Разработка и исследование микромощных электронных регуляторов для систем телекоммуникаций

Вид материала

Исследование

Содержание Научный руководитель Общая характеристика работы Краткое содержание работы UC подается на затвор, x UЗИ0i − напряжение отсечки канала i S0 – крутизна полевого транзистора при U Основные результаты работы Список публикаций

Подобный материал:

• Вопросы для вступительного экзамена в магистратуру по направлению, 58.16kb.
• А. В. Чукарин, доцент кафедры систем телекоммуникаций,, 95.49kb.
• «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций», 17.08kb.
• Нформаційні системи І моделювання, 103.77kb.
• Лукашевич С. А., ассистент каф, 331.83kb.
• Исследование систем управления Введение Учебный курс "Исследование систем управления", 2314.26kb.
• Учебная программа для высших учебных заведений по специальности 1-45 01 01 Многоканальные, 1211.5kb.
• Программа подготовки магистров по направлению подготовки 230400. 68 Информационные, 26.69kb.
• Исследование и разработка структур баз геоданных информационно-телекоммуникационных, 202.23kb.
• Учебное пособие Компьютерный практикум на cd-rom+программное обеспечение (диск работает, 162.05kb.

На правах рукописи

Воробьева Светлана Владимировна

Разработка и исследование микромощных электронных

регуляторов для систем телекоммуникаций


Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


НОВОСИБИРСК – 2008

Работа выполнена на кафедре технической электроники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ГОУ ВПО «СибГУТИ»)


Научный руководитель – кандидат технических наук,

профессор Игнатов А.Н.


Официальные оппоненты – доктор технических наук,

профессор Фалько А.И.

кандидат технических наук

Шлёмин Д.Л.


Ведущее предприятие Томский университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).


Защита состоится «19» декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д219.005.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГУТИ.


Автореферат разослан «12­ » ноября 2008 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д219.005.01

доктор технических наук, профессор Мамчев Г.В.


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большой объем передаваемой информации и высокие скорости передачи предъявляют новые требования к качеству телекоммуникационных систем (ТКС). Высокие технико-экономические показатели целой системы возможно обеспечить, создавая ее на основе прецизионных узлов и устройств. Анализ структур ТКС показал, что все они базируются на однотипных блоках, в которых часто возникает необходимость в регулировках коэффициента передачи, частоты и других параметров. Электронные регуляторы являются основным узлом во многих аналоговых устройствах, позволяя осуществлять дистанционную электронную регулировку коэффициента передачи усилителей, электронную регулировку частот среза фильтров, электронную коррекцию частотных характеристик, электронную перестройку частоты генераторов, амплитудную и частотную модуляцию генераторов и т.п. В цифровой технике распространены логические элементы на основе ключей, которые можно рассматривать как частный случай электронных регуляторов, имеющих только два значения коэффициента передачи: максимальный и минимальный.

Так как основными качественными показателями электронных регуляторов являются динамический диапазон, линейность вольт-амперной характеристики (ВАХ), величина частотных и нелинейных искажений, то актуальность исследований заключается в необходимости улучшения этих показателей.

Основным направлением развития техники электросвязи является микроминиатюризация. Проблема микроминиатюризации находится в прямой зависимости от решения вопросов снижения потребляемых мощностей радиоэлектронными схемами. В настоящее время этот вопрос становится все более актуальным. Низкий уровень потребляемой мощности позволяет свести к минимуму рассеивание тепла в микросхемах, следовательно, появляется возможность получить большую плотность размещения элементов. Микромощные устройства являются основой современных телекоммуникационных систем. Так как потребляемая мощность, масса, объем, стоимость − важнейшие показатели, определяющие качество аппаратуры связи, являющиеся функциями уровня миниатюризации, то уменьшение каждого из них соответствует повышению качества аппаратуры .

На решение перечисленных выше задач направлено диссертационное исследование.

Цель работы

Решение важной научно-технической проблемы по улучшению технических характеристик телекоммуникационных систем путем разработки и исследования новых схемотехнических решений электронных регуляторов.

Задачи исследования

1. Проведение сравнительного анализа элементной базы различного типа для синтеза электронных регуляторов.

2. Исследование факторов, влияющих на основные характеристики и параметры микромощных электронных регуляторов.

3. Разработка схемотехнических решений широко применяемых функциональных узлов (ФУ) с регулируемыми параметрами, с улучшенными технико-экономическими показателями и исследование их свойств.

4. Разработка методик расчета предложенных аналоговых и цифровых узлов и устройств для ТКС.

5. Разработка рекомендаций по применению результатов работы при проектировании аппаратуры телекоммуникаций.


Методы исследования

1. Методы теории линейных и нелинейных электрических цепей.
   
2. Методы математической статистики.
   
3. Методы компьютерного моделирования.
   

Научная новизна

- уточнены элементы теории электронных регуляторов на полевых транзисторах (ПТ), предложено учитывать немодулированные сопротивления полевых транзисторов; разработана методика определения значений этих сопротивлений, позволяющая повысить точность расчета регулировочных характеристик электронных регуляторов;

- уточнена теория микромощных усилителей: предложены аналитические выражения для расчета коэффициентов нелинейных искажений по различным гармоникам, а также для расчета Y-параметров на высоких частотах и тепловых шумов канала полевых транзисторов, учитывающие немодулированные сопротивления и позволяющие повысить точность математического описания устройств и узлов для телекоммуникационных систем;

- предложен метод уменьшения нелинейных искажений, вносимых полевыми транзисторами в области вольт-амперной характеристики (ВАХ), близкой к отсечке, обеспечивающий существенное снижение коэффициента гармоник электронных регуляторов.

Практическая ценность

1. Предложены новые схемотехнические решения широко применяемых функциональных узлов с регулируемыми коэффициентом передачи и квазирезонансной частотой, имеющих улучшенные технические характеристики по сравнению с аналогами, защищенные патентами на полезную модель и изобретение.
   
2. Получены математические модели микромощных функциональных узлов ТКС на основе полевых транзисторов в режиме управляемого сопротивления, позволяющие повысить точность расчетов основных характеристик аналоговых и цифровых схем телекоммуникаций.
   
3. Сформулированы рекомендации по применению микромощных устройств и узлов на основе полевых транзисторов для телекоммуникационных систем.
   

Результаты диссертационной работы включены в госбюджетные НИР по темам «Математическое моделирование полевых транзисторов для микросхем ультравысокой и гигантской степени интеграции», «Исследование микромощных функциональных узлов для телекоммуникационных систем», хоздоговорной НИР «Разработка и исследование электрически регулируемого усилителя напряжения для датчиков электрических и неэлектрических величин», а также внедрены метод термостабилизации передаточных характеристик в электронных регуляторах (НИИ Автоматики и Силовой Электроники), методы учета параметров полевых транзисторов в электрически регулируемом усилителе напряжения при расчете и проектировании датчиков электрических и неэлектрических величин (ОАО "Силовая электроника Сибири"); в учебный процесс при изучении дисциплин «Электроника», «Схемотехника аналоговых устройств» в форме лабораторных работ, а также в учебные пособия «Микросхемотехника и наноэлектроника» ч.1, «Классическая электроника и наноэлектроника», получившие гриф УМО по образованию в области телекоммуникаций по направлению подготовки дипломированных специалистов 210400- «Телекоммуникации».


Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных и Российских научно-технических конференциях «Информатика и проблемы телекоммуникаций» (Новосибирск, 2003-2008 г.г.).
   

2. Международных научно-технических конференциях «Перспективы развития современных средств связи и систем телекоммуникаций» (Томск, 2003 г., Иркутск, 2004 г., 2006 г., Екатеринбург, 2005 г.)

3. Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2005 г.)

4. Международных научно-технических конференциях EDM (Эрлагол, 2004-2006 г.г.), «Проблемы современной электротехники» (Киев, 2008 г.).

5. Научных семинарах кафедры технической электроники СибГУТИ, Новосибирск, 2003-2008 г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 печатные работы, результаты работы отражены в отчетах по госбюджетным и хоздоговорной НИР, в том числе получен патент на полезную модель и патент на изобретение. Список работ приведен на странице 16 автореферата.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений; содержит 172 страницы, в том числе 65 рисунков, 6 таблиц, 12 страниц списка литературы, включающего 138 наименований и 6 страниц приложений.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Схемотехнические решения микромощных функциональных узлов с регулируемыми параметрами для аппаратуры телекоммуникаций на основе ПТ, работающих в режиме управляемого сопротивления.
   
2. Методика определения значений немодулированных сопротивлений ПТ.
   
3. Алгоритмы и методики расчета функциональных узлов аппаратуры телекоммуникаций с уточненными параметрами электрических и математических моделей ПТ.
   
4. Рекомендации по применению результатов работы при проектировании телекоммуникационной аппаратуры.
   

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы. Обозначена цель решаемых задач, указана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается классификация электронных регуляторов. В результате сравнительного анализа регуляторов на основе элементной базы разного типа выявлено, что для микромощных электронных регуляторов наиболее эффективными являются варианты схем, где регулировка усиления осуществляется изменением проводимости каналов полевых транзисторов в крутой области выходных характеристик при отсутствии постоянной составляющей в управляемой цепи. Такие регуляторы, имеют ряд следующих достоинств: простота схем, высокая экономичность (за счет отсутствия цепи питания стока и потребления ею энергии), а также максимальный диапазон регулирования. Проведен анализ требований, предъявляемых к микромощным ФУ аналоговых и цифровых систем. Рассмотрены особенности работы в микромощном режиме биполярных и полевых транзисторов, которые являются основой современной элементной базы. Показана необходимость оценки распределенного сопротивления областей истока и стока в современных микроэлектронных и наноэлектронных ПТ разных типов для повышения точности расчета радиоэлектронных устройств.

Так как точность машинного расчета характеристик любой ИМС практически полностью определяется точностью используемых математических моделей элементов схемы, приводится обзор и описание основных математических моделей ПТ, применяемых при проектировании ИМС и функциональных узлов ТКС. Анализ моделей обнаруживает существенные различия их между собой и не дает однозначного ответа при определении оптимальных вариантов для использования в инженерной практике. Проведено сравнение аппроксимаций ВАХ ПТ и выявлена необходимость использования в инженерной практике уточненной математической модели, учитывающей влияние немодулированных сопротивлений (сопротивление областей стока r_С и истока r_И, неперекрытые затвором), что подтверждается экспериментальными исследованиями характеристик ПТ.

Из научных работ, посвященных вопросам микромощной электроники необходимо отметить работы Агаханяна Т.М., Алексенко А.Г., Кармазинского А.Н. и его группы, а также Игумнова Д.В., Валиева К.А., Гордеева Б.К., Ильина В.Н., Лебедева В.И., Игнатова А.Н. Ведущее место в этих работах занимают исследования, относящиеся к физике работы биполярного транзистора при малых уровнях инжекции, разработке микромощных элементов и узлов. Как показал анализ публикуемых микромощных схем из многих литературных источников, отечественных и зарубежных, описание схем включает, как правило, только основные технические характеристики и расчетные соотношения, отсутствует детальный анализ.

В конце главы сформулированы задачи диссертационных исследований.

Исследованию свойств полевых транзисторов в микромощном режиме посвящена вторая глава. Проводимость канала, меняющаяся в широких пределах как функция напряжения затвор-исток, является основным параметром ПТ, работающих в режиме управляемого сопротивления. В работе исследованы теоретические зависимости этого параметра при малых напряжениях сток-исток для разных аппроксимаций ВАХ, предлагаемых в классических работах Шокли, Попова, Севина, Кобболда, Кроуфорда и др. Характер изменения проводимости канала зависит от конструкции прибора, распределения примесей в канале и технологии изготовления приборов. Сравнение теоретических характеристик с экспериментальными показало, что величина отклонения минимальна для ПТ простой конструкции (при напряжениях на затворе 0÷0,9U_ЗИотс). У транзисторов сложной конструкции, состоящих из большого количества элементарных ячеек, существенные отклонения от идеализированной характеристики наблюдаются при напряжениях затвор-исток, близких к нулю и напряжению запирания. Основной причиной отклонения реальной характеристики от идеализированной, при напряжениях затвор-исток близких к нулю, является наличие немодулированных сопротивлений стока и истока, при напряжениях близких к отсечке – неидентичность элементарных ячеек прибора и неоднородности в канале.

В этой же главе предлагается методика определения значений вышеуказанных параметров ПТ, которая позволяет точнее рассчитывать сопротивление канала транзистора для устройств, в которых в качестве регулируемых элементов используются ПТ, что подтверждается экспериментальными исследованиями. На рисунке 1 приведена зависимость сопротивления канала (r_СИ) реального ПТ с управляющим p-n–переходом от напряжения на затворе для трех случаев: рассчитанная по предлагаемой методике (кривая 3), экспериментальная (кривая 2) и рассчитанная по одной из существующих методик (кривая 1).

Из сравнения приведенных характеристик видно, что экспериментальная характеристика (2) достаточно хорошо совпадает с рассчитанной по предложенной методике (3), существенное отклонение наблюдается с характеристикой (1).

Рис.1. Зависимость сопротивления канала ПТ с управляющим p-n–переходом (S=1,4мА/В,UЗИотс=2В) от нормированного напряжения на затворе.

Обработка результатов исследований партий полевых транзисторов позволила сделать вывод о пригодности использования предложенной методики в инженерной практике. В главе показано влияние немодулированных сопротивлений на характеристики и параметры ПТ разных типов, работающих в режиме управляемого сопротивления. С целью повышения точности расчетов различных видов нелинейных искажений необходимо знать проводимость и высшие производные проводимости реальных приборов. Однако их

невозможно определить из известного выражения для ВАХ ПТ в режиме омического сопротивления, справедливого для идеальных транзисторов, так как в этом случае высшие производные выходной проводимости равны нулю.

Предложена математическая модель, описывающая ВАХ ПТ в омической области, дополненная немодулированными сопротивлениями, позволяющая определить производные проводимости высших порядков. С учетом этих производных получены выражения для расчета коэффициента гармоник, позволяющие описать практически все эффекты, возникающие при работе устройств на полевых транзисторах.

Выражение для коэффициента гармоник через производные характеристики передачи в общем случае имеет вид:

,

где G^n-1(U_ЗИ) – производная проводимости n-1 порядка, n – номер гармоники.

В главе рассматриваются шумовые и частотные свойства ПТ с учетом влияния немодулированных сопротивлений. Известно, что основной вклад в уровень собственных шумов ПТ, работающих в режиме управляемого сопротивления, вносят тепловые флуктуации носителей в канале. Напряжение тепловых шумов в канале модулирует ширину проводящего канала, в результате чего в цепи стока появляется усиленное напряжение шумов. В реальных случаях при точных расчетах тепловых шумов канала следует учитывать влияние немодулированных сопротивлений стока, истока и сопротивления затвора (r_И, r_С, r_З), которые являются источниками дополнительных тепловых шумов. Учет влияния этих сопротивлений позволяет объяснить причины появления избыточных шумов и количественно оценить их.

При анализе частотных свойств получены уточненные выражения для расчета Y-параметров, учитывающие влияние r_И, r_С, r_З. Эти выражения объясняют характер изменения Y-параметров на высоких частотах, не слишком усложняя модель прибора.

Рассмотрены температурные свойства ПТ транзисторов в омической области характеристик. Для температурного коэффициента (ТК) относительной величины проводимости канала G=f(U_ЗИ) ПТ, работающего в режиме управляемого сопротивления, в диапазоне изменений напряжения затвор-исток получено выражение

, [% / ˚C],

где , α и β – ТК составляющих дрейфа параметров ПТ, обусловленных соответственно относительной подвижностью носителей заряда в канале и контактной разностью потенциалов между затвором и каналом.

Отмечено, что Θ(γ) изменяется в диапазоне напряжений U_ЗИ в достаточно широких пределах, переходя через нуль, и зависит от основного параметра транзистора − напряжения отсечки (U_ЗИотс)_. Так как ПТ обладают низкой температурной стабильностью в диапазоне напряжений затвор-исток, то без специальных мер не могут обеспечивать высокую точность различных устройств, в которых они используются.

Третья глава посвящена анализу микромощных электронных регуляторов. Проведен анализ нелинейных искажений электронных регуляторов. Для уменьшения нелинейных искажений и расширения диапазона допустимых значений напряжений сток-исток в диссертационной работе предложено использовать линеаризацию стоковых характеристик ПТ.

Принцип линеаризации заключается в подаче части напряжения U_СИ на затвор. Введение цепи линеаризации обеспечивает линейность и симметричность ВАХ относительно начала координат и, следовательно, резко снижает нелинейные искажения, вносимые ПТ.

Отмечено, что эффективность линеаризации зависит от степени приближения реальных характеристик ПТ к идеализированной. Результаты исследований электронных регуляторов потенциометрического типа показали хорошее совпадение теоретических и экспериментальных зависимостей и при напряжениях затвор-исток, изменяющихся в пределах от 0 до 0,9U_ЗИотс (рисунок 2). В случае линеаризации стоковых характеристик ПТ нелинейные искажения регулятора удается значительно снизить.





Рис.2. Зависимость коэффициента гармоник и коэффициента передачи от управляющего напряжения электронного регулятора потенциометрического типа (----- расчет, — эксперимент, S=0,75мА/В, U_ЗИотс=2 В)


При использовании в регуляторе МДП-транзисторов предложено проводить линеаризацию по подложке, учитывая, что подложка управляет проводимостью канала, как второй затвор (рисунок 3).




Рис.3. Схема регулятора потенциометрического типа

на основе МДП ПТ с линеаризацией по цепи подложки


Представляет интерес анализ свойств ПТ в области вольт-амперной характеристики близкой к отсечке при соблюдении режима малого сигнала, так как в этой области наблюдается максимальное изменение коэффициента передачи (К_П) при изменении управляющего напряжения U_ЗИ. Здесь удается реализовать широкий динамический диапазон регулировки коэффициента передачи при малой управляющей мощности и простой схеме управляющей цепи. В диссертационной работе предложен метод уменьшения нелинейных искажений в этой области, так как известно, что здесь резко увеличиваются нелинейные искажения.

Анализ нелинейных свойств ПТ с учетом физической модели ПТ позволяет получить расчетные формулы, удобные для использования в инженерной практике. При введении напряжения компенсации (U_K) выходное напряжение будет представляться суммой постоянной составляющей первой, второй и третьей гармоник:

,

где m – коэффициент компенсации, показывающий, какая часть напряжения сигнала U_C подается на затвор, x_Т = U_С/U₀.

Относительное уменьшение коэффициента нелинейных искажений (А) в результате введения U_K определится как:


Коэффициент m нужно выбирать из условия снижения Кг в точке наибольшей кривизны характеристики .

Проведенные экспериментальные исследования с регулятором потенциометрического типа с параллельным включением ПТ доказывают возможность снижения нелинейных искажений в области ВАХ, близкой к отсечке, до 0,1%.

В главе рассмотрены управляемые микромощные активные фильтры и генератор с мостом Вина на полевом транзисторе. Проведен сравнительный анализ различных типов элементов перестройки по основным качественным показателям, а также условий применения в устройстве (вид и величина сигнала управления, дестабилизирующие факторы и т.д.). Следует подчеркнуть, что применение реальных приборов и элементов взамен их идеализированных моделей может привести к заметным искажениям реализуемых характеристик, существенному повышению нестабильности.

Выражения коэффициентов неидентичности при включении делителя в цепь затвора полевого транзистора с p–n-переходом и МОП-транзистора соответственно имеют вид:

, ,

где U_ЗИ0i − напряжение отсечки канала i-го транзистора (i-го элемента перестройки), γ_i − коэффициент передачи делителя в цепи затвора того же транзистора. Из приведенных выражений следует, что ξ_i не зависит от U_ЗИ, если

Сравнение экспериментальных зависимостей показывает, что в диапазоне небольших изменений проводимостей (менее 10) величина коэффициента неидентичности уменьшается примерно на порядок.

Повысить точность работы и выполнить устройства со сложными регулировочными характеристиками, а также прецизионные регуляторы, свободные от недостатков аналоговых, позволяет использование цифровых АРУ, использующих цифровой способ обработки сигналов и регулировки усиления.

Электронные ключи удобно рассматривать как частные случаи электронного регулятора. Такой подход позволяет строить ключевые схемы на ПТ по принципу построения электронных регуляторов, описанных в первой главе диссертации, и использовать для расчета ключевых схем соотношения, приведенные в таблицах пятой главы.

В схемах многоканальных коммутаторов необходимо обеспечить малое взаимное влияние между ключевыми ячейками. Это приводит к необходимости использовать Т-образные ключевые ячейки. В работе рассмотрен один из перспективных вариантов построения схемы такой ячейки (рисунок 4).

Предлагаемая схема имеет крайне простую схему управления. В такой схеме резистор R_Н можно выбрать достаточно высокоомным и, следовательно, получить малые нелинейные искажения. Такой ключ обеспечивает высокое переходное затухание, так как в состоянии «выключено» сопротивление канала транзистора VТ₃ минимально.

Рассмотренный вариант выполнения цифровой АРУ может быть реализован в виде специализированной БИС, в частности, на основе базового матричного кристалла.




Рис.4. Схема Т-образного ключа на ПТ


Четвертая глава посвящена анализу оригинальных схемотехнических решений микромощных устройств для ТКС.

Известны различные методы термостабилизации, позволяющие эффективно компенсировать температурную нестабильность регулировочной характеристики лишь в одной (рабочей) точке. При использовании ПТ в качестве управляемых напряжением проводимостей такие методы являются бесперспективными, так как полевой транзистор должен работать в широком интервале напряжений затвора и полная термокомпенсация проводимости канала при одном значении напряжения управления приводит к ее нарушению при другом. Недостатком рассмотренных в первой главе регуляторов остается температурная нестабильность регулировочной характеристики. В работе проведено исследование температурной стабильности параметров электронных регуляторов. Автором разработана схема электронного регулятора с термостабильной передаточной характеристикой (рисунок 5), защищенная патентом на изобретение.




Рис.5. Электронный регулятор на сдвоенных ПТ

с термостабильным коэффициентом передачи


Полевые транзисторы имеют идентичные параметры. Для получения характеристик управления, независящих от изменения температуры окружающей среды в широких пределах, необходимо чтобы отношение сопротивлений транзисторов при повышенной температуре оставалось равным отношению сопротивлений этих транзисторов при нормальной температуре, для этого введена термозависимая обратная связь.

Эксперимент показал, что в интервале температур окружающей среды от -40 до +100º С для значений коэффициента передачи К_П= 0,1 и К_П= 0,9 достигнуто его изменение не более 1% относительно характеристики, полученной при нормальных условиях, что позволяет отнести рассматриваемое устройство к классу прецизионных.





Рис.6. Математическое ожидание отклонения коэффициента передачи электронного регулятора при изменении температуры


По результатам статистических исследований построены гистограммы распределения отклонения коэффициента передачи при изменении температуры, рассчитаны математическое ожидание (рисунок 6), дисперсия. Максимальное значение среднеквадратического отклонения для коэффициента передачи 0,1 составляет 0,4%. По сравнению с известными методами термостабилизации данное предложение обеспечивает решение поставленной задачи простейшими средствами, позволяет получить эффект термостабилизации в широком интервале температур.

В диссертационной работе автором разработана схема активного полосового фильтра с независимой электронной перестройкой квазирезонансной частоты и добротности, защищенная патентом на полезную модель РФ (рисунок 7).

В этом устройстве изменение частотной характеристики осуществляется электронным путем, что делает фильтр очень удобным в применении. Ширину полосы и квазирезонансную частоту активного полосового фильтра можно устанавливать независимо, изменяя управляющие напряжения U_УПР1 и U_УПР2 на полевых транзисторах.




Рис.7. Перестраиваемый активный полосовой фильтр


Изменение напряжения на затворах полевых транзисторов VT3–VT6 линейно изменяет квазирезонансную частоту, значение которой определяется следующим образом:

,

где S₀ – крутизна полевого транзистора при U_ЗИ = 0; U_ЗИотс – напряжение отсечки; U_УПР2 – управляющее напряжение, С = С1 = С2.

Добротность фильтра определяется отношением сопротивлений полевых транзисторов VT2–VT3. Изменяя напряжение U_УПР1, меняем сопротивление канала полевого транзистора VT2, тем самым изменяем добротность фильтра. Поскольку при изменении добротности фильтра меняется и коэффициент передачи, в схеме предусмотрена его компенсация за счет изменения сопротивления канала полевого транзистора VT1 управляющим напряжением U_УПР1

.

Предлагаемая схема активного полосового фильтра позволяет независимо перестраивать частоту квазирезонанса и изменять добротность в 10 раз при изменении управляющего напряжения от 0 до 0,9U_ЗИотс транзисторов. В данной схеме можно использовать широкий диапазон значений компонентов. Схему легко рассчитать по заданным параметрам фильтра.

Пятая глава посвящена проектированию функциональных узлов и устройств на ПТ. В ней предложены методики расчета характеристик и элементов микромощных электронных регуляторов потенциометрического типа. Проведен расчет амплитудных характеристик электронных регуляторов потенциометрического типа методом Монте-Карло. Анализ результатов расчетов позволяет оценить правильность выбора элементов схем и допуски на их параметры, предсказать свойства серийных изделий, не прибегая к натурным исследованиям.

Широкой областью применения электронных регуляторов являются авторегуляторы. В технике связи используется несколько типов авторегуляторов, отличающихся принципом действия и техническим решением отдельных узлов: ограничители уровня, сжиматели и расширители уровня, усилители с АРУ и т.д. Совместное использование сжимателя и расширителя позволяет синтезировать компандерную систему. В качестве примера разработан алгоритм расчета компандерной системы, который представляет собой синтез алгоритмов расчета компрессора и экспандера, причем обе части программы независимы друг от друга, что позволяет независимо выбирать исходные данные и вносить изменения в расчет либо компрессора, либо экспандера на любом этапе работы с программой.

Программа, разработанная по описанному алгоритму, дает возможность выбрать значения параметров элементов и оценить их допустимый разброс для реализации амплитудной характеристики при изменении значений отдельных параметров и значений разброса параметров элементов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях представлены:

– акт внедрения методов учета параметров ПТ в электрически регулируемом усилителе напряжения для датчиков электрических и неэлектрических величин в системах генерирования электрической энергии нового поколения для летательных аппаратов;

– справка о внедрении метода термостабилизации передаточной характеристики электронного регулятора при проектировании датчика момента в контроллере электромеханического усилителя рулевого управления для автомобилей ВАЗ-2110 и ВАЗ-2107 («Приора»);

– акт внедрения в учебный процесс;

– патент на полезную модель № 70732 РФ, Н03Н 7/12 «Перестраиваемый активный полосовой фильтр»;

– патент на изобретение № 2337472 «Электронный аттенюатор».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для устройств, в которых в качестве регулируемых элементов используются полевые транзисторы, разработана методика определения значений немодулированных сопротивлений полевого транзистора, позволяющая повысить точность расчета регулировочной характеристики и получить необходимые результаты при отсутствии информации о конструкторско-технологических особенностях конкретных типов ПТ.

2. Для повышения точности расчетов различных видов нелинейных искажений электронных регуляторов предложена математическая модель вольт-амперной характеристики полевого транзистора в ее омической области, дополненная немодулированными сопротивлениями, позволяющая определить производные проводимости канала высших порядков, необходимые для расчета коэффициента различных гармоник при работе усилителей на полевых транзисторах.

3. Предложено выражение для определения шумов, учитывающее влияние немодулированных сопротивлений ПТ и позволяющее объяснить причины появления избыточных шумов, оценить их количественно.

4. Для расчета частотных свойств электронных регуляторов предложены выражения, учитывающие влияние r_И, r_С, r_З, объясняющие характер изменения Y-параметров ПТ на высоких частотах.

5. Предложен метод уменьшения нелинейных искажений в электронных регуляторах, вносимых ПТ в области ВАХ, близкой к отсечке, обеспечивающий существенное снижение коэффициента гармоник. Исследования в этой области представляют интерес, так как здесь удается реализовать широкий динамический диапазон регулировки коэффициента передачи при малой управляющей мощности и простой схеме управляющей цепи.

6. Разработаны схема электронного регулятора с термостабильной передаточной характеристикой, обладающая технической новизной, что подтверждает получение патента на изобретение и схема полосового высокодобротного фильтра с независимой электронной перестройкой частоты и добротности, имеющая лучшие технико-экономические показатели по сравнению с аналогами, защищенная патентом на полезную модель. Теоретические положения работы использованы при проектировании электронных регуляторов для систем и устройств силовой электроники.

7. Разработаны методики расчета электронных регуляторов и алгоритм расчета компандерной системы, который представляет собой синтез алгоритмов компрессора и экспандера, причем обе части программы независимы друг от друга, что позволяет независимо выбирать исходные данные и вносить изменения в расчет либо компрессора, либо экспандера на любом этапе работы с программой. Сформулированы рекомендации по применению результатов работы при проектировании устройств с регулируемыми параметрами для аналоговых, цифровых и волоконно-оптических телекоммуникационных систем.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Игнатов А.Н., Воробьева С.В. Микроэлектронные мультиплексоры для телекоммуникационных и информационных систем. Сб. трудов междунар.науч.-техн. конф. «Перспективы развития современных средств связи и систем телекоммуникаций». Томск, 2003 г., с. 71-74.

2. Игнатов А.Н., Воробьева С.В., Синтез ЭКП на основе интегральных мультиплексоров // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез.докл. междунар. науч.-техн. конф. – Новосибирск, 2003 г., с. 86.

3. Игнатов А.Н., Воробьева С.В., Карпец М.П. Анализ математических моделей полевых транзисторов // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез.докл. междунар. науч.-техн. конф. − Новосибирск, 2003 г., с. 86-87.

4. Vorobiova S.V., Ignatov A.N., Fadeeva N.E.. SPECIFICATION of the THEORY of FIELD TRANSISTORS. IEEE international Siberian workshop and tutorials on electron devices and materials proceedings. 5^th annual. Erlagol., 2004, pp. 123-125.

5. Игнатов А.Н., Воробьева С.В., Ширяев А.С. Устройства на полевых транзисторах для телекоммуникационных систем. Сб. трудов междунар. науч.- техн. конф. «Перспективы развития современных средств связи и систем телекоммуникаций». Иркутск, 2004 г., с. 72-77.

6. Игнатов А.Н., Воробьева C.В. Исследование функциональных узлов на полевых транзисторах, работающих в режиме управляемого сопротивления. // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез.докл. Рос.-кой науч.-техн. конф.− Новосибирск, 2004 г., с. 91-92.

7. Игнатов А.Н., Воробьева C.В., Красильников И.И. Уточнение теории устройств на полевых транзисторах, работающих в режиме усиления. // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез.докл. Рос.-кой науч.-техн. конф.− Новосибирск, 2004 г., с. 91.

8. Калинин С.В., Воробьева С.В., Игнатов А.Н. Наноэлектронные приборы для ТКС. Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. «Перспективы развития современных средств связи и систем телекоммуникаций». Екатеринбург, 2005 г., с. 130-134.

9. Игнатов А.Н., Воробьева С.В., Ширяев А.С. и др. Разработка измерительной микропроцессорной установки. Сб. трудов междунар. науч.-практ. конференции «Электронные средства и системы управления». Томск, 2005 г., с. 265-269.

10. Игнатов А.Н., Воробьева C.В, Савиных В.Л. и др. Методики определения немодулированных параметров полевого транзистора для САПР. // Информатика и проблемы телекоммуникаций: Тез.докл. Рос-кой науч.-техн. конф.− Новосибирск, 2005 г., с. 101-102.

11. Ignatov Alexander N, Svetlana V. Vorobieva, Alexey S. Shiryaev Object-oriented Modeling and Research of Micropowered Electronic Devices. IEEE international Siberian workshop and tutorials on electron devices and materials proceedings. 6^th annual. Erlagol, 2005, pp. 53-54.

12. Игнатов А.Н., Воробьева C.В., Ширяев А.С. и др. Устройства на основе полевых транзисторов и оптоэлектронных приборов для ТКС. // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез. докл. Рос-кой науч.-техн. конф.−Новосибирск, 2005 г., с. 102.

13. Воробьева С.В., Вайспапир В.Я. Повышение надежности изделий ТКС за счет интеграции элементной базы. // Информатика и проблемы телекоммуникаций: тез.докл. Рос- кой науч.-техн. конф.− Новосибирск, 2005 г., с. 100-101.

14. Воробьева С.В., Игнатов А.Н. Микромощные устройства для телекоммуникационных систем. Сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. «Перспективы развития современных средств связи и систем телекоммуникаций». Иркутск, 2006 г., с. 102-106.

15. Svetlana V. Vorobjova, Aleksandr N. Ignatov Nonlinear Distortions Analysis in Devices with Electronic Gain Control. IEEE international Siberian workshop and tutorials on electron devices and materials proceedings. 7^th annual. Erlagol., 2006, pp 107-108.

16. Воробьева С.В., Савиных В.Л. Методика определения немодулированных сопротивлений полевого транзистора // Сиб. Гос.Ун–т телекоммун. и информат.− Новосибирск, 2006 г. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 15.03.2006, № 261- В2006).

17. Воробьева С.В., Игнатов А.Н. Исследование нелинейных искажений электронных регуляторов // Информатика и проблемы телекоммуникаций Тез.докл. Рос- кой науч.-техн. конф. – Новосибирск, 2006 г., с. 111-113.

18. Воробьева С.В., Игнатов А.Н. Микромощные функциональные узлы на основе полевых транзисторов // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб. 2006. №175, с. 242-249.

19. Воробьева С.В., Игнатов А.Н., Савиных В.Л.. Электронные регуляторы на ПТ с термостабильным коэффициентом передачи // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Тез.докл. Рос- кой науч.-техн. конф. Новосибирск, 2007 г. – т.1, с. 297.

20. Патент на полезную модель №70732 РФ, Н03Н 7/12 Перестраиваемый активный полосовой фильтр / Воробьева С.В., Савиных В.Л., Игнатов А.Н.- №2007137757; Заявл. 11.10.2007; Опубл. 10.02.2008 – Бюл. №4.

21. Воробьева С.В., Савиных В.Л. Функциональный перемножитель на полевых транзисторах // Информатика и проблемы телекоммуникаций. Тез.докл. Российской науч.-техн.конф.− Новосибирск, 2008 г.-т.2, с. 404-405.

22. Патент на изобретение №2337472 Электронный аттенюатор / Воробьева С.В., Савиных В.Л., Игнатов А.Н. и др. Заявл. 13.06.2007; Опубл. 27.10.2008 – Бюл. №30.

23. Воробьева С.В., Савиных В.Л., Игнатов А.Н. и др. Термостабильный электронный регулятор на полевых транзисторах для измерения электрических и неэлектрических величин в электротехнических системах. // Технiчна електродинамiка. Тематичний випуск. Проблеми сучасноï електротехнiкi.– Ч.6. Киiв, 2008.– С. 55-57.


Личный вклад автора

Основные результаты, изложенные в диссертационной работе, получены автором лично. В печатных работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежат следующие результаты: в [10,16] разработана методика определения значений немодулированных сопротивлений полевого транзистора; в [1,2,5,6,12,14,18,20,21,22,23] предложены оригинальные схемотехнические решения микромощных функциональных устройств для телекоммуникационных систем на полевых транзисторах и проведено их экспериментальное исследование; в [3,4,7,11,13,15,17,19] проведены экспериментальные исследования нелинейных искажений, частотных характеристик и температурных свойств ПТ и устройств на их основе; предложены аналитические выражения для их определения и методы улучшения технико-экономических показателей.


Светлана Владимировна Воробьева


Разработка и исследование микромощных электронных

регуляторов для систем телекоммуникаций


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


------------------------------------------------------------------------------------------------------

Подписано в печать ……2008,

формат бумаги 60х84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10,

изд.л. 1,5, заказ № , тираж 100. СибГУТИ

630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86