka, T. J. Silva, and S. E. Russek / Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle // Phys. Rev.
B, vol. 70, p. 100406, 2004.
2. A. Slavin, V. Tiberkevich / Nonlinear auto-oscillator theory of microwave generation by spinpolarized current. IEEE Trans. On Magn. // Vol. 45, No. 4, April 2009. Pp. 1875-1918.
3. Stefano Bonetti, Pranaba Muduli, Fred Mancoff, and Johan Åkerman / Spin torque oscillator
frequency versus magnetic field angle: The prospect of operation beyond 65 GHz // Appl.
Phys. Lett. 2009. Vol. 94, 102507.
4. К.Г. Мишагин, В.Д. Шалфеев / Синхронизация спинового наногенератора с
использование цепи фазовой автоподстройки частоты // письма в ЖТФ, 2010, т.36,
вып.22, с.51-57.
5. P. Villard, U. Ebels, D. Houssameddine, J. Katine, D. Mauri, B. Delaet, P. Vincent, M. Cyrille, B. Viala, J. Michel, J. Prouvée, and F. Badets / A GHz Spintronic-Based RF Oscillator // IEEE journal of solid-state circuits, Vol. 45, No. 1, 2010, pp.214-223.
6. А.А. Митрофанов, А.Р. Сафин,Н.Н. Удалов / Система фазовой синхронизации спинтрансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ 2014, т.40 вып.13. с.66-72,
7. J.-V. Kim, V. Tiberkevich, A. Slavin / Stochastic theory of spin-transfer oscillator
linewidths // Phys. Rev. Lett. 2008. vol. 100, p. 017207.
8. Жалуд В. и Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. М., «Сов. радио»,
1977, с. 338.
Сведения об авторах
Митрофанов Александр Александрович
аспирант, дата рождения:
08.01.1991г
Сафин Ансар Ризаевич – к.т.н. дата рождения: 15.05.1988г.
Удалов Николай Николаевич – д.т.н., проф., дата рождения: 01.03.1943г.
Вид доклада: устный