انتشار مایکروویو بسیار منسجم از اسیلاتور گشتاور چرخش تثبیت شده توسط حلقه قفل شده فاز

Spin Torque Oscillator (STO) از زمان ظهور ، به عنوان کاندیدای منابع سیگنال مایکروویو نسل بعدی برای سیستم های مختلف الکترونیک مدرن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال ، سر و صدای فاز STO ها تحت نوسان در حال اجرا آزاد هنوز هم بسیار بزرگ است تا در کاربردهای مایکروویو عملی مورد استفاده قرار گیرد ، بنابراین وسیله ای قابل استفاده برای تثبیت نوسانات آن به شدت مورد استفاده قرار گرفته است. در اینجا ما اجرای یک حلقه قفل شده فاز را با استفاده از STO به عنوان یک نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ (VCO) نشان می دهیم که یک سیگنال مایکروویو 7. 344 گیگاهرتز تثبیت شده توسط یک سیگنال مرجع 153 مگاهرتز ایجاد می کند. اندازه گیری طیف قفل فاز موفقیت آمیز سیگنال مایکروویو را به سیگنال مرجع نشان داد ، که توسط یک اوج نوسان بسیار باریک با یک خط خط کمتر از حد اندازه گیری 1 هرتز مشخص می شود. این تظاهرات باید یک پیشرفت بزرگ به سمت کاربردهای مختلف عملی STOS باشد.

معرفی

Flexible yet stable frequency synthesis of microwave signals is a key enabler for various mode electronics systems including wireless communication, radar, global positioning system to name a few. Spin torque oscillators (STOs), which generate a continuous microwave signal by first exciting spin precession through spin transfer torque (STT) 1,2 and next converting it to an electrical signal through magneto-resistance (MR) effect, possess many attractive features for the above mentioned applications, such as nano-scale dimension due to self-oscillation without resonance circuits, low power operation, wide frequency tunability and compatibility with semiconductor fabrication processes. These make STO a promising candidate for the next generation microwave signal sources and therefore since its initial experimental demonstrations 3,4,5,6 , extensive research efforts have been devoted to improve the STO’s basic performances such as emission power and quality factor (Q factor) 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 . Deac et al. demonstrated a large emission power (>0. 1 میکرو وات) در STO 13 مبتنی بر MTJ به دلیل نسبت MR غول پیکر اتصال تونل مغناطیسی مبتنی بر MGO (MTJ) 30،31. تا به امروز ، قدرت انتشار STO های مبتنی بر MTJ به چند میکروگرم 22،25 رسیده است. علاوه بر این ، استفاده از پیشگیری بسیار منسجم خارج از هواپیما از مغناطیس لایه آزاد برای کاهش پهنای خط طیفی و در نتیجه افزایش فاکتور Q یک STO در حال اجرا 18،21،23 مؤثر است. چنین پیشگیری خارج از هواپیما را می توان با القای ناهمسانگردی مغناطیسی عمود بر لایه آزاد و/یا استفاده از یک میدان مغناطیسی عمود بر روی لایه آزاد تحقق بخشید.

علیرغم این تلاشهای گسترده ، با این وجود ، هنوز هم شکاف عمیقی بین سطح سر و صدای فاز فعلی STO های در حال اجرا آزاد و نیازهای صنعت وجود دارد ، که مانع پذیرش STO ها در سیستم های الکترونیکی واقعی 27،28 شده است. بنابراین ، نوعی وسیله قابل استفاده از نظر صنعتی برای تثبیت نوسان STO به شدت به دنبال غلبه بر این دشواری بوده است. تکنیک هایی که بسیاری از محققان تاکنون برای این منظور دنبال کرده اند ، قفل فاز متقابل بین دو STO با واسطه چرخش 8،9،11،14 و به اصطلاح قفل تزریق 7،12،19،20،29 است. در قفل تزریق ، یک سیگنال فرکانس رادیویی خارجی (RF) (یا جریان RF 7،12،20 یا میدان مغناطیسی RF 19،29) از همان فرکانس نوسان STO یا چند کسری آن برای تثبیت در STO تزریق می شود. نوساننشان داده شده است که این تکنیک در واقع می تواند نوسانات STO را به سیگنال RF تزریق شده همگام سازی کند ، و در نتیجه همان خلوص طیفی به عنوان سیگنال RF تزریق شده ، بنابراین به طور مؤثر سر و صدای فاز نوسان STO را سرکوب می کند. با این حال ، این تکنیک تاکنون استفاده عملی کمی پیدا کرده است زیرا به منبع سیگنال دیگری نیاز دارد که همان فرکانس یکسان یا حتی بالاتر از نوسان STO را تولید کند. از طرف دیگر ، پرکاربردترین تکنیک برای تثبیت نوسان نوسان سازهای مایکروویو معمولی ، حلقه قفل شده فاز (PLL) 33 است. در این تکنیک ، فاز سیگنال RF تولید شده توسط یک نوسان ساز کنترل شده با ولتاژ (VCO) ، که فرکانس آن را می توان با ولتاژ کاربردی تنظیم کرد ، با یک سیگنال مرجع مقایسه می شود. خطای فاز بین این دو سیگنال به یک سیگنال ولتاژ تبدیل می شود و به ورودی کنترل VCO تغذیه می شود تا به صورت پویا فرکانس را تنظیم کند به طوری که خطای فاز همیشه در پهنای باند حلقه بازخورد به حداقل می رسد. قابل توجه ترین مزیت PLL نسبت به قفل تزریق معمولی این است که فرکانس سیگنال مرجع ، f_مرجع، معمولاً بسیار پایین تر از سیگنال خروجی VCO است. این اجازه می دهد تا از یک سیگنال مرجع در محدوده فرکانس 10-100 مگاهرتز ، که می تواند به راحتی توسط یک منبع سیگنال بسیار پایدار مانند نوسان ساز کریستال جبران شده دما (TCXO) یا نوسان ساز Rubidium ایجاد شود ، برای تثبیت سیگنال فرکانس بسیار بالاتر تولید شده توسطVCOPLL معمولاً برای تثبیت نوسان سازهای مختلف مایکروویو مورد استفاده قرار گرفته است که تلاش برای تثبیت نوسان STO توسط PLL نیز بسیار طبیعی است. چنین تلاشی در واقع توسط کلر و همکاران انجام شده است. که قفل فاز موفقیت آمیز سیگنال خروجی را از یک گرداب STO به یک سیگنال مرجع 17 نشان داد. با این حال ، اگرچه کار آنها قطعاً اولین نقطه عطف اصلی برای تولید یک سیگنال خروجی STO بسیار منسجم است ، فرکانس پایین به دلیل استفاده از STO گرداب و این واقعیت که فرکانس مرجع همان فرکانس STO در کار آنهاستهنوز هم بسیاری از مشکلات فن آوری وجود دارد تا STO ها بتوانند سیگنال خروجی دامنه GHz را با انسجام به اندازه کافی بالا برای برنامه های مایکروویو عملی تولید کنند.

در اینجا ما در مورد اولین نمایش PLL مبتنی بر STO که در محدوده فرکانس مایکروویو کار می کند ، گزارش می کنیم ، که یک فاز سیگنال مایکروویو 7. 344 گیگاهرتز بسیار منسجم را که به یک سیگنال مرجع 153 مگاهرتز قفل شده است ، تولید می کند. اندازه گیری طیف یک پهنای خط کمتر از حد اندازه گیری (1 هرتز) را در نوسان قفل شده فاز نشان داد. کلیدهای موفقیت ما ساخت STO های با کارایی بالا بود که یک فاکتور Q به اندازه کافی بالا و همچنین یک مدار PLL را برای مقابله با طیف نویز فاز گسترده ای از STO نشان می داد.

آزمایشی

ما STO های متشکل از MTJ مبتنی بر MGO مبتنی بر نوع نانو را با لایه آزاد فوریه تقریباً عمود و لایه مرجع CoFeb مغناطیسی درون هواپیما ساخته ایم. با کمک ناهمسانگردی مغناطیسی عمود (PMA) از لایه آزاد فورپیشگویی هواپیما. ساختار و فرآیندهای ساخت STO مبتنی بر MTJ که در این کار مورد استفاده قرار می گیرد در روش ها توضیح داده شده است.

شکل 1 نمودار بلوک ساده شده از PLL ساخته شده در این کار را نشان می دهد (یک نمودار بلوک دقیق تر در روش ها ارائه شده است). STO از نظر اسمی در نوسان در حدود 7. 344 گیگاهرتز بود. سیگنال خروجی STO برای اولین بار توسط 48 توسط پیشخوان پایین (DC) به حساب آمد و به یک ورودی از ردیاب فرکانس فاز (PFD) ارسال شد. یک سیگنال مرجع 153 مگاهرتز به ورودی دیگر PFD ارسال شد و PFD یک سیگنال ولتاژ متناسب با خطای فاز بین دو سیگنال ورودی (سیگنال خطای فاز) ، V ایجاد کرد_پستانبشرحرفهای_پستانبا عبور کم توسط یک فیلتر حلقه فیلتر شد (در شکل 1 نشان داده نشده است ، روش ها را ببینید) و در نهایت به STO تغذیه می شود تا به صورت پویا فرکانس نوسان را تنظیم کند به طوری که خطای فاز همیشه به حداقل می رسد. سیگنال خروجی STO همچنین برای اندازه گیری طیف دامنه فرکانس یا اسیلوسکوپ نمونه برداری برای اندازه گیری شکل موج دامنه زمان به یک آنالایزر طیف ارسال شد.

نمودار بلوک ساده از حلقه قفل شده فاز ساخته شده در این کار.

عملکرد هر بلوک به شرح زیر است. نوسانگر گشتاور چرخش (STO) از نظر اسمی به نوسان در حدود 7. 344 گیگاهرتز است. پایین پیشخوان (DC) پایین سیگنال ورودی را 48 شمارش می کند ، بنابراین سیگنال RF 7. 344 گیگاهرتز را به 153 مگاهرتز تبدیل می کند. ردیاب فرکانس فاز (PFD) یک سیگنال ولتاژ متناسب با خطای فاز بین دو سیگنال ورودی ایجاد می کند ، که به STO باز می گردد تا به صورت پویا نوسان را تثبیت کند تا خطای فاز همیشه به حداقل برسد.

نتایج و بحث

شکل 2 ویژگی های در حال اجرا رایگان STO مورد استفاده در این کار را خلاصه می کند. شکل 2A طیف سیگنال خروجی STO را تحت ولتاژهای مختلف تعصب ، V نشان می دهد_Bبشراوج نوسان به عنوان V به فرکانس پایین تر تغییر می کند_Bاز 118. 4 میلی ولت تا 134. 3 میلی ولت افزایش می یابد. دهانه فرکانس ، f_طول، از این اندازه گیری ها به 200 مگاهرتز تنظیم شده است و تأیید شده است که هیچ قله دیگری در خارج از این دهانه فرکانس مشاهده نمی شود. شکل 2B فرکانس اوج را به عنوان تابعی از V ترسیم می کند_Bبشراین STO یک تغییر قرمز یکنواخت در این محدوده ولتاژ تعصب با ضریب چابک ی-3. 9 مگاهرتز در میلی ولت در اطراف مرکز این نقشه 32 نشان داد. شکل 2C دامنه سیگنال خروجی STO را به عنوان تابعی از V ترسیم می کند_Bبشربه طور کلی ، یک VCO مطلوب است که دامنه ثابت در محدوده تنظیم فرکانس برای برنامه های PLL ایجاد کند. اگر نه تنها فرکانس بلکه دامنه خروجی VCO تحت تأثیر ولتاژ کنترل قرار می گیرد ، در V تغییر می کند_پستانبه طور مستقیم به نوسان دامنه تبدیل می شوند که نمی تواند توسط PLL تثبیت شود ، بنابراین وقتی فرکانس خروجی VCO توسط PLL تنظیم می شود ، خلوص طیفی را تخریب می کند. این طرح نشان می دهد که دامنه خروجی STO فقط 3. 5 ± نسبت به V متفاوت است_Bدامنه مورد استفاده برای تنظیم فرکانس. این نتایج ثابت می کند که این STO عملکرد خوبی را به عنوان VCO نشان می دهد.

ویژگی های در حال اجرا رایگان STO که در این کار استفاده شده است.

(الف) طیف سیگنال RF تولید شده توسط STO تحت ولتاژهای مختلف تعصب. این طیف ها توسط یک آنالایزر طیف با دهانه فرکانس 200 مگاهرتز و پهنای باند وضوح 1 مگاهرتز مشاهده می شوند.(ب) فرکانس اوج و (ج) دامنه به عنوان تابعی از ولتاژ تعصب. چابکی شیب فرکانس اطراف نقطه تعصب اسمی V است_B= 126. 4 میلی ولت.

شکل 3 عملکرد PLL مبتنی بر STO را که در این کار ساخته شده است نشان می دهد. شکل 3A مقایسه دو طیف خروجی STO را نشان می دهد. منحنی های قرمز و آبی به ترتیب نوسانات قفل شده و فاز به ترتیب رایگان هستند. در این طرح ، f_طولو پهنای باند وضوح (RBW) به ترتیب 50 مگاهرتز و 300 کیلوهرتز تنظیم شده است. منحنی قرمز یک پهنای خط در حدود 4. 1 مگاهرتز را نشان می دهد ، که مربوط به یک عامل Q در حدود 1800 است. این برای STO های نوع نانو رنگ بسیار زیاد است اما هنوز هم برای اکثر کاربردهای عملی به اندازه کافی بالا نیست. از طرف دیگر ، منحنی آبی اوج بسیار تیز را در سمت راست 7. 344 گیگاهرتز نشان می دهد. شکل 3b یک نمای بزرگ از این قله با f است_طولاز 1 کیلوهرتز و RBW از 1 هرتز. یک قله بسیار باریک هنوز هم در 7. 344 گیگاهرتز ظاهر می شود. توجه کنید که شکل 3A یک قطعه برق خطی است در حالی که شکل 3b یک نقشه لگاریتمی است زیرا کف سر و صدا خیلی کم است تا هنگام تنظیم RBW روی 1 هرتز در یک طرح خطی نمایش داده شود. پهنای خط ، به عنوان تفاوت بین نقاط فرکانس پایین و بالاتر که 3 دسی بل قدرت کمتری نسبت به اوج دارند ، تعریف شده است ، قطعاً کمتر از حد اندازه گیری 1 هرتز است. این یک امضای واضح است که PLL با موفقیت فاز سیگنال خروجی STO را به سیگنال مرجع قفل می کند. شکل 3c شکل موج دامنه زمان سیگنال خروجی STO را به رنگ زرد ، همراه با سیگنال مرجع 153 مگاهرتز به عنوان سبز نشان می دهد. این دستیابی به شکل موج توسط سیگنال مرجع انجام شد و این واقعیت که موج سینوسی به عنوان سیگنال خروجی STO در یک اسیلوسکوپ نمونه برداری مشاهده شد ، به این معنی است که خروجی STO و سیگنال مرجع دارای همبستگی زمان بندی هستند. این یکی دیگر از امضای واضح است که سیگنال خروجی STO با موفقیت به سیگنال مرجع قفل شده است.

(الف) طیف خروجی STO تحت دو شرایط عملیاتی. منحنی های قرمز و آبی به ترتیب نوسانات قفل شده و فاز به ترتیب هستند. این طیف ها توسط یک آنالایزر طیف با دهانه فرکانس 50 مگاهرتز و پهنای باند وضوح 300 کیلوهرتز مشاهده می شوند.(ب) طیف بزرگ شده از سیگنال خروجی STO قفل شده فاز در حدود 7. 344 گیگاهرتز با دهانه فرکانس 1 کیلوهرتز و پهنای باند وضوح 1 هرتز.(ج) شکل موج دامنه زمانی مشاهده شده توسط یک اسیلوسکوپ نمونه برداری با پهنای باند 20 گیگاهرتز و میانگین 64. خطوط زرد و سبز به ترتیب سیگنال خروجی STO و سیگنال مرجع را نشان می دهد.

دو عامل زیر در قفل شدن فاز موفقیت آمیز سیگنال خروجی STO که در این کار نشان داده شده است ، کمک کرده است. یکی استفاده از یک STO با کارایی بالا که دارای پهنای باریک در حالت در حال اجرا است. به طور کلی ، یک مدار PLL برای سرکوب سر و صدای فاز آن ، باید پهنای باند حلقه ای به اندازه کافی گسترده تر از خط پهنای VCO داشته باشد. خطوط باریک باریک STO مورد استفاده در این کار بر این اساس پهنای باند مورد نیاز حلقه بازخورد را به یک سطح عملی قابل دستیابی کاهش داد. مورد دیگر یک حلقه بازخورد است که برای STO سفارشی شده است. پهنای باند حلقه چندین مگاهرتز ، برای سرکوب سر و صدای فاز STO با پهنای خط 4. 1 مگاهرتز ، هنوز دو تا سه مرتبه گسترده تر از مدارهای PLL معمولی است که برای تثبیت یک VCO معمولی طراحی شده است. این به ناچار نیازهای خاصی را که باید در طراحی مدار پرداخت شود ، لازم است. حلقه بازخورد به گونه ای طراحی شده است که با استفاده از آمپلی فایرهای عملیاتی با سرعت بالا برای بلوک های PFD و LF و تنظیم افزایش حلقه باز تا حد امکان در حد ممکن در حد پایداری وجود داشته باشد. علاوه بر این ، STO یک دستگاه درگاه واحد است که در آن دو سیگنال ، ولتاژ تعصب (= V_B+ v_پستان) خروجی سیگنال ورودی و RF ، یک الکترود واحد را به اشتراک بگذارید (و الکترود دیگر پایه گذاری شده است). در واقعیت ، خروجی بلوک LF شامل V واقعی است_پستان(توزیع شده در محدوده فرکانس پایین ، عمدتا زیر 8 مگاهرتز) و سیگنال های فریبنده در فرکانس مرجع و هارمونیک بالاتر آن (در 153 مگاهرتز و چند عدد عدد صحیح آن در این کار). این سیگنال ها ، به ویژه سیگنال های فریبنده ، در صورت نشت به ورودی LNA1 ، برای عملکرد PLL مضر هستند ، زیرا می تواند شکل موج خروجی را پر کند ، یا حتی باعث از بین رفتن قفل فاز به دلیل اشتباه در پیشخوان پایین شود. به همین دلیل ، یک فیلتر پر عبور (HP) با فرکانس برش در حدود 1 گیگاهرتز به مسیر RF BIAS-TEE درج شد تا به طور کامل ولتاژ تعصب را از نشت به مسیر RF مسدود کند در حالی که سیگنال RF تولید می کندتوسط STO می تواند به ورودی LNA1 منتقل شود (برای جزئیات بیشتر به روش 4 مراجعه کنید).

نمودار بلوک دقیق PLL ساخته شده در این کار.

هر بلوک عملکردی به شرح زیر است. STO: Spin Torque Oscillator ، Bt: Bias-Tee ، LNA1: 1 تقویت کننده نویز کم ، PD: Power Divider ، LNA2: 2 تقویت کننده نویز کم ، DC1: 1 پیشخوان پایین (ثابت به 8) ، DC2: 2nd Down Count (برنامه ریزی شده به6) ، PFD: آشکارساز فرکانس فاز ، LF: فیلتر حلقه ، SA: آنالایزر طیف ، بنابراین: نمونه برداری اسیلوسکوپ ، TCXO: نوسان ساز کریستالی جبران شده با تولید ساعت مستر 10 مگاهرتز ، PLL: PLL Synthesizer تولید 153 مگاهرتز سیگنال مرجع. توضیحات مفصل در مورد عملکرد هر بلوک و اصل عملکرد در روش آورده شده است. برچسب های X 1-X5 شناسه اتصال نشان داده شده در نمودار مدار (شکل S1) در اطلاعات تکمیلی است.

مشاهدات نزدیکتر از توطئه ها در شکل 3 اطلاعات بیشتری در مورد عملکرد PLL مبتنی بر STO ارائه می دهد. در شکل 3A ، خط آبی دو قله پهن کوچک را در حدود 8 مگاهرتز جبران از فرکانس مرکز نشان می دهد و سطح قدرت منحنی آبی از منحنی قرمز در خارج از این قله های پهن بالاتر است. این نتایج نشان دهنده موارد زیر است. ابتدا پهنای باند حلقه مدار PLL در حدود 8 مگاهرتز است. دوم ، حلقه بازخورد تا حدودی تحت فشار قرار گرفته است ، و در نتیجه برخی از نویزها در نزدیکی لبه پهنای باند حلقه ایجاد می شود ، که باید به دلیل بالاترین افزایش حلقه باز ممکن در حد پایداری همانطور که در بالا ذکر شد ایجاد شود. افزایش سر و صدا در خارج از دو قله گسترده در جبران 8 مگاهرتز احتمالاً به دلیل سر و صدای اضافی است که توسط تقویت کننده های عملیاتی با سرعت بالا و دروازه های منطق تشکیل شده یا بلوک های DC یا PFD ایجاد شده است. از شکل موج دامنه زمان نشان داده شده در شکل 3C ، کل لرزش زمان در حدود 20 ps (RMS) تخمین زده می شود. این شاخص های عملکرد (سر و صدای فاز و زمانبندی زمان بندی) هنوز هم در حدود دو مرتبه بدتر از مدارهای فعلی PLL فعلی در دسترس تجاری هستند ، به این معنی که بهبود عملکرد بیشتر برای PLL های مبتنی بر STO در واقع در مایکروویو عملی مورد نیاز استبرنامه های کاربردی. استنباط می شود که نویز فاز بزرگتر (یا زمان سنجش در دامنه زمان) از PLL مبتنی بر STO نسبت به مدارهای PLL تجاری توسط دو عامل زیر ایجاد می شود. یکی این است که پهنای خط طیفی STO تحت نوسان در حال اجرا رایگان چندین مرتبه از بزرگی وسیع تر از VCO های معمولی نیمه هادی است. ما طیف یک VCO تجاری را که در حدود 3. 8 گیگاهرتز در زیر عملیات در حال اجرا آزاد تولید می کند ، اندازه گیری کردیم و دریافتیم که پهنای خط آن کمتر از 100 هرتز است ، اگرچه به آرامی بدون هیچ گونه تثبیت حرکت می کند. این نشان می دهد که STO نویز فاز بسیار بزرگتر از VCO های معمولی را نشان می دهد. مورد دیگر این است که پهنای باند حلقه 8 مگاهرتز به اندازه کافی گسترده نیست تا سر و صدای فاز را در محدوده فرکانس به اندازه کافی سرکوب کند. بر اساس ملاحظات فوق ، سه دستورالعمل برای کاهش بیشتر نویز فاز و لرزش زمان وجود دارد. اول این است که یک STO با یک فاکتور Q حتی بالاتر تحت نوسان رایگان 23،25 استفاده کنید. یک فاکتور q بالاتر به این معنی است که نویز فاز کمتری توسط STO وارد می شود ، بنابراین بدیهی است که وقتی خروجی STO در فاز قفل می شود ، به نویز فاز کوچکتر منجر می شود. دوم طراحی پهنای باند حلقه حتی وسیع تر و با ارزش و مرطوب است. برای این جهت ،

برای کاهش تأخیر در انتشار کل ، کل مدار باید کوچک شود و هر مؤلفه باید به اندازه کافی سریع باشد. سوم کاهش نویز معرفی شده توسط مدار PLL است که ممکن است با بهینه سازی توپولوژی و پارامترهای مدار PLL حاصل شود. از آنجا که کار حاضر اولین نمایش ما از STO تثبیت شده PLL است ، هنوز هم باید یک اتاق بزرگ برای پیشرفت های بیشتر وجود داشته باشد.

در نتیجه ، ما یک PLL را با استفاده از STO به عنوان VCO ایجاد کردیم که یک سیگنال مایکروویو 7. 344 گیگاهرتز تولید می کند که توسط یک سیگنال مرجع 153 مگاهرتز تثبیت می شود. PLL قفل فاز موفقیت آمیز سیگنال خروجی STO را به سیگنال مرجع نشان داد. مشاهده طیف سیگنال خروجی STO قفل شده فاز یک خط باریک بسیار باریک از حد کمتر از حد اندازه گیری 1 هرتز را نشان داد. این نمایش موفقیت آمیز PLL مبتنی بر STO به عنوان یک پیشرفت بزرگ به سمت برنامه های مختلف مایکروویو عملی مانند ارتباطات بی سیم ، رادار و سیستم موقعیت یابی جهانی در نظر گرفته می شود.

مواد و روش ها

ساختگی

فیلم MTJ برای STO با لکه دار شدن روی یک بستر Si اکسیده شده حرارتی قرار گرفت و پس از آن بازپرداخت در 360 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت در زیر میدان مغناطیسی در هواپیما از 1 T. 21 ساختار پشته فیلم MTJ PTMN (15)/ بود. COFE (2. 5)/RU (0. 85)/COFEB (3)/mgo (1)/فوریه (2)/mgo (1)/TA (5) (از پایین به بالا ، ضخامت در NM). STO سپس با الگوبرداری از فیلم MTJ به یک ستون نانو با قطرهای مختلف از 100 نانومتر تا 400 نانومتر با استفاده از لیتوگرافی پرتو E ، اچ پرتوی یون و غیره ساخته شد (برای اطلاعات بیشتر در مورد فرآیند ساخت نمونه ، به Ref 21 مراجعه کنید.). این STO مورد آزمایش قرار گرفت و بهترین عملکرد به عنوان VCO (ضریب Q بالا و دامنه تنظیم به اندازه کافی گسترده) ، که به قطر 400 نانومتر در ویفر آزمایش شده بود ، برای آزمایش PLL انتخاب شد. نسبت MR و مقاومت STO انتخاب شده برای حالت مغناطیسی موازی به ترتیب 47 ٪ و 11 Ω بود. همانطور که در تجربی گفته شد ، استفاده از یک میدان خارجی برای اشباع کردن مغناطیس لایه آزاد در امتداد جهت خارج از هواپیما مورد نیاز است ، زیرا PMA این MTJ به اندازه کافی قوی نیست. منحنی RH معمولی و پیکربندی مغناطیسی STO ساخته شده در همان ویفر در زیر هر میدان تعصب در شکل 2 Ref نشان داده شده است. 34. لازم به ذکر است که نسبت MR نزدیک به بالاترین نبود زیرا محصول مقاومت-منطقه (RA) فوق العاده کم بود (فقط 1. 4 Ωm 2). نسبت MR متوسط و محصول RA فوق العاده کم برای عملکرد STO با کارایی بالا مهم بودند.

مدار PLL_Bشکل 4 نمودار بلوک مفصلی از مدار PLL ساخته شده در این کار را نشان می دهد. ولتاژ تعصب اسمی ، v_پستانپستان_پستانپستان_پستانپستان_Bسیگنال پاس کم فیلتر شده توسط فیلتر حلقه (LF) است که به V اضافه شده است

و سرانجام به STO بازگردید تا به صورت پویا فرکانس را تنظیم کنید به گونه ای که خطای فاز همیشه به حداقل می رسد. نیمی دیگر از خروجی PD به آنالایزر طیف یا اسیلوسکوپ نمونه برداری ارسال می شود. سیگنال مرجع 153 مگاهرتز توسط یک مدار PLL تجاری که به یک ساعت کارشناسی ارشد 10 مگاهرتز تولید شده توسط یک TCXO تولید می شود ، تولید می شود. این ساعت کارشناسی ارشد 10 مگاهرتز نیز به ورودی مرجع آنالایزر طیف ارسال می شود. استفاده از یک ساعت کارشناسی ارشد 10 مگاهرتز در PLL تولید سیگنال مرجع 153 مگاهرتز و آنالایزر طیف به این معنی است که این بلوک ها یک مرجع فرکانس یکسان دارند ، بنابراین تغییر فرکانس را به طور کامل از بین می برد. سیگنال مرجع 153 مگاهرتز نیز به اسیلوسکوپ نمونه برداری ارسال می شود تا باعث دستیابی به موج شود.

روش اندازه گیری

STO در یک مرحله نمونه نصب شده بود که قادر به استفاده از یک میدان مغناطیسی با تعصب ثابت در جهت های دلخواه بود. در ابتدا ، زاویه و بزرگی میدان تعصب بهینه سازی شد تا با استفاده از یک ولتاژ تعصب ثابت در STO ضمن اسکن جهت و بزرگی میدان تعصب ، باریکترین پهنای باند و از نظر منطقی بزرگ را به شما بدهد. این کار با تغییر ولتاژ تعصب تکرار شد تا بهترین شرایط تعصب را پیدا کند. برای STO خاص مورد استفاده در آزمایش PLL ، باریکترین قله نوسان تحت ولتاژ تعصب 126. 4 میلی ولت و یک میدان تعصب 3320 OE که در طول 19 درجه از فیلم به طور طبیعی به سمت جهت استفاده می شود ، به دست آمد به گونه ای که مغناطیس لایه ای آزاد فوریه بودبه موازات مغناطش لایه مرجع COFEB کج شده است. در مرحله بعد ، ولتاژ تعصب بر روی یک ولتاژ به اندازه کافی گسترده جارو شد در حالی که طیف مشاهده شد تا اطمینان حاصل شود که اوج یک تغییر قرمز صاف و یکنواخت را نشان می دهد و بنابراین از STO می توان به عنوان VCO استفاده کرد. این امر ضروری است زیرا اگر اوج نوسان تغییر فرکانس غیر یکتایی یا تغییر ناگهانی در شکل یا موقعیت اوج آن را نشان دهد ، ممکن است حلقه بازخورد در چنین انتقال نامنظم به دام بیفتد. سرانجام ، حلقه بازخورد مدار PLL برای تثبیت پویا نوسان STO بسته شد و خروجی آن توسط یک آنالایزر طیف یا اسیلوسکوپ نمونه برداری مشاهده شد.

اطلاعات اضافی