Аналіз процесу перетворення оптичного опромінювання в електричні сигнали. Пристрої обробки інформації. Дослідження транзисторних комбінованих елементів і пристроїв автоматики. Коефіцієнти максимально-досяжного підсилення потужності та стійкості УПІ.
При низкой оригинальности работы "Елементи та пристрої автоматики на основі транзисторних оптонегатронів", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Оптонегатрони є багатофункціональними електронними приладами, використання яких дозволяє покращити техніко-економічні показники елементів та пристроїв автоматики, підвищити їх ефективність та створити якісно нові елементи на основі оптонегатронів. Недослідженість важливих питань стійкості, чутливості, підсилювальних та невзаємних властивостей оптонегатронів як узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ) та електронних схем на їх основі вказує на актуальність проведених в дисертації досліджень. Робота виконувалася у Вінницькому національному технічному університеті згідно з планом наукових досліджень Вінницького національного технічного університету і Міністерства освіти і науки України в рамках держбюджетних тем “Дослідження фізико-технічних процесів в багатоелектродних потенційно-нестійких структурах і розробка методів та засобів моделювання енергетично-ефективних інформаційних пристроїв на базі принципів динамічної негатроніки” (2003-2004 рр.), номер державної реєстрації 0102U002259, “Аналіз і синтез RLC-негатронів на базі напівпровідникових структур і створення на їх основі високоефективних інформаційних пристроїв” (2005-2007 рр.), номер державної реєстрації 0105U002414 і відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні “5. Використані в дисертаційній роботі методи базуються на: теорії матриць та теорії комплексних чисел для розробки математичних моделей чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона, методах розрахунку електронних схем для побудови математичної моделі динамічного комбінованого оптонегатрона, теорії конформних відображень для дослідження імпедансних характеристик УПІ на основі транзисторного оптонегатрона, теорії стійкості для визначення умов стійкості оптонегатрона в різних схемах включення, теорії чутливості для визначення абсолютних та відносних чутливостей електронних схем з оптонегатронами та елементів автоматики на їх основі, теорії апроксимації для визначення частотних параметрів УПІ, теорії аналізу електронних схем для визначення основних параметрів елементів автоматики на основі оптонегатронів, теорії планування експерименту та компютерному моделюванні для експериментальної перевірки одержаних теоретичних положень. Вперше отримано математичні моделі внутрішнього інваріантного коефіцієнта стійкості, коефіцієнта максимально-досяжного підсилення по потужності на межі стійкості, коефіцієнта невзаємності, максимально-досяжного негативного дійсного імітансу УПІ на основі комбінованого транзисторного оптонегатрона в області потенційної нестійкості, що дозволило визначити умови реалізації ряду елементів та пристроїв автоматики на його основі та дослідити дію оптичного опромінювання на характеристики таких елементів та пристроїв.
Список литературы
За матеріалами дисертації опубліковано 26 друкованих праць, з яких 8 статей - у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 13 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних конференцій, 5 патентів України.
Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 83 рисунка і 8 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (153 найменування) і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 253 сторінки, з яких основний зміст викладено на 120 сторінках.
2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі відображено актуальність проблеми, мету і задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.
В першому розділі наведено класифікацію та основні параметри оптонегатронів.
Проаналізовано існуючі інформаційні пристрої на основі статичних та динамічних двоелектродних та багатоелектродних оптонегатронів. За рядом критеріїв оцінено ефективність базових елементів оптонегатронів. Показано, що транзисторні структури як базові елементи оптонегатронів мають найвищий показник ефективності.
На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначено основні напрямки та задачі досліджень.
В другому розділі розроблено фізичну модель транзисторного оптонегатрона, визначено характер перетворення імітансу чотириполюсників на його основі та досліджено дію оптичного опромінювання на імпедансні характеристики таких чотириполюсників.
Одним з визначних факторів, що зумовлюють появу негативного значення основного диференційного параметра в транзисторних оптонегатронах, є оптичне опромінювання, дія якого викликає збільшення струму колекторного переходу.
Цю додаткову складову струму враховано введенням додаткового генератора струму в базову еквівалентну Т-подібну схему транзисторного оптонегатрона з колом зворотного звязку.
Спираючись на еквівалентну схему транзисторного оптонегатрона, отримано аналітичні вирази опису фізичних процесів зміни параметрів напівпровідникової структури (струму через емітерний перехід, опору емітерної та колекторної областей, ємності емітерного та колекторного переходів) під дією оптичного опромінювання. З розвязку невизначеної матриці провідності отримано фізичну модель транзисторного оптонегатрона (рівняння (1)-(3)), що поєднує в собі матриці провідності для схем включення оптонегатрона із спільною базою (СБ), спільним колектором (СК), спільним емітером (СЕ):
Наведена модель є основою для дослідження імпедансних характеристик чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона і є коректною для таких граничних умов: не враховуються паразитні реактивності корпуса та виводів, а також омічний опір емітера та колектора, p-n-переходи плоскі, вплив обернених струмів p-n-переходів не суттєвий, рівень інжекції високий, режим роботи транзистора активний, амплітуда напруги сигналу суттєво менша значень постійних напруг на p-n-переходах транзистора, спад напруги на опорі Zб(Ф) значно менший, ніж на опорах Ze(Ф) та Zk(Ф), транзистор працює на частотах: f < 0,5 ? FT (Ф)
Де: FT(Ф) - гранична частота транзистора, застосована однополюсна апроксимація коефіцієнта передачі по струму б(Ф), дестабілізуючі фактори за напругою та температурою відсутні, транзистор працює за нормальної температури, світловий потік не перевищує 10-4 Лм.
З використанням експериментальної установки та графоаналітичного методу представлення результатів досліджено імпедансні характеристики чотириполюсників на транзисторному оптонегатроні. Визначено, що в діапазоні частот 1-3 ГГЦ чотириполюсники на основі транзисторного оптонегатрона є потенційнонестійкими та в схемах включення із спільним колектором та спільною базою є узагальненими конверторами імпедансу, в схемі із спільним емітером - узагальненим інвертором імпедансу. При цьому діапазон можливих значень перетвореного імпедансу чотириполюсників змінюється під дією оптичного опромінювання. При прямому перетворенні - в бік зменшення, при зворотному - в бік розширення.
Третій розділ присвячено УПІ на основі транзисторного оптонегатрона. Обґрунтовано та досліджено основні параметри оптонегатрона як УПІ під дією оптичного опромінювання.
Основним параметром УПІ варто вважати його внутрішній інваріантний коефіцієнт стійкості Кс.вн, що характеризує запас стійкості УПІ та дозволяє оцінити можливості УПІ при реалізації на його затискачах негативного опору. Встановлено, що УПІ на основі транзисторного оптонегатрону є потенційнонестійкими у всіх схемах включення в діапазоні частот 1-3 ГГЦ, що дозволяє реалізувати на їхніх клемах негативний дійсний імітанс свідчить про розширені функціональні можливості використання таких УПІ. Зі зростанням частоти запас стійкості чотириполюсників зростає. Найбільший запас стійкості на частоті 6 ГГЦ має УПІ в схемі включення зі спільним емітером (УПІЕ), його Кс.вн. = 5,12. Запас стійкості перетворювачів імітансу є чутливим до дії оптичного опромінювання. Зростання світлового потоку від початкового значення до 10-6 Лм приводить до звуження області потенційної нестійкості. Подальше зростання світлового потоку опромінювання викликає розширення області потенційної нестійкості.
Визначено частоти, що відповідають межі області потенційної нестійкості УПІ і є граничними частотами - fгр, що відповідають умові Кс.вн = 1. УПІ може як підсилювати сигнал, так і вносити згасання. Кількісно ця властивість УПІ характеризується максимально-досяжним коефіцієнтом передачі по потужності чотириполюсника на межі стійкості Kms. Встановлено, що перетворювач імітансу на транзисторі зі спільним колектором (УПІК) має найбільші значення Kms (табл. 1) та найкращі підсилювальні властивості у всьому досліджуваному діапазоні частот, при цьому він є нечутливим до дії оптичного опромінювання.
Таблиця 1. - Коефіцієнти максимально-досяжного підсилення по потужності на межі стійкості УПІ на основі транзисторного оптонегатрона:
Мінімальний Kms має перетворювач імітансу в схемі зі спільною базою (УПІБ), він здатний до підсилення на частотах до 190 МГЦ.
Значення Kms цього перетворювача зменшуються зі зростанням світлового потоку понад значення 10-6 Лм. Максимально-досяжний стійкий коефіцієнт передачі по потужності УПІ зменшується за експоненціальним законом зі зростанням частоти.
Дослідження максимально-досяжного дійсного негативного імітансу, виявило його чутливість до зміни світлового потоку
Для УПІК зростання світлового потоку від значення первинного освітлення до 10-6 Лм викликає зростання максимально-досяжного дійсного негативного імітансу, що свідчить про збільшення максимального значення дисипативних втрат, виражених в одиницях імітансу, які здатний компенсувати даний перетворювач імітансу.
Із подальшим зростанням світлового потоку максимальне значення дисипативних втрат, виражених в одиницях імітансу, які здатний компенсувати даний перетворювач імітансу, зменшується.
Влив оптичного опромінювання на максимально-досяжний дійсний негативний імітанс УПІЕ та УПІБ залежності протилежний. На вхідних REZ вх. max та вихідних REZ(-)вих. max клемах УПІ величина максимально-досяжного дійсного негативного імітансу може відрізнятися, що свідчить про його невзаємні властивості. Ці властивості оцінюються коефіцієнтом невзаємності:
Максимальний коефіцієнт невзаємності має УПІБ, а УПІК має Кн близький до взаємних властивостей.
У частотному діапазоні відбувається зміна REZ. Частота, яка відповідає максимальному значенню REW при постійному значенні імітансу, що перетворюється, називається оптимальною частотою перетворення fопт. Оптимальні частоти перетворення УПІ за відсутності опромінювання лежать в діапазоні 0,2-3,6 МГЦ.
Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню елементів та пристроїв автоматики (оптично керованих аналогів індуктивності, частотно-вибіркових пристроїв, генераторних давачів оптичного опромінювання, ключа) на комбінованих транзисторних оптонегатронах.
Досліджено характеристики елементів та пристроїв автоматики в частотному діапазоні під впливом оптичного опромінювання.
Розроблено та досліджено оптично керовані активні індуктивності як базові елементи для створення пристроїв автоматики з величиною індуктивності 9,8 НГН на частоті 6,7 ГГЦ на основі УПІК на одиночному транзисторному оптонегатроні та на УПІК на основі складеного транзистора - з величиною індуктивності 12,56 НГН на частоті 4,57 ГГЦ при температурному коефіцієнті індуктивності відповідно 0,06%, град-1 та 0,03%, град-1 в температурному діапазоні -40…40?С. Нестабільність реалізованої схемами індуктивності при коливаннях напруги живлення в межах 5% від оптимальної склала 0,93% та 0,76% відповідно. Оскільки світловий потік, як одна з світлових характеристик оптичного опромінювання, повязаний однозначною залежністю із фотострумом, що протікає через р-n-перехід оптонегатронної структури, зміна величини фотоструму ілюструє зміну керуючого впливу на оптонегатрон. Показано, що при дії опромінювання на смугово-пропускні фільтри на основі УПІК на одиночному та складеному транзисторних оптонегатронах забезпечується підсилення сигналу на 3 ДБ в смузі пропускання та його затухання за межами смуги пропускання -20 ДБ та -30 ДБ відповідно. опромінювання транзисторний автоматика
Розроблено та досліджено генераторні давачі оптичного опромінювання на транзисторних оптонегатронахю.
Наявність негативного активного опору оптонегатрона дозволяє компенсувати втрати сигналу в режимі “відкрито” і забезпечує підсилення 1-3 ДБ. В режимі “закрито” затухання складає понад 60 ДБ. Використання оптичного керування забезпечує гальванічний розвязок між колами керування та інформаційного сигналу та збільшує швидкодію перемикання ключа. Якість ключа К = 550, час перемикання становить 0,6...0,8 мкс.
ВИСНОВКИ
У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі покращення технічних характеристик елементів та пристроїв автоматики, що виявляється в використанні комбінованих транзисторних оптонегатронів. Удосконалення класифікації оптонегатронів та проведення критеріальної оцінки ефективності їх базових елементів дозволило показати, що оптонегатрони є багатофункціональними електронними приладами, використання яких дозволяє підвищити ефективність елементів і пристроїв автоматики. Розроблено та досліджено ряд елементів та пристроїв автоматики на основі комбінованих транзисторних оптонегатронів, що мають кращі технічні характеристики, у порівнянні до прототипів, визначено їх основні параметри, умови стійкості та чутливість. Достовірність одержаних результатів підтверджується коректним застосуванням математичного апарату, чисельними та натурними експериментами: 1. Вперше розроблено фізичну модель комбінованого транзисторного оптонегатрона, у якій враховано фізичні процеси зміни параметрів напівпровідникової структури під дією оптичного опромінювання, що дозволило обґрунтувати еквівалентну схему транзисторного оптонегатрона. Така модель дозволяє формалізувати основні параметри транзисторного оптонегатрона як перетворювача імітансу. Показано, що оптонегатрони з кристалом транзистора типу КТ3115 мають потенційну нестійкість в діапазоні частот (1-3) ГГЦ;
2. Вперше розроблено імітансну модель комбінованого транзисторного оптонегатрона. Дана модель дає можливість визначити вплив оптичного опромінювання на характер перетворення імпедансу чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона в частотній області при будь-яких значеннях перетворюваного. Показано, що при прямому та зворотному перетворенні імпедансу в “4” екстремальній точці чотириполюсники на основі транзисторного оптонегатрона, ввімкнені в схемі зі спільним колектором та спільною базою, можна розглядати як узагальнені конвертори імпедансу. Чотириполюсник, ввімкнений в схемі зі спільним емітером, є узагальненим інвертором імпедансу в широкому діапазоні частот. При цьому відбувається оптичне керування діапазоном можливих значень реалізованого перетвореного імпедансу;
3. В результаті дослідження імпедансних характеристик сформульовано вимоги, обґрунтовано та досліджено основні робочі параметри оптонегатронів як УПІ. Показано, що УПІК має найширшу область потенційної нестійкості та є найчутливішим до дії оптичного опромінювання, має найширший діапазон зміни світлового потоку, в якому можливе ефективне керування запасом стійкості схеми. УПІК має при цьому найбільші значення та має підсилювальні властивості у всьому досліджуваному діапазоні частот. Вплив оптичного опромінювання приводить до розширення діапазону частот, де УПІК підсилює сигнал. Це свідчить про перспективність побудови інформаційних пристроїв та пристроїв автоматики на основі перетворювача імітансу в схемі зі спільним колектором;
4. Використання комбінованих транзисторних оптонегатронів в режимі їх потенційної нестійкості дозволило реалізувати ряд елементів та пристроїв автоматики. Розроблено та досліджено високочутливі оптично керовані активні індуктивності зі збільшеним гальванічним розвязком, температурний коефіцієнт індуктивності яких в діапазоні температур -40…100?С склав 0,06%, град-1 та 0,03%, град-1 відповідно для однотранзисторної індуктивності та індуктивності на складеному транзисторі. Нестабільність по живленню при відхиленнях напруги живлення від оптимального значення в межах 5% склала 0,93% та 0,67% відповідно для однотранзисторної індуктивності та індуктивності на складеному транзисторі;
5. Розроблено та досліджено смугово-пропускні активні фільтри на транзисторних оптонегатронах, що характеризуються затуханням за межами смуги пропускання -20ДБ та -30 ДБ для фільтрів на базі одиночного та складеного транзисторних оптонегатронів відповідно. При зміні напруги живлення в межах 5% нестабільність центральної частоти фільтрів склала 0,82% та 1,4%, смуги пропускання - 1,57% та 1,82% відповідно, коефіцієнта затухання ключа в межах смуги пропускання 1%. В діапазоні температур -40…40?С нестабільність: центральної частоти фільтрів склала 5,98% та 9,8%, смуги пропускання - 3,8% та 1,1%, підсилення в межах смуги пропускання - 0,7% та 3,6% відповідно. При цьому резонансна частота фільтрів зсувається із одночасною зміною ширини смуги пропускання. Розроблені фільтри є оптично керованими, можуть бути використані в багатоканальних системах та виготовлені за інтегральною технологією;
6. Розроблено та досліджено схеми високочутливих генераторних давачів на комбінованих транзисторних оптонегатронах. Розроблено систему параметрів таких давачів, за якою проведено їх порівняльну оцінку. Показано, що чутливість частоти генерації давачів зменшується зі зростанням світлового потоку опромінювання для всіх схем внаслідок зростання, за рахунок збільшення складової фотоструму, струму емітера фототранзисторів, на основі яких побудовані давачі. Найменш чутливою до зміни світлового потоку є схема, побудована на однотранзисторному перетворювачі імітансу в схемі зі спільним колектором. Введення в коло зворотного звязку фоточутливого елементу значно підвищує чутливість давача. Доцільним для оптичного керування давачами є діапазон зміни світлового потоку Ф = (4,0-80) 10-6 Лм, в якому вплив опромінювання на чутливість та частоту генерації давачів максимальний. Найкращою лінійністю володіє давач, побудований на складеному транзисторі із ввімкненим в коло зворотного звязку фоторезистором, що пояснюється також відсутністю в колі зворотного звязку індуктивного елементу;
7. Розроблено та досліджено схему аналогового ключа на оптонегатроні, що характеризуються малими втратами сигналу в режимі “відкрито” або підсиленням, малими габаритами та вагою, керуванням оптичним опромінюванням, можливістю виготовлення в вигляді інтегральної схеми. Залежність коефіцієнтів затухання ключа на оптонегатроні від світлового потоку дозволяє використовувати його в якості атенюатора з оптичним керуванням.
Можливість виготовлення розглянутих елементів та пристроїв в інтегральному виді дозволяє проводити їх обєднання в одному кристалі для створення високоефективних мікросхем систем обробки інформації і керування.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Філинюк М.А., Швейкіна С.Є. Аналіз сучасних досягнень в галузі оптонегатроніки // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №2. - С. 172-176.
2. Філинюк М.А., Швейкіна С.Є. Аналіз світловипромінючих приладів як оптонегатронів // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2005. - №3 (60). - С. 99-104.
3. Филинюк Н.А., Швейкина С.Е. Исследование внутреннего инвариантного коэффициента устойчивости транзисторного оптонегатрона // Оптоелектронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - №2 (10). - С. 91-95.
4. Філинюк М.А., Швейкіна С.Є. Аналіз імпедансних властивостей комбінованого світлоприймального оптонегатрона // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2005. - №5 (62). - С. 155-158.
5. Швейкіна С.Є., Лазарєв О.О. Оптоелектронний НВЧ вимикач // Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - №5. - С. 238-241.
