Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время электроника всё больше переходит на цифровые методы обработки сигналов, в связи с чем, наблюдается вполне закономерный интерес к разработке более быстродействующих АЦП и ЦАП. Электронные ключи являются их важнейшей составной частью, а также огромного количества радиоэлектронных устройств. В качестве конструктивных элементов ключевых схем применяются полевые и биполярные транзисторы. Но, наряду с этим, ни в отечественной, ни в зарубежной литературе не приводится более или менее систематизированного анализа переходных процессов в быстродействующих электронных ключах, включающего в себя расчет временных параметров процессов включения и выключения (кроме простейших схем, основанных на одном нелинейном элементе), а также не приводится методика математических расчетов параметров элементов входящих в состав схем электронных ключей.
Электронные быстродействующие ключи занимают важное место в цифровой и импульсной технике, в том числе и силовых импульсных устройств. В связи с этим можно выделить основные параметры, требующие улучшения: для цифровых устройств - увеличение быстродействия, для силовой электроники - это оптимизация переходных процессов, снижение коммутационных потерь и уменьшение электромагнитных помех. Таким образом, анализ переходных процессов и математическое описание уже имеющихся схем ключей, а также, разработка и описание новых быстродействующих схем ключей на современной элементной базе, требуют должного внимания и детальной проработки.
Всё выше изложенное подтверждает актуальность темы настоящей диссертации.
Целью диссертационной работы является: исследование переходных процессов в быстродействующих транзисторных ключах, создание новых схем электронных ключей и их математических моделей, экспериментальная проверка адекватности полученных математических моделей.
Исследования в рамках диссертационной работы предусматривают решение следующих задач:
-
Выявить влияние параметров элементов схемы ключа на его быстродействие, и на основе полученных данных предложить новые схемотехнические способы повышения быстродействия транзисторных ключей.
-
С применением метода эквивалентных схем получить математические модели предложенных быстродействующих транзисторных ключей.
-
Провести исследование переходных процессов в ключе с комбинированной связью, с биполярно-полевой структурой, с активной обратной связью с использованием полученных математических моделей.
-
Экспериментальным путём подтвердить увеличение быстродействия предложенных схем транзисторных ключей и адекватность построенных математических моделей.
Объектом исследования являются быстродействующие электронные ключевые устройства.
Предметом исследования являются переходные процессы в быстродействующих электронных ключевых устройствах.
Методы исследования. В работе использованы методы электрических цепей и сигналов, методы математического анализа, методы численного моделирования. Кроме того, при выполнении работы использованы методы компьютерного моделирования и компьютерных расчетов, также проведены экспериментальные исследования.
Научная новизна и практическая ценность работы заключается в следующем:
-
-
Разработаны новые схемы быстродействующих электронных ключей:
ключа с комбинированной связью, сочетающего в себе преимущества введения форсирующего конденсатора и отрицательной обратной связи в виде диода Шоттки, что позволяет значительно уменьшить время формирования переднего фронта и сократить время рассасывания неосновных носителей в базе;
ключа с биполярно-полевой структурой, сочетающей положительные свойства работы в ключевом режиме полевого и биполярного транзисторов, что позволяет увеличить быстродействие;
ключа с активной обратной связью на основе классического ключа на полевом транзисторе, в который добавлена активная обратная связь, реализованная на биполярном транзисторе, что позволяет подать часть выходного сигнала в управляющую цепь и значительно сократить время формирования фронта и среза.
-
Для исследования переходных процессов в электронных ключах выбран метод эквивалентных схем, который позволяет транзисторный ключ представить эквивалентной схемой, способной отражать физику процессов в транзисторном ключе в динамическом режиме. Такое представление имеет ряд преимуществ:
введение в электронный ключ отрицательной обратной связи по току, например, диода Шоттки, будет формально соответствовать добавлению в эквивалентную схему дополнительного нелинейного элемента;
после составления эквивалентной схемы транзисторный ключ рассматривается абстрагировано от физических процессов в элементах, как нелинейная электрическая цепь и можно проводить анализ этой цепи любым существующим методом, это преимущество особенно заметно при рассмотрении схем, содержащих несколько нелинейных элементов.
Предложены новые физически обоснованные эквивалентные схемы представленных транзисторных ключей, на основе которых разработаны математические модели быстродействующих электронных ключей. Достоинством описанных моделей транзисторных ключей является возможность описания схемотехнических изменений в ключе на языке эквивалентных схем, а также быстрого и наглядного варьирования параметрами модели при численном моделировании.
4. Экспериментально подтверждено значительное повышение быстродействия предложенных схем, а также проверена адекватность полученных математических моделей путём сопоставления экспериментальных данных и теоретических расчетов.
Результаты и научные положения, выносимые на защиту:
Новые схемотехнические способы повышения быстродействия электронных ключей: ключ с комбинированной связью, ключ с биполярно- полевой структурой, ключ с активной обратной связью.
Обоснование применения метода эквивалентных схем для исследования переходных процессов в быстродействующих транзисторных ключах.
Новые эквивалентные схемы и соответствующие математические модели для ключей с комбинированной связью, с биполярно-полевой структурой, с активной обратной связью.
Экспериментальные данные, подтверждающие повышение быстродействия предложенных транзисторных ключей.
Достоверность. Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется корректным применением математических методов, соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, соответствием результатов моделирования полученным экспериментальным данным.
Личный вклад. Личный вклад определяется проведением теоретических и экспериментальных исследований, а также анализом полученных результатов.
Реализация результатов. Полученные теоретические и экспериментальные результаты использованы в ОАО «Концерн «Созвездие» при выполнении плановых НИР и ОКР, а также ряда важнейших работ, заданных Решениями Президента и Правительства РФ, в частности, работ по темам «Кассиопея», «Унификация», «Москва», «Созвездие-М», «Созвездие-М2», в ОАО Воронежский НИИ «Вега» при выполнении OKP «Интеграция», «Пихта». Кроме того результаты работы внедрены в учебный процесс в Воронежском государственном университете и в Воронежском институте ФСИН России, что подтверждено актами внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» 2007, 2009, 2010, 2011 годах (г. Воронеж, ОАО «Концерн «Созвездие»); международной научно-технической конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии», 2011 год (г. Воронеж, Воронежский государственный университет); всероссийской научно-практической конференции «Общественная безопасность, законность и правопорядок в III тысячелетии», 2009 год (г. Воронеж, Воронежский институт МВД России); международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», 2010 год (г. Челябинск, Челябинский государственный университет); всероссийской научно-практической конференции «Неравновесные процессы в природе», 2009 год (г. Елец, Елецкий государственный университет имени И. А. Бунина).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, из них 5 в ведущих изданиях, входящих в перечень рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 9 докладов на международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 162 наименования и 2-х приложений. Работа изложена на 169 страницах машинного текста, содержит 87 иллюстраций и 16 таблиц.
Похожие диссертации на Переходные процессы в транзисторных ключах и способы повышения их быстродействия
-
