Введение к работе
Актуальность теїш. Нелинейности в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), обусловленные неотъемлемыми физическими свойствами применяемых функциональных узлов, принято назьюать сопутствующими. В транзисторной схемотехнике к таким нелинейностям относятся ограничения статических характеристик "вход-выход" транзисторных каскадов. Основу современной РЭА составляют классические (базовые) каскады на биполярных транзисторах (БТК) - усилители с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК). При работе БТК в режиме большого сигнала возможны существенно нелинейные режимы, характеризующиеся их динамической перегрузкой. При этом, как правило, резко ухудшаются основные динамические параметры устройств, содержащих перегружающиеся БТК. При этом для повышения быстродействия, улучшения параметров переходного процесса, снижения тока потребления функциональных узлов РЭА, содержащих перегружающиеся БТК, в них вводятся так называемые нелинейные корректирующие цепи (НКЦ), обеспечивающие компенсацию сопутствующих нелинейностей.
Нелинейная коррекция в прецизионных транзисторных устройствах (операционных усилителях (ОУ), стабилизаторах напряжения (СН) и т.п.) является одной из замечательных идей аналоговой схемотехники последних тридцати лет. На использование НКЦ в РЭА выдано более 50 патентов разных стран мира. Причем в каждом случае построение НКЦ требует больших творческих усилий и инженерной интуиции. В значительной степени это связано со слабой изученностью принципов построения НКЦ, их свойств и процедур синтеза.
Наиболее важные научные результаты, которые непосредственно относятся к проблеме нелинейной коррекции в системах автоматического управления, получены в работах Хлыпало Е.И.. Попова А.Е.. Пальтова И.П. и др. Однако неравномерность развития различных направлений науки и техники привела к тому, что сегодня в аналоговых радиоэлектронных устройствах недостаточно активно используются принципы нелинейной коррекции, хорошо разработанные на уровне макромоделей в теории нелинейных автоматических систем. Прикладные вопросы нелинейной коррекции применительно к аналоговым устройствам РЭА рассматривались в исследованиях научной школы д. т. н., проф. Анисимова В.И., а также в монографиях и статьях По-
лонникова Д. E.. Полянина К.П.. Букреева С.С, Мкртчяна К.А., Волгина Л. И. и др.
Несмотря на некоторое использование НКЦ в аналоговых устройствах, развитие схемотехники РЭА постоянно приводит к необходимости разработки общих подходов к построению НКЦ, инвариантных назначению РЭА. Это, в принципе, возможно, если создать единую теорию синтеза НКЦ классических транзисторных каскадов, из которых строится любая РЭА.
В связи с вышеизложенным, разработка методов компенсации сопутствующих нелинейностей БТК представляет собой весьма актуальную задачу современной аналоговой схемотехники.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка и исследование параметрических и структурных методов компенсации сопутствующих нелинейностей классических транзисторных каскадов "в режиме большого сигнала.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:
-
Классификация нелинейностей статических характеристик БТК. Исследование возможностей параметрической оптимизавди БТК по параметрам, характеризующим их нелинейные свойства в режиме большого сигнала.
-
Разработка общих методов построения НКЦ, обеспечивающих компенсацию сопутствующих нелинейностей проходной характеристики классических транзисторных каскадов ОК, ОЭ, ОБ.
-
Разработка методов построения функциональных узлов НКЦ.
-
Создание банка идентифицированных схемотехнических решений функциональных узлов (ФУ) НКЦ, построенного по иерархическому принципу.
5. Разработка алгоритмов структурного синтеза НКЦ БТК.
Основные методы исследования. В работе использованы методы
теории множеств, морфологического синтеза, кусочно-линейной аппроксимации, автономного многополюсника и обобщенный- метод четырехполюсника.
Новые научные результаты.
1. Внесены добавления в теорию классических транзисторных каскадов в части, касающейся развития структурных и параметрических методов компенсации их сопутствующих нелинейностей в режиме большого сигнала. Впервые предложены и исследованы обобщенные
схемы НКЦ классических каскадов 03, ОБ, ОК. Получены математические выражения, описывающие проходные характеристики каскадов с обобщенными НКЦ, позволяющие осуществить их параметрический синтез.
-
Разработаны методы построения и синтеза основных ФУ НКЦ, а также структура банка их схемотехнических решений.
-
Разработаны алгоритмы и правила синтеза структурных схем НКЦ в виде: структурно-логических схем; многоуровневых идентификационных таблиц, представленных в графической и математико-пре-дикативной форме; древовидных структур и трехмерных пространств вариантов, логически объединяющих и обобщающих процедуры структурного синтеза.
Практическая ценность работы.
-
Результаты проведенного исследования имеют практическое значение при проектировании многих классов функциональных узлов РЭА - различных усилителей и стабилизаторов напряжения, устройств частотной селекции, аналоговых перемножителей, пиковых детекторов, схем "выборки-хранения" и др., содержащих перегружающиеся транзисторные каскады. За счет введения структурной избыточности (НКЦ) по предложенным в работе правилам могут быть улучшены такие параметры этих ФУ, как быстродействие, ток потребления, частотный диапазон, коэффициент гармоник и др.
-
Рассмотренные в работе методы нелинейной коррекции классических транзисторных каскадов, принципы построения НКЦ и их функциональных узлов, а также банки типовых схемотехнических решений, составляют теоретическую и информационную основу (так называемое "Know-How") синтеза новых технических решений в таких давно развивающихся и хорошо изученных областях аналоговой схемотехники, как выходные каскады усилителей мощности, многокаскадные операционные усилители, стабилизаторы напряжения, микромощные усилители, силовые ARC-фильтры, эмиттерные повторители, аналоговые умножители и т.д. и т.п.
-
Самостоятельное практическое значение имеют более 260 схем транзисторных каскадов с НКЦ, синтезированных по предлагаемым алгоритмам.
Реализация в промышленности. Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программ "Развитие Ростовской области вузовской наукой" (1994-1995 гг., тема N 39). работ по
проблемам головного научно-технического совета "Информатика" Минобразования России, госбюджетных НИР ДГАС 1995-1997 гг. Результаты внедрены в ПО "Гарант" (г. Ростов-на-Дону), ОАО "Шахтинский научно-исследовательский угольный институт", а также используются в учебном процессе ДГАС, Новочеркасского государственного технического университета, Таганрогского государственного радиотехнического университета.
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ДГАС (1993 - 1997 гг.); XXIII Международной конференции и дискуссионном научном клубе "Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе" (г. Гурзуф, 15-24 мая 1996 г.) и получили одобрение Оргкомитета конференции; II и III Всероссийских научных конференциях "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, ТРТУ, октябрь 1995, 1996 гг.), Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных представителей "Интеллектуальные САПР-96" (Таганрог, ТРТУ, 1996 г.). На III Всероссийской научной конференции "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" доклад занял 1 место.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 115 стр. машинописного текста и иллюстрированного 69 рисунками, списка использованных источников, включающего 61 наименование, приложения А и приложения Б, оформленного в виде отдельной книги.
