автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Анализ и синтез термостабильных радиотехнических устройств

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

На правах рукописи Озёркин Денис Витальевич

2 4 ИЮЛ 2000

УДК 621.396.6.017.7

Анализ н синтез термостабильных радиотехнических

устройств

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2000

Работа выполнена на кафедре конструирования и производства радиоаппаратуры Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Научные руководители: доктор технических наук,

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущая организация: НИИ прикладной математи-

Защита диссертации состоится « Ц » а 2 С сс г. в Л_часов в 228 ауд. на заседании специализированного совета по присуждению ученых степеней Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), 634050, г. Томск, пр. Ленина,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « •/У »2ооо г.

Ученый секретарь спе ого совета,

профессор Татаринов В.Н., кандидат технических наук, доцент Алексеев В.П.

профессор Дмитриев В.М., кандидат технических наук, доцент Гольдштейн Е.И.

ки и механики (НИИПММ) при Томском государственном университете

40.

канд. техн. наук, доце

А.А.Кузьмин

] Рй - т. ¿о //¿г, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 термостабилизации. 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 электротеплового 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 и 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, характер-нон 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:

1. Анализ существующих методов термостабилизации, их классификация с учетом современного состояния и тенденций развития.

2. Разработка алгоритмической модели схемотехнического анализа термостабильных РТУ.

3. 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.

4. Синтез некоторых математических моделей ЭРЭ, наиболее адекватно отражающих реальные температурные зависимости параметров.

5. Разработка алгоритмической модели топологического проектирования термостабильных РТУ.

6. Разработка методики автоматизированного проектирования систем автоматического регулирования (САР) микротермостатов с использованием электротеплового моделирования.

7. 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:

1. 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.

2. 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.

3. Впервые сформулированы критерии и требования для обеспечения топологической термокомпенсации термочувствительных ЭРЭ.

4. Впервые предложено использовать математический аппарат известных программ схемотехнического моделирования для проекта-

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:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

1. 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.

2. 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 конференций, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность синтеза радиотехнических устройств с высокой температурной стабильностью, входящих в состав комплексов радиоэлектронной аппаратуры специального назначения. Сформулировано состояние проблемы, определены цель диссертационной работы и основные задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой разделе произведен обзор и анализ литературных и других источников информации.

Рассмотрены в общем виде воздействия, оказываемые на РТУ в процессе функционирования (рисунок 1) и выведено уравнение (1), описывающее в общем виде температурную стабильность РТУ, а также условие обеспечения требуемой температурной стабильности (2) в заданном диапазоне температур окружающей среды:

ау(т)

У„

/\х(т) А'„

А 7* Т„

\н{т) мдт) \р(т)

Я

и,.

АУ(Т)

АУ{Т)

(1)

(2)

/П1111 ЬУ ь /п

массив ресурсов Щти г;, ... г(:)

массив управляющих вспдеисттш ЛЧ-Ч.л:, ,,л„)

массив внутренних параметров ЭРЭ

. массив выходных у параметров > >'(п. Г-... .«„,)

массив связен между ~>1Г> /'(/»,.>

электрические ¡>,:1

1 магнщ ные р,,* [ | электромагнитные 1

ккшиърщ

Рисунок 1 - Структурная схема внешних и внутренних воздействш!, оказываемых на РТУ

Из анализа полученного уравнения (1) сделан вывод, что функция температурной стабильности РТУ АУ(Т)/Уа зависит от следующих аргументов: температурной стабильности входных воздействий РТУ

ДА'(7")/Л'„; стабильности температуры среды ,\т/'1„; температурной стабильности ресурсов (электропитание и пр.) д/?(7 )/д„; температурной стабильности физического принципа действия РТУ Ш(Т)!и„; стабильности тепловых связей между ЭРЭ дР(Т)/Р„.

Установлено, что распространенные методы термостабилизации можно разделить на три категории: применение прецизионной элементной базы и совершенных физических принципов действия; применение термокомпенсации; применение термостатирования. Выявлено, что каждому из методов термостабилизации присущи определенные недостатки, ограничивающие их использование как универсальных для синтеза термостабильных РТУ.

Для комплексного обеспечения температурной стабильности РТУ и для обоснованного выбора метода термостабилизации в ряде работ Гусева В.П., Фомина A.B., Алексеева В.П. высказана идея использования уравнения температурной погрешности:

где а( =(Ь, -Та )/(Л7'-£„) - коэффициент влияния /-ого ЭРЭ;

Ь„ Ь0 - коэффициенты регрессии:

7о, АТ - номинальная температура и интервал варьирования температуры, соответственно;

АТ1/Т1 - относительное изменение рабочей температуры ЭРЭ.

Указанные авторы предлагают для нахождения коэффициентов влияния уравнения температурной погрешности использовать метод статистического планирования эксперимента, осуществляемый посредством вычислительного эксперимента на ЭВМ. Ввиду предельной формализации факторного эксперимента и сопутствующих ему процедур нами предлагается представить весь процесс проектирования термостабильного РТУ в виде отдельных алгоритмических моделей (модулей), используя при этом уравнение температурной погрешности как математическую модель высшего порядка.

Во втором разделе разработана алгоритмическая модель схемотехнического анализа с целью нахождения уравнения температурной погрешности РТУ. Новизна разработанной алгоритмической модели заключается во введении температурной зависимости для каждого условного нелинейного элемента, входящего в обобщенную ветвь графа схемы. Алгоритмическая модель включает следующие основные этапы:

(3)

1. Получение системы узловых уравнений электрической принципиальной схемы РТУ. Система узловых уравнений приводится к матричному виду:

Сй(СтУ + Е, Т) = С1, где С - редуцированная матрица инциденций (с исключением опорного узла);

Сту + Е - аргумент матричной передаточной функции {» для условного двухполюсного элемента графа схемы;

V - вектор потенциалов узлов относительно опорного узла;

Е - вектор напряжений независимых источников напряжения;

I - вектор токов независимых источников тока;

Т - вектор температур условных двухполюсных элементов графа схемы.

2. Нахождение переменных координатного базиса (потенциалов узлов) V электрической схемы РТУ в статическом режиме. Переменные координатного базиса определяются в ходе численного решения методом Ньютона-Рафсона матричной функции, где в качестве аргумента выступает вектор потенциалов узлов:

Г(у) = Cg(Cтv : Е, Т) С! -0. (4)

Искомое решение представляет собой выражение: V"*» = у'" -^(У"')]"'^1").

где - матрица Якоби нау'-ой итерации.

3. Реализация вычислительного факторного эксперимента. Функция (4) интерпретируется как функция единичного решения

и(Т) = г(V)|т относительно всего плана вычислительного эксперимента, после чего в нее в качестве аргумента подставляется преобразованная матрица планирования ©Т = [^ ] • Вектор единичных решений при заданных посредством матрицы планирования комбинациях факторов имеет вид:

и=и(©т)=[и,(Т) и,(Т) ... ир(Т)]. (5)

4. Нахождение уравнения температурной погрешности. Выделяется в каждом /-ом опыте вычислительного эксперимента (5) А-ая переменная координатного базиса у//*" , которая является выходным термозависимым параметром РТУ:

N„

• N.

Для нахождения коэффициентов регрессии используются стандартные статистические процедуры обработки экспериментальных данных. Уравнение температурной погрешности в векторном виде есть произведение транспонированного вектора коэффициентов влияния на вектор переменных:

А = В

Г

А7 '-b„

6, •7 "

Л7Ч, b, • 7"

Л Г-Ь,

b ■ Г

а,

;an жТ дт

— =Л--=

N Т

\а. я.

ч т;

Д7;

71

ДГ

7'

V"1 Ш = /<■', -1

дг.

5. Оценка адекватности уравнения темпера!урной погрешности. Оценка адекватности сводится к сравнению экспериментального и расчетного способов вычисления относительной погрешности выходного параметра РТУ в заданном диапазоне температур:

Л Л'„

N.

ДуУр

А'

ВЫХ х ТКСГ1 4 вьтх

В работе предлагается использовать известные профаммы схемотехнического моделирования PSpice, Electronics Workbench, MicroCAP - в рамках разработанной алгоритмической модели - для автоматизации составления системы узловых топологических уравнений и для нахождения переменных координатного базиса электрической схемы. Установлено, что оптимальной программой схемотехнического моделирования для этой цели является PSpice A/D 8.

С помощью программ схемотехнического моделирования проведен анализ температурной стабильности типовых радиотехнических устройств: компенсационного стабилизатора постоянного напряжения; операционного усилителя; RC-генератора с двойным Т-образным мостом (рисунки 2-4). Серия вычислительных факторных экспериментов при исследовании компенсационного стабилизатора была сопоставлена с физическим факторным экспериментом, в результате чего была доказана адекватность разработанной алгоритмической модели схемотехнического анализа проектируемых РТУ.

Сделан вывод о том, что определяющую роль в температурной стабильности типовых РТУ играет относительная стабильность рабочих темпе; дтур лишь некоторых ЭРЭ (10-".0% or общего числа). Из

а

анализа полученных уравнений температурной погрешности типовых РТУ следует, что имеется потенциальная возможность для повышения их температурной стабильности путем термокомпенсации ЭРЭ со значащими коэффициентами влияния или сужения диапазона рабочих температур ЭРЭ путем микротермостатирования.

гм

^-»-КЗ-

+ 15(4

т й

•-..а и

/их: тэи

"Т

I '.Г3102? "

испао.

ли.

. дг„,

= 0.323-

т„

■ 0.

АГ,„ .321-—

Т„.

Улз ТУ и1Л

; "р4 н С ЮТ

- 0.007 0.005 АТ"

Т .

-0.174

дт;,

т

' гм

Рисунок 2 - Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения

^=6.117 АБ- - 6.115 0.084 ^- 0.083

х, Тп, Г„, Ткх 7\,„

- 0.033^^+ 0.034 ^^+1.3-10

т т г т

МЫ I 5 ' И ! : 1

Рисунок 3 - Операционный усилитель

Рисунок 4 - ЯС-генератор с двойным Т-образным мостом

Третий раздел посвящен разработке алгоритмической модели топологического проектирования термостабильных РТУ. Предложенная алгоритмическая модель включает в себя следующие этапы: размещение ЭРЭ с целью обеспечения заданной температурной стабильности; расчет температурного поля платы (подложки) с ЭРЭ и оптимизация начального размещения с целью поиска оптимального варианта топологии; моделирование контура терморегулирования термостатированного варианта РТУ с целью синтеза оптимальной конструкции микротермостата.

В работе введено понятие локальной группы - группы смежных ЭРЭ, размещаемых после предварительных расчетов температурного поля на изотермической линии (изотермической поверхности). Сформулированы основные свойства локальной группы ЭРЭ:

- свойство ассоциативности. Смежные ЭРЭ с одинаковым порядком величины тепловыделения Р, вносят суммарный вклад в установление температуры локальной группы Тлг: Рх « Л => Тж = 1\Р{) +

Т{Р2)\

- свойство доминирования. ЭРЭ с большим порядком величины тепловыделения Р, определяет температуру локальной группы 7}1Г: РХ»Р2 => 7лг =7№);

- свойство изоповерхности. Рабочая температура Т, всех ЭРЭ локальной группы примерно одинакова: {Т,, Т2, ..., Т„} еЬ => Г| = 7*7 =

и Т

••• ~ 1 т

где Ь - множество точек изоповерхности.

Предложена алгоритмическая модель размещения ЭРЭ с целью их топологической термокомпенсации на платах (подложках) с малым

коэффициентом теплопроводности. В основу алгоритмической модели, направленной на решение многоцелевой задачи размещения ЭРЭ, положен принцип иерархической многоуровневой композиции. Основные этапы алгоритмической модели следующие:

1. Разбиение исходного множества ЭРЭ Я на подмножество Я' с ненулевыми коэффициентами а, и подмножество Я" с нулевыми коэффициентами а,:

Я = Я' и Я"; Я' п Я" = 0; Я' = {ги г2,..., >•„}; Уа,(г,) ф 0;

Л" = {г„,,, Л,+2, ..., /",„}; Vfl((г/) = 0; я + да = | Л |.

2. Реализация множества частных размещений {^(ЛО, ¿м^п) ..., 5|(/>|.\)} первого уровня иерархии. ЭРЭ из подмножества Я' образуют локальные группы Р\, с целью минимизации алгебраической суммы коэффициентов влияния а,. Каждый ЭРЭ из подмножества Я" образует отдельную квазилокальную группу с целью повышения уровня иерархии с нулевого РП/ (уровень ЭРЭ) до первого уровня

/,[ЗД()] = тш£|4 если /-2, , г,}еЯ';

<| / = 1

/.[ЗД,)]^,, если Рь ={>-,} ей",

У = 1 ..¡V; N = к + | Я" \, где к - число сформированных локальных групп;

I Я" | - число квазилокальных групп (мощность множества Я").

3. Композиция результатов множества частных размещений 82(Р2) = 5|(РП) и ^(Лг) ^ ••• ^ $\(Р\п) иа втором уровне иерархии. Принято, что критерием размещения на втором уровне иерархии является минимизация суммарной взвешенной длины соединений:

/2[ЗД)] =

/-1

В работе предложен эвристический последовательный алгоритм размещения ЭРЭ с целью топологической термокомпенсации, а также рассмотрены особенности комплектации локальных групп ЭРЭ. Выделены три основных варианта комплектации: парная комплектация ЭРЭ; термокомпенсация одного ЭРЭ несколькими другими; взаимная термокомпенсация группы ЭРЭ.

Далее в работе синтезирована алгоритмическая модель по расчету температурного поля плоской конструкции, основанная на численном решении методом конечных разностей нестационарного двумерного уравнения теплопроводности. Сделано допущение о пренебрежимо матом перепаде температуры по толщине плоской конструкции, после

чего принята к использованию тепловая модель пластины размером Ык и толщиной А с двумерным температурным полем Т{х, у), теплообменом на боковых поверхностях и N локальными источниками. Для учета теплообмена с поверхностей перпендикулярных координате А в уравнение теплопроводности (6) введено дополнительное слагаемое 2а(Т„ -Т)/И . Интегральные коэффициенты теплоотдачи граней пластины, определяются как функции температуры граничного узла и среды.

ср

дТ 8т

= X

V

д2Т Э:7'Л

--+ -Г

ду

+ ±дЛх,.у,) + 2а{т«--т)- (6) А

О <*</; 0 <у<к\ 0 < т < т„ Р

(х,2 --^И.^ ->',.)

0. вне области ЭРЭ;

< .г, < у„ < у, < у,,',

от

оу

; т1ц -их,у),

где с - коэффициент теплоемкости материала платы; р - плотность материала платы; "к - коэффициент теплопроводности материала платы; а - интегральный коэффициент теплоотдачи; ТсР - температура окружающей среды.

По результатам анализа основных численных методов расчета температурного поля как наиболее предпочтительная выбрана локально-одномерная схема.

Относительное изменение температуры ЭРЭ Д7] /7] , необходимое для нахождения суммарной температурной погрешности РТУ по уравнению температурной погрешности (3), рассчитывается как отношение максимальной разницы рабочей температуры ЭРЭ к среднему значению рабочей температуры (рисунок 5 - для двух граничных значений).

В работе проведена оценка погрешности расчета температурного поля путем сопоставления результатов натурного эксперимента с результатами численного моделирования на ПЭВМ. Для осуществления эксперимента был изготовлен печатный узел с размещенными на нем ЭРЭ - низкоомнымн резисторами. Размещение ЭРЭ на плате - одностороннее, габариты печатной платы - 0.20x0.13 м. По результатам сопоставления сделан вывод с том, что адекватность физико-математической

модели плоской конструкции можно считать удовлетворительной, поскольку погрешность расчета не превышает 6%. х »

Т(- ]_верхний интервал варьирования Т(+)_

рабочая температура ~псмента Т"п

рабочая температура ялемента

изменение рабочей , , температуры элемента

: I

температура среды Т"ср ' температура среды Т'ср,,

изменение температуры среды

нижний ищфвал варьирования м-1

л г: ттп t.cei

Рисунок 5 - Характер изменения рабочей температуры ЭРЭ

Разработанные алгоритмические модели схемотехнического и топологического проектирования термостабильных РТУ были апробированы при синтезе нового конструктивного варианта стабилизатора напряжения, выполненного в виде ГИС. Исходным конструктивным вариантом послужил стабилизатор напряжения, разработанный в ходе проведения НИР «Элита - I» томским НИИ «Проект». Вопрос топологического обеспечения температурной стабильности при проектировании исходного варианта ГИС практически не затрагивался. По качественным признакам распределение температурного поля нового конструктивного варианта ГИС более равномерное (рисунок 6), за счет пространственного разнесения мощных тепловыделяющих ЭРЭ. Выявлено, что синтезированный вариант ГИС обладает уменьшенным на 36% значением температурной погрешности выходного напряжения по сравнению с исходным вариантом.

Особое вннмание в работе уделено синтезу термостабильных РТУ с использованием микротермостатированпя. Предложена принципиально новая область применения известных программ схемотехнического моделирования (PSpice, MicroCAP, Electronics Workbench) - анализ эквивалентных электрических схем замещения тепловой подсистемы микротермостата. При этом производится замена элементов конструкции микротермостата с распределенными параметрами на электрическую цепь с сосредоточенными параметрами. Главное преимущество предложенного метода электротепловой аналогии с использованием программ схемотехнического моделирования состоит в возможности

одновременного определения основных электрических и тепловых характеристик микротермостата.

М«И Р1Н1» »Ши И«»» Пни И«11 ИНИ ПН1'

размещение ЭРЭ распределение температурного поля

Рисунок 6 - Конструктивный вариант ГИС стабилизатора

напряжения с повышенной температурной стабильностью

Принято допущение, что микротермостат обладает пренебрежимо малыми собственными тепловыделениями, а конструктивные элементы термостата - термостатируемая подложка, датчик, нагреватель - тела с равномерными температурными полями. Указанный случай возможен, например, при конструктивном исполнении микротермостата с пленочным нагревателем, распределенным по всей площади термостати-руемой подложки. Разработанная алгоритмическая модель включает в себя три основные этапа: составление структурно-функциональной схемы, преобразование структурно-функциональной схемы в эквивалентную электрическую схему, схемотехнический анализ электрической схемы замещения.

Структурно-функциональная схема САР микрогермостата представляет собой совокупность электрической и тепловой подсистем (рисунок 7).

На основании структурно-функциональной схемы микротермостата составляется эквивалентная электрическая схема замещения тепловой подсистемы с объединением ее с электрической подсистемой (рисунок 8) и соошетствующнм преобразованием тешюфизических величин в электрические:

для датчика: >Кдт(/?) = 1/(1+тдр); тд = ЛдГГСд;

для подложки: р) = 1/(1 + т„/?); тп = ЛипСп; для нагревателя: ГКнт(/?) = 1/(1+тнр); т(1 = /?н-Сн; для корпуса: 1ГК (р) = 1/(1 + р); тк = /?ксСк;

С"Э!>Э I - А(-Сг Лэр-) , =■' Ац-Я/ ЛэРэуСэл , =/?7 ,-^7

где р - комплексная переменная;

тд, тп, Тщ тк - постоянные времени;

Ас [К-Ф/Дж], Ак [Вт-Ом/К] - масштабные коэффициенты преобразования.

•1'П К1И1ЧИ> \Я11< >ДСЦГТГЛН

< .4

д УС н

ИЛ 'i 1, >Г '1ГМ

• /•! 1 Г.Л Ц I7V» Д UH^I П

-J Ч

Рисунок 7 - Структурно-функциональная схема

Тзад

¡V)

[Скор

»«с |"_

t Pi

икдк uKnK и

Сдат

С под

Rhk RHar

Рисунок 8 - Эквивалентная электрическая схема

Схемотехнический анализ эквивалентной электрической схемы замещения заключается в исследовании квазистационарного режима микротермостата. По результатам анализа квазистационарного режима вычисляется значение функции температуры подложки от изменения температуры среды 7П У(7гр), т.е. значение статической погрешности температуры термостатирования (рисунок 9):

АТст = I Тп max Тп min I -

Возможен также качественный анализ устойчивости САР микротермостата в частотной и временной областях на воздействие импульсной функции.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы построения оригинального программного комплекса «Термос» предназначенного для автоматизированного сквозного проектирования термостабильных

РТУ. Программный комплекс позволяет значительно снизить трудоемкость и материальные затраты проектирования.

\„

Рисунок 9 - Зависимость погрешности термостатирования от температуры внешней среды

В работе показано, что при создании сложной САПР целесообразно включать в ее состав, наряду с оригинальными программными блоками, также и заимствованные, широко распространенные программные продукты. Предложена структурная схема программного комплекса с выделением оригинальных и заимствованных блоков (рисунок 10).

УПРАВЛЯЮЩАЯ ОБОЛОЧКА

Блок с\смогс\- I

ничсского / моделирования

."зшроввтйу

Б.юк роилтаиии вычислительного эксперимента

^ЬуУ'нагъ'-ЬШъфШЫГй

Статистическая обработка экспериментальных данных

а - заимствованным олок

□

оригинальным олок

Рисунок 10 - Структурная схема программного комплекса

Программный комплекс «Термос» апробирован как для синтеза улучшенных (с точки зрения температурной стабильности) конструктивных вариантов уже существующих РТУ, так и для сквозного проектирования принципиально новых термостабильных устройств.

В пятом разделе рассмотрен пример синтеза РТУ с высокой температурной стабильностью - прецизионного источника опорного напряжения (ПИОН) «Пион - 5» (рисунок 11).

VT4 3

VI 1-Vl.nrjrB

Рисунок 11 - Схема электрическая принципиальная прецизионного источника опорного напряжения «Пнон-5»

Прецизионный источник опорного напряжения обладает следующими параметрами:

-напряжение питания (Упит~ 12-И5 В;

- напряжение стабилизации (Устав " Ю В;

- номинальный ток нагрузкн /ц = 100 мА;

- ток срабатывания схемы защиты от перегрузки /ЗАщ = 230 мА. Схемотехническое моделирование позволило оценить некоторые

количественные характеристики ПИОН:

- температурная нестабильность выходного напряжения в интервале температур 300 ± 20 К: К, = -28-10'6;

- коэффициент нестабильности по напряжению: Кц = 2-10"6;

- коэффициент нестабильности по току: К, = 5.5-10"6; Установлено, что на температурную стабильность ПИОН оказывают влияние следующие ЭРЭ: R6, R7, VD1, VT6. DA1. В результате проведения вычислительного эксперимента было получено уравнение температурной погрешности ПИОН при интервате варьирования в AT

20 К: &U

= 002149

ЛГ„„

--0.02149-

-000239-

. ДГ„

- 0.00293 - 0 00015 ■^

Предложено конструктивное исполнение ПИОН в виде ГИС на подложке размером 18x16x1 мм. Материал подложки - керамика марки ВК-94 (с = 900 Дж/(кг-К), р = 3860 кг/м\ X = 20 Вт/(м-К)).

В ходе проведения топологического проектирования разработаны исходный конструктивный вариант ПИОН и вариант ПИОН с повы-

шенной температурной стабильностью, достигнутой с помощью топологической термокомпенсации (рисунок 12). В ходе топологического проектирования исходного конструктивного варианта ПИОН намеренно не учитывались требования по улучшению температурной стабильности выходного параметра РТУ.

размещение ЭРЭ распределение температурного ноля

а) Суммарная температурная погрешность А1/вых г/ивш =-20.3-10 ''.

размещение ЭРЭ распределение температурного поля

б) Суммарная температурная погрешность Д£/вых 7 Д/вых = -8.7-10".

Рисунок 12 - Исходный конструктивный вариант (а) и вариант с применением топологической термокомненсацин (б)

Установлено, что применение топологической термокомпенсации, в частности, формирование локальных групп ЭРЭ, способствовало уменьшению суммарной температурной погрешности примерно в 2 раза по сравнению с исходным вариантом.

Предложен также конструктивный вариант ПИОН с использованием метода микротермостатирования, содержащий контур регулирования температуры, в который входят датчик температуры, термоста-тируемая подложка нагреватель. Нагреватель выполтен в виде толсто-

пленочного резистора на основе оксида рутения, нанесенного с обратной стороны подложки. Принято решение о размещение на термоста-тируемой подложке только ЭРЭ со значащими коэффициентами уравнения температурной погрешности: R6, R7, VD1, VT6, DA1.

Моделирование контура терморегулирования (рисунок 13, а) произведено методом электротепловой аналогии. Значения тепловых сопротивлений и теплоемкостей определены расчетным путем. Исходную эквивалентную схему микротермостата удалось значительно упростить, сведя ее к системе второго порядка (рисунок 13, б).

/ п 3

*

1

J

(у)

R1

«о

- '

крноудюоа

Т©цгтсеая1с8ял.

)VT1 *КТ503Д

П tj 100

1____

а)

б)

Рисунок 13 - Схема регулирования температуры мнкротермостата (а) и эквивалентная схема замещении (б)

По результатам моделирования (рисунок 14) сделан вывод, что при выбранных параметрах элементов микротермостат обладает запасом устойчивости.

/;№ °с а 60

40

20

0

А

--ЧУ

I •

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 лс

Рисунок 14 - Временная зависимость пускового режима

При номинальной температуре статирования Гст = 333 К (60°С) и изменении температуры окружающей среды на 10 К погрешность температуры статирования подложки составляет 0.45 К. Выявлено, что ЭРЭ, расположенные на термостатиру^мой подложке обладают пре-

небрежимо малыми собственными тепловыделениями, что позволило сделать допущение об однородности температурного поля подложки. Полученная температурная погрешность конструктивного варианта ПИОН с применением термостатирования равна: А£/В11Х1/£/вых=-0.94-104. Применение микротермостатирования способствовало уменьшению суммарной температурной погрешности ПИОН примерно в 22 раза по сравнению с исходным конструктивным вариантом (рисунок 12, а) без использования методов термостабилизации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана алгоритмическая модель схемотехнического анализа, основанная на реализации вычислительного эксперимента по нахождению уравнения температурной погрешности с использованием известной программы РБрюе. Достоверность алгоритмической модели подтверждена в ходе анализа температурной стабильности типовых РТУ. Доказана возможность применения алгоритмической модели схемотехнического анализа для системного проектирования термоста-бнльных РТУ, для обоснованною выбора метода термостабилизации.

2. Разработана методология топологического проектирования, включающая в себя размещение ЭРЭ с учетом требований по термокомпенсации их параметров и численный расчет температурного поля платы (подложки). Достоверность алгоритмической модели топологического проектирования подтверждена в ходе сопоставления результатов физического и вычислительного экспериментов. Доказана эффективность совместного применения схемотехнического п топологического аспектов термокомпенсашш для существенного уменьшения суммарной температурной погрешности выходных параметров РТУ.

3. Подтверждена возможность электротеплового моделироьания как начального этапа проектирования САР микротермостатов на основе сосредоточенных параметров с применением математического аппарата известных программ схемотехнического моделирования.

4. Разработан программный комплекс «Термос» для автоматизированного проектирования термостабильных РТУ, значительно сокращающий материальные и временные ресурсы в подготовке проектной документации. Проведена апробация программного комплекса для сквозного проектирования РТУ на примере синтеза конструктивных вариантов ПИОН.

5. Синтезированы термостабильные конструктивные варианты прецизионного источника опорного напряжения. Применение в конст-

руктивных вариантах ПИОН методов термокомпенсации и термостати-рования способствовало уменьшению суммарной температурной погрешности выходного напряжения примерно в 2 и в 22 раза,'соответственно, по сравнению с исходным конструктивным вариантом.

6. Внедрена методика конструирования типовых функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры с повышенными требованиями к температурной стабильности выходных параметров. Результаты работы используются в учебном процессе кафедр КИПР и РТС Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Основное содержание диссертационной работы нашло отражение в следующих печатных работах:

1. Озеркин Д.В., Борзых Е.В. Методика и пакет прикладных программ для проведения факторного эксперимента // Томский межотраслевой территориальный центр научно-технический информации и пропаганды, 1995. Информационный листок №29-95 УДК 681.3.06.

2. Озеркин Д.В. Система управления базами данных для подготовки и выпуска технологической документации // Тезисы докладов всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение». Таганрог, 1995.

3. Озеркин Д.В. Планирование полного факторного эксперимента при поиске оптимальных условий II Тезисы докладов областной научно-практической конференции молодежи и студентов по техническим наукам и высоким технологиям. - Томск: Изд-во ТПУ, 1995. - с. 24-25.

4. Озеркин Д.В. Стабилизация параметров радиотехнических устройств на основе схемотехнического моделирования // Тезисы докладов 2-ой областной научно-практической конференции молодежи и студентов «Современные техника и технологии». - Томск: Изд-во ТПУ, 1996.-е. 55.

5. Озеркин Д.В. Обеспечение технологической стабильности параметров радиоэлектронной аппаратуры с помощью средств ЭВМ // Тезисы докладов 2-ой областной научно-практической конференции молодежи и студентов «Современные техника и технологии». - Томск: Изд-во ТПУ, 1996.-е. 85.

6. Озеркин Д.В. Комплекс программ для исследования темпера-гурной стабильности электронных схем // Материалы XXXIV международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». - Новосибирск: Изд-во НГУ, 1996. - с. 49.

7. Алексеев В.П., Озеркин Д.В. Анализ температурной стабильности типовых радиотехнических устройств .".а основе машинного моде-

лирования: Депонированная статья № 1446 - В96. ВИНИТИ, 1996. - 24 с.

8. Алексеев В.П., Рудзинский В.П., Ушаков В.М., Озеркин Д.В. Автоматизированная технология проектирования термостабильных устройств спутниковой связи // Труды 2-ой международной конференции и выставки по спутниковой связи. Москва, 1996.

9. Гауе П.О., Михеев E.H., Озеркин Д.В., Семенова Т.И. Экспериментальное исследование стабильности толстопленочных резисторов: Депонированная статья №564 - В97. ВИНИТИ, 1997. - 29 с.

10. Гауе П.О., Михеев E.H., Озеркин Д.В., Семенова Т.И. Применение полного факторного эксперимента для оптимизации технологических режимов нанесения пленочных слоев. - Учебное пособие по проведению лабораторного практикума по курсу «Конструирование и технология гибридных микросхем». Томск: ТАСУР, 1997.

11. Озеркин Д.В. Достоверность виртуального эксперимента при проектировании термостабильных приборов // Тезисы докладов 3-ой областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск: Изд-воТПУ, 1997.-с. 71-72.

12. Гауе П.О., Михеев E.H., Озеркин Д.В., Семенова Т.И. Оптимизация технологических режимов изготовления пассивной части гибридных интегральных микросхем: Депонированная статья №1863 -В97. ВИНИТИ, 1997.-24 с.

13. Головков И.Н., Озеркин Д.В. Система автоматизированного проектирования технологических процессов // Научная сессия МИФИ-98. Сборник научных трудов. Ч. U.M.: МИФИ, 1998. - с. 71-72.

14. Алексеев В.П., Озеркин Д.В. Синтез термостабильных радиотехнических устройств: Депонированная статья №801 - В99. ВИНИТИ, 1999.-30 с.

15. Озеркин Д.В. Автоматизация проектирования термостабильных радиотехнических устройств: Депонированная статья №802 - В99. ВИНИТИ, 1999,- 18 с.

16. Озеркин Д.В. Программный комплекс для системного проектирования термостабильных радиотехнических устройств // Научная сессии МИФИ-99. Сборник научных трудов. Т. 11. М.: МИФИ, 1999. -с. 51-54.

17. Алексеев В.П., Козлов В.Г., Озеркин Д.В. Микротермостат с позисторным нагревателем. - Положительное решение по заявке на

. патент Российской Федерации №99109421 / 09 (009711) от 21.04.99 г.

Введение

1. Основные направления проектирования термостабильных РТУ

1.1. РТУ с позиции температурной стабильности

1.2. Распространенные методы термостабилизации

1.2.1. Прецизионная элементная база

1.2.2. Термокомпенсация

1.2.3. Микротермостатирование

1.3. Комплексное обеспечение температурной стабильности

Выводы

2. Анализ температурной стабильности РТУ на основе вычислительного эксперимента

2.1. Алгоритмическая модель схемотехнического проектирования

2.2. Анализ температурной стабильности типовых РТУ. Обзор известных программ схемотехнического моделирования

2.2.1. Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения

2.2.2. Операционный усилитель

2.2.3. КС-генератор с двойным Т-образным мостом

2.3. Адекватность математических моделей ЭРЭ в задачах анализа температурной стабильности РТУ

Выводы

3. Задачи синтеза термостабильных РТУ с применением термокомпенсации и термостатирования

3.1. Особенности пространственного расположения ЭРЭ с позиции температурной стабильности

3.1.1. Локальная группа ЭРЭ и ее свойства

3.1.2. Алгоритмическая модель топологического проектирования. Начальное размещение ЭРЭ

3.1.3. Особенности комплектации локальных групп ЭРЭ

3.2. Расчет температурного поля плоской конструкции . 77 3.2.1. Алгоритмическая модель топологического проектирования. Численный метод расчета температурного

3.2.1.1. Пространственно-временная сетка

3.2.1.2. Разностная схема

3.2.1.3. Решение системы разностных уравнений

§»

3.2.2. Коэффициент теплоотдачи как функция темпера-^

3.2.3. Погрешность расчета температурного поля плоской конструкции

3.2.3.1. Погрешность математической реализации

3.2.3.2. Погрешность физико-математической модели

3.3. Синтез термостабильных РТУ с применением микротермостатирования

3.3.1. Структурно-функциональная схема

3.3.2. Эквивалентная электрическая схема замещения.

3.3.3. Схемотехническое проектирование

Выводы

4. Автоматизация сквозного проектирования термостабильных

4.1. Общие вопросы построения САПР термостабильных РТУ.

4.2. Блок схемотехнического моделирования

4.2.1. Алгоритмическая модель

4.2.2. Структурный состав

4.3. Блок реализации вычислительного эксперимента

4.3.1. Алгоритмическая модель

4.3.2. Структурный состав

4.4. Блок топологического проектирования

4.4.1. Алгоритмическая модель

4.4.2. Структурный состав

Выводы

5. Пример синтеза РТУ с высокой температурной стабильностью

5.1. Обоснование выбора РТУ

5.2. Предварительный анализ схемотехнического решения

5.3. Вычислительный эксперимент по нахождению уравнения температурной погрешности

5.4. Синтез конструктивных вариантов

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 оптимальности их синтеза. Положение усугубляет тот факт, что после 1990 года в отечественной центральной печати не опубликовано ни одной значимой монографии по проектированию термостабильных РТУ. Сведения о зарубежных работах по тепловому проектированию, как правило, носят отрывочный характер и поступают с большим опозданием.

В ряде работ отечественных и зарубежных исследователей (А.И.Кривоносов, 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.Hamilton, I.D.Lieux) рассматривались вопросы обеспечения температурной стабильности РТУ на основе различных методов термостабилизации. 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 электротеплового 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 госбюджетных и 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 тепла. Даже незначительные отклонения отдельных параметров от номинального значения могут привести к нарушению теплового режима РТУ и выходу его из строя. Для повышения надежности нередко вводятся жесткие ограничения на тепловой режим РТУ, в частности, на максимальную температуру кристаллов микросхем до 7 0°С и на допустимый градиент температур между кристаллами микросхем в пределах устройства до 20°С [1].

Технологический прорыв последних лет в создании прецизионной элементной базы, новых конструктивных материалов, активное внедрение автоматизированных средств проектирования заставляют по-новому взглянуть на проблему обеспечения заданной температурной стабильности РТУ. Обоснованное и рациональное использование распространенных методов термостабилизации позволяет синтезировать оптимальные варианты термостабильных РТУ, избегая при этом как схемотехнической, так и конструктивной избыточности.

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:

1. Анализ существующих методов термостабилизации, их классификация с учетом современного состояния и тенденций развития.

2. Разработка алгоритмической модели схемотехнического анализа термостабильных РТУ.

3. 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.

4. Синтез некоторых математических моделей ЭРЭ, наиболее адекватно отражающих реальные температурные зависимости параметров .

5. Разработка алгоритмической модели топологического проектирования термостабильных РТУ.

6. Разработка методики автоматизированного проектирования систем автоматического регулирования (САР) микротермостатов с использованием электротеплового моделирования.

7. 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:

1. 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.

2. 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.

3. Впервые сформулированы критерии и требования для обеспечения топологической термокомпенсации термочувствительных ЭРЭ.

4. Впервые предложено использовать математический аппарат известных программ схемотехнического моделирования для проектирования 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:

1. 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 .

2. Разработан программный комплекс «Термос» для сквозного автоматизированного проектирования термостабильных РТУ. Программный комплекс нашел применение в научно-исследовательских и инженерно-технических работах кафедры КИПР, а также используется в учебном процессе.

3. 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.

1. 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.

2. Эффективность термокомпенсации как метода термостабилизации в относительно узком диапазоне температур окружающей среды обеспечивается при совместном учете схемотехнического и топологического аспектов температурной компенсации параметров 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 конференций, 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.

ВЫВОДЫ

1. Осуществлен схемный и конструктивный синтез вариантов ПИОН как без применения специальных методов термостабилизации (исходный вариант), так и с применением топологической термокомпенсации и микротермостатирования. Суммарная температурная погрешность напряжения стабилизации ПИОН в случае применения топологической термокомпенсации уменьшилась примерно в 2 раза, в случае применения микротермостатирования - уменьшилась примерно в 22 раза по сравнению с исходным конструктивным вариантом. В ходе топологического проектирования исходного конструктивного варианта ПИОН намеренно не учитывались требования по улучшению температурной стабильности выходного параметра РТУ;

2. Экспериментально доказано, что применение разработанных нами элементов теории проектирования термостабильных РТУ в виде конкретных алгоритмов автоматизированного анализа и синтеза схемотехнических и конструктивно-технологических решений позволяет обеспечить требуемую температурную стабильность основных параметров РТУ с минимальными ресурсными затратами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана алгоритмическая модель схемотехнического анализа, основанная на реализации вычислительного эксперимента по нахождению уравнения температурной погрешности с использованием известной программы PSpi.ce. Достоверность алгоритмической модели подтверждена в ходе анализа температурной стабильности типовых РТУ. Выявлено, что определяющую роль в температурной стабильности типовых РТУ играет относительная стабильность рабочих температур лишь некоторых термочувствительных ЭРЭ. Синтезированы адекватные математические модели стабилитрона, биполярного и полевого транзисторов, операционного усилителя, применительно к задачам температурной стабильности. Доказана возможность применения алгоритмической модели схемотехнического анализа для системного проектирования термостабильных РТУ, для обоснованного выбора метода термостабилизации.

2. Разработана методология топологического проектирования, включающая в себя размещение ЭРЭ с учетом требований по термокомпенсации их параметров и численный расчет температурного поля платы (подложки). Достоверность алгоритмической модели топологического проектирования подтверждена в ходе сопоставления результатов физического и вычислительного экспериментов. Предложены оригинальные алгоритмы комплектования локальных групп ЭРЭ в условиях неравномерного температурного поля на платах (подложках) с малым коэффициентом теплопроводности. Доказана эффективность совместного применения схемотехнического и топологического аспектов термокомпенсации для существенного уменьшения суммарной температурной погрешности выходных параметров РТУ. Проведена апробация алгоритмической модели топологического проектирования при синтезе нового конструктивного варианта ГИС стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью напряжения стабилизации.

3. Подтверждена возможность электротеплового моделирования как начального этапа проектирования САР микротермостатов на ос

143 нове сосредоточенных параметров с применением математического аппарата известных программ схемотехнического моделирования.

4. Разработан программный комплекс «Термос» для автоматизированного проектирования термостабильных РТУ, значительно сокращающий материальные и временные ресурсы в подготовке проектной документации. Проведена апробация программного комплекса для сквозного проектирования РТУ на примере синтеза конструктивных вариантов ПИОН.

5. Синтезированы термостабильные конструктивные варианты прецизионного источника опорного напряжения. Применение в конструктивных вариантах ПИОН методов термокомпенсации и термостати-рования способствовало уменьшению суммарной температурной погрешности выходного напряжения соответственно в 2 и в 22 раза по сравнению с исходным конструктивным вариантом. В ходе топологического проектирования исходного конструктивного варианта ПИОН намеренно не учитывались требования по улучшению температурной стабильности выходного параметра РТУ.

6. Внедрена методика конструирования типовых функциональных узлов радиоэлектронной аппаратуры с повышенными требованиями к температурной стабильности выходных параметров. Результаты работы используются в учебном процессе кафедр КИПР и РТС Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (Приложение 4) .

1. Определеннов И.Н., Городин Е.М., Курчев И.А. Устройства охлаждения современных быстродействующих ЭВМ// Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.-1979-Вып.1.- С.15-21.

2. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Б.Ф. Высоцкого. М.: Сов. радио, 1978.- 352 с.

3. Информационная WEB-страница ЗАО «Промэлектроника». http://www.promelec.ru/info/oscil.html.

4. Информационная WEB-страница http://www.osp.sovtest.ru/ koi8-r/catl/ml050.html.

5. Информационная WEB-страница фирмы Dwyer Instruments Inc. http://www.para-net.com/~love/controls/8 9.html.

6. Шишонок H.A., Репкин В.Ф., Барвинский Jl.Jl. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники. Под ред. Н.А. Шишонка. М.: Сов. радио, 1964. 552 с.

7. Maxim Applications And Product Highlights 1995. Maxim Integrated Products, 1994. 343 p.

8. Analog Devices Designer's Reference Manual 1996. Analog Devices, Inc., 1996. 567 p.

9. Burr-Brown Integrated Circuits Data Book 1996/1997. Linear Products. Burr-Brown Corporation, 1996. 653 p.

10. Кривоносов А.И. Температурная компенсация электронных схем. М.: Связь, 1977. 136 е., ил.

11. Капустин С.И. Аналог двуханодного стабилитрона с малым значением температурного коэффициента напряжения стабилизации// Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы.-1990.-Вып.1(204).- С.97-98.

12. Белоус А.И., Горовой В.В., Мельничук В.В., Силин А. В. Температурная стабилизация БИС с инжекционным питани-ем//Электронная техника. Сер. Микроэлектроника.-1982.-Вып.2(98).- С.29-32.

13. Ткачев Б.В., Фундовный В.А., Марченко А.Н. Методы температурной компенсации элементов Холла магнитоуправляемых интегральных микросхем// Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы.-1986.-Вып.3(182).- С.14-17.

14. Викулин И.M., Майстренко И.Е., Прохоров В.А. Термостабильные генераторы тока на полевых транзисторах//Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.-1991-Вып.1.- С.34-39.

15. Серьезнов А.Н., Степанова JI.H. Способы построения высокостабильных управляемых аналогов индуктивности на основе устройств с отрицательным дифференциальным сопротивлением// Электронная техника. Сер. Микроэлектроника.-1990.-Вып.4(138). С. 1821.

16. Драпкин О.М., Шмат В.К. Электротепловое взаимодействие между элементами интегральных схем// Электронная техника. Сер. Полупроводниковые приборы.-1982.-Вып.4(155).- С.56-63.

17. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов. М.: Сов. радио, 1971. 152 е., ил.

18. Ингбегман М.И., Фромберг Э.М., Грабой Л.П. Термостатиро-вание в технике связи. М.: Связь, 1979. 144 е., ил.

19. Ярышев H.A., Андреева JI.B. Тепловой режим термостатов. -J1.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. 176 е., ил.

20. Алексеев В. П. Стабилизация параметров радиотехнических устройств и систем на основе микротермостатирования / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 1985. - 214 с.

21. Зайков В.П., Дейнега В.Т., Панов В.Г. Особенности построения термостабилизированных элементов со встроенными термоэлектрическими устройствами//Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.-1992-Вып.1.- С.83-89.

22. Рекламная информация СКТБ «Элемент» (г. Одесса) // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.-1992-Вып.1.- С.96.

23. Информационная WEB-страница завода «Морион», http ://www.morion.com.ru/rus/rk325.html.

24. Гусев В.П. и др. Расчет электрических допусков радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1963. - 368 е., ил.

25. Фомин A.B., Борисов В.Ф., Чермошенский В.В. Допуски в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов. радио, 1973. 128 с, ил.

26. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Наука, 1976.- 280 с.

27. Глудкин О.П., Черняев В.Н. Анализ и контроль технологических процессов производства РЭА. М. : Радио и связь, 1983. -2 96 с., ил.

28. Сыпчук П.П., Талалай A.M. Методы статистического анализа при управлении качеством изготовления элементов РЭА. М.: Сов. радио, 1979. - 168 е., ил.

29. Перечень программных средств автоматизации моделирования, расчета и анализа тепловых режимов РЭА//Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО.-1991-Вып.4.- С.87-89.

30. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). М.: CK Пресс, 1996. - 272 е., ил.

31. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.: «Солон», 1997. - 280 е., ил.

32. Разевиг В.Д. Электронная лаборатория // PC Week/RE, 1997, №15.- С.62-63.

33. Унифицированный ряд прецизионных источников опорного напряжения: Отчет по НИР 8/81 (заключительный)/Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (ТИАСУР); Руководитель Алексеев В.П. № ГР 81024239. Томск, 1983.

34. Конструирование, разработка технологии и изготовление опытных образцов изделия «Маркер»: Отчет по НИР 14/94 (заключительный) /Томская академия систем управления и радиоэлектроники (ТАСУР); Руководитель Алексеев В.П. Томск, 1995.

35. Nagel L.W., Pederson D.O. SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Berkeley, Calif.: University of California, Electronics Research Laboratory. Memorandum ERL-M382, Apr. 12, 1973.

36. Чуа И.О., Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. М. : Энергия, 1980. - 640 с., ил.

37. Удалов H.H., Разевиг В.Д. Моделирование радиоэлектронных схем на СМ ЭВМ. М.: Моск. энерг. ин-т, 1986.- 96 с.

38. Разевиг В. Д. Моделирование аналоговых электронных устройств на персональных ЭВМ. М.: Изд-во МЭИ, 1993. - 152 с.

39. Разевиг В.Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. М. : Радио и связь, 1992.

40. CD-ROM «Современная схемотехника», 1997. Volume label: RASVODK2. Serial Number: DB6E-0F11.

41. Алексеев В.П., Озеркин Д. В. Синтез термостабильных радиотехнических устройств: Депонированная статья №801 В99. ВИНИТИ, 1999. - 30 с.

42. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968. 360 е., ил.

43. Карапетян A.M. Автоматизация оптимального конструирования электронных вычислительных машин. М. : Сов. радио, 1973. 152 е., ил.

44. Деньдобренько Б.Н., Малика A.C. Автоматизация конструирования РЭА: Учебник для вузов. М. , Высш. школа, 1980. - 384 с., ил.

45. Штейн М.Е., Штейн Б.Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры. М.: Сов. радио, 1973. 296 е., ил.

46. Морозов К.К., Одиноков В.Г. Использование ЭЦВМ при конструировании некоторых узлов радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. радио, 1972. 104 е., ил.

47. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. М.: Сов. радио, 1977. 384 с.

48. Базилевич Р. П. Декомпозиционные и топологические методы автоматизированного конструирования электронных устройств. Львов: Вища школа. Изд-во при Львов, ун-те, 1981. 168 е., ил.

49. Дульнев Г.Н. и др. Методы расчета теплового режима приборов/Г. Н.Дульнев, В.Г.Парфенов, А.В.Сигалов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 е.: ил.

50. Берковский Б.М., Ноготов Е.Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена. Минск, Наука и техника, 1976, 144 с.

51. Самарский А.А. Теория разностных схем. М. : Наука, 1983. - 438 с.

52. Дульнев Г.Н. и др. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. спец. вузов/Г.Н.Дульнев, В.Г.Парфенов, А.В.Сигалов. М.: Высш. шк., 1990. 207 с.: ил.

53. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи: Пер с англ. М.: Мир, 1983. 512 е., ил.

54. Физические величины: Справочник/А.П.Бабичев, Н.А.Бабушкина, А.М.Братковский и др.; Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 е., ил.

55. Коздоба JI.A. Решения нелинейных задач теплопроводности,, Киев, Наукова думка, 1976. 136 е., ил.

56. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. JI., Энергия, 1976. 352 е., ил.

57. Вольтметр универсальный цифровой В7-27 (В7-27А, В7-27А/1). Техническое описание и инструкция по эксплуатация. 1982.

58. Методика контактных и бесконтактных измерений температур. ОСТ 4Г0.282.000.

59. Алексеев В.П., Вибе П.Ф. К вопросу об оптимизации конструкции микротермостата для гибридных пленочных схем//Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение.- 1980, № 3.- С.13-15.

60. Алексеев В.П. К вопросу о выборе конструктивных параметров микротермостата, содержащего термостабильную подложку. Сб. «Магнитно-вентильные преобразователи параметров электрической энергии». Изд-во Томского университета, Томск, 1977.- С.23-27.

61. Жилина Л.И., Алексеев В.П. К вопросу о разработке унифицированного ряда гибридно-пленочных микротермостатов. Тезисы доклада I Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов приборостроительной промышленности. Москва, 1980.- С.56-59.

62. Дульнев Г.Н., Егоров В.Н., Парфенов В.Г. Расчет тепловых режимов систем термостатирования численным методом//Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение.- 1985.- Т.28, №7.- С.88-92.

63. Дульнев Г.H., Коренев П.А. Синтез термостатирующих устройств. II. Математические модели//Инж.-физ. журнал.- 1986.-Т.51, №4.- С.660-667.

64. Дульнев Г.Н., Коренев П.А., Спокойный М.Ю. Автоматизированный выбор функциональной схемы термостата//Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение.- 1984.- Т.27, №10.- С.90-95.

65. Дульнев Г.Н., Коренев П.А., Шарков А.В. Синтез термостатирующих устройств. I. Базовая модель термостата//Инж.-физ. журнал.- 1986.- Т.51, №3.— С.504-508.

66. MicroSim PSpice A/D. Circuit Analysis Reference Manual. Ver. 8.0. MicroSim Corporation. California, 1997. 365 p.

67. MicroSim PSpice A/D & Basics+. Circuit Analysis Software User's Guide. Ver. 8.0. MicroSim Corporation. California, 1997. 567 p.

68. Banzhaf W. Computer aided circuit analysis using SPICE. Prentice Hall, 1989.- 375 p.

69. Hines J.R. Curcuit simulation with SPICE. Prentice Hall, 1988.- 548 p.

70. McCalla W.J. Fundamentals of computer-aided circuit simulation. Kluwer Academic, 1988.- 437 p.

71. Дульнев Г.H., Коренев П.А., Сигалов А.В., Солухин А.Н. Синтез термостатирующих устройств. III. Минимизация погрешности термостатирования//Инж.-физ. журнал.- 1986.- Т.51, №5.- С.774-780.

72. Алексеев В.П., Козлов В.Г., Озеркин Д. В. Микротермостат с позисторным нагревателем. Положительное решение по заявке на патент Российской Федерации №99109421 / 09 (009711) от 21.04.99 г.

73. Озеркин Д.В. Автоматизация проектирования термостабильных радиотехнических устройств: Депонированная статья №8 02 В99. ВИНИТИ, 1999. 18 с.

74. Озеркин Д. В. Программный комплекс для системного проектирования термостабильных радиотехнических устройств // Научная сессии МИФИ-99. Сборник научных трудов. Т. 11. М. : МИФИ, 1999. -с. 51-54.

75. Разевиг В.Д. Проектирование многослойных печатных плат с помощью системы P-CAD. М.: , 1992. - 376 е., ил.150

76. Сучков Д.И. Проектирование печатных плат в САПР PCAD 4.5. Обнинск: «Микрос», 1992. - 476 е., ил.

77. Алексеев В.П., Озеркин Д. В. Анализ температурной стабильности типовых радиотехнических устройств на основе машинного моделирования. Депонирована в ВИНИТИ 5.5.96 №1446-В96 24 с.

78. Алексеев В.П., Рудзинский В.П., Ушаков В.М., Озеркин Д. В. Автоматизированная технология проектирования термостабильных устройств спутниковой связи // Труды 2-ой международной конференции и выставки по спутниковой связи. Москва, 1996.- С. 3538.

79. Источники вторичного электропитания/С.С.Букреев, В.А.Головацкий, Г.Н. Гулякович и др.; Под ред. Ю.И.Конева.-М.:Радио и связь, 1983.-280 е., ил.