Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ національний ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Куземко Олександр Михайлович

УДК 621.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Елементи та пристрої автоматики на основі комбінованих динамічних негатронів

Спеціальність 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

Вінниця - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Філинюк Микола Антонович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури. імітансний негатрон транзистор шоттка

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бех Олександр Дмитрович, Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, м. Київ, завідувач відділу;

доктор технічних наук, професор Кожем'яко Володимир Прокопович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки.

Захист відбудеться “28” 09 2007р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, 210.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “27” 08 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.М. Захарченко.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Досягнення високих технічних характеристик в існуючих інформаційних пристроях відбувається за рахунок збільшення їх складності, габаритів, маси і вартості. Розвиток інтегральної технології та освоєння нових частотних діапазонів (міліметровий діапазон НВЧ) поставив дві важливі задачі: підвищення надійності і зменшення габаритних розмірів при збереженні високих електричних параметрів.

При розв'язання задачі мініатюризації найбільш значні складнощі виникли при створенні частотно-вибіркових елементів та пристроїв автоматики в інтегральному виконанні. Частотна вибірковість елементів залежить від добротності компонентів, що в них входять. З підвищенням частоти та зменшенням розмірів добротність реактивних елементів зменшується, що приводить до погіршення вибірковості. Особливо сильно зменшується добротність котушок індуктивності. Таким чином, для створення частотно-вибіркових елементів в інтегральному виконанні необхідно використовувати такі методи і засоби побудови схем, електричні параметри яких не залежали б від геометричних розмірів. Такий вимогам відповідають комбіновані динамічні негатрони Шоттки, які створені на основі узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ). Такий напрямок відноситься до області функціональної електроніки, в якій використовується від'ємний опір різних твердотільних структур - негатроніки.

Основоположником цього напряму є О.В. Лосєв, який вперше знайшов, дав визначення і застосував для генерації і посилення електромагнітних коливань негативний опір напівпровідникових кристалів. Значний внесок у розвиток цього напряму внесли У. Шоклі (W. Shockle), Ганн (J. B. Gunn), Л. Есаки (L. Esaki), С.А. Гаряїнов, І.Д. Абезгауз, Ф. Бенінг (F. Bening), В.П. Дьяконов, А.С. Тaгер, Л.Н. Степанова, О.Н. Негоденко, Ф.Д. Касимов, В.С. Осадчук, О.В. Осадчук, П.А. Молчанов, В.М. Кичак, В. Рід (W. T. Read), Діл (H. Dill), В.І.Стафєєв, М.А. Філинюк і ін. У публікаціях цих учених узагальнено результати як теоретичних, так і практичних досліджень різних видів негатронов і їх застосування.

В рамках наукового напрямку ''Негатроніка'' постійно ведуться дослідження з метою підвищення ефективності інформаційних пристроїв автоматики. Найбільш перспективним є розробка динамічних негатронів на основі польового транзистора Шоттки (ПТШ). Польовий транзистор є найбільш високочастотною структурою. Він володіє кращими, в порівнянні з біполярними, параметрами (більшою швидкодією, високим вхідним опором; квадратичністю вольт-амперних характеристик; високою температурою стабільністю; малий рівнем шумів, має планарний характер, що забезпечує виготовлення на їх основі елементів та пристроїв автоматики у вигляді напівпровідникових інтегральних мікросхем). Існуючі дослідження присвячені використанню комбінованих динамічних негатронів на основі ПТШ в сантиметровому діапазоні НВЧ. В міліметровому діапазоні в ПТШ починає проявлятись ефект Ганна, що спричиняє до можливості створення від'ємного диференційного опору самою структурою, і як наслідок до можливості створення нових ефективних елементів та пристроїв автоматики. Але явище абсолютної нестійкості ПТШ, не одержало належного аналізу, як потенційного негатронного елементу в пристроях автоматики і являється актуальною задачею дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася на кафедрі проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури Вінницького національного технічного університету згідно з планом наукових досліджень Вінницького національного технічного університету і Міністерства освіти і науки України в рамках держбюджетних тем: “Дослідження фізико-технічних процесів у багатоелектродних потенційно-нестійких структурах і розробка методів та засобів моделювання енергетично-ефективних інформаційних пристроїв на основі принципів динамічної негатроніки” (номер державної реєстрації 0102U002259); “Аналіз і синтез RLC-негатронів на основі напівпровідникових структур і створення на їх основі високоефективних інформаційних пристроїв” (номер державної реєстрації 0105U002414), і відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні "5. Нові комп'ютерні засоби та технології інформатизації суспільства".

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є покращення технічних характеристик (підвищення частотної вибірковості, збільшення робочого діапазону частот, покращення технологічності) елементів і пристроїв автоматики за рахунок використання комбінованих динамічних негатронів міліметрового діапазону частот.

Для досягнення поставленої мети розв'язуються такі задачі:

1. Розробка математичної моделі УПІ та дослідження імітансних характеристик комбінованих динамічних негатронів на основі польового транзистора Шоттки(ПТШ) в діапазоні частот при різних значеннях перетворюваного імітансу, з визначенням областей потенційної нестійкості.

2. Дослідження УПІ на основі ПТШ в залежності від режиму роботи по постійному струму та від температури, з визначенням меж керування та стабільної роботи відповідно.

3. Розробка математичних моделей і оцінки ефективності керуючих елементів автоматики на основі УПІ, що використовують комбіновані динамічні негатрони на основі ПТШ для визначення оптимальних УПІ.

4. Розробка і дослідження елементів автоматики (індуктивних елементів, електрично керованих коливальних контурів, придатних для виготовлення у вигляді інтегральної мікросхеми).

5. Розробка і дослідження пристроїв автоматики (активних фільтрів, генераторів гармонійних коливань, помножувачів індуктивності, комутаторів та атенюаторів, придатних для виготовлення у вигляді інтегральної мікросхеми).

Об'єктом дослідження є процес перетворення інформаційних сигналів у спеціалізованих засобах обробки інформації з частотним поданням.

Предметом дослідження є елементи і пристрої автоматики на основі комбінованих динамічних негатронів.

Методи дослідження. Використані в дисертації методи базуються на: теорії матриць для розробки математичної моделі ПТШ; теорії комфорних відображень для дослідження імпедансних характеристик; теорії перетворювачів імітансу для дослідження робочих параметрів чотириполюсників; теорії аналізу електронних схем для визначення основних параметрів елементів і пристроїв автоматики на основі потенційно-нестійких напівпровідникових структур; теорії стійкості для визначення умов забезпечення стійкості реалізованих пристроїв за умови потенційної нестійкості використовуваних елементів; теорії планування експерименту і комп'ютерного моделювання для експериментальної перевірки отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Вперше запропоновано інваріантний коефіцієнт нестійкості чотириполюсника, який дає можливість кількісно оцінити стан нестійкості абсолютно нестійкого чотириполюсника.

2. Одержала подальший розвиток теорія оцінки ефективності керуючих елементів на основі узагальнених перетворювачів імітансу, які використовують комбіновані динамічні негатрони, що дозволило визначити ефективність елементів керування на основі УПІ.

3. Вперше розроблено математичну модель УПІ на основі ПТШ з урахуванням ефекту Ганна, що дало можливість розробити елементи та пристрої автоматики в міліметровому діапазоні частот.

Практичне значення одержаних результатів.

1.Досліджено УПІ на основі комбінованих динамічних негатронів на основі ПТШ в залежності від режиму живлення та температури, що дало можливість визначити межі керування та межі стабільної роботи.

2.Розроблено та досліджено схеми керованих напівпровідникових котушок індуктивності, коливальних контурів, активних фільтрів на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна, що дозволяє реалізувати їх в інтегральному вигляді.

3.Розроблено та досліджено схеми двочастотних генераторів підвищеної стабільності, атенюатора та комутатора на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна, що дозволяє розширити межі керування та реалізувати їх в інтегральному вигляді.

4.Розроблено та досліджено схеми помножувача індуктивності на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна, що дозволило збільшити величину індуктивності в 4 рази при одночасному збільшені добротності.

Результати дослідження впроваджено в НДІ ”Гелій”(м. Вінниця), Науково-дослідному Інституті Авіації Національної Академії Авіації Азербайджанської республіки (м. Баку, Азербайджан), а також у навчальному процесі Вінницького національного технічного університету на кафедрі проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури при вивчені дисциплін “Основи негатроніки“ та “Електронні пристрої на елементах з негативним опором”. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримано автором самостійно.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: математичне моделювання частотних залежностей максимально-досяжного коефіцієнта підсилення [1]; проведення експериментальної перевірки методу[2]; математичне моделювання граничної частоти транзисторного негатрона [3]; синтез схем та дослідження активних індуктивностей та фільтрів [4]; синтез схеми та дослідження параметрів оптично-керованого аналогу індуктивності на ПТШ [5]; дослідження параметрів схеми фільтра [6]; перевірка адекватності математичної моделі[7]; узагальнення критеріїв ефективності, оцінка ефективності керуючих елементів на ПТШ [8]; синтез схем та дослідження параметрів взаємних і невзаємних фільтрів на ПТШ [9]; синтез схеми та дослідження схемотехнічного аналога котушки індуктивності [10]; синтез схеми та дослідження параметрів помножувача індуктивності в діапазоні частот [11]; розробка методу, блок-схеми установки та проведення вимірювань коефіцієнта нестійкості чотириполюсника [12]; синтез схеми та дослідження схемотехнічного аналога котушки індуктивності[13, 14]; синтез схеми двочастотного генератора[15, 16]; розробка блок-схем вимірювальних установок [17, 18]; синтез схеми та дослідження параметрів помножувача індуктивності в діапазоні частот [19]; pозробка методу, блок-схеми установки та проведення вимірювань коефіцієнта нестійкості чотириполюсника [20,21]; математичне моделювання частотних залежностей максимально-досяжного коефіцієнта підсилення [23]; синтез схем та дослідження активних індуктивностей та фільтрів[24]; перевірка адекватності математичної моделі [25]; синтез схеми дворезонаторного активного фільтра[26]; розробка схеми оптично-керованого аналога котушки індуктивності[27]; Визначення коефіцієнту нестійкості чотириполюсника[28].

Апробація результатів. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях: VII міжнародна науково-практична конференція “НАУКА І ОСВІТА 2004” (Дніпропетровськ, 2004); “Photonics-ODS 2005”, (Вінниця, 2005), "Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування" (СПРТП-2005,2006), (Вінниця, 2005-2006); ”Проблемы современной гражданской авиации-2007”, (Азербайжан, Баку, 2007); ”СИЭТ-2005,2007”, (Одесса, 2005, 2007); ”КУСС-2005”, (Вінниця, 2005); Автоматика-2006, (Вінниця, 2006), GEMIC-2006, (Germany, 2006); наукових-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів університету з участю працівників науково-дослідних організацій та інженерно-технічних працівників підприємств м. Вінниці та області (2004-2007рр.); наукових семінарах кафедри проектування комп'ютерної та телекомунікаційної апаратури ВНТУ.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 28 наукових праць[1-28], з них 12 статтей в наукових журналах, що входять до переліку ВАК України [1-12] три деклараційних патентів на корисну модель [13-15], три патенти на корисну модель[16-18].

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 105 рисунків і 9 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (159 найменування) і 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 200 сторінок, з яких основний зміст викладено на 116 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, мета і задачі дослідження, наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, наведені відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.

В першому розділі наведено класифікацію елементів та пристроїв автоматики на основі комбінованих динамічних негатронів. Проведено огляд літературних джерел та зроблено аналіз сучасних досягнень в галузі створення керуючих та реактивних елементів, частотновибіркових пристроїв, елементів синтезаторів частот, комутаторів та атенюаторів. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначені основні напрямки та задачі досліджень.

Другий розділ присвячено розробці математичних моделей та дослідженню узагальненого перетворювача імітансу на основі ПТШ з урахуванням ефекту Ганна.

Для дослідження транзистора в якості УПІ він представляється у вигляді фізичної еквівалентної схеми. Врахування виникнення домену Ганна на високих частотах дозволило підвищити адекватність представленої моделі. Опір вихідної частини еквівалентної схеми обраховується за формулою

,

де R_dv- опір домена Ганна, G_ds- диференційна вихідна провідність транзистора, C_ds - ємність стік-витік через високоомну підкладинку, - кутова частота.

Польовий транзистор Шоттки є трьохелектродною структурою, на основі якої, залежно від комбінації електродів можуть бути реалізовано три різних типа УПІ. Показано, що для знаходження їх Y-параметрів достатньо визначити ці параметри тільки для одного виду УПІ (наприклад УПІ^СС). Використовуючи параметри фізичної еквівалентної схему ПТШ, визначено Yij=f(L_g, L_d, L_s, R_g, R_s, R_d, R_i, R_dv, G_ds, C_gs, C_ds, C_gd, R_gd, g_m, ф, C_pd, C_pg), що визначає математичну модель УПІ і являється основою для подальших досліджень та розробок.

Важливою характеристикою УПІ є імітансні характеристики, що включають частотні залежності вхідного Wвх (вихідного Wвих) імітансу УПІ від імітансу навантаження Wн (генератора Wг). Використовуючи розроблену математичну модель, досліджено частотні залежності імітансних характеристик УПІ^СС, УПІ^СВ та УПІ^СЗ. Аналіз показав, що УПІ^СВ та УПІ^СЗ в діапазоні частот >30ГГц володіє ReY22<0, що зумовлює можливість синтезу від'ємного опору самою структурою ПТШ без використання зовнішніх зворотних зв'язків.

При розробці інформаційних пристроїв на основі польового транзистора Шоттки, який розглядається в якості узагальненого перетворювача імітансу, необхідно визначити діапазон частот, в якому схема може мати від'ємний диференційний опір. Для визначення меж потенційної нестійкості УПІ використовується інваріантний коефіцієнт стійкості К_ВС, запропонований Куликовським А. А. Використання даного критерію обмежено умовою: ReW11>0, ReW22>0. В зв'язку з цим виникла необхідність введення нового коефіцієнта нестійкості чотириполюсника та розробка методу його вимірювання. Для кількісної оцінки величини нестійкості введено коефіцієнти:

Kнс.вх=ReWвх.0/свх=Kвс|ReW22|/ReW22,

Kнс.вих=ReWвих.0/свих=Kвс|ReW11|/ReW11.

Величина Кнс є інваріантним коефіцієнтом нестійкості чотириполюсника. Діапазон значень інваріантного коефіцієнта нестійкості знаходиться в межах -?>Кнc?1. На межі стійкості Кнc=1, в області нестійкості Кнc<1 і чим він менше, тим більш нестійкий чотириполюсник. При цьому можливі два випадки: ReW11<0, ReW22<0 та ReW11<0 або ReW22<0. Розроблено експериментальні установки для проведення вимірювань [17,18]. Для перевірки методу проведено вимірювання чотириполюсника на основі польового транзистора Шоттки, включеного за схемою із спільним витоком. Для вимірювання повних опорів використано вимірювальні лінії. Похибка вимірювань не перевищує 5%[12].

В загальному випадку будь-який чотириполюсник за певних умов можна розглядати, як узагальнений перетворювач імітансу (УПІ). Вхідний Wвх імітанс такого чотириполюсника залежить від імітанса навантаження Wн(Wвх=f(Wн)). Вихідний імітанс Wвих такого чотириполюсника залежить від імітансу генератора Wг(Wвих=f(Wг)). У випадку якщо Wвх(Wвих) прямо пропорційно Wн(Wг), тоді такі чотириполюсники відносять до конверторів імітансу, а у випадку обернено-пропорційної залежності - їх відносять до інверторів імітансу.

Як конвертори, так і інвертори імітансу набули широкого застосування при реалізації різних пристроїв автоматики. Але вони звичайно реалізуються схематичними методами й складаються з декількох транзисторів або операційних підсилювачів з більшою кількістю “паразитних” зв'язків, що обмежує їх частотні діапазони на рівні 1ГГц. В зв'язку з цим викликає інтерес використання однокристальних УПІ в якості яких можна використати чотириполюсники, реалізовані на основі ПТШ. При цьому, потрібно визначити до якого виду УПІ (інверторів або конверторів) відносяться кожний з розглянутих чотириполюсників і які обмеження необхідно накласти на характер і величину перетворюваних імітансів. Розв'язання цих питань можливо шляхом дослідження імітансних характеристик розглянутих чотириполюсників. Побудовано імітансні окружності для трьох УПІ: УПІ^СС, УПІ^СВ, УПІ^СЗ Для визначення типу УПІ досліджено залежності перетворюваного та перетвореного імітансу. За результатами досліджень встановлено, що УПІ^СС по входу і виходу є потенційно нестійким в діапазоні частот від 10 до 90ГГц; УПІ^СВ по входу і виходу в діапазоні частот від 10 до 40ГГц є потенційно нестійким, в інших діапазонах він є абсолютно стійким (по входу) і абсолютно нестійким (по виходу); УПІ^СЗ в діапазоні до 30ГГц по входу і виходу є потенційно нестійким, в діапазоні 40-80ГГц по входу він є абсолютно стійким, а по виходу абсолютно нестійким. УПІ^СВ в точці максимально від'ємного опору є інвертором імітансу (по входу і виходу, крім частот 80-100ГГ, де він є конвертором імітансу по виходу), УПІ^СС володіє як властивостями інвертора, так і конвертора імітансу (частоти 40-60ГГц по входу та 60-100ГГц по виходу - конвертор). УПІ^СЗ є інвертором імітансу в усьому діапазоні частот як по входу, так і по виходу (крім частоти 60ГГц по входу, де УПІ є конвертором).

Для визначення меж керування параметрами УПІ в залежності від режиму по постійному струму було досліджено три виду УПІ на основі ПТШ в залежності від напруги живлення та напруги на затворі. Дослідження проводились на семи фіксованих частотах: 1, 5, 10, 15, 20, 25 та 30 ГГц.

В результаті досліджень встановлено, що для керування вхідним та вихідним опором схеми УПІ^СВ та УПІ^СС при створенні керованих інформаційних пристроїв доцільно використовувати зміну напруги на затворі; використання напруги живлення в якості керуючого сигналу схеми УПІ^СВ та УПІ^СЗ обмежене низькими частотами (до 1 ГГц), для схеми УПІ^СС- вузьким діапазоном зміни напруги (0-0,4В для вихідного опору та 0,8-1,2В для вхідного); для керування вхідним та вихідним опором схеми УПІ^СЗ доцільно використовувати зміну напруги на витоці.

В процесі роботи елементів та пристроїв автоматики, що створені на основі УПІ на польовому транзисторі Шоттки, неможливо уникнути впливу різних дестабілізуючих зовнішніх факторів, таких як зміна температури зовнішнього середовища. З метою визначення меж стабільної роботи таких пристроїв проведено дослідження залежності вхідного та вихідного опорів в критичній точці 4 УПІ від температури. Дослідження проводились на семи фіксованих частотах: 1, 5, 10, 15, 20, 25 та 30 ГГц. Діапазон зміни температури від -40 до 600C. Досліджувалось три схеми включення польового транзистора Шоттки.

В результаті досліджень встановлено, що вихідний та вхідний опір в критичній точці 4 трьох схем включення польового транзистора залежить від температури. При створенні керованих інформаційних пристроїв доцільно використовувати такі схеми включення ПТШ, які мають максимальну температурну стабільність. Таким вимогам відповідають схема із спільним витоком в діапазоні температур від -20 до 600C в усьому діапазоні частот(ТКR порядка 2%), схема із спільним стоком в діапазоні температур від -10 до 600C в діапазоні частот від 5 до 30 ГГц(ТКR=10%) та схема із спільним затвором в діапазоні температур від -20 до 200C в діапазоні частот від 10 до 30ГГц(TKR=0.5%). В разі необхідності розширення діапазону температур, необхідно вводити в схему кола термостабілізації.

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню елементів автоматики на комбінованих динамічних негатронах (УПІ в якості керуючого елементу, електрично керованої напівпровідникової котушки індуктивності, інтегрального коливального контуру), придатних для виготовлення у вигляді напівпровідникової НВЧ інтегральної мікросхеми. Однією з проблем електроніки є реалізація в інтегральному вигляді високодобротної котушки індуктивності.

Найчастіше в мікросхемах потрібно забезпечити фазовий зсув між струмом і напругою на кут близький до 900. Цю властивість реалізують аналоги котушки індуктивності, зокрема на основі напівпровідників - напівпровідникові індуктивності. В розділі розглянуто декілька схем розроблених напівпровідникових індуктивностей з наступними параметрами: величина індуктивності 0.5-3нГн, робочий діапазон частот 18-22ГГц, напруга живлення 10В, температурний коефіцієнт індуктивності в діапазоні температур від 0ч40⁰С не перевищує 0.07% град^-1.

Використовуючи активні індуктивності розроблені раніше, розроблено схеми активних паралельних та послідовних коливальних контурів(КК).

Основні параметри розроблених контурів зведені в табл. 1.

Таблиця 1 Параметри паралельних та послідовних коливальних контурів

Схема	Пар. колив. контур, рис.:	Посл. колив. контур, рис.:
	6а	6б	6в	7а	7б	7в	7г
Частота резонансу, ГГц	30	28	29	25	24	22	26
Максимальна добротність	-10	-4	-12	-7,8	-6,2	-8,1	-7,2
Геометричні розміри, мм2	1	1	1	1	1	1	1
Діапазон зміни частоти резонансу, ГГц	28-31,5	28-30	28-32	24-26	23-25	20-22,5	25,5-26
Технологічність	ІС	ІС	ІС	ІС	ІС	ІС	ІС
Споживана потужність, Вт	0,036	0,06	0,05	0,036	0,06	0,05	0,065
Вид керуючого впливу	U	U	U	U	U	U	U
Потужність керування, мВт	0,05	0,06	0,04	0,02	0,06	0,05	0,04

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню пристроїв автоматики на комбінованих динамічних негатронах (електрично керовані частотновибіркових пристроїв, генератори гармонійних коливань, помножувачі індуктивності, комутатори та атенюатори).

Основним елементом аналогових процесорів, багатозначних логічних схем і оптимальних інформаційних систем, що використовують в якості носія інформації електромагнітні коливання, є частотні фільтри. Аналіз польового транзистора Шоттки (ПТШ), в якості УПІ дозволяє створювати на його основі високодобротні напівпровідникові однокристальні індуктивності та керованні коливальні контури, які були розглянуті в третьому розділі. Це дозволяє розв'язати задачу створення на їх основі активних НВЧ фільтрів. Активні фільтри на основі УПІ можуть бути як взаємними, так і невзаємними. Елементарна ланка фільтра представляє пасивний LC-контур, у схему якого вводиться активний елемент, що компенсує втрати в реактивних елементах. Такий елемент може бути реалізований за допомогою УПІ. Використання індуктивного елемента у вигляді каскадного з'єднання двох транзисторів, включених за схемою з спільним стоком і активним опором, включеному на вході, дозволяє побудувати активні СПФ і СЗФ з наступними параметрами: для однорезонаторного СПФ згасання за межами смуги пропускання складає -30дБ, для дворезонаторного -60дБ; для однорезонаторного і дворезонаторного СЗФ згасання складає -24дБ і -47дБ відповідно.

Аналіз результатів дає можливість стверджувати про перспективність розвитку безіндуктивних активних аналогів котушок індуктивності і можливості реалізації на їх основі активних НВЧ фільтрів у вигляді напівпровідникових мікросхем високого ступеня інтеграції.

Смуга пропускання дорівнює 0.17ГГц, а послаблення сигналу на частотах f0±1 ГГц складає порядку 15дБ.

Збільшення згасання сигналу поза смугою пропускання досягається каскадуванням однорезонаторних взаємних фільтрів. В розділі розроблений взаємний дворезонаторний СПФ. Володіючи аналогічною з однорезонаторним СПФ смугою пропускання і коефіцієнтом підсилення на f0, він має значно більшу величину послаблення сигналу (порядку 40 дБ) і меншу нерівномірність АЧХ у смузі пропускання. Отриманий позитивний результат досягається за рахунок збільшенням у два рази споживаної потужності і приводить до зростання коефіцієнта шуму.

Включення паралельно лінії передачі активного послідовного контуру, утвореного резонуючої ємністю С2 і еквівалентною індуктивністю L_ВЗ2, між витоком і затвором другого ПТШ, забезпечує реалізацію однорезонаторного СЗФ. Він забезпечує послаблення сигналу на частоті 15.6ГГц, що дорівнює 15дБ при втратах у частотній області пропускання сигналу порядку 0.5-1дБ.

Як і при побудові СПФ, можливе каскадування однорезонаторних СЗФ. При використанні двох каскадів, послаблення в смузі запирання збільшується в два рази (30дБ) при незначному збільшені втрат (на 1-1.5дБ) у смузі прозорості.

Розроблені взаємні активні фільтри мають однакову форму АЧХ при прямій і зворотній передачі сигналу, тобто S21=S12. На основі ПТШ можлива побудова невзаємних активних СПФ у яких S21?S12.

У розробленого невзаємного СПФ, також як і у вище розглянутих взаємних фільтрів, використовується активна напівпровідникова індуктивність на основі ПТШ, що разом з резонуючою ємністю С3 утворює паралельний коливальний контур, включений паралельно вихідному колу, що забезпечує частотну вибірковість сигналу. Вхідний сигнал, через розділові конденсатори С1 і С2 подається між затвором і витоком ПТШ, що забезпечує невзаємні властивості фільтра.

Важливою властивістю УПІ є синтез диференційного від'ємного опору, що забезпечую реалізацію на їх основі генераторів гармонічних коливань.

Аналіз показав, що схема на основі двовитокового ПТШ має меншу кількість резистивних елементів. Таким чином рівень шумів цієї схеми буде меншим. Виготовлення першої схеми у вигляді ІС є більш простою (використовуються стандартні елементи).

При побудові елементів та пристроїв автоматики постає проблема реалізації інтегральної індуктивності. Вона вирішується шляхом застосування плівкових індуктивностей і гіраторів. Недоліком гіраторних індуктивностей є їх обмежений частотний діапазон, велике споживання енергії й необхідність використання великої кількості транзисторів, що знижує їх стабільність.

У тонкоплівкових котушках індуктивності ці недоліки відсутні, але величина їх індуктивності й добротність пропорційно залежить від геометричних розмірів, що обмежує можливість мініатюризації пристроїв автоматики, а крім того, з урахуванням того, що котушки індуктивності виконуються з використанням золота, при масовому виробництві йде погіршення економічної рентабельності. Вирішити ці проблеми можна шляхом використання помножувачів індуктивності. Помножувачем індуктивності являється активний чотириполюсник, величина індуктивності між однією із клем якого пропорційно залежить від величини індуктивності, підключеної до іншої пари його клем. Характерним прикладом помножувача індуктивності є узагальнений конвертор імітансу, за допомогою якого можливо не тільки помноження індуктивності, але за певних умов забезпечується підвищення добротності. Основними параметрами такого помножувача індуктивності є[11]:

1.Коефіцієнт помноження індуктивності:

KL= L2/L1 ,

де L1, L2 - помножувальна та реалізована індуктивність

2.Коефіцієнт помноження добротності:

KQ= Q2/Q1 ,

де Q1- добротність котушки індуктивності L1, Q2 - добротність індуктивності, реалізованої на виході помножувача індуктивності;

У діапазоні НВЧ, з урахуванням можливості інтегральної технології, доцільно здійснювати реалізацію помножувачів індуктивності на основі напівпровідникових структурах Шоттки. Аналіз графіка показав, що схема має властивості помножувача індуктивності в широкому діапазоні частот. Коефіцієнт помноження індуктивності залежить від частоти й величини помноженої індуктивності. Максимальним частотним діапазоном помноження індуктивності володіє схема при підключенні до її виводів індуктивності L1=0,5 нГн.

З ростом L1 частотний діапазон помноження індуктивності звужується. Максимальний коефіцієнт помноження досягається при значенні помноженої індуктивності 0,8нГн, і становить KL=3.9 на частоті 40ГГц. Абсолютна смуга помноження для L1=1нГн становить 20ГГц, відносна смуга - 20ГГц/30ГГц=0,66=66%. Для кожної частоти існує оптимальна помножена індуктивність.

Комбінований динамічний негатрон забезпечує розробку керованих атенюаторів. При розробці керованого атенюатора використана схема невзаємного АФ. В якості сигналу керування виступає напруга на першому затворі. Побудовано регулювальну характеристику на частоті f=19,3ГГц. При відсутності напруги керування вносиме затухання максимальне і дорівнює близько 41 дБ. Лінійна залежність (в дБ) РХ спостерігається в діапазоні напруг керування від 1,5 до 2,9 В. Розроблений КЕА можна використовувати в якості ключового елементу, при подачі на його вхід керування дискретної напруги керування 0 та 2,9В.

Невзаємні властивості НВЧ АФ дозволяють будувати комутатори без використання спеціальних подільників потужності. Найпростіший комутатор складається з двох ключових елементів на основі невзаємного АФ. Розроблена топологія, площа кристалу становить 2мм². Вносиме згасання при вимкненому стані становить 42дБ, при ввімкненому стані відбувається незначне підсилення сигналу (на рівні 3дБ). Розв'язка між одночасно ввімкненими каналами становить біля 10дБ, при одному вимкненому - біля 30дБ. Розроблена топологія дозволяє стверджувати про можливість реалізації комутатора у вигляді напівпровідникової інтегральної мікросхеми.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено нове вирішення наукової задачі, що полягає у покращенні технічних характеристик елементів і пристроїв автоматики за рахунок використання комбінованих динамічних негатронів.

Основні наукові та практичні результати такі:

1. Вперше розроблено математичну модель УПІ на основі ПТШ з урахуванням ефекту Ганна, що дало можливість розробити елементи та пристрої автоматики в міліметровому діапазоні частот.

2. Вперше запропоновано коефіцієнт нестійкості чотириполюсника, який дає можливість кількісно оцінити стан нестійкості абсолютно нестійкого чотириполюсника.

3. Одержала подальший розвиток теорія оцінки ефективності керуючих елементів на основі узагальнених перетворювачів імітансу, які використовують комбіновані динамічні негатрони, що дозволило визначити ефективність елементів керування на основі УПІ.

4. Дослідження УПІ на основі комбінованих динамічних негатронів на основі ПТШ в залежності від режиму живлення та температури дало можливість визначити межі керування та межі стабільної роботи.

5. Розробка та дослідження схеми керованих напівпровідникових котушок індуктивності, коливальних контурів, активних фільтрів на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна дозволило реалізувати їх в інтегральному вигляді.

6. Розроблено та досліджено схеми двочастотних генераторів підвищеної стабільності, атенюатора та комутатора на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна, що дозволяє розширити межі керування та реалізувати їх в інтегральному вигляді.

7. Розробка та дослідження схеми помножувача індуктивності на основі ПТШ з врахуванням ефекту Ганна дозволило збільшити величину індуктивності в 4 рази при одночасному збільшені добротності.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Филинюк Н. А., Гаврилов Д. В., Темченко А. В., Куземко А. М. Исследование максимально-достижимого коэффициента усиления четырехполюсников на базе двухзатворного полевого транзистора Шоттки // Вiсник Технологiчного унiверситету Подiлля.-- 2004.-- № 2, Т. 1, Ч1-- С.103-107.

2. Филинюк Н. А., Огородник К. В., Лазарев А. А., Куземко А. М. Способ измерения иммитансных параметров четырехполюсников // Вiсник Технологiчного унiверситету Подiлля.-- 2004.-- № 1.-- С. 172-176.

3. Филинюк Н. А., Салех Журбан М. М., Куземко А. М. Анализ предельной частоты транзисторного динамического негатрона // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах.-- 2004.-- №2(10).-- С. 57-61.

4. Филинюк Н. А., Куземко А. М. Схемотехническое моделирование и синтез активних СВЧ фильтров на полевых транзисторах Шоттки // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-- 2005.-- № 3.--С. 49-54.

5. Filinyuk N. A., Kuzemko A. M., Salesh Jourban M. M. Development microwave active devices based on optically-controlled impedance element // Оптико-електроннi iнформацiйно-енергетичнi технологiї.-- 2005.-- № 2.-- С. 87-90.

6. Филинюк Н. А., Швейкiна С. Е., Куземко О. М. Моделювання та синтез активних НВЧ-фiльтрiв на базi транзисторного оптонегатрона // Вiсник Хмельницького нацiонального унiверситету.-- 2005.-- №4, Т. 1, Ч1.-- С. 208-212.

7. Филинюк Н. А., Салех Журбан М. М., Куземко А. М. Обобщенная математическая модель ПТШ2 при включении его по схеме (З1И) // Оптико-електроннi iнформацiйно-енергетичнi технологiї.-- 2006.-- №1(11).-- С. 102-106.

8. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Салех М М Журбан. Управляющие элементы на транзисторах Шоттки // Вiсник Хмельницького нацiонального унiверситету.-- 2006.-- № 5(85).-- С. 233-238.

9. Филинюк Н.А., Куземко А. М., Салех М М Журбан, Лiщинська Л. Б. Активнi НВЧ фiльтри на базi двозатворних транзисторiв Шоттки // Вiсник Вiнницького полiтехнiчного унiверситету.-- 2006.-- № 3(66).-- С. 43-53.

10. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Салех М М Журбан Полупроводниковые индуктивности для СВЧ-диапазона // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.-- 2006.-- № 5.-- С. 9-13.

11. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Булыга И. В. Полупроводниковый умножитель индуктивности // Вiсник Хмельницького національного унiверситету.-- 2007.-- № 3, Т. 1(93).-- С. 150-152.

12. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Булыга И. В. Измерение коэффициента неустойчивости четырехполюсника // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процесах.-- 2006.-№2.- С. 84-89.

13. Декл. патент 17276 Україна, МПК₇ H 03 H 11/00. Схемотехнiчний аналог котушки iндуктивностi / Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Лiщинська Л. Б.(Україна); Вінницький національний технічний університет. -- №u200603492; Заявл. 31.03.2006; Опубл.. 15.09.2006, Бюл. №9.-- 3 с.

14. Декл. патент 13261 Україна, МПК₇ H 03 H 11/54. Схемотехнiчний аналог котушки iндуктивностi / Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Салех М М Журбан(Україна); Вінницький національний технічний університет. - №u200509739; Заявл. 17.10.2005; Опубл. 15.03.2006, Бюл. №4.-- 3 с.

15. Декл. патент №14340 Україна, МПК₇ H 03 B 7/00. Двочастотний НВЧ-генератор пiдвищенної стабільності / Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Салех М М Журбан(Україна); Вінницький національний технічний університет. -- №u200510484; Заявл. 07.11.2005; Опубл. 15.05.2006, Бюл. №5.-- 3с.

16. Патент №17729 Україна, МПК₇ H 03 B 7/00. Двочастотний НВЧ-генератор /Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Войцеховська О.В. (Україна); Вінницький національний технічний університет.--№u200603509; Заявл. 31.03.2006; Опубл. 16.10.2006, Бюл. №10.-- 4 с.

17. Патент №20993 Україна, МПК₇ G 01 R 27/28. Спосіб вимірювання коефіцієнта стiйкостi чотириполюсника / Фiлинюк М. А., Куземко О. М. (Україна); Вінницький національний технічний університет.--№u200609939; Заявл. 18.09.2006; Опубл. 15.02.2007, Бюл. №2.-- 4 с.

18. Патент №20996 Україна, МПК₇ G 01 R 27/28. Спосiб вимiрювання iнварiантного коефіцієнта стiйкостi чотириполюсника / Фiлинюк М. А., Куземко О. М. (Україна); Вінницький національний технічний університет. -- №u200609943; Заявл. 18.09.2006; Опубл. 15.02.2007, Бюл. №2.-- 4 с.

19. Куземко А. М., Филинюк Н. А., Булыга И. В. Полупроводниковый умножитель индуктивности // Проблемы современной гражданской авиации: Труды Юбилейной Международной Научно-Технической Конференции. Баку, 14-16 февраля 2007г. - Баку, 2007.-- С. 159-161.

20. Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Булига І. В. Спосiб вимiрювання коефіцієнта нестiйкостi чотириполюсника // Сучаснi проблеми радiоелектронiки, телекомунiкацiй та приладобудування (СПРТП-2006): Матерiали II Мiжнародної конференції. Вінниця, 16-19 листопада 2007р.- Вiнниця, 2006.-- С.81-82.

21. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Булыга И. В. Новые методы измерения коэффициента неустойчивости четырехполюсника //Современные информационные и электронные технологии (СИЭТ-2007): Труды восьмой международной научно-практической конференции. Одесса, 21-25 мая 2007г.-Одесса, 2007.-- С. 250.

22. Куземко О. М. Исследование максимально-достижимого коэффициента усиления двухзатворного полевого транзистора Шоттки // Тези студентських доповiдей, рекомендованих до опублікування оргкомітетом XXXIII науково-технiчної конференцiї професорсько-викладацького складу, спiвробiтникiв та студентiв унiверситету з участю працівників науково-дослiдних органiзацiй та iнженерно-технiчних працiвникiв пiдприємств м. Вiнницi та областi, присвяченної 80-рiччю професора I.В. Кузьмiна. Вінниця, 19-23 березня 2004р.- Вінниця, 2004.-- С. 103.

23. Н. А. Филинюк, Д. В. Гаврилов, Л. Б. Лищинская, А. М. Куземко Исследование максимально-достижимого коэффициента усиления двухзатворного полевого транзистора Шоттки // Наука i освiта 2004: Матерiали VII мiжнародної науково-практичної конференції. Дніпропетровськ, 10-25 лютого 2004р.- Дніпропетровськ, 2004.-- Т. 63.-- С. 75-78.

24. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Шведюк А. Г. Микроэлектронные СВЧ колебательные контуры и фильтры на базе транзисторных негатронов // Современные информационные и электронные технологии (СИЭТ-2005): Труды шестой международной научно-практической конференции. Одесса, 23-27 мая 2005г.- Одесса, 2005.-- С. 344.

25. Фiлинюк М. А., Салех М. М. Журбан, Куземко О. М. Обобщенная математическая модель ПТШ2 при включении его по схеме (З1И) //Контроль і управління в складних системах: Тези доповiдей восьмої науково-технiчної конференцiї. Вiнниця, 24-27 жовтня 2005р.--Вінниця, 2005.-- С. 115.

26. Фiлинюк М. А., Салех М. М. Журбан, Куземко О. М. Активний дворезонаторний НВЧ фiльтр пiдвищенної стабiльностi // Сучаснi проблеми радiоелектронiки, телекомунiкацiй та приладобудування (СПРТП-2005): Матерiали I Мiжнародної конференції. Вiнниця 2-5 червня 2005р.--Вінниця, 2005.-- С. 178-179.

27. Филинюк Н. А., Куземко А. М., Салех М. М. Журбан Разработка активных СВЧ устройств на базе оптически-управляемого аналога катушки индуктивности // PHOTONICS-2005: Праці ІІІ Міжнародної конференції з оптикоелектронних інформаційних технологій. Вінниця, 27-28 квітня 2005 р.--Вінниця, 2005.--С. 116-117.

28. Фiлинюк М. А., Куземко О. М., Салех М. М. Журбан. Iнварiантний коефіцієнт нестiйкостi квазiлiнiйних чотириполюсникiв // ”Автоматика-2006”.

АНОТАЦІЯ

Куземко О.М. Елементи та пристрої автоматики на основі комбінованих динамічних негатронів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця-2007.

В дисертаційній роботі обгрунтовано вибір фізичної еквівалентної схеми ПТШ з врахуванням ефекту Ганна, досліджено імпедансні характеристики чотириполюсників на основі комбінованих динамічних негатронів на основі ПТШ, що дозволило визначити характер перетворення імпедансу негатрона в частотній області при будь-яких значеннях перетворюваного імітансу. Визначено межі керування та межі стабільної роботи УПІ в залежності від режиму живлення та температури. Показано, що динамічні негатрони є багатофункціональними елементами, використання яких дозволяє покращити технічні характеристики елементів та пристроїв автоматики. Розроблено та досліджено електрично керовані активні індуктивності, паралельні та послідовні коливальні контури, активні фільтри, генератори гармонійних коливань, високочастотні комутатори та атенюатори, помножувачі індуктивності, придатні для виготовлення у вигляді напівпровідникової інтегральної схеми.

Ключові слова: негатроніка, динамічний негатрон, негативний опір, стійкість, польовий транзистор, ефект Ганна, напівпровідникова НВЧ інтегральна схема, елементи та пристрої автоматики на потенційно-нестійких приладах.

АННОТАЦИЯ

Куземко А.М. Элементы и устройства автоматики на основе комбинированных динамических негатронов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница - 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ и практической реализации элементов и устройств автоматики на основе комбинированных динамических негатронов на основе полевого транзистора Шоттки в миллиметровом диапазоне частот.

Проведено исследование различных еквивалентных схем полевого транзистора Шоттки, обосновано выбор схемы с учетом эффекта Ганна на высоких частотах. Разработана математичская модель ОПИ на основе ПТШ з учетом эффекта Ганна.

исследованы импедансные характеристики четырехполюсников на основе комбинированного динамического негатрона, что позволило определить характер преобразования импеданса негатрона в частотной области при любых значениях преобразуемого импеданса. Исследованы различные режимы работы в зависимости от режима по постоянному току и температуры для определения пределов изменения параметров ОПИ и режима стабильной работы. Для оценки неустойчивости четырехполюсников на высоких частотах введен новый коэффициент неустойчивости, разработан метод его измерения. Показано, что преобразователи иммитанса на основе полевого транзистора Шоттки являются потенциально-неустойчивыми в СВЧ диапазоне, что позволяет реализовать на их клеммах отрицательное активное сопротивление и свидетельствует о расширенных функциональных возможностях. Полученные результаты дают необходимую теоретическую базу для реализации ряда элементов и устройств автоматики на основе комбинированых динамических негатронов.

На основе полученных теоретических положений разработаны и исследованы електрически управляемые активные индуктивности и колебательные контура, управляемые активные фильтры, двухчастотные генераторы гармонических колебаний, умножители индуктивности, аналоговый аттенюатор и комутатор, пригодные для иссполнения их в виде полупроводниковой СВЧ интегральной микросемы.

Ключевые слова: негатроника, негатрон, отрицательное сопротивление, устойчивость, полевой транзистор, эффект Ганна, полупроводниковая СВЧ интегральна схема, элементы и устройства автоматики на потенциально-неустойчивых приборах.

ANNOTATION

Kuzemko A.M. Elements and devices of automation on the combine dinamic negatrons basis. - A manuscript.

Dissertation for the obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.13.05 - Elements and Devices for Computer Facilities and Control Systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia - 2007.

The thesis deals with chouse of equvivalent shema of FET with Gann domain, the investigation of immitances parameters of twopoles on an combine dinamic negatrons basis, that allowed to determine on negatron immitances transformation character in frequency range for any significance converted immitance. The conditions of transistor negatron control and temperature range are determined. It is shown, that combine dinamic negatrons are multifunctional elements, which use allows to improve characteristics of automatics elements and systems. The number of automatics elements and systems on an combine dinamic negatrons basis (electrically controlled active inductance, tank circuit, active filters, oscillators, inductance multipyer) are developed and investigated.

Key word: negatronics, dinamic negatron, negative resistance, stability, FET, Gann domain, MMIC, automatics elements and systems on an automation on potentially - unstable gears.

Размещено на Allbest.ru

...