Введение к работе
Актуальность темы.
История развития безындуктивных цепей началась в конце сороковых годов XX в. Однако настоящий бум публикаций в области теории и практики частотно-избирательных схем на R- и C- элементах с сосредоточенными параметрами (RC-ЭСП) в сочетании с активными приборами можно отнести к периоду с конца 60-х до конца 80-х годов. В основном это было связано с решением задач электросвязи, сейсмографии, геологоразведки, биологии, гидролокации в диапазоне низких и инфранизких частот в присутствии интенсивных магнитных полей, а также с появлением микроэлектроники.
Невозможно перечислить всех отечественных и зарубежных ученых, которые своими работами создавали теорию активных RC-фильтров (АRC-Ф) и способствовали ее практическому использованию. Отметим лишь авторов монографий, посвященных проблемам анализа, синтеза и проектирования АRC-Ф: Знаменский А.Е., Коротков А.С., Ланнэ А.А., Маклюков М.И., Масленников В.В., Николаенко Н.С., Славский Г.Н., Теплюк И.Н., Балабанян Н., Гиллемин Э.А., Калахан Д.А., Мошитц Г., Хьюлсман Л.П., Митра С. и др.
Появление и развитие микроэлектроники послужило основой создания нового класса безындуктивных активных цепей – АRC-Ф на RC-элементах с распределенными параметрами (RC-ЭРП), которые выполняют те же функции, что и RC-ЭСП, но в отличие от них обладают большей компактностью, возможностью изменения характеристик фильтра за счет изменения конструктивно-технологических параметров RC-ЭРП, совместимы с технологией изготовления полупроводниковых ИМС. Благодаря этому число публикаций по анализу различных АRC-Ф на RC-ЭРП в указанный выше период превосходило число публикаций по обычным АRC-Ф.
В этом направлении теории АRC-Ф работали такие отечественные ученые, как Агаханян Т.М., Белавин В.А., Колесов Л.Н., Пономарев М.Ф., Гильмутдинов А.Х., Ушаков П.А., Кутлин Н.Х., зарубежные специалисты Heizer K., Hellstrom M., Jonson S., Huelsman А., Burrow N., Troster G., Analouei A., Walton A., Moran P., Novak М. и др. Однако сложность анализа и синтеза
RC-ЭРП, отсутствие инженерных методик проектирования АRC-Ф на RC-ЭРП, общая тенденция замены аналоговых фильтров на цифровые практически свела на нет исследования и разработки в этом направлении.
Но необходимость в АRC-Ф не отпала. В настоящее время АRC-Ф находят широкое применение в аналоговой обработке сигналов в тех случаях, когда цифровая обработка в силу присущих ей ограничений (шумы квантования, временная задержка преобразования, ограниченный диапазон частот, зависимость потребляемой мощности от быстродействия и др.) не может использоваться. Предварительная аналоговая фильтрация необходима и для ограничения спектра сигналов перед цифровой обработкой.
Однако в целом аналоговые АRC-Ф имеют ряд недостатков, таких как чувствительность параметров к воздействию дестабилизирующих факторов, сложность настройки, трудность интеграции с устройствами цифровой обработки информации в одном кристалле, которые в меньшей степени присущи АRC-Ф на RC-ЭРП. Исследования, проведенные в последнее время Гильмутдиновым А.Х. и Ушаковым П.А., показали, что применение в АRC-Ф неоднородных RC-ЭРП позволяет уменьшить число звеньев фильтра, упрощает задачу стабилизации параметров фильтра и его настройку, создает хорошую перспективу реализации на их основе аналоговых адаптивных фильтров.
Таким образом, потребность в разработке аналоговых АRC-Ф, выполненных по интегральной технологии, обладающих высокой компактностью, низким энергопотреблением и хорошими эксплуатационными характеристиками для телекоммуникационных систем является актуальной задачей.
Предметом исследования в настоящей работе являются аналоговые активные фильтры на двумерных неоднородных RC-ЭРП.
Объект исследования – математические модели RC-ЭРП, алгоритмы и программы инженерного проектирования АRC- Ф на RC-ЭРП.
Целью диссертационной работы является повышение электрических и эксплуатационных характеристик аналоговых частотно-избирательных фильтров за счет использования новой элементной базы – двумерных неоднородных резистивно-емкостных элементов с распределенными параметрами.
Задача, решаемая в диссертации, состоит в обосновании схемной конфигурации звена АRC-Ф и создании инженерной методики и инструментов автоматизированного проектирования АRC-Ф на двумерных RC-ЭРП. Решение ее требует рассмотрения частных взаимосвязанных задач:
-
Анализ современного состояния проектирования аналоговых АRC-Ф и обоснование выбора схемы звена АRC-Ф на RC-ЭРП, позволяющей реализовать поставленную цель.
-
Разработка математических моделей неоднородных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR, учитывающих реальные электрофизические характеристики материалов и возможность их изменения под действием управляющих полей.
-
Разработка алгоритма и программы анализа двумерных неоднородных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR и АRC-Ф, содержащих такие RC-ЭРП.
-
Обоснование критериев синтеза АRC-Ф, разработка метода, алгоритма и программы синтеза RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR по заданным критериям.
-
Разработка методики проектирования звеньев АRC-фильтров на основе двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR и исследование их реализационных возможностей.
Научная новизна диссертационной работы:
- получены аналитические выражения финитных функций, используемых при анализе и синтезе неоднородных одномерных и двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR методом конечных распределенных элементов;
- предложен способ кодирования информации о конструкции RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR при реализации генетических алгоритмов синтеза, позволяющий уменьшить требования к вычислительным ресурсам ПЭВМ;
- предложен подход к синтезу АRC-Ф, в котором отсутствует этап аппроксимации требований к характеристике затухания фильтра;
- получена оценка реализационных возможностей звена АRC-Ф на двумерном неоднородном RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR;
- предложены схемы звеньев фильтра верхних частот, нижних частот с нулем передачи и полосно-заграждающего фильтра на основе двумерного неоднородного RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR.
Методы исследования. Для достижения поставленных целей в работе применяются системный анализ конструкций и моделей RC-ЭРП, методы теории электрических цепей, методы теории вероятностей и математической статистики, методы оптимизации, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, теория множеств. При проведении имитационного моделирования, анализе и синтезе применены современные пакеты прикладных программ LTSpice IV и Matlab.
Достоверность результатов работы подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью разработанных математических моделей, сходимостью разработанных численных методов, хорошей согласованностью полученных теоретических результатов с результатами имитационного моделирования и эксперимента, а также с результатами исследований других авторов.
Теоретическая значимость и практическая ценность полученных результатов.
Разработанные аналитические выражения финитных функций для анализа и синтеза одномерных и двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR, предложенный способ кодирования информации о конструкции таких RC-ЭРП, а также созданные на этой основе программы анализа и синтеза, являются новыми инструментами автоматизированного проектирования аналоговых АRC-фильтров, имеющих минимальное количество пассивных и активных компонентов, обладающих низким энергопотреблением и хорошими эксплуатационными характеристиками.
Учет неидеальности электрофизических характеристик проводящих и диэлектрических слоев, заложенный в разработанных математических моделях двумерных RC-ЭРП, позволяет повысить выход годных звеньев АRC-Ф в процессе их изготовления.
Предложенный подход к синтезу АRC-фильтров на новой элементной базе, описываемой трансцендентными функциями комплексной частоты, позволяет в 2-4 раза повысить порядок одного звена по сравнению с типовыми звеньями АRC-Ф на RC-элементах с сосредоточенными параметрами.
Новые схемы звеньев АRC-Ф, построенные на конструктивных разновидностях двумерного RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR, позволяют на одном звене создавать полосно-заграждающие АЧХ с шириной полосы заграждения не достижимой для типовых звеньев АRC-Ф на RC-ЭСП.
Конкретный результат, достигаемый в результате использования методик и рекомендаций, содержащихся в материалах диссертации, состоит в возможности: существенного уменьшения количества необходимых звеньев для построения аналоговых АRC-фильтров высокого порядка и, как следствие, уменьшение энергопотребления и габаритных размеров фильтров; улучшения электрических и эксплуатационных показателей разрабатываемых устройств частотной селекции в системах телекоммуникаций, существенного повышения быстродействия систем передачи данных.
Апробация результатов диссертации.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международном Симпозиуме «Надежность и качество-2006», г. Пенза, 25-31 мая 2006 г., III научно-технической конференции «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» г. Ижевск, 14-15 апреля 2006 г., IV научно-технической конференции с международным участием «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» г. Ижевск, 17-19 мая 2007 г.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: в трудах научно-технических конференций – 3; в трудах международной конференции-семинара – 1; в международном сборнике научных трудов – 1; в сборнике депонированных статей – 2; в изданиях, согласно перечню ВАК – 1; свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ – 1.
Использование результатов диссертации и пути их дальнейшей реализации.
Результаты диссертации в виде методик, рекомендаций, а также количественных оценок нашли практическое использование в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», а также в учебном процессе ИжГТУ. Пути дальнейшей реализации связаны с совершенствованием математических моделей двумерных RC-ЭРП, учитывающих конструктивно-технологические ограничения конкретного вида технологии изготовления RC-ЭРП, разработкой адаптивных аналоговых АRC-фильтров. Разработанные подходы и приемы позволят улучшить тактико-технические характеристики устройств частотной селекции систем передачи данных, работающих в режиме реального времени.
Положения, выносимые на защиту:
-
Аналитические выражения финитных функций для анализа и синтеза неоднородных одномерных и двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR методом конечных распределенных элементов;
-
Способ кодирования информации о конструкции неоднородных двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR;
-
Методика синтеза звеньев АRC-Ф без этапа аппроксимации требований к характеристике затухания дробно-рациональными функциями;
-
Алгоритмы и программы анализа и синтеза неоднородных двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR, а также АRC-Ф на этой элементной базе.
-
Новые конструктивные варианты неоднородных двумерных RC-ЭРП со структурой слоев вида R-C-NR и звенья АRC-Ф с их использованием.
Структура и состав диссертации.
Диссертация состоит из 5 глав, содержит 178 стр. текста, список использованных источников, включающий 163 наименования, в том числе 9 работ автора.
