автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение динамического диапазона устройств усиления и преобразования радиосигналов, содержащих многоэлектродные активные элементы

На правах рукописи

К»

Туев Василий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА УСТРОЙСТВ УСИЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

РАДИОСИГНАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Специальность 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ООЗ

Томск 2007

003159649

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

научный консультант

официальные оппоненты

ведущая организация

доктор технических наук профессор Мелихов Сергей Всеволодович, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

доктор физико-математических наук профессор

Владимиров Сергей Николаевич, Томский государственный университет,

доктор технических наук профессор Майстренко Василий Андреевич, Омский государственный технический университет,

доктор технических наук профессор Ройтман Марсель Самуилович, Томский политехнический университет

ФГУП НИЧ «МАТИ» - РГТУ им К Э Циолковского, г Москва

Защита состоится 06 ноября 2007 г в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу 634050, г Томск, пр. Ленина, 40

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (634034, г Томск, ул. Вершинина, 74)

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу 634050, г Томск, пр Ленина, 40, ученому секретарю диссертационного совета Д 212 268 01

Автореферат разослан"_

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор

2007 г

Татаринов В Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Качественные показатели радиотехнических систем различного назначения - радиосвязи, телевидения, радиолокации, радионавигации и радиоуправления - в значительной степени определяются параметрами входящих в них устройств Реализация все более возрастающих требований к системам по быстродействию, пропускной способности, электромагнитной совместимости, повышению чувствительности и помехоустойчивости приемных каналов, улучшению спектральной чистоты и ослаблению уровня побочных комбинационных компонентов передающих трактов требует повышения линейности и увеличения динамического диапазона составляющих их блоков- усилителей радиосигналов с фиксированным и регулируемым коэффициентами передачи, электрически управляемых аттенюаторов, синхронных детекторов.

Особенно остро проблема повышения линейности стоит перед разработчиками радиотехнических устройств, используемых в метрологии, поскольку увеличение динамического диапазона составляющих блоков позволяет улучшить метрологические характеристики и помехоустойчивость проектируемых измерительных систем

Приоритетное развитие и совершенствование активной элементной базы радиотехнических устройств в настоящее время происходит в полупроводниковых приборах, работающих на принципе полевого управления движением носителей, — полевых транзисторах (ПТ) Разработаны новые активные элементы, такие как полевые транзисторы с двумя затворами (полевые тетроды) и транзисторы с выводом подложки, в которых управление током выходного электрода осуществляется тремя (а не двумя, как в триодах) управляющими электродами (УЭ) Необходима разработка научных и технических основ моделирования и проектирования радиотехнических устройств, содержащих такие многоэлектродные активные элементы (МАЭ) Перспективна также разработка новых радиотехнических устройств на полевых тетродах с улучшенной помехоустойчивостью для использования в системах связи, в установках экспериментальной ядерной физики, в метрологии и т д

Таким образом, проблема разработки научных и технических основ проектирования, создания методик расчета новых радиотехнических усгройств, содержащих МАЭ и предназначенных для усиления, управления амплитудой и синхронного детектирования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами, и их использования в промышленности, связи и метрологии является актуальной

Нижняя граница динамического диапазона усилителей с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов и синхронных детекторов определяется шумовыми свойствами ПТ, которые достаточно хорошо изучены, освещены в научно-технической литературе и в настоящей работе не затрагиваются Исключение сделано для кабельных линий

связи, нижняя граница динамического диапазона которых определяется наведенными помехами В телевидении повышение помехоустойчивости таких систем достигается подключением линии связи к устройству с дифференциальным входом Однако условия максимального увеличения динамического диапазона телевизионной системы «кабельная линия -дифференциальное устройство» (КЛ — ДУ) в известной литературе не определены

Верхняя граница динамического диапазона радиотехнических устройств определяется уровнем нелинейных искажений (НИ) Для анализа НИ использован предложенный в работах Н Винера и развитый трудами Б М Богдановича, Б.А Волкова, ЮЛ Хогунцева, А Г Жаркого, В Д. Дмитриева, А И Сшнотина, В Р. Снурницина, Нарайанана (S. Naraynan), Буссганга (J Bussgang), Грейама (J Graham), Эрмана (L. Ehrman), Бедросяна (Е Bedrosian) и других исследователей метод функциональных рядов Вольтерра, который определяет явную связь отклика y(t) и входного воздействия х(/)

ОО Ю 00 П

Х0= £>„(<)> yn(t)= í .■OFM'-*«)'*1«.

Й=1 —00 —ОО /—1

где hn (Т], ,т„) - ядро Вольтерра w-ro порядка

Метод применяется для анализа радиотехнических устройств при

OD СО

выполнении условий J . J . ,ти) í/xj . dxn <а> и (Xj, ,т„) = 0 ,где

—ОО -ОО

Tj „<0 и hm А„(т!, ,ти) = 0 Этим условиям удовлетворяют классы

л-»00

устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенные для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов

Метод функциональных рядов Вольтерра позволяет рассчитывать широко используемые на практике нелинейные критерии, такие как сжатие, блокирование, собственная и перекрестная амплитудно-фазовая конверсия, интермодуляция, перекрестная модуляция, коэффициент гармоник Непосредственный расчет нелинейных критериев осуществляется через нелинейные передаточные функции (НПФ) - изображения ядер Фурье п-го

порядка Н„ (ю„ ,ш„) = | К (т„. +"а) dxt -dx„

—ОО —ОО

Наиболее распространенный метод расчета НПФ - метод нелинейных токов (МНТ) Одна из нерешенных проблем этого направления заключалась в том, что разработанный применительно к одновходовым нелинейным устройствам МНТ не позволял рассчитывать устройства, содержащие нелинейные МАЭ, такие как полевые тетроды и полевые транзисторы с выводом подложки, при одновременном воздействии сигналов на различные УЭ В МАЭ, помимо нелинейного характера преобразования воздействий с

каждого УЭ на выход, присутствует взаимодействие сигналов с разных УЭ, обусловленное зависимостью параметров передани МАЭ от уровня каждого из них Учет составляющих выходного тока МАЭ, обусловленных взаимодействием сигналов, поступающих с различных УЭ, позволяет применить МНТ для расчета НПФ радиотехнических устройств с МАЭ и развить научно-технические основы проектирования радиотехнических устройств

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка научно-технических основ проектирования, совершенствование методик моделирования и расчета, создание и внедрение устройств для усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами на основе многоэлектродных активных элементов

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1 Разработка методик и получение расчетных соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов с целью обобщения метода нелинейных токов на класс цепей, содержащих многоэлектродные активные элементы.

2 Определение возможности аппроксимации вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых триодов и тетродов различных типов универсальной экспоненциально-степенной функцией

3 Исследование новых принципов использования полевых тетродов в усилителях с регулируемым коэффициентом передачи

4 Исследование влияния входного синфазного сопротивления дифференциального устройства на динамический диапазон телевизионной системы «кабельная линия - дифференциальное устройство» с целью повышения ее помехоустойчивости и качества передачи информации

5 Исследование возможности применения синхронных детекторов в устройстве измерения импедансов двухполюсных электрических цепей для повышения точности измерений

6 Разработка новых принципов работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей

7 Совершенствование научно-технических основ построения, создание и внедрение в системы различного назначения устройств с повышенными динамическими диапазонами, содержащих многоэлектродные активные элементы

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В работе использованы методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, матричного исчисления, функциональных разложений Вольтерра, аналитических функций многих переменных, комбинаторной математики, численного моделирования, экспериментальных исследований

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется развитием методов анализа и моделирования радиотехнических устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы, и созданием на этой основе новых устройств для усиления и преобразования радиосигналов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны Научной новизной, в частности, обладают следующие основные результаты работы

1 Развитие метода нелинейных токов обобщением его на классы устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенных для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов, содержащих мкогоэлектродные активные элементы, которое достигнуто получением новых соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов

2 Метод моделирования вольт-амперных характеристик ПТ различных типов на основе экспоненциально-степенной аналитической функции, учитывающей основные особенности транзисторов. неидентичность элементарных структур, электростатическую обратную связь, полевую зависимость подвижности, влияние подложки и наличие второго затвора в полевых тетродах.

3 Новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном взаимозависимом изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи Доказано существование определенной функциональной взаимозависимости напряжений смещения первого и второго затворов, при которой достигаются минимальные нелинейные искажения

4 Повышение качества передачи информации и помехоустойчивости телевизионных систем «кабельная линия — дифференциальное устройство» путем увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального устройства

5 Доказательство возможности применения синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей методом амперметра-вольтметра для повышения точности измерений

6 Новые принципы работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, позволяющие расширить его функциональные возможности и увеличить диапазон измеряемых величин

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке, создании и внедрении устройств усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами в радиотехнические и измерительные системы, что позволило повысить качество передачи информации, помехоустойчивость и электромагнитную совместимость этих систем

Созданы новые методики проектирования радиотехнических устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы

— методика режимной минимизации нелинейных искажений усилителей с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов на полевых транзисторах и ее математическое обеспечение,

- методика определения параметров эквивалентных схем полевых транзисторов

Разработаны новые устройства для усиления и преобразования радиосигналов На семь новых устройств получены авторские свидетельства и патенты на изобретения [39-45], два технических решения защищены свидетельствами на полезную модель [46-47]

Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие разработки

1 Корректоры затухания в линии связи (Институт космофизических исследований и аэрономии Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР, 1983 г ).

2 Усилитель-ограничитель (п/я А-3565, 1981 г )

3 Устройства коррекции видеосигналов (Корякская государственная телевизионная и радиовещательная компания «Палана», 2001 г)

4 Устройства подавления фоновых помех телевизионных сигналов (ООО «Сигма Телеком», г Сосновоборск Красноярского края, 2005 г)

5 Кабельные корректоры 2КТВ-3 (Норильский радиотелевизионный передающий центр, г Норильск, 2000 г )

6 Устройства коррекции сигналов вещательного телевидения (ООО ИПК «TBC», г Глазов, Удмуртия, 2001 г )

7 Кабельные корректоры «Краб» (ООО «Телерадиокомпания «Глазов», г Глазов, Удмуртия, 2002 г)

8 Устройство коррекции видеосигналов вещательного телевидения с повышенным входным синфазным сопротивлением (ЗАО «Акционерная компания «Алроса», г. Мирный, республика Саха, Якутия, 2006 г)

9 Устройство коррекции качественных показателей ТВ соединительной линии «АПБ МУ ТРК Братск - АТРС 5/0 5 2ТВК» (Российская телевизионная и радиовещательная сеть, радиотелевизионный передающий центр г Братск, 2001 г.)

10 Корректор-инвертор (ЗАО «Телекомпания ТВ-2», г Томск, 2006 г )

11 Корректор частотно-зависимых потерь в кабельной линии связи (ООО «Студия «Алиса», г Томск, 2000 г )

12 Индикатор сопротивлений линий проводного вещания (Томский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г Томск, 1997 г )

13 Устройство для измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей (ООО «Вектор», г Томск, 2007 г )

14 Измерители сопротивлений линий ИСЛ-А1 (Владивостокский центр электросвязи Приморского филиала ОАО «Дальсвязь», г Владивосток, 2007 г)

15 Измерители сопротивлений линий ИСЛ-АФ (ТОО Test Instrument, г Алматы, республика Казахстан, 2005 г)

16 Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Челябинский городской узел электросвязи ОАО «Уралсвязьинформ», г Челябинск, 2002 - 2005 гг, Бурятский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г Улан-Уде, 2004 г)

17 Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Ростовский филиал ОАО «Южная телекоммуникационная компания», г Ростов-на-Дону, 2002 - 2005 гг)

18 Измерителй сопротивлений линий ИСЛ (Витебский филиал республиканского унитарного предприятия связи Белтетеком, г Витебск, республика Беларусь, 2005 г )

19 Измерители сопротивлений линий (ООО «Белприборкомплект», г Витебск, республика Беларусь, 2007 г)

Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.

Результаты внедрения диссертационной работы имеют межгосударственный уровень Разработанный на основе проведенных исследований и серийно выпускаемый «Измеритель сопротивлений линий» сертифицирован и допущен для применения в качестве средства измерения Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии России и комитетом по стандартизации, метрологии и сертификации республики Беларусь [48,49]

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники при дипломном проектировании, учебно- и научно-исследовательской работе студентов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по базовым дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Теория управления и радиоавтоматика» для студентов специальностей 210302 «Радиотехника», 210304 «Радиоэлектронные системы», 090103 «Организация и технология защиты информации» и 090104 «Комплексная защита объектов информатизации»

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1 Применение многомерных рядов Тейлора для описания зависимых источников тока в эквивалентных схемах многоэлектродных активных элементов позволяет разработать расчетные соотношения для определения токов и-го порядка (и =1,2, ) Полученные расчетные соотношения расширяют возможности метода нелинейных токов и обобщают его на классы устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы усилители радиосигналов с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемые аттенюаторы и синхронные детекторы

Защищаются расчетные соотношения для определения прямой и косвенной составляющих токов нелинейных элементов с произвольным количеством управляющих электродов.

2 Семейства вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с различной структурой затворов могут быть аппроксимированы универсальной экспоненциально-степенной функцией Полученная функция позволяет разработать формализованные нелинейные модели полевых триодов и тетродов с различной структурой затворов

Защищается аналитическая функция, описывающая совокупности вольт-амперных характеристик полевых транзисторов В полученной функции учтены особенности, свойственные ПТ с различной структурой затвора, неидентичность элементарных структур, укорочение канала и электростатическая обратная связь, палевая зависимость подвижности носителей в кремнии и арсениде галлия, влияние потенциалов второго затвора в полевых тетродах и подложки в МДП-триодах

3 Взаимозависимость напряжений смещения первого и второго затворов в полевых тетродах, при которой достигаются уменьшенные нелинейные искажения, близка к линейной Для реализации выявленной взаимозависимости применяется новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях

Защищается новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном и взаимозависимом изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи

Защищаются устройства усилителей с регулируемым усилением с уменьшенными нелинейными искажениями в диапазоне изменения коэффициента передачи

4 Относительный уровень помехи в телевизионной системе «кабельная линия—дифференциальное устройство» обратно пропорционален входному синфазному сопротивлению дифференциального устройства

Защищается выявленная зависимость относительного уровня помехи в системе связи «кабельная линия — дифференциальное устройство», определяющего нижнюю границу динамического диапазона выходных сигналов, от входного синфазного сопротивления дифференциального устройства, на основе которой разработано радиотехническое устройство, повышающее качество передачи информации и помехоустойчивость работы телевизионных систем

5 Применение синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей позволяет реализовать новые принципы работы устройства, увеличить точность измерения и расширить его функциональные возможности

Защищается новый принцип работы устройства измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей, заключающийся в изменении величины эталонного резистора в зависимости от значения измеряемого сопротивления и позволяющий увеличить диапазон значений измеряемых сопротивлений

Защищается новый принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, заключающийся в изменении скважности

импульсного сигнала, подаваемого на измерительную цепь при постоянной скважности сигнала на управляющих входах синхронных детекторов, за счет чего достигается измерение модуля и действительной части полного сопротивления измеряемой цепи

Защищаются результаты расчетов, экспериментальных лабораторных исследований, производственных испытаний разработанных устройств, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные разделы и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007), «Интеллектуальные информационно-телекоммуникационные системы» (Томск, 2006), «Роль и значение телекоммуникаций и информационных технологий в современном обществе» (Ташкент, 2005), «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2005), «Организационно-правовые, финансовые и научно-технические аспекты современного телевидения и радиовещания» (Москва, 1998), на всесоюзных и всероссийских конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007), «Микроэлектроника и информатика-2007» (Москва, 2007), «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2006), «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2005, 2006, 2007), «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности» (Томск, 2005, 2006, 2007), «Измерительные комплексы и системы» (Томск, 1981), на семинарах НТОРЭС им А.С.Попова «СВЧ-элементы и узлы радиоприемных устройств» (Москва, 1986), «Нелинейные искажения в радиоприемных и усилительных устройствах» (Москва, 1987), всесоюзном семинаре «Автоколебательные системы и усилители в радиотехнических устройствах» (Рязань, 1987), республиканских конференциях «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов» (Вильнюс, 1984,1987), на межрегиональных конференциях «Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники» (Ужгород, 1991), на региональных конференциях «Молодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического прогресса» (Томск, 1986) и «Радиотехнические и информационные системы и устройства» (Томск, 1994), на областных конференциях по радиотехнике, электронике и связи (Томск, 1981,1985, 1986,1987)

ПУБЛИКАЦИИ Результаты диссертационной работы опубликованы в 58 работах в 18 статьях и сообщениях в центральной печати, в 16 статьях в сборниках трудов научно-технических конференций, в 11 описаниях к авторским свидетельствам, к патентам на изобретения, к полезным моделям, алгоритмам и программам; в 11 тезисах докладов научно-технических конференций, двух научно-технических отчетах Из общего количества 35 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной

комиссией, из них без соавторов - 18. Работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при равном творческом участии соавторов

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, двух приложений, списка использованных источников информации, включающего 325 наименований, содержит 240 страниц текста, 72 рисунка и 11 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна полученных результатов, обосновано практическое значение работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы, публикациях и структуре диссертации

В первом разделе дано обобщение метода нелинейных токов на классы устройств, предназначенных для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов, содержащих многоэлектродные активные и реактивные элементы Приведены соотношения для

определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством УЭ

На рис 1 приведена схема включения многоэлектродного активного элемента, содержащего К управляющих электродов (К= 1,2, ..), (/?г сопротивление источника сигнала, - сопротивление нагрузки, СР1, СР2 -разделительные конденсаторы, ¿¡, Ьк - элементы развязки цепей смещения) Источник сигнала подключен к одному, например первому, УЭ Наличие обратных связей , приводит к тому, что нелинейные продукты, имеющие прямой характер образования, совместно с исходным сигналом поступают на все УЭ Повторно взаимодействуя друг с другом и составляющими спектра исходного сигнала, они образуют косвенные нелинейные продукты.

В соответствии с методом нелинейных токов выходной ток МАЭ представляется в виде ряда

00

'(а>1> ,ши) = Х,»(шь >®и) + 1л( ®1» >°>я)> 0)

Л=1

1

^ ИЩш) 1 § «

* ¡1 к

к икл(ы) 3

т —~ К-1 1

■ч Р*' Н

Ьк-1

Рис 1 Схема многоэлектродного активного элемента

где о)] - частоты спектральных составляющих сигнала, ;„ (й>], , ш„) - прямая составляющая, 1„ (<»1, , (0„) - косвенная составляющая Прямая составляющая рассчитывается по формуле

,п{Фь ,ш„)= ¿ ¿ ¿ ук„ к 'К,)» {*>}*,- 10

(2)

(р,+ \ у ч

где Ук к - проводимость +^|-го порядка,

ткп = ®1 + +®п - комбинационная частота,

£/® () - напряжение первого порядка, приложенное к К] -му УЭ

Косвенная составляющая определяется соотношением

„-1 шт(/Д) 4° Г/ + +/ 1

а«.. ZIZ

1=2 5=1 {,„}*,, ,JC, 5

К»)'

Л

Uk\ }(®Ь ' ) UKS [ +1' "

f-iar* рг1 • I \ " ' '1> ЛЧ ' "Л ' (3)

Vil 5

(/,+ +Дг) 1 \

где kn) _ проводимость (/j + +/д)-го порядка,

аг, Рг, — количество повторяющихся чисел в фиксированной комбинации {/*/} ,

V / ^

UК О - напряжения (f¡ I -го порядка при j= 1,2, ,6, приложенные к К, -му УЭ,

[ ]s - операция симметризации

В частности, при расчете тока зависимого источника в эквивалентных схемах полевых транзисторов при учете времени тн пролета носителей от

истока к стоку, проводимости У^1 (ю^) = g^f1 KP^e'jak»%н являются

(а+ +/>£)

комплексными величинами Значения определяются из разложения в кратный ряд Тейлора ВАХ МАЭ /(í/l;

(л+ 1 dPl+ +p^J(U10, ,ико)

где U\ о, , Uк о - напряжения смещения, задающие рабочую точку

Для реактивного, например емкостного, элемента проводимости определяются по формуле

Ц+ ч <>,+

КН03*«^, ,

(/>, + +д. )

где С^ jr — коэффициенты разложения в кратный ряд Тейлора вольт-фарадной характеристики емкости

Символы jp^j и {/д] в (2) и (3) обозначают, что суммирование ведется по фиксированным комбинациям положительных ненулевых чисел ри , р^ , /g, удовлетворяющих выражениям

Р\+Рг+ h+h + +k=¡> (5>

и условиям

Pl — Pl— *Р5. (6)

где S - параметры, указывающие количество слагаемых в (5)

Коэффициенты S^ и определяют число слагаемых, входящих в отдельные представления чисел nal всеми комбинациями и {/g} ,

удовлетворяющими (5) при условиях (6), и рассчитываются по формулам

а(Р) _ Ю o(¡) - К' (7)

к сурр! (*:-§)!' * а/ф/1 (*-6)|' где а i, |J i, — количество повторяющихся чисел в фиксированных комбинациях {р^},^}

Символ \r¡} под знаком суммы в (3) обозначает, что суммирование ведется по фиксированным комбинациям чисел , удовлетворяющих выражению

/

г,+г2-к =и, (g)

V ft

где /] > г2 > > /) > О

Если в отдельных комбинациях в (2) или {/6} в (3) выполняется неравенство составляющих их членов, то индексы К\, ., могут

принимать все возможные сочетания чисел из натурального ряда 1,2, , К, причем К^ В противном случае перестановка индексов

К\, , при равныхр{1) недопустима

В случаях, когда имеются равные значения чисел в (5), суммирование под знаком {г[} в (3) также ведется по всевозможным перестановкам между

наборами , при соответствующих равных /,, ,

Формулы (1)-(3) применимы для определения составляющих тока как активных, так и реактивных многоэлектродных элементов.

Формулы для расчета нелинейных токов зависимого источника в эквивалентных схемах полевых транзисторов первых трех порядков, полученные на основе (1)-(8), могут быть представлены в виде

М)

Ч Аъ ¿2=1^2=^+1 " ^

/3(«„0)2,0)3)= I 8СЩ1\щ)и«\с>2)иР{а>3)-

к=\

(9)

+ у у „(2+1)

¿1=1 ¿2=1 К-2 К-\

+ Е К\

к

4 («„Шз^з) = 21яР Ц Р?1 К«*)] +

(10)

.(11)

+2Е Е ё(1+1}

Впервые полученные расчетные соотношения (9)—(11) учитывают как составляющие тока, имеющие нелинейный характер образования за счет

частных проводимостей по отдельным УЭ , где к = 1, ., К , так и

составляющие тока, образованные за счет смешанных проводимостей

при взаимодействии сигналов с различных УЭ Необходимость

учета составляющих тока, образованных за счет смешанных проводимостей, наиболее отчетливо проявляется при расчете НИ электрически управляемых аттенюаторов и синхронных детекторов, что показано ниже Ограничений на

количество УЭ в МАЭ не накладывается, что позволяет расширить возможности МНТ и применить его для расчета нелинейных передаточных функций различных классов радиотехнических устройств усиления и преобразования радиосигналов, содержащих МАЭ, создать методики их расчета и основ проектирования

Во втором разделе предложен метод моделирования вольт-амперных характеристик ПТ различных типов на основе экспоненциально-степенной аналитической функции, позволяющий разрабатывать формализованные нелинейные модели полевых триодов и тетродов, рассмотрено применение предложенных расчетных соотношений выходного тока МАЭ для расчета НПФ и анализа НИ класса усилительных устройств Осуществлен расчет НИ усилителей электрических сигналов с фиксированным и с регулируемым коэффициентами передачи Разработаны новые устройства регулируемых усилителей на полевых тетродах Решена проблема повышения качества передачи информации и помехоустойчивости работы телевизионных систем «кабельная линия - дифференциальное устройство»

В первой части второго раздела предложена универсальная аналитическая функция в виде экспоненциально-степенного выражения, аппроксимирующая семейства вольт-амперных характеристик полевых транзисторов и позволяющая строить физические модели многоэлектродных активных элементов

Физические модели собственно структур полевого транзистора с электродом подложки и полевого транзистора с двумя затворами (полевого тетрода), действительные до частот ОВЧ-диапазона, представлены на рис 2

о-

А

а

б

Рис 2 Эквивалентные схемы полевого транзистора с электродом подложки (а) и полевого тетрода (б)

Цифрами 1, 2, 3 и 4 в схеме на рис 2,а обозначены соответственно выводы затвора, подложки, стока и истока, а в схеме на рис 2,6 - первого

затвора, второго затвора, стока и истока Линейными элементами обеих схем являются резисторы гс,ги , моделирующие сопротивление неуправляемой части канала в цепях стока и истока Линейными элементами в эквивалентной схеме транзистора с выводом подложки также считаются емкости Сзс, Сзи Нелинейными являются эквивалентные источники тока, управляемые внутренними напряжениями ^з) > и емкости Спс^3 .

(и2), С3)И (£/,),

Внутренние напряжения определяются по соответствующим им внешним напряжениям

^1,2=£Л,2+/Си> «/3 = С/,Э-/с('Ь+»Й). (12)

Аналитическое описание нелинейных зависимостей емкостей от приложенных напряжений известно

Зависимость тока стока от напряжений на затворе (первом для полевого тетрода) {/3, подложке {/п, втором затворе Щ2 и стоке С/с, пересчитанных к внутренним значениям в соответствии с (12), предложено описывать выражением, полученным на основе совместного использования формальных аппроксимаций и результатов анализа физических процессов, протекающих в полупроводниковом материале транзисторов с затворами на основе р-п-перехода, барьера Шотгки, МДП-структуры

где

1-ехр

-I

10 = А

, \М

Щ-Щ)

1+

1 + £)ехр

1-ехр

+т(\и3\+гу> (13)

пи г

и,-ип

+Fг7r

(14)

ио = ио+у(^ип\+г-^у), (15)

А [А], Д Д [В1], Ь,М, IV, Р[В2], 0, Я [В-*"1 ], Т [В-^ \2, у [В2], коэффициенты,

1/0 - пороговое напряжение (напряжение отсечки), К-контактная разность потенциалов,"

В - показатель, характеризующий степень нелинейности зависимости 1С от и3 в пологой области выходных ВАХ

Второй сомножитель в (13) определяет зависимость /с от напряжения второго затвора в полевых тетродах При отсутствии второго затвора этот сомножитель исключается.

Коэффициенты (), Я, Т, 4/1, 4/2 описывают влияние на ВАХ зависимости дрейфовой скорости носителей в арсениде галлия При отсутствии такой

зависимости и при описании ВАХ кремниевых транзисторов третьим сомножителем в (13), содержащим эти коэффициенты, пренебрегают

Коэффициенты Р н IV в (14) отражают влияние на ВАХ насыщения дрейфовой скорости носителей в кремнии При отсутствии насыщения в кремниевых ПТ и при описании ВАХ ПТШ знаменатель второго сомножителя принимается равным 1

Третий сомножитель в (14) характеризует выходную ВАХ, слагаемое .ргУс описывает поведение /с в пологой области и отражает эффекты укорочения канала и электростатической обратной связи между стоком и каналом

Коэффициент у в (15) описывает зависимость порогового напряжения от потенциала подложки

В качестве примера в табл 1 приведены численные значения сопротивлений гс,ги и коэффициентов аппроксимирующих выражений (13)—(15) для нескольких типов ПТ.

Таблица 1 Коэффициенты аппроксимации ВАХ и значения активных элементов с тремя УЭ ______

Тип А, мА В Ь М 1и> Ом гс> Ом С/о, В Примечание

КП305 2,9 2,27 2,62 - 1 20 20 -1 7 =0,79 В2 ¿■=0,067 В '

КП350 7,46 1,44 3,23 0,87 1,44 15 20 0,75

АП328 16,38 2,54 1,66 0,378 1,84 8,5 9,57 -2,55

На рис 3 приведены рассчитанные в соответствии с (13>-(15) и данными табл. 1, а также экспериментальные ВАХ ПТ КП305 и АП328 Отличие расчетных значений тока от экспериментальных не превышает 20%

Рис 3 Вольт-амперные характеристики активных элементов с тремя УЭ

Предложенное выражение (13) характеризуется меньшей погрешностью аппроксимации семейств ВАХ ПТ, в явном виде учитывает влияние потенциала подложки МДП-ПТ, моделирует «падающие» участки на выходных ВАХ ПТШ и позволяет разрабатывать формализованные нелинейные модели полевых триодов и тетродов

Во второй части второго раздела показано совместное использование метода нелинейных токов, обобщенного в первом разделе на радиотехнические устройства, содержащие МАЭ, и универсальной аналитической функции, моделирующей семейства вольт-амперных характеристик полевых транзисторов, для расчета НПФ и анализа НИ типовых усилительных каскадов Разработаны новые устройства усилителей радиосигналов с фиксированным и регулируемым усилением с увеличенными динамическими диапазонами

В устройствах с регулируемым коэффициентом передачи ПТ функционируют в условиях варьирования потенциалов смещения на электродах в широких пределах под действием управляющего напряжения С целью исследования режимной зависимости НИ и их последующей минимизации рассчитаны НПФ «-го порядка (и = 1, 2, ) типовых схем включения ПТ (общий исток, общий затвор, общий сток) при учете исключительного влияния нелинейности зависимого источника тока

1с(иииг,и3)

(16)

1+р 1+р

где р=р!+р2+р3,

Pi Рг> Рз ~ составляющие общей глубины обратной связи, образованные крутизной по УЭ с соответствующими номерами, /?н - эквивалентное сопротивление нагрузки

Токи in в (16) определяются на основе (1)-{8) и для п - 1, 2 и 3 при нормированной относительно VRr амплитуде входного тока в соответствии с (9)-(11) равны

гтата та я'-^та

дьида 10

J=1

1 1+р

где

'3, -^Г^Н^К-Цй!

'з, =-8ъ

Ч3 „ . \2

Функции ^¡(х), учитывают влияние цепей смещения по

постоянному току и на основании (10)-(11), в частности, определяются следующими соотношениями

1) при расчете гармонических и интермодуляционных искажений

Зх З(х + /?н)

= -¿. (19)

1+р 1+р

2) при расчете коэффициента сжатия

+ Ч (20) 1 + р 1 + р= 1 + р 1 + р=

где 1 + р= - глубина обратной связи по постоянному току,

Ли — сопротивления цепей смещения по постоянному току в цепях

стока и истока соответственно,

3) при расчете коэффициента блокирования

= + (21)

1 + р 1 + р= 1 + р 1 + Р=

Формулы для расчета Я,р123и значение коэффициента а для типовых

схем включения ПТ приведены в табл 2

Предложенные формулы расчета НПФ типовых усилительных каскадов использованы при разработке методики расчета и основ проектирования усилителей с фиксированным и регулируемым усилением и по сравнению с известными обладают следующими преимуществами

1) учитывают составляющие тока зависимого источника, образованные за счет смешанных проводимостей при взаимодействии сигналов с различных УЭ,

2) инвариантны относительно схемы включения активного элемента,

3) учитывают влияние цепей смещения по постоянному току

Таблица 2 Формулы для расчета Л, р, 2 з и значение коэф< шциента а

Общий исток Общий затвор Общий сток

а -1 I 1

Р1 л ¿Г1(1)(лг + ъ)

Р2

Рз ^(Дк+и)

Я ги >и + яг ги + /?н

Максимальная амплитуда выходных сигналов типовых усилительных каскадов ограничена предельно допустимым напряжением выходного электрода используемых активных элементов Разработано новое устройство с непосредственным суммированием напряжений в нагрузке [44], имеющее большую амплитуду выходного сигнала Устройство содержит п последовательно включенных выходных транзисторов и и+1 последовательно включенных нагрузочных резисторов, причем УЭ 1-го выходного транзистора, где I = 1, , и, через разделительный конденсатор подключен к точке соединения г-го и (/+1)-го нагрузочных резисторов Динамический диапазон выходных сигналов предложенного устройства в и+1 раз больше динамического диапазона типовых усилительных каскадов

Нелинейные передаточные функции второго и третьего порядков усилительного каскада на полевом тетроде в схеме с общим истоком, рассчитанные в соответствии с (4), (13), (17)—<18) и данными табл 1 и табл 2, приведены на рис 4

Рис 4 Нелинейные передаточные функции второго (а) и третьего (б) порядков усилительного каскада на полевом тетроде Из анализа приведенных зависимостей следует, что НПФ второго (Я2) и третьего (#3) порядков являются немонотонными функциями и при варьировании напряжения на первом затворе изменяют знак Точки

пересечения графиков Н2 и Я3 с осью абсцисс определяют минимум интермодуляционных искажений соответствующего порядка и позволяют найти значения напряжений на электродах транзистора, соответствующие этим точкам Получение такой регулировочной характеристики требует реализации нового принципа работы полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающегося в одновременном изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи Траектория движения рабочей точки в этом случае показана на рис 4,а и рис 4,6 утолщенным пунктиром Взаимозависимость напряжений смещения на электродах полевых тетродов, при которой достигаются минимальные НИ второго или третьего порядков, близка к линейной (рис 5,а)

Функциональная схема усилителя на полевом тетроде с регулируемым коэффициентом передачи, в котором реализована линейная регулировочная характеристика, приведена на рис 5,6 (Ср - разделительные и СбЛ -блокировочный конденсаторы, Ь - элемент развязки по переменному току)

Рис 5 Регулировочные характеристики (а) и функциональная схема (б) усилителя с регулируемым усилением и уменьшенным уровнем нелинейных искажений второго и третьего порядков

Экспериментальные исследования регулируемого усилителя на полевом тетроде КПЗ 50 показали, что по сравнению со схемой с фиксированным напряжением смещения первого затвора предложенное устройство (см рис 5,6) в полосе частот 0,1 . 30 МГц обладает меньшим значением относительного уровня интермодуляционных искажений второго порядка на 20 дБ или третьего порядка на 12 дБ в диапазоне регулирования коэффициента передачи 15 дБ

Третья часть второго раздела посвящена решению проблемы повышения качества передачи информации и помехоустойчивости работы телевизионных систем «кабельная линия - дифференциальное устройство»

Эквивалентная схема кабельной линии связи, нагруженной на дифференциальное устройство (ДУ), приведена на рис 6 Дд и йс ~ соответственно дифференциальное и синфазное входные сопротивления ДУ, Яж и #оп - омические сопротивления жилы и оплетки линии связи

соответственно, Лг - выходное сопротивление источника сигнала, Лп_

эквивалентное сопротивление

источника помехи

Вх1

Од Вх2

1к

На

Выходное напряжение V]

Вых

^Ян

Вых

дифференциального устройства

определяется соотношением

^Вых = кпТЕг + КС1ЕП > (22) где Х'д Кс-£ - сквозные дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи,

Ег и Еп - электродвижущая сила Рис 6 Эквивалентная схема системы источников сигнала и помехи «кабельная линия - соответственно

дифференциальное устройство» Сквозные дифференциальный и

синфазный коэффициенты передачи для ДУ, выполненного по схеме, приведенной на рис 7,6, рассчитываются по формулам

К,

ИХ'-

Яг+Яш+Ъ

■Д + Дот [

ДсДяДс

К,

Йп + ^С + Доп

1-

Яг+Ях+Я1 + Я0 КдЯс

(23)

(Л- + 4 + Д«)

^осс Яп + Дс + ^М! 1

Яг+К+Ъ+К

__

Ъп У

(24)

где Кд, Кс — дифференциальный и синфазный коэффициенты передачи операционного усилителя,

^осс — коэффициент ослабления синфазного сигнала ДУ Из анализа (22)-(24) следует, что относительный уровень помехи и, соответственно, динамический диапазон выходных сигналов в системе КЛ -ДУ определяются величиной входного синфазного сопротивления Я^ дифференциального устройства

На рис 7,а приведены экспериментально измеренная и рассчитанные в соответствии с формулами (22)-{24) зависимости относительного уровня помехи 0 = исШд частотой 50 Гц на входе ДУ от входного синфазного

сопротивления при соотношении сигнал/помеха на выходе, равном единице

Дифференциальное устройство (рис 7,6) было реализовано на операционном усилителе с параметрами йг = Л, = 75 Ом, Яп = 2 Ом, АГосс = 100 дБ, Кц = 2 Входное синфазное сопротивление дифференциального устройства определяется элементами схемы ^ = + Л0)/2 I) дБ; -40

-50

-60 -70 -80 -90

-100

1 10 100 1000 «с кОы

а б

Рис 7 Зависимость относительного уровня помехи от синфазного сопротивления дифференциального устройства на операционном усилителе (а) и схема дифференциального устройства на ОУ (б)

— - Ра сч гт

N Чч I ||

- «с •ц гг^ж =1 ОС Эм

ч N ч 10 11

.1, - 4 - _

Таким образом, повышение качества передачи информации и помехоустойчивости телевизионных систем «кабельная линия -дифференциальное устройство» достигается путем увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального устройства

В третьем разделе на примере нескольких схем регулируемых делителей напряжения показана возможность совместного использования метода нелинейных токов, обобщенного на класс цепей, содержащих МАЭ, и универсальной аналитической функции, моделирующей семейства вольт-амперных характеристик полевых транзисторов, для расчета НПФ, анализа и минимизации НИ класса электрически управляемых аттенюаторов на ПТ Схемы аттенюаторов приведены на рис 8

Вых

д б

Рис 8 Схемы аттенюаторов на ПТ с параллельным (а), последовательным (б) и смешанным (е) включением полевых транзисторов

Для определения регулировочной характеристики в явном виде и анализа НИ в диапазоне регулирования коэффициента передачи рассчитаны нелинейные передаточные функции п-го порядка (и = 1,2, ) рассматриваемых схем аттенюаторов

Нелинейная передаточная функция первого порядка для аттенюатора с параллельным включением ПТ (рис 8,а) имеет вид

Я,

(25)

где

з - частные проводимости по отдельным управляющим электродам,

определяемые из (4) после подстановки в (13)—(15) данных табл 1 и значения напряжения смещения £/3 = {7У

В результате численных расчетов установлено, что при малых напряжениях смещения на стоке Щ (в крутой области выходных ВАХ ПТ) выполняется неравенство

(26)

и значениями и ¿р в (25) можно пренебречь

Выражения для расчета НПФ аттенюаторов с параллельным, последовательным и смешанным соединениями ПТ, найденные с учетом (26), сведены в табл 3

Схема с параллельным включением ПТ (рис 8 ,а) Схема с последовательным включением ПТ (рис 8,6) Схема со смешанным включением ПТ (рис 8,в)

Я,

l + gil)(ryí + R) ^Рои + Я)

-»„к г„Я 1.1т ^Ч^']^

\ + 8<Р(ги+Л) И И-П»*, [^к

Нелинейные токи 1п рассчитываются в соответствии с (1)-(8), (13)—(15) и данными табл 1

Расчетные передаточные характеристики и относительный уровень интермодуляционных искажений третьего порядка ( /3 — комбинационная частота третьего порядка) аттенюаторов с параллельным (при Л=24 кОм), последовательным (при Л=10 кОм) и смешанным включением полевых транзисторов типа КП305 приведены на рис 9 Расчет параметров аттенюатора со смешанным соединением ПТ производился при следующих соотношениях управляющих напряжений на затворах ПТ {/у1 =<Уу, иуг =и0~иу1 Здесь же

приведены экспериментально измеренные значения относительного уровня интермодуляционных искажений третьего порядка в схеме аттенюатора с параллельным включением транзистора Исследования проведены при бигармоническом входном сигнале и амплитудах входных сигналов ивх =70 мВ

Полученные результаты использованы при разработке методики расчета и основ проектирования класса схем электрически управляемых аттенюаторов, используемых, в частности, в системах автоматической регулировки усиления периодических сигналов

АЗ, ДБ' -20

-30

-40

-50

-60

-70

О 0,2 0,4 0,6 0,8

- - - Эксперимент Рис 9 Расчетные и экспериментальные характеристики аттенюаторов с параллельным (а), последовательным (б) и смешанным (в) включением полевых транзисторов

Для усиления непериодических сигналов предложено устройство с увеличенным динамическим диапазоном [43], осуществляющее следующие операции над сигналами разделение каждого сигнала без изменения формы на п сигналов, где и = 2, 3, , задержку каждого 1-го сигнала, где 1=1, , п на время = (; - 1)тм, где тм - интервал времени, превышающий максимальную длительность входного сигнала и ослабление в (п — г)к раз, где к — дискрет ослабления, равный отношению верхнего и нижнего значений интервала

нормировки; суммирование задержанных и ослабленных импульсов в последовательность из п сигналов, выделение и подачу на управляющий электрод активного элемента у-го сигнала, где у=1, . , п , амплитуда которого попадает в интервал нормировки, определение амплитуды входного усиливаемого сигнала {Увх =и (/V -])к при., ЛЧ и £/вх = и} при]=И

В четвертом разделе показано совместное использование метода нелинейных токов, обобщенного на класс цепей, содержащих МАЭ, и универсальной аналитической функции, моделирующей семейства вольт-амперных характеристик ПТ, для расчета НПФ и анализа НИ устройств синхронного детектирования сигналов Предложено применение синхронных детекторов в устройстве измерения импедансов двухполюсных электрических цепей для повышения точности и помехоустойчивости измерений, рассмотрены новые принципы работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, позволяющие увеличить диапазон измеряемых величин и расширить функциональные возможности

Схема синхронного детектора на МДП-ПТ приведена на рис 10,а

í/c(Wc)

3) *Л 41 с> гоиЛл

у L Опорное Г J

JCt,гнал J_ J^ колебание_ _

0,35 0.28 0,21 0,14 0,07 О

t 1 ---Расчет ✓ * /

Kcnepi ЛМбНТ / ✓ » Л/

/

А

О 0,3 0 6 0,9 1,2 Уоп/|0,5£/0| б

Рис 10 Электрическая схема (я) и передаточная функция (б) синхронного детектора

(27)

К сигнальному входу синхронного детектора подключен источник сигнала, к управляющему входу - источник опорного колебания, напряжения которых определяются выражениями

ис{1) = ис cosc¡>c/,

«оп(0 = ^оп cos(rooní + ф).

К выходу преобразователя подсоединена нагрузка ZH(m) Синхронное

детектирование выполняется при равенстве частот сигнала и опорного колебания

моп=а>с=юо (28)

Нелинейные токи, расчет которых осуществляется в соответствии с выражениями (1)-(8), (13)—(15) и данными табл 1, используются для определения НПФ вида IV''[а>[, , <о„] , где к, ,/ - номера входов, имеющих явную связь спектральных составляющих отклика и воздействий на конкретных входах Например, полезный продукт - постоянное напряжение -определяется выражением

^2(юс,-ш0П)С/с[/0П<ГУ<Р +

1 (шС'-юс)^с + К*'2 (а>оп,-Шоп) ^оп]

(29)

а первая гармоника с частотой сигнала-

^вых(Юо) К) иЕ + IV? К п) иопе^ + Г=4

(30)

>=2

Л, г

б

"он(0

"НО.

Яэт

Детальное изложение методики определения НПФ приведено в [17], а расчетная и экспериментальная зависимости С/Вьк(0) синхронного детектора на МДП-ПТ типа КП305, подтверждающие достоверность расчетов, представлены на рис 10,5

Синхронные детекторы применены вместо амплитудных в устройстве, реализующем метод амперметра-вольтметра с косвенным определением тока и предназначенном для измерения модуля импеданса двухполюсных электрических цепей (рис 11, вариант генератора а)

Устройство содержит генератор Г, на Рис 11 Функциональная ВЫходе которого присутствует синусоидальное

СД1 ФНЧ1 и ■„

"1 и'М

СД2 ФНЧ2

схема устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей

колебание с частотой /г, используемое в качестве опорного колебания и подаваемое на управляющие входы синхронных детекторов СД1 и СД2

Значение модуля импеданса двухполюсника можно оценить по формуле

\гР

и, э

(31)

где

Ои иг - постоянные напряжения на выходах фильтров нижних частот ФНЧ1, ФНЧ2,

Яэт - эталонное сопротивление

Замена амплитудных детекторов синхронными позволила на 3-5% повысить точность измерения и увеличить помехоустойчивость измерений при наличии аддитивных не кратных по частоте помех Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что устройство для измерения импеданса двухполюсных цепей с синхронным детектированием измерительных сигналов обладает увеличенным на 12 дБ диапазоном амплитуд помехи при одинаковой дополнительной погрешности измерения

Применение нового принципа работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей путем замены в генераторе Г синусоидального сигнала импульсным сигналом (рис 11, вариант генератора б) позволило расширить функциональные возможности устройства В диссертационной работе доказано, что при скважности импульсов д=4, подаваемых на измерительную цепь (в верхнем положении переключателя 5 на рис 11), |гРАСЧ| в (31) определяет значение действительной части полного сопротивления измеряемого двухполюсника, а при значении 2 (в нижнем положении переключателя 5) - модуля полного сопротивления на частоте /г

Для расширения диапазона измеряемых сопротивлений рассмотрен новый принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, заключающийся в варьировании величины эталонного сопротивления в зависимости от измеряемого сопротивления и позволяющий увеличить диапазон измеряемых величин

Предложено узел эталонных резисторов выполнять по схеме, приведенной на рис 12,а

ЛэтП

сд ФНЧ

КЭТ2=50ЙЭТ1

АЦП 15

И, Ом

Рис 12 Функциональная схема узла эталонных резисторов (а) и зависимость квантованного напряжения 112 от измеряемого сопротивления (б)

Коммутация эталонных резисторов осуществляется

электромеханическим переключателем 5, управляемым микроконтроллером Зависимость квантованного напряжения и2 (на выходе десятиразрядного АЦП) во всем диапазоне измеряемых сопротивлений приведена на рис 12,6 При включении устройства микроконтроллер подключает эталонный резистор ЛЭТ2

(переключатель 5 в положении 1) Вели напряжение £/2 не превышает порогового значения Мюрог, производится расчет значения измеряемого сопротивления по формуле (31) Если напряжение превышает пороговое значение, то эталонное сопротивление переключается на меньшее значение (переключатель 5 переводится в положение 2), и после этого производится расчет измеряемого сопротивления

В первой зоне измеряемых сопротивлений (рис 12,5) включено большее эталонное сопротивление, а во второй зоне - меньшее

Предложенный принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей реализован в измерительном приборе с автоматическим выбором пределов измерения Диапазон измеряемых сопротивлений увеличен в пять раз и соответствует 10 Ом - 10 кОм на переменном токе с частотами 400 Гц, 78 и 120 кГц и 10 Ом - 1 МОм на постоянном токе

На основе результатов проведенных исследований по применению синхронных детекторов и новых принципов работы устройства, реализующего метод амперметра-вольтметра с косвенным определением тока, разработан «Измеритель сопротивлений линий», который характеризуется на 3-5% большей точностью измерений, новизной и защищен патентом на изобретение [40]

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Развит метод анализа радиотехнических устройств обобщением метода нелинейных токов на классы устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенных для усиления, регулирования амплитуды и синхронного детектирования радиосигналов, содержащих многоэлектродные активные элементы Обобщение достигнуто получением новых соотношений для определения тока активных и реактивных элементов с произвольным количеством управляющих электродов

2 Предложен метод моделирования вольт-амперных характеристик ПТ различных типов на основе экспоненциально-степенной аналитической функции, учитывающей основные особенности транзисторов неидентичность элементарных структур, электростатическую обратную связь, полевую зависимость подвижности, влияние потенциала подложки и наличие второго затвора в полевых тетродах

3 Предложен новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи Доказано существование определенной функциональной взаимозависимости напряжений смещения первого и второго затворов, при которой достигаются минимальные нелинейные искажения

4 Достигнуто повышение качества передачи информации и помехоустойчивости телевизионных систем «кабельная линия -дифференциальное устройство» путем увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального устройства

5 Доказано, что применение синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений линий в электросвязи методом амперметра-вольтметра позволяет на 3-5% повысить точность измерения и на 10-12 дБ увеличить диапазон амплитуд помехи при одинаковой дополнительной погрешности измерения.

6 Предложены новые принципы работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, которые позволяют изменением скважности импульсного сигнала, подаваемого на измерительную цепь, при постоянной скважности сигнала на управляющих входах синхронных детекторов расширить его функциональные возможности (производить измерение модуля и действительной части полного сопротивления измеряемой цепи) и автоматическим переключением эталонных резисторов в 4-6 раз увеличить диапазон измеряемых величин.

7 Разработаны новые устройства

а) усилителей с регулируемым усилением на полевых тетродах с меньшим значением уровня интермодуляционных искажений второго порядка на 20 дБ или третьего порядка на 12 дБ в диапазоне регулирования коэффициента передачи 15 дБ,

б) усилителя с суммированием напряжений, имеющего на 6-12 дБ большую амплитуду выходного сигнала,

в) усилителя непериодических сигналов с увеличенным на 20 дБ динамическим диапазоном

Таким образом, выполненная работа заключается в разработке научно-технических основ проектирования радиотехнических устройств, содержащих нелинейные многоэлектродные активные элементы, в разработке новых принципов использования полевых тетродов в регулируемых усилителях и новых принципов работы устройств измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, совокупность которых позволила решить научно-техническую проблему, имеющую важное хозяйственное значение в развитии основ построения, совершенствовании основ проектирования и методик расчета, в разработке, создании и внедрении в радиоэлектронные системы различного назначения усилителей радиосигналов, синхронных детекторов, устройств с регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов и дифференциальных усилителей с повышенными динамическими диапазонами, что позволило улучшить электромагнитную совместимость этих систем

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

1 Туев В И Коэффициент ослабления синфазного сигнала дифференциальных корректоров на операционных усилителях // Радиотехника -2007 -№4 - С 32-33

2 Туев В И Расчет нелинейных искажений в пассивных аттенюаторах на полевых транзисторах Н Изв Томск политехи ун-та - 2007 - №1 - С 202205 (Tuyev V I Design of nonlinear distortions m FET passive attenuator // Bulletin of the Tomsk polytechnic university -2007 - Vol 310.-No I -P 185-188)

3 Туев В И Измерение сопротивлений двухполюсников с применением импульсного сигнала//Изв Томск, политехи ун-та -2006 -№1 -С 178-182

4 Туев В И Измеритель сопротивлений линий проводного вещания // Электросвязь -2005 -№10 - С 42-44

5 Туев В И Подавление фоновых помех в линиях передачи видеосигналов //Изв Томск политехи ун-та -2005 -№4 - С 161-163

6 Туев В И, Худяков С В Электронная регулировка громкости в усилителе звуковых частот//Изв Томск политехи ун-та -2006 -№3 - С 160-162

7 Туев В И Повышающий преобразователь постоянного тока // Приборы и техника эксперимента -2006 -№4 - С 155-156

8 Туев В И Кабельный корректор II Приборы и техника эксперимента -2005 — №5 -С 157

9. Ильюшенко В H, Стукач О В, Туев В И Оптимизация аттенюаторов с фазовым сдвигом, инвариантным к вносимому ослаблению И Техника средств связи Сер Радиоизмерительная техника - 1990 - Вып 7 - С 25-29

10 Жаркой А.Г, Туев В И Расчет нелинейных эквивалентных источников тока многоэлектродных активных элементов // Радиотехника и электроника -1989 -Т 34 -№6 - С 1142-1150

11 Жаркой А Г., Пушкарев В П , Туев В И Аппроксимация и расчет нелинейных токов в полевых тетродах//Радиотехника -1988 -№4 -С 10-13

12 Жаркой А Г, Туев В И Аппроксимация вольт-амперных характеристик МДП-полевых транзисторов II Изв высш учебн зав Сер Радиоэлектроника - 1988 -№5 -С 69-70

13 Жаркой А Г, Туев В.И Аппроксимация вольт-амперных характеристик GaAs ПТШ со стабильными областями отрицательного сопротивления // Техника средств связи Сер Радиоизмерительная техника - 1988 - Вып 8 - С 36-41

14 Авдоченко Б И., ДьячкоАН, ИльюшенкоВН, Обихвостов ВД, Туев В И Наносекундный высоковольтный усилитель с коррекцией затухания в линии связи И Техника средств связи Сер Радиоизмерительная техника -1985 -Вып 3-С 60-63

15 Дьячко А H , Ильюшенко В H , Туев В И Быстродействующий высоковольтный усилитель//Приборы и техника эксперимента - 1984 -№5 -С 237

16 Туев В И Учет насыщения дрейфовой скорости носителей при аппроксимации вольт-амперных характеристик полевых транзисторов // Докл Томск roc ун-та систем упр и радиоэлектроники №1 (15) - Томск Томск гос ун-т систем упр и радиоэлектроники, 2007 -С 51-56

17 Туев В И Спектральный анализ реакции слабонелинейных инерционных цепей на воздействие двух синхронных колебаний // Докл Томск гос ун-та систем упр и радиоэлектроники №7 (15) - Томск Томск гос ун-т систем упр и радиоэлектроники, 2007 -С 45-50

18 Туев В И Ряд Тейлора функции многих переменных в решении нелинейных радиотехнических задач // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности- материалы девятой Всеросс науч -техн конф -Томск В-Спектр, 2007 - С 103-112

19 Туев В И Анализ слабонелинейных электрических цепей при синхронных гармонических воздействиях // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности сб тр третьей Междунар науч -практ конф Т 8 - СПб Йзд-во Политехи ун-та, 2007 - С 90-92

20 Туев В И. Динамический диапазон кабельной линии связи с корректором II Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности* материалы восьмой Всеросс науч -техн конф — Томск В-Спектр, 2006 - С 61-65

21 Туев В И Увеличение диапазона измерения сопротивлений двухполюсников // Электронные и электромеханические системы и устройства материалы докл науч -техн конф. - Томск Изд-во ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006 -С 60-63

22 Туев В И Применение импульсного сигнала для измерения полных сопротивлений двухполюсников // Электронные и электромеханические системы и устройства материалы докл науч -техни конф — Томск Изд-во ФГУП «НПЦ «Полюс», 2006 - С 57-60

23 Туев В И Измерение сопротивлений двухполюсников // Роль и значение телекоммуникаций и информационных технологий в современном обществе тр Междунар науч конф - Ташкент. Изд-во Ташкент ун-та информ технологий, 2005 -С 78-79

24 Туев В И Фазовый способ повышения точности измерения сопротивлений двухполюсников // Электронные средства и системы управления докл Междунар науч -практ конф - Томск Изд-во института оптики атмосферы СО РАН, 2005. - С 95-98

25 Туев В И Измерительный приемник с улучшенными метрологическими параметрами для двухзвенных сетей трехпрограммного проводного вещания // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности материалы седьмой Всеросс науч -практ конф — Томск Изд-во института оптики атмосферы СО РАН, 2005 - С 42-45

26 Программное обеспечение измерителя сопротивлений «ИСЛ-ПО» свидетельство об отраслевой регистрации разработки №4609 / Р В Рогозний, В И. Туев, С В Худяков - М Гос координац центр информ технологий Отраслевой фонд алгоритмов и программ, 2005

27 Туев В И, Южанин М В Влияние помех на точность измерения сопротивления кабельных линий связи большой протяженности // Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности материалы девятой Всеросс науч -техн конф -Томск В-Спектр, 2007 - С 113-114

28 Туев В И, Южанин М В Анализ слабонелинейных электрических цепей при синхронных гармонических воздействиях // Микроэлектроника и информатика - 2007 материалы докладов 14-й Всеросс науч-техн конф -М МИЭТ, 2007 - С 328

29 Туев В И., Южанин М В Исследование влияния аддитивной помехи на точность измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей методом амперметра-вольтметра И Научная сессия ТУСУР - 2007 материалы докл Всеросс науч -техн конф В 5 т - Томск В-Спектр, 2007 - Т 4 - С 28-30.

30 Туев В И , Южанин М В Анализ электрических цепей класса Винера-Вольтерра при синхронных гармонических воздействиях // Современные проблемы радиоэлектроники сб науч ст, ред А И Громыко, А В Сарафанов -Красноярск Сиб Федер ун-т, Политехи ин-т, 2007 -С 127-129

31 Ильюшенко В Н., Стукач О В , Туев В И Многопараметрическая оптимизация характеристик многооктавных устройств управления амплитудой и фазой сигналов // Материалы шестой Всесоюзной школы-совещания молодых ученых и специалистов по стабилизации частоты Материалы докладов М Всеросс. науч-исслед ин-т межотраслевой информ, 1989 -Ч 2.-С 52-58

32 Мелихов С.В , Туев В И Антенный усилитель // Материалы седьмой международной конференции «Организационно-правовые, финансовые и научно-технические аспекты современного телевидения и радиовещания» — М Всеросс науч-исслед ин-т телевидения и радиовещания, 1998 -С 39-40

33 Суслов И А, Туев В И Высокочастотная коррекция в каскаде с суммированием напряжений // Измерительные комплексы и системы материалы докл Всесоюз науч-техн конф - Томск Изд-во Томск ун-та, 1981 -С 89-90

34 Туев В И , Жаркой А Г Машинные нелинейные модели полевых транзисторов // Доклады пятой региональной научно-технической конференции «Кибернетика, АСУ, математические методы в технике и народном хозяйстве» - Томск Изд-во Томск ун-та, 1986 - С 72.

35 Туев В И, Жаркой А Г Исследование нелинейных искажений в усилителях на полевых транзисторах с барьером Шоттки // Радиотехнические методы и средства измерений доклады областной науч -техн конф - Томск Изд-во Томск ун-та, 1985 - С 16

36 Кривошеев Д В , Туев В И Измерение модуля комплексного сопротивления двухполюсников // Научная сессия ТУСУР - 2005 материалы Всеросс.

науч -техн конф В 4 т - Томск- Томск гос ун-т систем упр и радиоэлектроники, 2005 -Т 3 -С 72-75

37 Преймачук Ю В, Туев В И Измерительный усилитель универсального вольтметра // Научная сессия ТУСУР - 2006. материалы докл Всеросс науч.-техн конф В 5т - Томск В-Спектр,2006 -Т 4 -С 48-50

38 Рогозний Р В , Туев В И, Худяков С В Программное обеспечение измерителя сопротивления линий "ИСЛ-ПО" // Компьютерные учебные программы и инновации -2007 -№1 -С 82-83

39 Пат №2301425 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 19/00, 27/06 Способ определения полных входных сопротивлений электрических цепей и устройство для его осуществления // Туев В И. (RU) - №2005129452/28, заявл 21 09 2005, опубл 20 06 2007, Бюл №17.

40 Пат. №007802 ЕАПВ, МПК Н04В 3/46, G01R 19/00 Устройство для измерения параметров сигналов в сетях трехпрограммного проводного вещания и сопротивления сетей / Туев В И (RU) - № 20051112/26, заявл 27 01 2005, опубл 27 02 2007, Бюл №1

41 Пат. №2301426 Российская Федерация, МПК7 G 01 R 19/00, 27/06. Устройство для определения полных входных сопротивлений электрических цепей // Туев ВМ (RU) - №2005133174; заявл 27 10 2005; опубл 20.06 2007, Бюл №17

42 А с 1424117 СССР, МКИ H03G 3/20 Регулируемый усилитель / Туев В И (СССР). - Опубл 15 09 1988, Бюл №34

43 А с 1394403 СССР, МКИ H03F 1/42. Усилитель / Авдоченко Б И, Дьячко А Н , Ильюшенко В Н , Туев В И (СССР) - Опубл 07 05 1988, Бюл №17

44 А с 1141562 СССР, МКИ H03F 3/42 Каскодный усилитель / Туев В И, Суслов И А. (СССР) - Опубл 23 02.1985, Бюл №7

45 А с. 1083352 СССР, МКИ Н 03 К 5/02 Видеоусилитель / Туев В И, Суслов И.А (СССР) - Опубл. 30 03 1984, Бюл №32.

46 Регулируемый усилитель свидетельство на полезную модель № 6292 Н 03 G 3/20 / В П. Пушкарев, В И Туев, В В. Цигунов (РФ). - Опубл 16.03 1998, Бюл №3

47 Дистанционный усилитель, свидетельство на полезную модель № 4644 Н 03 F 1/02 / В И Туев, А В Максимов, С В Мелихов (РФ) - Опубл. 16 07 1997, Бюл № 7.

48. Измерители сопротивлений линий, сертификат об утверждении типа средств измерений RU С 34 007 А №19822 - Зарегистрированы в реестре средств измерений под №28623-05, Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 04 03 2005.

49 Измерители сопротивлений линий- сертификат об утверждении типа средств измерений №3617 - Зарегистрированы в реестре средств измерений под №РБ 03 13 2720 05, Комитет по стандартизации, метрологии и сертификации при Совете Министров Республики Беларусь, 27 10 2005

Тираж 120. Заказ 872 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники 634050, г. Томск, пр Ленина, 40

Основные сокращения и условные обозначения.

Введение. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Область исследования.

Цель работы. Задачи исследований.

Методы исследований.

Научная новизна.

Практическое значение работы.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

Апробация работы.

Публикации.

Структура и объем диссертации.

Содержание работы.

1 Применение метода нелинейных токов для моделирования радиоэлектронных устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы.

1.1 Исходные предпосылки.

1.1.1 Методы гармонического анализа резистивных нелинейных цепей.

1.1.2 Анализ цепей с комплексной нелинейностью.

1.2 Расчет нелинейных токов многоэлектродных активных элементов.

1.3 Основные результаты.

2 Усилители радиосигналов с увеличенными динамическими диапазонами.

2.1 Аппроксимация вольт-амперных характеристик полевых транзисторов.

2.1.1 Исходные предпосылки.

2.1.2 Универсальная аналитическая функция.

2.1.3 Нелинейные эквивалентные схемы полевых транзисторов.

2.2 Анализ и режимная минимизация нелинейных искажений типовых усилительных каскадов.

2.2.1 Исходные предпосылки.

2.2.2 Расчет нелинейных передаточных функций типовых усилительных каскадов.

2.2.3 Автоматизированный расчет нелинейных искажений.

2.2.4 Методика режимной минимизации нелинейных искажений широкополосных усилителей на полевых транзисторах.

2.3 Устройства для усиления радиосигналов с увеличенными динамическими диапазонами.

2.3.1 Регулируемые усилители на полевых тетродах.

2.3.2 Устройство широкополосного усиления радиосигналов с суммированием выходных напряжений на активных элементах.

2.4 Повышение качества передачи информации и помехоустойчивости работы телевизионных систем связи «кабельная линия - дифференциальное устройство».

2.4.1 Исходные предпосылки.

2.4.2 Определение влияния входного синфазного сопротивления дифференциального устройства на величину динамического диапазона.

2.4.3 Кабельный корректор.

2.5 Основные результаты исследования.

3 Устройства управления амплитудой радиосигналов с большими динамическими диапазонами.

3.1 Исходные предпосылки.

3.2 Расчет нелинейных передаточных функций и анализ нелинейных искажений аттенюаторов на полевых транзисторах.

3.2.1 Регулировочные характеристики аттенюаторов.

3.2.2 Анализ нелинейных искажений аттенюаторов.

3.3 Устройство дистанционного усиления радиосигналов с увеличенным динамическим диапазоном.

3.4 Устройство усиления непериодических сигналов с большим динамическим диапазоном.

3.5 Основные результаты.

4 Спектральный анализ устройств синхронного детектирования радиосигналов

4.1 Синхронное детектирование радиосигналов.

4.1.1 Исходные предпосылки.

4.1.2 Синхронное детектирование сигналов в электрических цепях класса Вольтерра-Винера.

4.2 Применение синхронных детекторов в устройстве измерения импедансов двухполюсных электрических цепей.

4.2.1 Исходные предпосылки.

4.2.2 Устройство для измерения модуля импеданса двухполюсных цепей

4.2.3 Новый способ измерения импедансов двухполюсных электрических цепей.

4.2.4 Новый принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей с применением импульсных сигналов.

4.2.5 Новый принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, позволяющий увеличить диапазон измеряемых величин.

4.2.6 Устройство для измерения сопротивления и уровня сигналов в сетях трехпрограммного проводного вещания.

Основные сокращения и условные обозначения

АРУ - автоматическая регулировка усиления

АФК - амплитудно-фазовая конверсия

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ИМС - интермодуляционная составляющая

КЛ-ДУ - система кабельная линия - дифференциальное устройство

ЛАС - линейная ассоциированная схема

МАЭ - многоэлектродные активные элементы

МДТТ - структура металл-диэлектрик-полупроводник

МНТ - метод нелинейных токов

НИ - нелинейные искажения

НПФ - нелинейная передаточная функция

ОВЧ - диапазон очень высоких частот (30-300 МГц)

03 - общий затвор

ОИ - общий исток

ОСт - общий сток

ОС - обратная связь

ОУ - операционный усилитель

ПТ - полевой транзистор

ПТТТТ - полевой транзистор с барьером Шоттки

СД - синхронный детектор

УВЧ - ультравысокочастотный диапазон (0,3-3 ГГц)

УЭ - управляющие электроды

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФРВ - функциональный ряд Вольтерра

ЭУА - электрически управляемый аттенюатор

А, В, О - коэффициенты аппроксимации

2 - относительный уровень интермодуляционных составляющих второго порядка £>3 - относительный уровень интермодуляционных составляющих третьего порядка 10 - постоянный ток в рабочей точке /с - ток стока полевого транзистора Ет - амплитуда ЭДС источника сигнала Е - напряженность электрического поля Т7 - коэффициент аппроксимации

- верхняя частота полосы пропускания усилительного каскада т — частота встроенного генератора Утр - граничная частота полевого транзистора /[[ - нижняя частота полосы пропускания усилительного каскада g(") - частная проводимость п-го порядка по к-му управляющему электроду g(l+m) - смешанная проводимость (7+га)-го порядка по первому и второму управляющим электродам 7/ (ю1со ) - нелинейная передаточная функция п-то порядка

- коэффициент гармоник второго порядка

- коэффициент гармоник третьего порядка

К - коэффициент сжатия

Ь, М, Р, Л\ о, Я т коэффициенты аппроксимации

Uj 0 - напряжение смещения на /-том управляющем электроде

- напряжение т -го порядка, приложенное к ^-му управляющему электроду.

1/0 - напряжение отсечки (пороговое напряжение) полевого транзистора

С нас и с др Ф т гс ги РАСЧ|

К 1+р 1+р=

Тоу со

У- ¥ь напряжение насыщения на стоке напряжение подложка-исток полевого транзистора напряжение затвор-исток полевого транзистора напряжение сток-исток полевого транзистора управляющее напряжение в электрически управляемых аттенюаторах дрейфовая скорость носителей ■ контактная разность потенциалов паразитные сопротивления неуправляемой части канала в цепи стока и истока полевого транзистора подвижность носителей в слабых полях эквивалентное сопротивление нагрузки сопротивление нагрузки расчетное значение модуля комплексного сопротивления эталонное сопротивление сопротивление источника сигнала остаточный член ряда глубина обратной связи глубина обратной связи по постоянному току скважность импульсного сигнала период колебания постоянная времени операционного усилителя круговая частота несущего колебания коэффициенты аппроксимации

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Особенно остро проблема повышения линейности устройств стоит перед разработчиками электронных измерительных систем, поскольку динамический диапазон составляющих их устройств влияет на метрологические параметры.

Приоритетное развитие и совершенствование активной элементной базы радиотехнических устройств в настоящее время происходит в полупроводниковых приборах, работающих на принципе полевого управления движением основных носителей, - полевых транзисторах (ПТ) с затворами на основе «-перехода, с барьером Шоттки (ПТШ), со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) - имеющих, по сравнению с биполярными транзисторами, более высокие рабочие частоты, пониженную шумовую температуру, отрицательный температурный коэффициент приращения тока стока и, следовательно, меньшую вероятность теплового пробоя. Разработаны новые активные элементы, такие как полевые транзисторы с двумя затворами (полевые тетроды) и транзисторы с выводом активной подложки, в которых управление током выходного электрода осуществляется тремя (а не двумя, как в биполярных транзисторах) управляющими электродами (УЭ). Применение полевых тетродов, например, в усилителях с регулируемым коэффициентом передачи, позволяет существенно улучшить их технические и эксплуатационные характеристики за счет разделения цепей передачи сигнала и управляющего воздействия. Актуальна в связи с этим разработка новых схемных решений регулируемых усилителей на полевых тетродах с расширенным динамическим диапазоном в пределах регулирования коэффициента передачи.

Применение синхронного детектирования сигналов, в частности, при измерении полных сопротивлений двухполюсных электрических цепей, позволяет повысить помехоустойчивость измерений и увеличить диапазон измеряемых величин. Перспективной является и разработка новых методов измерения полного электрического сопротивления двухполюсных цепей.

Необходима также разработка новых адекватных методов анализа и расчета нелинейных характеристик электрических схем устройств, содержащих ПТ различных типов.

Таким образом, проблема анализа, расчета и создания устройств усиления, управления амплитудой и синхронного детектирования электрических сигналов с повышенными динамическими диапазонами является актуальной.

Нижняя граница динамического диапазона усилителей с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов и синхронных детекторов определяется шумовыми свойствами ПТ, которые достаточно хорошо изучены, освещены в научно-технической литературе и в настоящей работе не затрагиваются. Исключение сделано для кабельных линий связи, «нижняя» граница динамического диапазона которых определяется наведенными помехами. В телевидении повышение помехоустойчивости таких систем достигается подключением линии связи к устройству с дифференциальным входом. Однако условия максимального увеличения динамического диапазона системы связи «кабельная линия дифференциальное устройство» (КЛ-ДУ) в известной литературе не определены.

Верхняя граница динамического диапазона радиотехнических устройств определяется уровнем нелинейных искажений (НИ). Для анализа НИ использован предложенный в работах Н. Винера и развитый трудами Б.М. Богдановича, Е.А. Волкова, Ю.Л. Хотунцева, А.Г. Жаркого, В.Д. Дмитриева, А.И. Силютина, В.Р. Снурницина, Нарайанана (S. Naraynan), Буссганга (J.Bussgang), Грейама (J. Graham), Эрмана (L. Ehrman), Бедросяна (Е. Bedrosian) и других исследователей метод функциональных рядов Вольтерра, который позволяет найти явную связь отклика y{t) и входного воздействия x(t):

00 00 00 п 77=1 -00 -00 Z=1 где hn (т1?., хп ) - ядро Вольтерра п-то порядка.

Метод применим для анализа электрических цепей, для которых

00 00 выполняются условия J . J hn(ri,. ,т„) dxi.din <оо и /г„( т1,.,х„) = 0

00 —00 прит^ n<Q и lim . ,т„) = 0. Этим условиям удовлетворяют

Т, —>00 классы устройств, предназначенных для усиления электрических сигналов, регулирования амплитуды и фазы колебаний, измерения сопротивлений электрических цепей и др., получившие название «цепи Вольтерра-Винера».

Метод функциональных рядов Вольтерра позволяет рассчитывать широко используемые на практике нелинейные критерии, такие как сжатие, блокирование, собственная и перекрестная амплитудно-фазовая конверсия, интермодуляция, перекрестная модуляция, коэффициент гармоник.

Непосредственный расчет нелинейных критериев осуществляется через нелинейные передаточные функции (НПФ) - изображения ядер Фурье п-го

00 00 порядка #„(«>!,юи)= {. \К(хх,. ,тп)е~^хХх+-+а"Тп) ат^■■(}%„.

00 —00

Наиболее распространенный метод расчета НПФ - метод нелинейных токов (МНТ). Одна из нерешенных проблем этого направления заключалась в том, что разработанный применительно к одновходовым нелинейным устройствам МНТ не позволял рассчитывать устройства, содержащие нелинейные многоэлектродные активные элементы (МАЭ), такие как полевые тетроды и полевые транзисторы с выводом активной подложки, при одновременном воздействии сигналов на различные УЭ. В МАЭ помимо нелинейного характера преобразования сигналов с каждого УЭ на выход присутствует нелинейно-параметрическое взаимодействие сигналов с разных УЭ, обусловленное зависимостью параметров передачи МАЭ от уровня каждого из сигналов. Учет составляющих выходного тока МАЭ, обусловленных взаимодействием сигналов, поступающих с различных УЭ, позволяет применить МНТ для расчета НПФ устройств с МАЭ и развить научно-технические основы построения цепей Вольтерра-Винера, содержащих МАЭ.

ОБЛАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Разработка научных, технических основ проектирования, методов моделирования радиотехнических устройств и методик их расчета; разработка радиоэлектронных устройств передачи, приема, обработки информации; исследование и разработка новых телевизионных устройств с целью повышения качества передачи информации и помехоустойчивости работы; разработка устройств для усиления и преобразования радиосигналов, разработка радиотехнических устройств для использования в промышленности, метрологии и др.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка научно-технических основ проектирования, совершенствование методик моделирования и расчета, создание и внедрение устройств для усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами на основе многоэлектродных активных элементов.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Разработка методик и получение расчетных соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов с целью обобщения метода нелинейных токов на класс цепей, содержащих многоэлектродные активные элементы.

2. Определение возможности аппроксимации вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевых триодов и тетродов различных типов универсальной экспоненциально-степенной функцией.

3. Исследование новых принципов использования полевых тетродов в усилителях с регулируемым коэффициентом передачи.

4. Исследование влияния входного синфазного сопротивления дифференциального устройства на динамический диапазон телевизионной системы «кабельная линия - дифференциальное устройство» с целью повышения ее помехоустойчивости и качества передачи информации.

5. Исследование возможности применения синхронных детекторов в устройстве для измерения импедансов двухполюсных электрических цепей для повышения точности измерений.

6. Разработка новых принципов работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей.

7. Совершенствование научно-технических основ построения, создание и внедрение в системы различного назначения устройств с повышенными динамическими диапазонами, содержащих многоэлектродные активные элементы.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В работе использованы методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, матричного исчисления, функциональных разложений Вольтерра, аналитических функций многих переменных, комбинаторной математики, численного моделирования на ЭВМ, экспериментальных исследований.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы определяется развитием методов анализа и моделирования радиотехнических устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы, и созданием на этой основе новых устройств для усиления и преобразования радиосигналов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны. Научной новизной, в частности, обладают следующие основные результаты работы.

1. Развитие метода нелинейных токов обобщением его на классы устройств передачи, приема и обработки информации, предназначенных для усиления, регулирования амплитуды и фазы, синхронного детектирования радиосигналов, содержащих многоэлектродные активные элементы, которое достигнуто получением новых соотношений для определения выходного тока активных элементов с произвольным количеством управляющих электродов.

2. Метод моделирования вольт-амперных характеристик ПТ различных типов на основе экспоненциально-степенной аналитической функции, учитывающей основные особенности транзисторов: неидентичность элементарных структур, электростатическую обратную связь, полевую зависимость подвижности, влияние активной подложки и наличие второго затвора в полевых тетродах.

3. Новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном взаимозависимом изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи. Доказано существование определенной функциональной взаимозависимости напряжений смещения первого и второго затворов, при которой достигаются минимальные нелинейные искажения.

4. Повышение качества передачи информации и помехоустойчивости телевизионных систем «кабельная линия - дифференциальное устройство» путем увеличения входного синфазного сопротивления дифференциального устройства.

5. Доказательство возможности применения синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей методом амперметра-вольтметра для повышения точности и помехоустойчивости измерений.

6. Новые принципы работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, позволяющие расширить его функциональные возможности и увеличить диапазон измеряемых величин.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке, создании и внедрении устройств усиления и преобразования радиосигналов с повышенными динамическими диапазонами в радиотехнические и измерительные системы, что позволило повысить качество передачи информации, помехоустойчивость и электромагнитную совместимость этих систем.

Созданы новые методики проектирования радиотехнических устройств, содержащих МАЭ:

1. методика режимной минимизации нелинейных искажений усилителей с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемых аттенюаторов на полевых транзисторах и ее математическое обеспечение;

2. методика определения параметров эквивалентных схем полевых транзисторов.

Разработаны новые устройства для усиления и преобразования радиосигналов. На семь новых устройств получены авторские свидетельства и патенты на изобретения [224, 225, 239, 243, 246, 262, 264], два технических решения защищены свидетельствами на полезную модель [229, 249].

Под руководством и при непосредственном участии автора созданы и внедрены следующие разработки.

1. Корректоры затухания в линии связи (Институт космофизических исследований и аэрономии Якутского филиала Сибирского отделения Академии наук СССР, 1983 г.).

2. Усилитель-ограничитель (п/я А-3565, 1981 г.).

3. Устройства коррекции видеосигналов (Корякская государственная телевизионная и радиовещательная компания «Палана», 2001 г.).

4. Устройства подавления фоновых помех телевизионных сигналов (ООО «Сигма Телеком», г. Сосновоборск Красноярского края, 2005 г.).

5. Кабельные корректоры 2КТВ-3 (Норильский радиотелевизионный передающий центр, г. Норильск, 2000 г.).

6. Устройства коррекции сигналов вещательного телевидения (ООО ИПК «TBC», г. Глазов, Удмуртия, 2001 г.).

7. Кабельные корректоры «Краб» (ООО «Телерадиокомпания «Глазов», г. Глазов, Удмуртия, 2002 г.).

8. Устройство коррекции видеосигналов вещательного телевидения с повышенным входным синфазным сопротивлением (ЗАО «Акционерная компания «Алроса», г. Мирный, республика Саха, Якутия, 2006 г.).

9. Устройство коррекции видеосигналов эфирного телевизионного вещания (Российская телевизионная и радиовещательная сеть, радиотелевизионный передающий центр г. Братск, 2007 г.).

10. Корректор-инвертор (ЗАО «Телерадиокомпания ТВ-2», г.Томск, 2006 г.).

11. Корректор частотно-зависимых потерь в кабельной линии связи (ООО «Студия «Алиса», г. Томск, 2000 г.).

12. Индикатор сопротивлений линий проводного вещания (Томский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г. Томск, 1997 г.).

13. Устройство для измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей (ООО «Вектор», г. Томск, 2007 г.).

14. Измерители сопротивлений линий ИСЛ-А1 (Владивостокский центр электросвязи Приморского филиала ОАО «Дальсвязь», г. Владивосток, 2007 г.).

15. Измерители сопротивлений линий ИСЛ-АФ (ТОО Test Instrument, г. Алматы, респ. Казахстан, 2005 г.).

16. Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Челябинский городской узел электросвязи ОАО «Уралсвязьинформ», г. Челябинск, 2002 - 2005 гг.; Бурятский филиал ОАО «Сибирьтелеком», г. Улан-Уде, 2004 г.).

17. Измерители сопротивлений линий проводного вещания (Ростовский филиал ОАО «Южная телекоммуникационная компания», г. Ростов - на - Дону, 2002 - 2005 гг.).

18. Измерители сопротивлений линий ИСЛ (Витебский филиал Республиканского унитарного предприятия связи БЕЛТЕЛЕКОМ, г. Витебск, республика Беларусь, 2005 г.).

19. Измерители сопротивлений линий (ООО «Белприборкомплект», г. Витебск, республика Беларусь, 2007 г.).

Документы о внедрении разработанных устройств приведены в приложении к диссертационной работе.

Результаты диссертационной работы имеют межгосударственный уровень. Разработанный на основе проведенных исследований и серийно выпускаемый «Измеритель сопротивлений линий» сертифицирован и допущен для применения в качестве средства измерения органами Госстандарта России и республики Беларусь [205, 206].

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники при дипломном проектировании, учебно- и научно-исследовательской работе студентов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по базовым дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Теория управления и радиоавтоматика» для студентов специальностей 210302 «Радиотехника», 210304 «Радиоэлектронные системы», 090103 «Организация и технология защиты информации» и 090104 «Комплексная защита объектов информатизации». На основе результатов представленной работы изданы методические указания «Цифровая запись звука» (1989 г.), рабочая программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочного факультета по дисциплине «Радиоавтоматика» (1990 г.).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Применение многомерных рядов Тейлора для описания зависимых источников тока в эквивалентных схемах многоэлектродных активных элементов позволяет разработать расчетные соотношения для определения токов п-то порядка (п= 1,2,.). Полученные расчетные соотношения расширяют возможности метода нелинейных токов и обобщают его на классы устройств, содержащих многоэлектродные активные элементы: усилители радиосигналов с фиксированным и регулируемым усилением, электрически управляемые аттенюаторы и синхронные детекторы.

Защищаются расчетные соотношения для определения прямой и косвенной составляющих токов нелинейных элементов с произвольным количеством управляющих электродов.

2. Семейства вольт-амперных характеристик полевых транзисторов с различной структурой затворов могут быть аппроксимированы универсальной экспоненциально-степенной функцией. Полученная функция позволяет разработать формализованные нелинейные модели полевых триодов и тетродов с различной структурой затворов.

Защищается аналитическая функция, описывающая совокупности вольт-амперных характеристик полевых транзисторов. В полученной функции учтены особенности, свойственные ПТ с различной структурой затвора: неидентичность элементарных структур, укорочение канала и электростатическая обратная связь, полевая зависимость подвижности носителей в кремнии и арсениде галлия, влияние потенциалов второго затвора в полевых тетродах и подложки в МДП-триодах.

3. Взаимозависимость напряжений смещения первого и второго затворов в полевых тетродах, при которой достигаются уменьшенные нелинейные искажения, близка к линейной. Для реализации выявленной взаимозависимости применяется новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях.

Защищается новый принцип использования полевых тетродов в регулируемых усилителях, заключающийся в одновременном и взаимозависимом изменении напряжений смещения на обоих затворах в процессе регулирования коэффициента передачи.

Защищаются устройства усилителей с регулируемым усилением с уменьшенными нелинейными искажениями в диапазоне изменения коэффициента передачи.

4. Относительный уровень помехи в телевизионной системе «кабельная линия-дифференциальное устройство» обратно пропорционален входному синфазному сопротивлению дифференциального устройства.

Защищается выявленная зависимость относительного уровня помехи в системе связи «кабельная линия - дифференциальное устройство», определяющего нижнюю границу динамического диапазона выходных сигналов, от входного синфазного сопротивления дифференциального устройства, на осно-ве которой разработано радиотехническое устройство, повышающее качество передачи информации и помехоустойчивость работы телевизионных систем.

5. Применение синхронных детекторов в устройстве измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей позволяет реализовать новые принципы работы устройства, увеличить точность измерения и расширить его функциональные возможности.

Защищается новый принцип работы устройства измерения сопротивлений двухполюсных электрических цепей, заключающийся в изменении величины эталонного резистора в зависимости от значения измеряемого сопротивления и позволяющий увеличить диапазон значений измеряемых сопротивлений.

Защищается новый принцип работы устройства измерения импедансов двухполюсных электрических цепей, заключающийся в изменении скважности импульсного сигнала, подаваемого на измерительную цепь при постоянной скважности сигнала на управляющих входах синхронных детекторов, за счет чего достигается измерение модуля и действительной части полного сопротивления измеряемой цепи.

Защищаются результаты расчетов, экспериментальных лабораторных исследований, производственных испытаний разработанных устройств, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные разделы и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007), «Интеллектуальные информационно-телекоммуникационные системы» (Томск, 2006), «Роль и значение телекоммуникаций и информационных технологий в современном обществе» (Ташкент, 2005), «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2005), «Организационно-правовые, финансовые и научно-технические аспекты современного телевидения и радиовещания» (Москва, 1998), на всесоюзных и всероссийских конференциях «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007), «Микроэлектроника и информатика-2007» (Москва, 2007), «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2006), «Научная сессия ТУ СУР» (Томск, 2005, 2006, 2007), «Проблемы информационной безопасности государства, общества и личности» (Томск, 2005, 2006, 2007), «Измерительные комплексы и системы» (Томск, 1981), на семинарах НТОРЭС им А.С.Попова «СВЧ-элементы и узлы радиоприемных устройств» (Москва, 1986), «Нелинейные искажения в радиоприемных и усилительных устройствах» (Москва, 1987), всесоюзном семинаре «Автоколебательные системы и усилители в радиотехнических устройствах» (Рязань, 1987), республиканских конференциях «Генерирование, формирование и применение импульсных сигналов» (Вильнюс, 1984, 1987), на межрегиональных конференциях «Элементы и узлы современной приемной и усилительной техники» (Ужгород, 1991), на региональных конференциях «Молодые ученые и специалисты - ускорению научно-технического прогресса» (Томск, 1986) и «Радиотехнические и информационные системы и устройства» (Томск, 1994), на областных конференциях по радиотехнике, электронике и связи (Томск, 1981, 1985, 1986, 1987).

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты диссертационной работы опубликованы в 58 работах: в 18 статьях и сообщениях в центральной печати, в 16 статьях в сборниках трудов научно-технических конференций; в 11 описаниях к авторским свидетельствам, к патентам на изобретения, к полезным моделям, алгоритмам и программам; в 11 тезисах докладов научно-технических конференций, двух научно-технических отчетах. Из общего количества 35 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, из них без соавторов - 18. Работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при равном творческом участии соавторов.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, двух приложений, списка использованных источников информации, включающего 325 наименований, содержит 240 страниц текста, 72 рисунка и 11 таблиц.