Радіовимірювальні мікроелектронні перетворювачі на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від’ємним опором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Радіовимірювальні мікроелектронні перетворювачі на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Характеристики радіовимірювальних перетворювачів визначають точність і надійність систем радіоуправління, приладів контролю технологічних процесів, характеристик навколишнього середовища, безпеку роботи ядерних, теплових, хімічних установок, літальних апаратів, морських об'єктів, транспорту тощо. У зв'язку з цим до радіовимірювальних перетворювачів, які вимірюють різноманітну інформацію, висуваються жорсткі вимоги. Ці прилади повинні бути економічними, завадостійкими, забезпечувати високу швидкодію, чутливість і точність вимірювання, мати якомога менші габарити і вагу, бути сумісними з сучасними персональними комп'ютерами і дозволяти кодування інформації під час передавання її на великі відстані.

Цим вимогам майже не відповідають існуючі радіоперетворювачі, бо в усіх галузях радіовимірювальної техніки (окрім телеметрії) використовуються виключно такі перетворювачі, в яких вихідною величиною є інтенсивність вихідного сигналу - значення напруги, струму, потужність. Це приводить до значних похибок вимірювання, втрат інформації в каналі між виходом перетворювача і входом підсилювально-перетворюючої апаратури, малих потужностей вихідного сигналу перетворювачів, їх низькою завадостійкістю і швидкодією. З іншого боку, видатні досягнення мікроелектронної технології на початку 90-х років в основному були реалізовані у засобах обробки інформації та обчислювальної техніки, в яких значна номенклатура функціональних елементів вийшла на 7-8 рівень інтеграції із застосуванням базових технологічних процесів. Проте електронна система радіоконтролю і радіоуправління також потребує впровадження досягнень мікроелектронної технології, насамперед, для радіовимірювальних перетворювачів фізичних величин.

Тому одним із перспективних наукових напрямків у розробці радіовимірювальних перетворювачів, запропонованих у роботі, є використання залежності реактивних властивостей і від'ємного опору напівпровідникових пристроїв від впливу зовнішніх фізичних величин і створення на цій основі нового класу радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання тощо. У пристроях такого типу відбувається перетворення температури, тиску, магнітної індукції, оптичного випромінювання та інших зовнішніх впливів на частотний сигнал, що дозволяє створювати радіовимірювальні перетворювачі за інтегральною технологією і дає можливість підвищити швидкодію, точність і чутливість, розширити діапазон вимірюваних величин, поліпшити надійність, завадостійкість і довгочасну стабільність параметрів. Крім того, поєднання на одному кристалі радіовимірювального перетворювача із схемами обробки інформації уможливлює створення «інтелектуальних» пристроїв. Використання як інформативного параметру частоти дозволяє уникнути застосування підсилювальних пристроїв і аналого-цифрових перетворювачів при обробці інформації, що знизить вартість систем радіоконтролю і радіоуправління. Отже, до порядку денного вже сьогодні постає необхідність розробки якісно нових теоретичних підходів до створення радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, розробки їх схем та конструкцій, експериментального дослідження їх характеристик, метрологічних параметрів, впровадження їх у виробництво.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 1996-2002 років відповідно з тематичними планами проведення НДДКР у Вінницькому державному технічному університеті на господарчих засадах: розробка автономного портативного аналізатора вібрації (№ держ. реєстрації 0195U025147, 1995-1996 р.р.); розробка УКВ модулятора (№ держ. реєстрації 0195U003914, 1995-1996 р.р.); координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України: розробка та дослідження фоточутливих перетворювачів на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором (№ держ. реєстрації 0197U012587, 1997-1998 р.р.); розробка математичних моделей оптоелектронних НВЧ елементів на основі арсенід-галієвих транзисторів і засобів цифрової обробки високочастотних сигналів (№ держ. реєстрації 0199U003434, 1999-2001 р.р.); розробка математичних моделей мікроелектронних частотних перетворювачів на основі реактивних властивостей напівпровідникових приладів з від'ємним опором (№ держ. реєстрації 0102U002267, 2002 р.). При проведенні цих робіт автор був відповідальним виконавцем.

Основні положення дисертаційної роботи знайшли впровадження у державному науково-дослідному інституті індикаторних приладів «Гелій» (м. Вінниця), а також у науково-виробничому підприємстві «УКРТЕРМ» (м. Вінниця), у ТзОВ «Майстер-Мережа» (м. Вінниця), ОКБ «Рута» (м. Чернівці).

Результати роботи використовуються також у Вінницькому державному технічному університеті на кафедрі «Електроніки» під час підготовки інженерних кадрів за спеціальністю 7.09.0801 «Мікроелектроніка та напівпровідникові прилади», 7.09.0802 «Електронні прилади та пристрої». Вийшли з друку монографії «Реактивні властивості транзисторів і транзисторних схем» (1999 р.) та «Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від'ємним опором» (2000 р.).

Мета і задачі дослідження.

Мета роботи спрямована на створення нового класу мікроелектронних радіовимірювальних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання з поліпшеними характеристиками і сумісних з мікроелектронною елементною базою, принцип роботи яких ґрунтується на функціональній залежності реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором від дії зовнішніх фізичних факторів. Досягнення цієї мети створює основи для виготовлення конкурентоспроможних зразків цієї продукції.

Задачі дослідження:

створення теоретичних засад для побудови радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, що дозволять теоретично обґрунтувати нові методи та засоби реалізації радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання;

проведення аналізу існуючих радіовимірювальних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання та систематизація відомих теоретичних підходів, покладених в основу їх побудови;

розроблення математичних моделей радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, оптичного випромінювання, магнітного поля та тиску;

розроблення математичної моделі генератора електричних коливань на основі транзисторних схем з від'ємним опором, що описує лінійний і нелінійний режими роботи;

розроблення рекомендацій по проектуванню радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, методів побудови, схем, конструкцій та технологічних аспектів їх виготовлення;

здійснення експериментальної перевірки математичних моделей і дослідження властивостей радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів;

оцінювання похибок перетворення і впровадження розроблених приладів у практику.

Об'єкт дослідження - процес перетворення фізичних величин у частотний сигнал, що породжує проблему побудови радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів з поліпшеними економічними і метрологічними показниками.

Предмет дослідження - статичні і динамічні характеристики радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, оптичного випромінювання, тиску і магнітного поля на основі реактивних властивостей транзисторних структур з від'ємним опором.

Методи дослідження - базуються на використанні рівнянь математичної фізики під час розробки математичних моделей перетворювачів, системи алгебраїчних рівнянь, теорії електричних кіл, функції комплексної змінної для визначення функції перетворення і рівняння чутливості, а також теорії ймовірності для визначення похибок вимірювання.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі отримані такі наукові результати:

Вперше розроблені елементи теорії термореактивного, фотореактивного, тензореактивного і магнітореактивного ефектів для чутливих елементів радіовимірювальних перетворювачів у вигляді біполярних та польових транзисторів на основі розв'язку рівнянь перенесення і Пуассона, що дало можливість отримати аналітичні залежності активної і реактивної складових від температури, оптичного випромінювання, магнітного поля, тиску. Доведено, що ці залежності є суттєвими для створення нового класу радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, а це є значним досягненням у розбудову теорії і практики радіовимірювальних перетворювачів, як приладів систем радіоуправління.

2. Вперше розроблені математичні моделі радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, в яких, на відміну від існуючих, враховано вплив температури на елементи нелінійних еквівалентних схем, що дозволяє отримати функції чутливості і рівняння перетворення температури в частоту.

Вперше розроблені математичні моделі радіовимірювальних перетворювачів тиску, в яких, на відміну від існуючих, врахована дія тиску на зміщення енергетичних рівнів, зміну концентрації і рухливості носіїв заряду в чутливих структурах через залежність елементів нелінійних еквівалентних схем перетворювачів від тиску, що дозволяє отримати функції чутливості і рівняння перетворення тиску в частоту.

Вперше розроблені математичні моделі радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів магнітної індукції, в яких, на відміну від існуючих, враховано вплив магнітного поля на рух носіїв заряду в перетворювачах, через вплив магнітного поля на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів, що дає змогу отримати функції чутливості і рівняння перетворення магнітної індукції в частоту.

Вперше розроблені математичні моделі радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів оптичного випромінювання, в яких, на відміну від існуючих, враховано ефект фотоемісії металу затвору на струм перетворювача, фотореактивні ефекти в каналі і базі через вплив оптичного випромінювання на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів, що дало змогу отримати функції чутливості і рівняння перетворення оптичного випромінювання в частоту.

Удосконалено математичну модель генератора електричних коливань для транзисторних структур з від'ємним опором, у яких спадаюча ділянка вольт-амперної характеристики описується поліномом шостого степеня відносно точки максимуму, що лягло в основу розв'язку нелінійного диференційного рівняння коливальної системи за методом малого параметру і дозволило отримати аналітичні вирази для інженерного розрахунку амплітуди коливань, коефіцієнта нелінійних спотворень і доданка до частоти, який зв'язаний з існуванням гармонік у спектрі коливань.

Удосконалено методику оцінювання основних характеристик радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, яка, на відміну від існуючих, побудована на послідовному диференціюванні функції перетворення, що дозволяє отримати адитивні та мультиплікативні похибки перетворювачів у процесі проведення експериментальних досліджень, підтверджена адекватність отриманих аналітичних залежностей реальним характеристикам для різного режиму роботи перетворювачів.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі отриманих нових наукових результатів розроблено рекомендації щодо проектування радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, оптичного випромінювання, магнітного поля та тиску.

Отримані аналітичні вирази для інженерного розрахунку вольт-амперних характеристик радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання, що забезпечує вибір оптимального режиму їх електричного живлення.

Одержані аналітичні вирази для функції перетворення і чутливості розроблених радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, які є базовими для інженерного розрахунку характеристик перетворювачів.

Розроблені принципи побудови конструктивних схем радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання, в яких чутливі елементи виконані у вигляді активних ємнісних та індуктивних елементів інтегральних схем, що дозволяє отримати частотний вихідний сигнал і якісно поліпшити робочі характеристики перетворювачів.

Розроблені рекомендації для проектування радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, оптичного випромінювання, магнітного поля, тиску з урахуванням технічної досконалості, метрологічних параметрів, матеріалів чутливих елементів.

Розроблено прикладне програмне забезпечення в середовищі «Matlab 5.2» для моделювання та розрахунків характеристик розроблених радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів, що проектуються.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. В роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: розробка математичної моделі нелінійного режиму роботи генератора і експериментальне дослідження його характеристик [15, 37], розробка математичних моделей радіовимірювальних перетворювачів температури та їх експериментальна перевірка, розрахунки функцій перетворення і рівняння чутливості [29, 36, 39], наукове обґрунтування, експериментальне дослідження і розробка математичних моделей радіовимірювальних оптичних перетворювачів [14,24-26, 30-35, 38, 41,43,45], конструктивні схеми з активним індуктивним елементом, математичні моделі, експериментальне дослідження радіовимірювальних магнітних перетворювачів [16-19, 28, 46, 47], розрахунки вольт-амперних характеристик, залежності елементів нелінійних схем радіовимірювальних перетворювачів від тиску, математичні моделі та експериментальні дослідження перетворювачів тиску [20-23, 27, 40, 42].

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень були апробовані на _22_ наукових конференціях, симпозіумах, семінарах, серед них: Міжнародна науково-технічна конференція (НТК) «Приладобудування-96» (м. Вінниця - Судак, 1996 р.); Міжнародна НТК «Наука і підприємництво» (м. Вінниця - Львів, 1997 р.); Міжнародна НТК «ELECTRONICS-97» (м. Каунас, 1997 р.); Міжнародна НТК «Контроль і управління в технологічних системах» (м. Вінниця, 1997 р.); Міжнародна НТК «Наука і підприємництво» (м. Вінниця-Львів, 1998 р.); Міжнародна НТК «ELECTRONICS-98» (м. Каунас, 1998 р.); Міжнародна НТК «НВЧ техніка і телекомунікаційні технології» (м. Севастополь, 1998 р.); Міжнародна НТК «Контроль і управління в складних системах» (м. Вінниця, 1999 р.); Міжнародна НТК «10^th Microcoll» (м. Будапешт, 1999 р.); Міжнародна НТК «ELECTRONICS - 2000» (м. Каунас, 2000 р.); Міжнародна НТК «PHOTONICS-ODS-2000» (м. Вінниця, 2000 р.); Міжнародна НТК «Приладобудування - 2000» (м. Вінниця - Симеїз, 2000 р.); Міжнародний симпозіум «Наука та підприємництво - 2001» (м. Вінниця - Мукачеве, 2001 р.); Міжнародна НТК «ELECTRONICS - 2001» (м. Каунас, 2001 р.); 9-та НТК «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах» (м. Хмельницький, 2002 р.); Міжнародна НТК «ELECTRONICS - 2002» (м. Каунас, 2002 р.); НТК «Автоматизація виробничих процесів» (м. Хмельницький, 2002 р.) та інші.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 2 монографіях, 26 статтях у наукових фахових журналах, 15 статтях у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, 4 тезах конференцій, 21 патентах на винаходи України та Російської Федерації.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу і _8_ розділів, списку використаних джерел і _6_додатків. Загальний обсяг дисертації _385_сторінок, з яких основний зміст викладений на _320_сторінках друкованого тексту, містить _199_рисунків, _11_таблиць. Список використаних джерел складається з _336_ найменувань. Додатки містять результати розрахунків, фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

Автор вдячний д.т.н., проф. Осадчуку В.С. за консультації під час виконання дисертаційної роботи.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, дається характеристика наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також їх впровадження.

У першому розділі проаналізовано відомі методи та засоби створення радіовимірювальних перетворювачів температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання та теоретичні підходи, покладені в основу їх побудови.

Показано, що на сучасному етапі розвитку науки і техніки більша частина радіовимірювальних перетворювачів оптичного випромінювання, температури, тиску, магнітного поля будується на основі чутливих приладів, вихідним сигналом яких є амплітудний сигнал у вигляді напруги або струму при подальшій передачі його до аналого-цифрового перетворювача аналоговими засобами. Одночасно йде процес розвитку цифрових приладів, в яких вимірювана величина перетворюється в пропорційну їй частоту. За допомогою таких пристроїв похибку вимірювання можна знизити до 0,2-0,1% шляхом значного ускладнення й подорожчання апаратури. Суттєве поліпшення метрологічних характеристик радіовимірювальних перетворювачів можна отримати, якщо в чутливих напівпровідникових приладах використати залежність їх реактивних властивостей і від'ємного опору від дії температури, тиску, магнітного поля, оптичного випромінювання, що викликає необхідність розробки елементів теорії термореактивного, фотореактивного, магнітореактивного і тензореактивного ефектів у чутливих елементах радіовимірювальних перетворювачів. Використання цих ефектів дозволяє створити дуже прості схеми і конструкції радіовимірювальних перетворювачів, які можна легко виготовити у вигляді мікроелектронних схем. Крім того проведений огляд відомих методів і засобів створення радіовимірювальних перетворювачів дозволив визначити мету і задачі досліджень, а також провести класифікацію існуючих радіовимірювальних перетворювачів.

Другий розділ присвячено розробці елементів теорії термореактивного, фотореактивного, тензореактивного і магнітореактивного ефектів для чутливих елементів у вигляді біполярних і польових транзисторів радіовимірювальних перетворювачів. Під вищезгаданими ефектами розуміють залежність повного опору біполярних і польових транзисторів від дії температури, оптичного випромінювання, магнітного поля і тиску. Для визначення в аналітичному вигляді залежності повного опору чутливих елементів від перелічених впливів необхідно отримати розв'язок рівняння перенесення і рівняння Пуассона для змінних струмів у вигляді розподілу інжектованих носіїв заряду в базовій області біполярних і каналу польових транзисторів, що залежить від температури, оптичного випромінювання магнітного поля і тиску.

Процеси впливу оптичного випромінювання на чутливі біполярні структури, що викликають появу фотореактивного ефекту, описуються рівнянням перенесення. Проте в цьому випадку рівняння перенесення ускладнюється за рахунок процесів генерації носіїв заряду і утворення електричного поля в базовій області при дії змінної напруги на емітерному і колекторному переходах.

З урахуванням цих процесів отримано аналітичний вираз повного опору активної зони кристалу фоточутливого біполярного транзистора

де С - еквівалентна ємність транзисторної структури, L - зовнішня індуктивність, - опір втрат контуру, - активний опір індуктивності L, - характеристичний опір контуру, - опір навантаження.

Введемо позначення: , - затухання контуру, - диференційна провідність транзисторної структури. З врахуванням цих позначень рівняння (3) набуває вигляду

. (4)

Перейдемо до безрозмірних величин по часу: ; по напрузі: і струму: , де - відповідно напруга в точці мінімуму і струм в точці максимуму вольт-амперної характеристики транзисторної структури. В цьому випадку рівняння (4) перетворюється до вигляду:

, (5)

де , . - коефіцієнти полінома апроксимації, - добротність контуру.

Ступінь наближення системи, описаної рівнянням (5) до лінійної, залежить від значення складових у дужках правої частини, тому помилка у визначенні гармонік залежить від малості .

Розв'язок рівняння (5) виконано на основі відомого метода малого параметру, що дозволило отримати умови збудження, величину амплітуди вихідного сигналу, коефіцієнти нелінійних спотворень від напруг зміщення.

Коефіцієнти гармонік є складними функціями напруг зміщення транзисторної структури, параметрів її вольт-амперної характеристики , параметрів контуру і амплітуди коливань V0, котра, в свою чергу, залежить від параметрів контуру, навантаження і зміщення. Очевидно, що шлях до отримання майже гармонічних коливань полягає у використанні контуру із значною ємністю ( мале) і при роботі з малими амплітудами коливань за рахунок вибору певних значень . Проте в останньому випадку покращення форм коливань досягається за рахунок зменшення потужності в навантаженні. На рис. 4 подана залежність коефіцієнта 2-ої гармоніки від напруги живлення з різними навантаженнями. Як видно з графіка, мінімальне значення коефіцієнта нелінійних спотворень відповідає відношенню при напругах живлення більше 5 В.

Теоретичні й експериментальні дослідження залежності частоти генерації від напруги живлення при різних значеннях управляючої напруги подані на рис. 5. Як видно з графіка, зміна напруги живлення, що подається на колектор біполярного транзистора і стік польового транзистора, дозволяє керувати частотою генерації. Так, частота генерації збільшується на 285 кГц при зміні напруги живлення від 3,7 В до 7,2 В при сталій величині управляючої напруги 5В.

Оптимальним діапазоном робочих температур є інтервал від -80^оС до +70^оС. Оцінювання метрологічних параметрів генератора показало, що повна похибка зміни частоти генерації складає ±0,4%.

У четвертому розділі на основі термореактивного ефекту розроблені теоретичні засади та методи побудови радіовимірювальних перетворювачів температури, на базі яких отримано залежності активних і реактивних складових повного опору структури, частоти генерації, чутливості від температури, режимів живлення, виконано експериментальні дослідження характеристик перетворювачів, які підтвердили справедливість теоретичних положень.

Електричні режими роботи мікроелектронних радіовимірювальних перетворювачів суттєвим чином впливають на їх параметри. Проходження струму через транзистори, опори й інші елементи приводить до підвищення температури за рахунок розсіюваної потужності. Аналіз теплового стану інтегральної схеми є складною задачею, розв'язок якої можливо зробити на основі математичного моделювання з врахуванням фізичних процесів і особливості конструкції інтегральної схеми.

Розв'язок нестаціонарного рівняння теплопровідності дозволив визначити параметри перехідного процесу, який відтворює залежність температури від часу для різних ділянок поверхні інтегральної схеми перетворювача. Час досягнення усталеного режиму не перевищує 6·10^-4 с. Максимальна температура перегріву для елементів інтегральної схеми перетворювача не перевищує 5,3^оС. Розрахунки температурного поля і перехідного процесу виконано у середовищі програмного забезпечення «Matlab 5.2».

Далі розглянемо радіовимірювальний термочутливий перетворювач на основі біполярних транзисторів. Його схема містить два біполярних транзистори, живлення яких через резистори R1, R2 і R3 здійснюють два джерела постійної напруги U1 і U2.

На електродах між колекторами транзисторів в результаті дії додатного зворотного зв'язку існує повний опір, активна складова якого має від'ємне значення, а реактивна складова - ємнісний характер. Підключення зовнішньої індуктивності L₁ до електродів колектора дозволяє створити автогенератор електричних коливань, частота генерації якого залежить від температури. Це складає схему температурного перетворювача.

Функція перетворення, яка визначає залежність частоти генерації від температури, зображена на рис. 7. Із графіка видно, що підвищення температури в діапазоні від -100^о С до +100^о С приводить до майже лінійного зниження частоти генерації на 500 кГц. Цей спад частоти генерації викликаний термогенерацією носіїв заряду, яка збільшує еквівалентну ємність біполярної транзисторної структури за незмінними напругами живлення та керування. Чутливість перетворювача при 20⁰С складає 3 кГц/⁰С. Розбіжність теоретичних та експериментальних досліджень дорівнює ±5%.

Для розширення діапазону вимірюваних температур як в сторону зростання (+800^о С), так і в сторону зменшення (-180^о С) в коло позитивного зворотного зв'язку перетворювача включався термоопір. Як показали дослідження, чутливість перетворювача з напівпровідниковим термоопором на порядок краща ніж з металічним термоопором і складає 2,2·10³ Гц/^оС при 100^оС.

Подальше покращення параметрів термочутливого радіовимірювального перетворювача можливо отримати на основі схеми з активним індуктивним елементом (рис. 8), що дозволяє повністю виготовити його у вигляді інтегральної схеми.

Термочутливі біполярні транзистори VT1, VT2 і VT3 реалізують генератор електричних коливань, в якому коливальний контур утворений ємнісною складовою повного опору на електродах колектор-колектор термочутливих біполярних транзисторів VT1 і VT2 та індуктивною складовою повного опору на електродах емітер-колектор термочутливого біполярного транзистора VT3. Отже, при дії температури на термочутливі транзистори VT1, VT2 і VT3 змінюється як ємність, так і індуктивність коливального контуру генератора, що значно підвищує чутливість і точність виміру температури.

На основі системи рівнянь Кірхгофа, згідно нелінійної еквівалентної схеми перетворювача, отримані аналітичні вирази й здійснена їх експериментальна перевірка. Функція перетворення має вигляд

. (6)

(7)

де - ємність емітерного переходу, - ємність колекторного переходу, - еквівалентна індуктивність VT3.

У п'ятому розділі на основі фотореактивного ефекту представлені теоретичні й експериментальні дослідження оптичних радіовимірювальних перетворювачів, в яких враховано ефект взаємодії оптичного випромінювання з металом затвору, з базою та каналом біполярного та польового транзисторів в динамічному режимі, що дозволило на основі моделей розрахувати характеристики перетворювачів і експериментально довести їх адекватність моделям.

Конструктивно фоточутливий перетворювач складається із арсенід-галієвого польового транзистора з бар'єром Шоткі і біполярного транзистора (рис. 10). Ця схема є базовою для побудови оптичних перетворювачів для їх роботи у діапазоні надзвичайно високих частот.

Вольт-амперна характеристика цієї структури має ділянку від'ємного опору, що дозволяє компенсувати втрати енергії у коливальному контурі, утвореному еквівалентною ємністю колектор-стік структури і зовнішньою індуктивністю.

Експериментальні і теоретичні дослідження оптичних перетворювачів з активним індуктивним елементом на основі польових транзисторів типу BSS284 і BF998 дозволили одержати лінійну функцію перетворення в діапазоні частот до 2·10⁹ Гц при значеннях чутливості 15 кГц/мкВт/см². Похибка виміру потужності оптичного випромінювання складає ±0,52%.

У шостому розділі на основі магнітореактивного ефекту розроблені теоретичні засади та методи побудови магнітних радіовимірювальних перетворювачів, котрі враховують вплив магнітного поля на розподіл концентрації інжектованих носіїв заряду у базі біполярних і каналі польових транзисторів, які складають схему перетворювачів. Це приводить до залежності елементів нелінійних еквівалентних схем від магнітного поля, що дає можливість побудувати математичні моделі і на їх основі розрахувати характеристики магнітних перетворювачів та провести їх експериментальне дослідження.

Дія магнітного поля на чутливі біполярні структури проявляється у викривленні траєкторії інжектованих носіїв заряду, що викликає збільшення ефективної довжини бази і відхилення частини носіїв заряду від колектора. Роль останнього ефекту зростає із зменшенням ширини емітера і колектора, що забезпечує зростання магніточутливості.

Схема магнітного радіовимірювального перетворювача подана на рис. 13. Вона складається з гібридної інтегральної схеми на основі кристалів польових транзисторів BSS284 і BF998, причому в коло зворотного зв'язку включено магнітоопір R1, на який діє магнітне поле. На основі нелінійної еквівалентної схеми перетворювача складена система рівнянь Кірхгофа, з якої визначена функція перетворення і рівняння чутливості. Чутливість частотного перетворювача складає 800 Гц/мТ на робочій частоті 1592 кГц.

Як магніточутливий елемент можна використовувати довгий діод, котрий ввімкнено у прямому режимі замість резистора R1. На основі нелінійної еквівалентної схеми перетворювача складено систему рівнянь Кірхгофа, згідно якої визначено функцію перетворення і рівняння чутливості.

Під час дії магнітної індукції на магнітодіод перетворювача частота генерації зменшується, так при величині магнітної індукції 15 мТ частота генерації складала 1491 кГц, а при 60 мТ вона зменшилась на 46 кГц (рис. 14). Як видно з графіка, діапазон зміни частоти генерації при дії магнітної індукції майже не залежить від напруги живлення. Експериментально і теоретично встановлено, що при зростанні магнітної індукції від 0 до 60 мТ відбувається зменшення частоти генерації від 1460 кГц до 1411 кГц, при цьому чутливість на частоті 1440 кГц складає 1000 Гц/мТ. Вихідна змінна напруга лежить у діапазоні від 3,6 В до 4,2 В.

Подальше покращення параметрів магнітного перетворювача можливе, якщо в якості магніточутливого елемента використовувати польовий транзистор з ізольованим затвором VT2. Для цього магнітного перетворювача чутливість і лінійність функції перетворення зростають з підвищенням напруги живлення. Існують оптимальні величини напруги живлення й управління, які складають 4 В і 3,5 В. Адекватність розробленої моделі в порівнянні з експериментом визначається у вигляді відносної похибки і не перевищує ±5%. Магніточутливість і функція перетворення розраховані числовим методом на персональному комп'ютері. Чутливість перетворювача на частоті 1418 кГц при напрузі живлення 4 В складає 3 кГц/мТ.

Теоретичні та експериментальні дослідження характеристик інтегральної схеми магнітного перетворювача, в якому ємнісний та індуктивний елементи коливального контуру виготовлені на основі біполярних магніточутливих транзисторів, показали, що його чутливість складала 6 кГц/мТ на частоті 1350 кГц при напрузі живлення 4В. Похибка вимірювання магнітної індукції дорівнює ±0,63%.

Сьомий розділ присвячений дослідженню радіовимірювальних перетворювачів тиску на основі тензореактивного ефекту, в яких враховані механізми дії тиску на елементи нелінійних еквівалентних схем перетворювачів, на основі моделей отримано залежність повного опору, функції перетворення, рівняння чутливості від дії тиску, розраховані похибки вимірювань.

Фізична причина деформаційних ефектів полягає у зміщенні енергетичних рівнів напівпровідника і пов'язана з цим зміна енергетичного спектру електронів і дірок, що приводить до зміни електричних характеристик напівпровідника. Під час дії деформації на напівпровідниковий прилад його електричні характеристики виявляються функціями тиску.

Схема перетворювача тиску подана на рис. 15. Вона складається з біполярного і польового транзисторів. До параметрів біполярного транзистора, які змінюються під дією тиску, відносяться дифузійна ємність і її опір, бар'єрна ємність і її опір, коефіцієнт передачі струму та опір бази. Згідно цьому переліку параметрів отримані аналітичні вирази їх залежностей від тиску. На рис. 16 подана теоретична та експериментальна залежності функції перетворення. Розрахунки чутливості показали, що її величина складає 13,5 кГц/кг/мм².

Реалізація перетворювача тиску у вигляді інтегральної мікроелектронної схеми потребує виготовлення індуктивного елемента коливального контуру генератора у вигляді МДН-транзистора з RC-колом. Це дає змогу впливати як на ємність, так і на індуктивність контуру при дії тиску, що значно підвищує чутливість пристрою. Схема радіовимірювального перетворювача подана на рис. 17. Тензочутливі МДН-транзистори VT1, VT2, VT3 реалізують генератор електричних коливань, в якому коливальний контур утворений ємнісною складовою повного опору з від'ємним значенням активної складової на електродах стік-стік транзисторів VT1, VT2 та індуктивною складовою повного опору стік-стік VT3. Таким чином, при дії тиску на тензочутливі МДН-транзистори змінюється як ємність, так і індуктивність коливального контуру.

Визначивши залежність струму стоку, крутизни, параметрів каналу, порогової напруги і напруги насичення від дії тиску, перейдемо до розрахунку повного опору на електродах стік-стік VT2 і VT3 на основі нелінійної еквівалентної схеми пристрою, яка описується системою рівнянь Кірхгофа.

Теоретичні та експериментальні залежності функції перетворення подані на рис. 18. Чутливість частотного перетворювача, розрахованої згідно (18), складає 34 кГц/кг/мм². Адекватність розробленої моделі в порівнянні з експериментом визначено у вигляді відносної похибки, котра складає ±5%. Похибка вимірювання тиску перетворювачем з активним індуктивним елементом дорівнює ±0,56%.

Восьмий розділ присвячений розробці рекомендацій для проектування мікроелектронних радіовимірювальних перетворювачів. Оцінювання технічної досконалості приладів зроблено на основі узагальнених показників їх технічного рівня. Суть метода полягає в складанні матриці показників існуючих і розроблених приладів. На основі матриці показників вибирається найкращий за всіма показниками прилад, з яким порівнюються інші. Це дозволяє визначити числові значення узагальненого показника технічного рівня приладів і порівняти з точки зору наближення їх до потенціальної досконалості.

Згідно оптимізації метрологічних параметрів і коефіцієнта корисної дії, матеріалів чутливих елементів розроблені рекомендації по проектуванню радіовимірювальних перетворювачів. Показано, що оптимальною конструкцією температурних перетворювачів є конструкція на основі двох кремнієвих біполярних транзисторів, яка забезпечує 90% - ККД, 3,25 кГц/⁰С - чутливість, 0,025% - мультиплікативну і 0,02% - адитивну похибки. Розрахунки узагальнених показників технічної ефективності радіовимірювальних перетворювачів температури показали, що розроблені пристрої мають узагальнений показник у 1,35 рази кращий в порівнянні з існуючими.

Доведено, що оптимальною конструкцією оптичних радіовимірювальних перетворювачів є конструкція з активним індуктивним елементом, котра забезпечує чутливість - 4·10⁵ Гц/мкВт/см², мультиплікативну похибку - 0,004% й адитивну - 0,15%. Найкращий режим живлення, якому відповідає максимальне значення ККД (45%), лежить у діапазоні від 2 В до 3,5 В. Узагальнений коефіцієнт технічної ефективності у 1,15 рази кращий в порівнянні з існуючими пристроями.

Оптимальною конструкцією з точки зору параметрів є конструкція радіовимірювального перетворювача тиску з активним індуктивним елементом, котра забезпечує лінійність характеристики перетворення, високу чутливість - 1,25·10⁴ Гц/кг/мм², мультиплікативну похибку - 0,04% та адитивну - 0,016%. Узагальнений показник технічної ефективності радіовимірювальних перетворювачів тиску у 2,56 рази кращий в порівнянні з існуючими пристроями.

Рекомендується проектувати радіовимірювальні магнітні перетворювачі на основі біполярної конструкції з активним індуктивним елементом, що забезпечує коефіцієнт корисної дії - 75%, чутливість - (5-8)·10³ Гц/мТ, мультиплікативну похибку - 0,24% й адитивну - 0,13%. Оптимальний режим живлення лежить від 4,2 В до 5,2 В. Узагальнений показник технічного рівня розроблених приладів у 1,68 рази кращий в порівнянні з існуючими.

У дисертаційній роботі розроблено елементи теорії побудови радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів на основі термореактивного, фотореактивного, магнітореактивного і тензореактивного ефектів в чутливих біполярних і польових транзисторних елементах. Завдяки цьому доведено можливість створення нового класу радіовимірювальних перетворювачів за частотним принципом роботи і мікроелектронною технологією, що приводить до значного покращення їх метрологічних і економічних показників.

В інженерно-технічному аспекті створено новий клас радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів температури, тиску, оптичного випромінювання, магнітного поля, які працюють у широкому діапазоні частот від 10³ Гц до 10⁹ Гц. Розроблені рекомендації по проектуванню радіовимірювальних мікроелектронних перетворювачів з урахуванням технічної досконалості, метрологічних параметрів, матеріалів чутливих елементів. Розроблено пакет прикладних програм в середовищі «Matlab 5.2», який дозволяє моделювати процес впливу зовнішніх факторів на активні структури перетворювачів, розрахувати їх параметри.

Одержані такі основні наукові та практичні результати:

Проаналізовано відомі методи та теоретичні підходи, покладені в основу побудови радіовимірювальних перетворювачів. Встановлено, що на сучасному етапі розвитку теорії та техніки актуальним і перспективним є застосування мікроелектронної технології та частотного принципу роботи при створенні радіовимірювальних перетворювачів.