Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор микроэлектронных датчиков магнитного поля, схем и свойств транзисторных аналогов негатронов, постановка задач диссертации 12
1.1. Обзор микроэлектронных датчиков магнитного поля 12
1.2. Обзор схем и свойств транзисторных аналогов негатронов 19
1.3. Постановка задач диссертации 3 1
2. Датчики магнитного поля с частотным выходом на основе традиционных магниточувствительных элементов 33
2.1. Синтез схем датчиков с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них резистивными мостами 33
2.2. Синтез схем датчиков с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них элементами Холла 38
2.3. Датчики с гальваномагниторекомбинационными элементами .45
2.4. Синтез схем датчиков магнитного поля с частотным выходом на основе аналогов негатронов с магнитодиодами и магнитотранзисторами 49
2.5. Свойства транзисторных аналогов негатронов с перекрестными связями 54
2.6. Компьютерное моделирование датчиков магнитного поля на основе аналогов негатронов с элементами Холла 59
2.7. Компьютерное моделирование датчика магнитной индукции с частотным выходом на основе аналога негатрона с магнитодиодами 63
2.8. Моделирование датчика магнитной индукции на основе аналога негатрона с магнитотранзистором 67
Выводы 71
3. Датчики магнитного поля с частотным выходом на основе нетрадиционных магниточувствительных элементов 72
3.1. Датчики на основе элементов вакуумной микроэлектроники 72
3.2. Выбор схем аналогов негатронов для датчиков с электромеханическими преобразователями 75
3.3. Датчик с кварцевым резонатором 82
Выводы 95
4. Датчики магнитного поля с амплитудным выходом на основе аналогов негатронов и индуктивных балансных сенсоров 97
4.1. Конструкции датчиков магнитной индукции с амплитудным выходом на основе индуктивного балансного сенсора (ИБС) 97
4.2. Метод определения условия баланса индуктивного балансного сенсора 101
4.3. Условия баланса микроэлектронных индуктивных балансных сенсоров с катушками квадратной и треугольной форм 104
4.4. Датчики положения на основе индуктивных балансных сенсоров, используемые в датчиках магнитной индукции 108
Выводы 114
Заключение 115
Приложение 1 1 1 8
Приложение 2 119
Приложение 3 120
Библиографический список 121
- Обзор схем и свойств транзисторных аналогов негатронов
- Синтез схем датчиков с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них элементами Холла
- Выбор схем аналогов негатронов для датчиков с электромеханическими преобразователями
- Условия баланса микроэлектронных индуктивных балансных сенсоров с катушками квадратной и треугольной форм
Обзор схем и свойств транзисторных аналогов негатронов
В настоящее время по виду выходного сигнала можно выделить два основных типа полупроводниковых магниточувствительных интегральных схем (МЧИС). Это цифровые МЧИС (ЦМЧИС) и аналоговые МЧИС (АМЧИС). Обычно ЦМЧИС состоит из гальваномагнитного датчика и электронного обрамления, выполненных на одном кристалле в едином технологическом процессе. Типовая структурная схема ЦМЧИС с элементом Холла в качестве чувствительного элемента представлена на рис. 1.1,а. В данной схеме эдс Холла, зависящая от величины магнитной индукции, подается на дифференциальный усилитель, а затем на триггер Шмитта, где и формируется выходной сигнал. Для лучшего согласования с логическими схемами выходной каскад выполняется на транзисторах с открытым коллектором.
Для производства ЦМЧИС в зависимости от предъявляемых требований и финансовых ограничений используются гибридно-пленочная, биполярная и МОП-технологии. Так для снижения потребляемой мощности эффективно применение МОП-технологии, которое, кроме того, позволяет уменьшить уровень собственных шумов микросхемы. Применение гибридно-пленочной технологии дает возможность заменить дифференциальный усилитель на операционный, что в свою очередь ведет к увеличению магнито 13 чувствительности, температурной стабильности и позволяет с помощью внешних резисторов регулировать величину магнитной индукции переключения.
ЦМЧИС являются магнитокоммутируемыми схемами и поэтому в основном применяются для бесконтактной коммутации электрических цепей, бесколлекторных электродвигателей, элементов первичной информации. При этом управляющее магнитное поле создается либо малогабаритными постоянными магнитами, либо электромагнитом. На основе ЦМЧИС К1116КП1 и К1116КП2 были созданы бесконтактные кнопки, имеющие очень Q 1 Г) большой ресурс работы (10 -10 циклов переключения). Достоинство данных магнитоуправляемых переключателей заключается в том, что они меньше подвержены старению, чем оптоэлектронные, имеют более высокую помехозащищенность, чем емкостные и резистивные переключатели.
В бесколлекторных двигателях функцию переключения обмоток статора выполняют ЦМЧИС, что приводит к более надежной работе электродвигателя. В автомобильной электронике ЦМЧИС используются как бесконтактный прерыватель электронной системы зажигания. При этом кулачек и контакты прерывателя заменяются магнитом и ЦМЧИС, что позволяет полностью исключить износ и подгорание контактов прерывателя и повышает таким образом надежность работы системы зажигания. Это, в свою очередь, ведет к снижению токсичности выхлопных газов, позволяя исключить случаи пропуска зажигания рабочей смеси, и к обеспечению экономии топлива благодаря строгому поддержанию оптимального угла опережения зажигания.
На основе ЦМЧИС могут быть созданы разнообразные датчики положения, угла, скорости вращения. Так, реагируя на поле постоянного магнита, установленного на вращающемся валу, ЦМЧИС выдает один импульс за один оборот вала. Таким образом, частота вращения вала преобразуется в частоту следования прямоугольных импульсов. Так, например, для автотранспортных средств был разработан и изготовлен датчик положения и скорости вращения распределительного вала /56/. Имея рабочий диапазон температур от минус 45 до плюс 130 С и работая на частотах от 0 до 50 кГц этот датчик исполнен в виде отдельной ЦМЧИС на основе магниторезистора MR4501.
Аналоговые МЧИС (АМЧИС) выполняют функцию пропорционального преобразования индукции управляющего магнитного поля в выходное напряжение и применяются обычно для измерения относительно небольших изменений магнитного поля.
По функциональному признаку АМЧИС можно разделить следующим образом: - с постоянной крутизной; - с переменной крутизной; - с управляющим входом. Большинство АМЧИС выполняются на основе элементов Холла, так как они отличаются от остальных преобразователей лучшей линейностью зависимости выходного напряжения от индукции магнитного поля. Наиболее распространенная структурная схема АМЧИС с элементом Холла приведена на рис. 1.1,б. В таблице 1.2 приведены основные параметры некоторых АМЧИС /21, 19/.
МИЭТ - Московский государственный институт электронной техники. ИФТТП - Институт физики твердого тела и полупроводников (г. Минск). Существуют также разработки матриц магниточувствительных элементов (ММЧЭ). В качестве чувствительных элементов в ММЧЭ используются элементы Холла, тонкопленочные магниторезисторы и двухколлекторные или двухстоковые магнитотранзисторы (табл. 1.3) /57/. Они обладают высокой чувствительностью, малыми габаритами и потребляемой мощностью при приемлемых ценах (порядка 0,1-И доллар США за один элемент матрицы для магнитотранзистора и 1ч-2 доллара США- для магниторезистора и элемента Холла). По сравнению с ферроиндуктивными преобразователями эти элементы позволяют с минимальными затратами труда объединить их в матрицы и не оказывают взаимного влияния при опросе. Кроме того, разработана и освоена технология интегрального исполнения матриц магниточувствительных элементов в одном технологическом цикле на одном кристалле, что существенно упрощает и удешевляет процесс производства, уменьшает разброс параметров элементов матрицы. Перспективным может быть использование также и Z-элементов (датчиков с частотным выходом) поскольку при их применении для построения сканеров распределенного магнитного поля упрощается система коммутации, на порядок уменьшается энергопотребление, улучшается отношение сигнал-шум (в сто раз и более), отпадает необходимость в использовании дорогостоящих и сравнительно сложных АЦП Однако в настоящее время Z-элементы не выпускаются серийно, а их цена при заказе (порядка 20 долларов США за штуку) не позволяет пока говорить о производстве многоэлементных сканеров на их основе.
Существуют определенные технологические сложности при производстве ММЧЭ, обусловленные тем, что при визуализации магнитных полей регистрируется их тангенциальная, либо нормальная составляющая. Например, при регистрации нормальной составляющей магнитного поля рассеяния с помощью матрицы элементов Холла типа ПХИ02Ь от дефектов проблем не возникает. В этом случае ММЧЭ изготавливается из одного кристалла антимонида индия (InSb) интегральным способом. При этом возможно выполнение матрицы сенсоров с разрешающей способностью до 10 мкм и количеством элементов до 4096 с организацией 64x64 или 128x32 элемента. При необходимости регистрации тангенциальной составляющей магнитного поля матрица набирается из отдельных элементов Холла. Это ведет к тому, что невозможно достичь высокой разрешающей способности, так как дискретные сенсоры вместе с подложкой, на которой они располагаются, имеют толщину не менее 500 мкм, она и определяет максимальную величину разрешения матричного преобразователя. С этой точки зрения, предпочтительнее использовать пленочные магниторезисторы, чувствительные к магнитному полю, направленному вдоль их поверхности. Конструкция чувствительного элемента при этом будет аналогична конструкции матрицы на элементах Холла. Но наиболее удобно применение в качестве матрицы чувствительных элементов интегральных одно-, двух- и трехкоординатных магнито-транзисторов, чувствительных как к перпендикулярной, так и к продольной составляющей магнитного поля, которые могут быть использованы для получения не только двух-, но и трехмерных изображений. Магнитотранзистор в такой матрице может иметь размеры до 10x10 мкм при чувствительности до 1000 В/(А Тл), причем его цена составит менее одного доллара США, так как он выполняется по отлаженной кремниевой технологии без использования дефицитных и дорогостоящих материалов и оборудования. При этом потребление тока матрицей в активном режиме не превышает 400 мА. На базе такой ММЧЭ был разработан и изготовлен матричный преобразователь в интегральном исполнении на основе биполярных и МОП-магнитотранзисторов для регистрации дефектов и слежения за ростом трещин газопроводов /6/
Синтез схем датчиков с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них элементами Холла
На основании приведенной выше информации очевидно, что существует необходимость встраивания различных чувствительных элементов в автогенераторные схемы на основе аналогов негатронов для создания микроэлектронных датчиков магнитного поля. Существующие ныне магниточувствительные микросхемы отличаются большим количеством элементов. Исходя из этого задачи диссертации можно сформулировать следующим образом: 1. Синтез электрических схем автогенераторных микроэлектронных датчиков магнитного поля с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них резистивными мостами, элементами Холла, гальваномаг-ниторекомбинационными элементами, магнитодиодами, магнитотранзис-торами, микролампами, пьезопреобразователями; исследование макетов данных датчиков и разработка топологий микросхем датчиков магнитного поля с оригинальными характеристиками, реализуемых методами микроэлектроники. 2. Синтез электрических схем аналогов негатронов для микроэлектронных датчиков магнитного поля с частотным выходом и анализ их свойств. 3. Синтез моделей элементов Холла, магнитодиодов, магнитотранзисторов и использование их при компьютерном моделировании датчиков магнитного поля с частотным выходом с использованием типовых программ. 4. Анализ условий минимизации влияния параметров элементов схем аналогов негатронов на частоту автогенераторных датчиков магнитного поля с электромеханическими преобразователями. 5. Определение степени влияния расстояния между плоскостями катушек индуктивных балансных сенсоров на условия их баланса, поиск методов повышения чувствительности датчиков магнитного поля с амплитудным выходом на основе индуктивных балансных сенсоров, исследование макетов датчиков С Синтез схем датчиков с частотным выходом на основе аналогов негатронов со встроенными в них резистивными мостами
В /64/ приведена схема преобразователя сопротивления тензорезис-тивного сенсора давления в частоту, построенная на основе сочетания аналога негатрона с перекрестными коллекторно-базовыми связями /65/ с мостовой схемой. Здесь может быть использован тензорезистивный мембранный преобразователь с наклеенным на него микромагнитом, пленочный мостовой преобразователь магнитного поля или резистивный мост, в котором один из резисторов является магниторезистором. Поскольку известно большое количество других схем аналогов негатронов /28/, то представляет интерес исследование возможности сочетания этих аналогов негатронов с мостовой резистивной схемой и сравнение полученных таким способом преобразователей сопротивления сенсора в частоту по чувствительности к, равной отношению относительного изменения частоты генерации к относительному изменению сопротивления сенсора. Такие преобразователи могут быть реализованы и без использования мостов
В них резистивный сенсор включается вместо резистора, ответственного за питание транзисторов аналога негатрона по постоянному току. Эти преобразователи имеют чувствительность к& 0,2 ч-0,4. Поскольку мостовые схемы обладают высокой чувствительностью изменения напряжения разбаланса моста к изменению сопротивления одного из резисторов, то можно ожидать повышения чувствительности к.
На рис.2.1 показана известная схема преобразователя, а на рис.2.2-2.6-вновь синтезированные /83, 84/. Во всех синтезированных схемах, кроме приведенной на рис.2.3 (схема построена на основе модернизированного АН, приведенного на рис.1.6,а), используются перекрестные коллекторно-базовые связи, или гальванические (рис.2.2), или с применением конденсаторов (рис.2.4--2.6). Схема, показанная на рис.2.2, содержит кроме биполярных транзисторов VT1, VT2, также и полевые транзисторы VT3,VT4, управляемые р-п-переходом (можно также использовать МДП-транзисторы со встроенным каналом). Мост образован резисторами R2, R3, R6, R8. При изменении сопротивления резистора R2 на затворах полевых транзисторов появляется напряжение разбаланса моста, изменяются токи через биполярные транзисторы, изменяется вольтамперная характеристика между клеммами подключения частотозадающего конденсатора С1 и, как следствие, частота генератора. Аналогично работают и другие преобразователи. При R=25 кОм, R2=R3=R6=R8=1,5 кОм, R4=R9=300 Ом, R5=R7=470 Ом, d=l нФ, С2=47 нФ, ЕП=10В для схемы, показанной на рис.2.2 (во всех схемах использовались транзисторы КТ315 и КПЗОЗ), период колебаний изменялся таким образом при изменении резистора R2, что чувствительность к=2. Она намного ниже, чем у известной схемы {к=\5, при Ri=3,6 кОм, R2=R3=R4=R5==1,5 кОм, R6=R7=R8= =390 Ом, Ci=l нФ, С2=47 нФ, Еп=8 В).
Выбор схем аналогов негатронов для датчиков с электромеханическими преобразователями
При исследовании содержащих сенсоры схем с помощью программ схемотехнического моделирования возникает необходимость представления сенсоров в виде математической модели. Рассматривается модель элемента Холла, выполненная на основе функциональных блоков /88/.
Выходное напряжение, возникающее в элементе Холла, описывается выражением: ивых=у1В, (2.1) где у - магниточувствительность, I - входной ток, В - индукция поперечного магнитного поля.
Для построения модели элемента Холла необходимо выполнить операцию умножения тока на индукцию, установить необходимый коэффициент пропорциональности. Кроме того, необходимо учесть особенности физической реализации сенсора, связанной с объединением средней точки входного и выходного сопротивлении.
Математическая модель элемента Холла, представленная в виде электрической макромодели и выполненная на основе функциональных блоков, используемых в программах схемотехнического моделирования, приведена на рис.2.30.
В этой модели функцию перемножителя выполняет блок G1, преобразующий произведение входных сигналов в ток на его выходе. Резисторы 0,5Rui преобразуют входной ток элемента Холла в напряжение. Их сопротивления выбираются много меньше входного сопротивления элемента Холла. Напряжение, снимаемое с этих резисторов, усиливается в К і раз блоком Е1 и подается на перемножитель. Входное напряжение UBX2 численно равно индукции магнитного поля. Выходной ток перемножителя создает падение напряжения на резисторе Яш, которое подается на два блока Е2 и ЕЗ с коэффициентом передачи К3. Выходное напряжение элемента Холла формируется между выходами out+ и out-. Выходное сопротивление элемента имитируется сопротивлениями 0,5RBbIx. Резисторы R с сопротивлением 1 ГОм не влияют на работу элемента и служат для проведения корректного анализа схем программами схемотехнического моделирования. Объединение средней точки входного и выходного сопротивлений произведено цепью а-а. Можно показать, что выходное напряжение макромодели элемента Холла равно:
Из (2.4) следует, что математическая модель элемента Холла эквивалентна физическому датчику при коэффициенте передачи блока Е1 численно равному половине величины магниточувствительности при указанных выше условиях.
Частотные свойства элемента Холла определяются постоянной времени цепочки R1Li, С. Параметры моделей различных типов элементов Холла (при RiU=RUi=l Ом, К2=К3=1) приведены в таблице 2.1 /30/.
Схема представляет собой аналог негатрона и имеет отрицательное сопротивление между узлами 1 и 2 по переменному току. Между этими узлами включен конденсатор СЗ, задающий частоту генерации. Выходное напряжение элемента Холла управляет режимом негатрона, изменяя частоту генерации. При R,=470OM, R2=R5=270OM, R3=R4=240 ОМ, R6=200 ОМ, C,=C2=47 НФ, C3=15 нФ, E=10B график зависимости частоты генерации от индукции представлен на рис.2.33. Видно, что магниточувствительность составляет 120кГц/Тл.
Графики зависимости частоты генерации от индукции: 1-данные моделирования; 2-данные генератора на физических компонентах.
Амплитуда прямоугольных импульсов составляет 2,5 В. Предложенная модель элемента Холла полезна при компьютерном анализе свойств различных датчиков магнитного поля с частотным выходом. 2.7. Компьютерное моделирование датчика магнитной индукции с частотным выходом на основе аналога негатрона с магнитодиодами
Схемотехническое компьютерное моделирование можно осуществлять с помощью различных стандартных программ. В работе использовался программный модуль OrCAD PSpice A/D системы проектирования OrCAD9.1. При этом возникают проблемы с моделированием чувствительных элементов -сенсоров. Если в качестве сенсора магнитного поля используется магнитодиод, то его характеристики можно смоделировать с помощью схемы, приведенной на рис.2.34
Схема магнитодиода оформлена в виде иерархического блока. При отсутствии магнитного поля вольтамперная характеристика диода формируется элементами VTl, Rl, R4, R5, R9. Для этого случая вольтодобавка функционального блока Е1 равна нулю. Напряжение U1, численно равное индукции магнитного поля, подается на входы +В, -В. Влияние магнитного поля на вольтамперные характеристики диода моделируется с помощью вольтодобавки, выполненной на элементе Е1 (источник напряжения, управляемый напряжением). Выходное напряжение вольтодобавки пропорционально произведению индукции и напряжения на диоде. Указанные величины перемножаются перемножителем G1, имеющим токовый выход. С помощью резистора R3 выходной ток перемножителя преобразуется в напряжение, которое усиливается элементом Е1. Величина напряжения на входах In2+, 1п2- перемножителя регулируется резисторами R2, R6. Частотные свойства диода определяются постоянной времени цепи CI, R3. Резисторы R7, R8 не влияют на характеристики диода и включены для проведения корректного схемотехнического анализа. Различие во влиянии индукции различного направления на вольтамперные характеристики диода обуславливаются тем, что при положительном напряжении U1 через перемножитель создается небольшая положительная обратная связь, а при отрицательном напряжении U1 - отрицательная.
Номиналы элементов в схеме и коэффициенты передачи функциональных блоков Gl, Е1 подобраны такими, чтобы получались вольтамперные характеристики, показанные на рис.2.35, характерные для германиевых магнитодиодов.
Здесь два магнитодиода представлены иерархическими блоками Mdiod. Между клеммами 2-3 наблюдается вольтамперная характеристика с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Влияние индукции магнитного поля (напряжение Ш) на вольтамперную характеристику аналога негатрона отражено на рис.2.37 (Ri=R4=10 кОм, R2=200 Ом, R3=R5=1 кОм, Еп=40 В). Mdiodl Магнитодиод
При отсутствии магнитного поля вольтамперная характеристика магнитотранзистора формируется с помощью биполярного транзистора MTR. В параметрах модели этого транзистора коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером установлен равным 0,19, а параметр VAF, отражающий эффект Эрли, равен 200. Выходные вольтамперные характеристики транзистора MTR приведены на рис.2.41 при различных токах базы.
Для учета влияния магнитного поля на ток коллектора магнитотранзистора в схему модели введены функциональные блоки GMUTT (перемножитель напряжений с токовым выходом), SQRT (извлечение квадратного корня) и El, Е2 (источники напряжения, управляемые напряжением с коэффициентами передачи, равными 0,2 и 2, соответственно). Резистор R1 с сопротивлением 0,1 Ом служит датчиком тока эмиттера транзистора MTR. Напряжение U1, численно равное индукции магнитного поля, прикладывается к входам +В, -В. Нелинейность влияния индукции на ток коллектора формируется блоком SQRT. Перемножитель G1 перемножает два напряжения, одно из которых пропорционально индукции магнитного поля, а другое - току эмиттера. Результат перемножения, представленный в виде источника тока, суммируется с током коллектора транзистора MTR. Уменьшение тока магнитотранзистора, характерное для двухколлекторных магнитотранзисторов, может быть реализовано обратным включением источника тока перемножителя, что приведет к уменьшению тока коллектора при увеличении индукции. Зависимость тока коллектора магнитотранзистора от индукции магнитного поля при различных токах эмиттера приведена на рис.2.42.
Условия баланса микроэлектронных индуктивных балансных сенсоров с катушками квадратной и треугольной форм
Рассчитанная по графику магниточувствительность составляет 4 кГц/Тл. Вместо резонатора на объемных акустических волнах можно использовать и резонатор на поверхностных акустических волнах. Он должен также быть выполнен на тонкой пьезопластине и соответствующим образом закреплен, чтобы под действием силы пластина изгибалась. Однако возможен и другой вариант.
Известно, что встречно-штыревой преобразователь (ВШП) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является избирательным устройством. Конструкция ВШП приведена на рис.3.11. Его добротность как резонатора примерно равна числу пар электродов. Поэтому такой ВШП как и резонатор на объемных акустических волнах можно использовать в качестве частотозадающего элемента в автогенераторах на аналогах негатронов. Так как V резонансная частота ВШП / = —2-, где Va - скорость ПАВ, d - ширина электродов и зазоров между ними, то при воздействии на поверхность ВШП упругих сред меняется скорость ПАВ Va, а, следовательно и генерируемая частота/
В эксперименте ширина электродов ВШП и зазора между ними d=50 мкм, число пар электродов N=20. На воздухе частота генерации составила /=22580 кГц. Силовое воздействие на ВШП осуществлялось через наложенную на него прокладку из упругой резины толщиной 1 мм и пластинку ситалла. График зависимости ухода частоты от приложенной силы F приведен на
Для придания устройству магниточувствительности на ситалловую пластину следует приклеить микромагнит или его заменитель.
Топология встречно-шты- Рис.3.12.График зависи ревого преобразователя на поверхно- мости частоты автогенера стных акустических волнах. тора с ВШП на ПАВ от воздействия на него силы.
Многие пьезорезонансные датчики работают на биениях, полученных от частот двух генераторов, один из которых эталонный, а на резонатор второго воздействуют внешние факторы. Поскольку резонаторы имеют разброс по частоте последовательного резонанса, то чтобы добиться нулевых биений, один из автогенераторов должен быть перестраиваемым по частоте. Перестройка легко осуществляется изменением емкости конденсатора, включенного последовательно с кварцевым резонатором. Однако чем меньше емкость этого конденсатора, тем сильнее генерируемая частота отличается от частоты последовательного резонанса резонатора, причем частота генератора повышается. Поэтому, чтобы рабочая частота находилась вблизи частоты последовательного резонанса, ее сначала понижают включением последовательно с кварцевым резонатором катушки индуктивности, а затем уже повышают уменьшением емкости подстроечного конденсатора. Использование катушки индуктивности затрудняет реализацию автогенераторов методами микроэлектроники. Выход из затруднения видится в построении автогенераторов на каскодных аналогах негатронов с S-образной вольтамперной характеристикой. Особенностью этих устройств является то, что реактивная составляющая их импеданса носит индуктивный характер, причем величина эквивалентной индуктивности может быть легко предсказуема и регулируема, так как такие аналоги негатронов являются конверторами импеданса.
На рис.3.13 показана схема перестраиваемого кварцевого генератора на каскодном аналоге негатрона (а) и его эквивалент (б). Аналог негатрона реализован на двух транспарантных транзисторных парах (VT1-VT2 и VT3-VT4) и между клеммами а-б имеет эквивалентное отрицательное активное сопротивление R3 и индуктивность Ьэ. Если С]=0, то Ьэ равна эквивалентной индуктивности собственно аналога негатрона
Схема перестраиваемого генератора на каскодном аналоге негатрона (а) и его эквивалент (б). Резистор R6 служит для установления синусоидальной формы колебаний, которая наблюдается при малосигнальном режиме работы генератора. На низких частотах величина
Если пренебречь влиянием статической емкости С0, то из рис.3.13,6 видно, что генератор будет работать на частоте последовательного резонанса /р, если 1 приведены графики зависимости генерируемой частоты от емкости конденсатора С2 при различных величинах R1 и С1. Использовались транзисторы К1НТ591В, кварцевый резонатор с частотой последовательного резонанса ,= 12539,583 кГц, Еп=6 В, R4=240 Ом, R3=130OM. Резистором R6 устанавливалась синусоидальная форма колебаний (иВых 100- 200 мВ). Как видно, даже при Сі=0 можно обеспечить работу генератора на частоте последовательного резонанса. Применение конденсатора С1 и увеличение сопротивления резистора R1 позволяет уменьшить емкость конденсатора С2, необходимую для обеспечения работы на частоте последовательного резонанса /95/.
1. Синтезированы две схемы микроэлектронных датчиков магнитного поля с частотным выходом на основе аналогов негатронов с вакуумными лампами как элементами вакуумной микроэлектроники. Экспериментальное исследование подтверждает возможность использования таких датчиков в качестве датчиков магнитного поля или положения, так как частота и амплитуда колебаний изменяется при приближении магнита. Чувствительность датчика положения при индукции магнита 0,3 Тл достигает 15 кГц/мм при расстояниях до 10 мм. При увеличении индукции магнита расстояние, при котором начинается изменение частоты при приближении магнита, пропорционально увеличивается.
2. Показано, что для работы ненагруженного пьезопреобразователя на частоте последовательного резонанса можно использовать аналоги негатронов как с N, так и с S-образной ВАХ, но в первом случае необходима дополнительная катушка индуктивности. При использовании кварцевых преобразователей с наклеенными на них микромагнитами в качестве датчиков магнитного поля рекомендуется использовать аналоги негатронов с S-образной ВАХ, построенных на высокочастотных транзисторах.
3. Показано, что для работы электромагнитного или магнито-стрикционного преобразователя на частоте параллельного резонанса можно использовать аналоги негатронов как с N, так и с S- образной ВАХ; при использовании АН с N-образной ВАХ нужно применять высокочастотные транзисторы и преобразователи с малой индуктивностью обмотки; при использовании АН с S-образной ВАХ требуется дополнительный разделительный конденсатор.
4. Для придания магниточувствительности пьезопреобразователю на него необходимо наклеить микромагнит, брусочек из магнитомягкого материала или поместить каплю из смеси порошка феррита с клеем; при этом пьезопластина должна быть тонкой и закреплена так, чтобы при воздействии силы, возникающей в результате взаимодействия микромагнита с внешним магнитным полем, пластина изгибалась.
5. Выведены условия работы ненагруженного пьезопреобразователя на частоте последовательного резонанса с учетом паразитных реактивиостей аналога негатрона и пьезопреобразователя. Определены условия минимизации влияния паразитных параметров элементов схемы аналога негатрона и пьезопреобразователя на частоту датчика магнитного поля с пьезоэлементом.
6. Эквивалентная индуктивность аналога негатрона как конвертора импеданса может быть использована для реализации перестраиваемых по частоте генераторов для датчиков, работающих на биениях двух частот.
В датчиках магнитной индукции используется свойство ИБС увеличивать амплитуду высокочастотного сигнала на второй катушке ИБС при постоянном сигнале на первой катушке по мере удаления от ИБС проводящей ферромагнитной пластины. При этом ИБС балансируется при максимально близком расстоянии между ним и проводящей пластиной. Под действием магнитного поля проводящая ферромагнитная пластина (из железа, никеля) отодвигается от ИБС. Конструкции таких датчиков показаны на рис.4.1 и 4.2. В первом случае проводящая пластина под действием магнитного поля передвигается вверх, оставаясь параллельной плоскостям катушек ИБС. Во втором случае пластина поворачивается на все увеличивающийся угол.
