Введение к работе
Состояние вопроса. К настоящему времени практически отсутствуют работы, посвященные системному проектированию термостабильных радиотехнических устройств (РТУ), в связи с чем, пока не существует четких правил и критериев оптимального их синтеза. В ряде работ отечественных и зарубежных исследователей (А.И.Кривоно-сов, О.М.Драпкин, Т.А.Исмаилов, М.Ю.Жачук, В.П.Алексеев, В.Т.Дейнега, Л.Н.Степанова, А.В.Косых, Я.Л.Вороховский, P.R.Gray, D.I.Gamilton, I.D.Lieux) рассматривались вопросы обеспечения температурной стабильности РТУ на основе различных методов термостаби-лнзации. Однако в работах указанных авторов не в полной мере нашли обоснование и отражение вопросы: применения методов топологической термокомпенсации на основе выбора оптимальной топологии размещения электрорадиоэлементов (ЭРЭ); развития методов электро-тсплового моделирования в автоматизированном проектировании термостабильных РТУ; особенностей использования современных программных продуктов анализа и синтеза схемотехнических решений для термостабильных РТУ.
Актуальность работы. Основанием для данной работы явился ряд тем госбюджетных н хоздоговорных НИР, выполненных на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры (КИПР).
Радиотехнические устройства с высокой температурной стабильностью незаменимы в комплексах радиоэлектронной аппаратуры, работающих в экстремальных условиях внешней среды. В настоящее время проблема повышения температурной стабильности параметров подобных устройств остается достаточно актуальной. Традиционно особое внимание уделяется надежности комплексов радиоэлектронной аппаратуры военного назначения, в том числе ее температурной стабильности.
Помимо значительного рабочего диапазона температур, характерной чертой современных РТУ является микроминиатюрное исполнение, что обусловливает высокую степень интеграции различного рода ЭРЭ, как маломощных, ориентированных на малые токи и напряжения, так и особо мощных, выделяющих большое количество теплоты. Даже незначительные отклонения отдельных параметров от номинального значения могут привести к нарушению теплового режима РТУ и выходу его из строя.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методологии системного проектирования РТУ различного назначения
на основе анализа и синтеза методов термостабилизации, обеспечивающих требуемую температурную стабильность.
Для достижения поставленной цели проводится решение следующих задач:
-
Анализ существующих методов термостабилизации, их классификация с учетом современного состояния и тенденций развития.
-
Разработка алгоритмической модели схемотехнического анализа термостабильных РТУ.
-
Исследование температурной стабильности типовых радиотехнических устройств с помощью физических и вычислительных экспериментов на основе новых подходов с использованием в качестве алгоритмической модели современных программных комплексов схемотехнического моделирования.
-
Синтез некоторых математических моделей ЭРЭ, наиболее адекватно отражающих реальные температурные зависимости параметров.
-
Разработка алгоритмической модели топологического проектирования термостабильных РТУ.
-
Разработка методики автоматизированного проектирования систем автоматического регулирования (САР) микротермостатов с использованием электротеплового моделирования.
-
Синтез ряда конструктивных вариантов РТУ на основе различных методов термостабилизации с целью достижения максимально высокой температурной стабильности для каждого конструктивного варианта.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые предложено использовать математический аппарат известных программ схемотехнического моделирования (PSpice, Mi-croCAP, Electronics Workbench) в качестве модели для проведения вычислительных факторных экспериментов по нахождению уравнения температурной погрешности.
-
Введено понятие топологической локальной группы ЭРЭ в условиях неравномерного температурного поля платы (подложки), обладающей малым коэффициентом теплопроводности. Сформулированы основные свойства локальной группы ЭРЭ, предложены алгоритмы комплектования локальных групп.
-
Впервые сформулированы критерии и требования для обеспечения топологической термокомпенсации термочувствительных ЭРЭ.
-
Впервые предложено использовать математический аппарат известных программ схемотехнического моделирования для проекти-
рования САР гибридно-пленочных микротермостатов на основе модели с сосредоточенными параметрами.
5. Экспериментально доказана возможность применения разработанных методов термостабилизации и автоматизированных средств проектирования при синтезе конструктивных вариантов термостабильных РТУ.
Достоверность результатов теоретического исследования подтверждается согласованием с экспериментальными данными. Применимость используемых моделей доказывается проведением тестовых расчетов и сопоставлением с результатами других авторов.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
-
Разработана методика синтеза адекватных математических моделей ЭРЭ в формате SPICE с точки зрения температурной зависимости их параметров. Синтезированы адекватные, применительно к задачам температурной стабилизации, математические модели стабилитрона, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя.
-
Разработан программный комплекс «Термос» для сквозного автоматизированного проектирования термостабильных РТУ. Программный комплекс нашел применение в научно-исследовательских и инженерно-технических работах кафедры КИПР ТУСУРа, а также используется в учебном процессе.
-
Синтезирован ряд конструктивных вариантов прецизионного источника опорного напряжения с высокой температурной стабильностью на уровне мировых достижений. Синтез конструктивных вариантов осуществлялся автоматизированным способом с помощью программного комплекса «Термос».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Системный подход к проектированию термостабильных РТУ, основанный на комплексном использовании уравнения температурной погрешности проектируемого устройства и последующем синтезе схемно-конструктивных решений позволяет достигнуть заданной температурной стабильности РТУ с учетом ограничений.
-
Эффективность термокомпенсации как метода термостабилизации в относительно узком диапазоне температур окружающей среды обеспечивается при совместном учете схемотехнического и топологического аспектов температурной компенсации ЭРЭ.
3. Проектирование САР микротермостатов с незначительными
собственными тепловыделениями термостатируемых ЭРЭ позволяет
ограничиться электротепловым моделированием эквивалентной схемы замещения на основе сосредоточенных параметров.
Внедрение результатов работы.
По материалам диссертационной работы в рамках курса «Конструирование и технология гибридных микросхем» внедрено в учебный процесс пособие по проведению лабораторного практикума «Применение полного факторного эксперимента для оптимизации технологических режимов нанесения пленочных слоев».
По материалам диссертационной работы в рамках курса «Конструирование и технология РЭС» для студентов радиотехнического факультета ТУСУР внедрен в учебный процесс практикум по конструированию типовых функциональных узлов РТУ с повышенными требованиями к температурной стабильности выходных параметров.
По материалам диссертационной работы в рамках курса «Основы научных исследований и патентоведение» для студентов радиоконструкторского факультета ТУСУР внедрен в учебный процесс практикум по синтезу новых конструктивных вариантов термостабильных РТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на: 1-ой, 2-ой, 3-ей областных научно-практических конференциях молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям «Современные техника и технологии» (г. Томск, 1995, 1996, 1997); XXXIV международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 1996); 2-ой международной конференции и выставке по спутниковой связи (г. Москва, 1996); научных сессиях МИФИ-98, МИФИ-99 в рамках конференции студентов и молодых ученых «Молодежь и наука» (г. Москва, 1998, 1999); 4-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-98 (г. Новосибирск, 1998) и ряде других конференции, семинаров, школ.
Публикации. По материалам диссертационной темы опубликовано 17 работ, в том числе депонированных статей - 5, докладов и тезисов докладов - 11, информационно-справочных листов ЦНТИ - 1. Получено положительное решение по заявке на патент.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и 4 приложений. Работа содержит 150 страниц основного текста с рисунками, 30 страниц с приложениями, список литературы из 82 наименований.
Похожие диссертации на Анализ и синтез термостабильных радиотехнических устройств
