Національна академія наук України,

Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка

Остап Олег Петрович

УДК  621.375.4:621.317.321(043.3)

КОРЕКЦІЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ШУМОВОГО
УЗГОДЖЕННЯ З ДЖЕРЕЛОМ СИГНАЛУ В
ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИХ СИСТЕМАХ

05.11.16 – Інформаційно-вимірювальні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті

ім. Г.В.Карпенка НАН України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий
співробітник Нічога Віталій Олексійович,

провідний науковий співробітник відділу „Відбору і
обробки стохастичних сигналів” Фізико-механічного
інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Поджаренко Володимир Олександрович,

завідувач кафедри метрології і промислової автоматики Вінницького національного технічного університету
Міністерства освіти і науки України, м. Вінниця

доктор технічних наук, професор

Лозинський Орест Юліанович,

директор Інституту енергетики і систем керування
Національного університету „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут метрології

вимірювальних і управляючих систем

(ДНДНІ „Система”), м. Львів

Захист відбудеться 11 грудня 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.35.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Фізико-механічному інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий 8 листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., ст.н.с. В. Д. Погребенник

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. З розвитком інформаційно-вимірювальних систем (ІВС) все частіше постають задачі вимірювання корисних сигналів на рівні власних шумів ІВС. Особливо це характерне під час вимірювання фізичних полів, які несуть в собі значну кількість інформації про об’єкт, який їх породжує, чи це живий організм, чи Земля, чи інший об’єкт стан якого можна досліджувати за зміною розподілу його поля. Пониження порогу чутливості ІВС дозволить отримати інформацію, яка до цього часу була недоступною, і саме ця інформація може значно розширити знання дослідника про той чи інший об’єкт досліджень.

Аналіз питань побудови низькопорогових ІВС показує, що за умови застосування сучасної елементної бази з малим рівнем шумів – питання реалізації максимального співвідношення сигнал/шум на виході підсилювального пристрою (ПП), який стоїть першим за джерелом сигналу, в значній мірі залежить від узгодження чи спряження ПП з джерелом сигналу (шумове спряження – частковий і більш ефективний випадок шумового узгодження). Слід при цьому зазначити, що мова йде про шумове узгодження, умови якого значно відрізняються від умов енергетичного узгодження. До цього часу в більшості практично реалізованих ІВС питання шумового узгодження у смузі частот було вирішене для джерел з активним та ємнісним характером імпедансу, а для джерел сигналу з індуктивним характером імпедансу, які, в першу чергу, застосовуються для вимірювання магнітних полів, режим шумового узгодження забезпечувався лише в одній частотній точці, що значно ускладнювало побудову широкосмугових низькопорогових ІВС на базі таких джерел сигналу.

Для реалізації шумового узгодження підсилювального пристрою ІВС з джерелом сигналу необхідно мати повну інформацію про сигнально-шумові характеристики джерела сигналу і, особливо, ПП. Як показує аналіз робіт, у більшості випадків визначення шумових параметрів проводиться на основі довідкової літератури електронних компонентів, де вони не в достатній мірі висвітлені, і, крім цього, не вирізняються достатньою точністю. Це приводить до підвищення похибки отриманих у такий спосіб результатів розрахунків режиму шумового узгодження джерела сигналу з ПП. Існуючі експериментальні методи визначення цих параметрів не дають необхідної точності, а через свою складність не дозволяють їх автоматизувати.

Таким чином, розробка методів широкосмугового узгодження чи спряження ПП з джерелом сигналу та методу визначення шумових параметрів, точнішого за відомі, дозволить говорити про реалізацію потенційних можливостей електронних компонентів і про забезпечення порогу чутливості на рівні власних шумів ІВС.

Розвинута в даній роботі тема шумового узгодження і спряження базується на доробку багатьох вчених, зокрема, Ван дер Зіла А., Дементьєва Е.,
Жалуда В., Кулєшова В., Отта Г., Нетцера И., Суходоєва И., Мізюка Л.,
Нічоги В., Ґу Дж.-С. та інших в Україні і за кордоном.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Задачі, що розглядаються в даній дисертаційній роботі, є складовою частиною наукових проектів, які здійснюються у відділах „Відбір і обробка стохастичних сигналів”, „Методи і системи обробки, аналізу та ідентифікації зображень” Фізико-механічного інституту НАН України та на кафедрі “Радіоелектронні пристрої та системи” Національного університету "Львівська політехніка".

Дослідження, висвітлені в дисертаційній роботі, проводилися згідно з планом науково-дослідних робіт Фізико-механічного інституту НАН України в рамках держдоговору №1373 „Виготовлення, налагодження, випробування робочих взірців і контрольно-вимірювального пульту давачів „Каскад” бортової апаратури „Інфразвук”” та Національного університету "Львівська політехніка" в рамках держбюджетної теми ДБ "Зондування" (номер держ. реєстрації 0102U001180), де автор брав участь як виконавець.

Мета роботи: метою дисертаційної роботи є розробка методу корекції шумових характеристик підсилювального пристрою ІВС для реалізації шумового спряження з джерелом сигналу, яке має індуктивний характер імпедансу, в смузі частот і одержання, таким чином, у цій смузі максимального відношення сигнал/шум на виході.

Для досягнення цієї мети передбачено розв’язання таких задач:

·

·

·

·

·

·

Об’єктом дослідження є підсилювальні пристрої низькопорогових ІВС з джерелом сигналу на вході, яке має індуктивний характер імпедансу.

Предметом дослідження є методи корекції та визначення шумових характеристик підсилювальних пристроїв ІВС.

Методи дослідження. Для розв’язання поставлених задач застосовувалися методи системного аналізу, методи аналізу електронних схем та математичного моделювання, методи прикладного та системного програмування, експериментальні методи досліджень, методи цифрової обробки сигналів. Для експериментального визначення шумових параметрів застосовано статистичні методи апроксимації залежностей, а саме, аналітичний розв’язок методу найменших квадратів та ітераційний метод Левенберга-Маквардта.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

·

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів. Отримані у дисертаційній роботі результати доцільно використовувати при проектуванні ІВС в радіотехніці, радіозв’язку, телекомунікаціях, автоматичному керуванні, під час побудови низькопорогових приймальних систем в георозвідці, при вимірюваннях параметрів електричних і магнітних полів в апаратурі прогнозування землетрусів за змінами електромагнітного поля, під час космічних досліджень та в інших галузях науки і техніки. Мова йде про ті напрямки науки і техніки, де потрібні ІВС з порогом чутливості, який співмірний з власними шумами ПП та джерела сигналу.

Запропонований метод експериментального визначення шумових параметрів канонічної моделі ПП дозволяє розробити повністю автоматизовану систему визначення шумових параметрів забезпечуючи, при цьому, значно меншу похибку цих параметрів за існуючі (для енергетичних параметрів зменшення похибки у 1.3-1.6 рази, для кореляційних у 5-7 разів). Разом з цим вимірювально-обчислювальний комплекс, макет якого було побудовано, придатний для вимірювання та аналізу інших корисних сигналів.

Розроблений метод розрахунку параметрів фізичної моделі ПП відкриває можливість дослідження внутрішніх флуктуаційних процесів у транзисторах, а саме, впливу різного роду дефектів та інших факторів на флуктуаційні процеси, що відбуваються всередині транзистора, тим самим даючи інформацію для удосконалення систем контролю якості напівпровідникових пристроїв.

Запропонований метод розрахунку частотних залежностей шумових параметрів канонічної моделі, крім того, що дозволив розробити коректуючі ланки шумових характеристик ПП, відкриває можливість оцінити вплив елементів ПП на його шумові характеристики і запобігти, таким чином, необдуманому підвищенню порогу чутливості вимірювальних систем чи приладів.

Розроблений метод корекції шумових характеристик ПП дозволяє побудувати ІВС з максимально можливим відношенням сигнал/шум, яке можуть забезпечити застосовані у ній елементи, оскільки він дає змогу проводити шумове спряження у смузі частот індукційного давача сигналу з ПП, в противагу до існуючих, де цей режим реалізується в одній частотній точці.

Новий алгоритм шумового спряження у смузі частот індукційного давача сигналу та ПП, який включає в себе методи та методики розроблені у дисертаційній роботі, дозволяє забезпечити шумове спряження на практиці, визначаючи при цьому кроки від вибору джерела сигналу до експериментального підтвердження режиму шумового спряження в ІВС.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Основні результати, отримані при виконанні дисертаційної роботи, застосовуються в навчальному процесі Національного університету “Львівська політехніка” під час викладання дисциплін: “Схемотехніка прецизійної РЕА”, “Аналогові електронні пристрої”, “Методи приймання та обробки сигналів”, “Радіоелектронні пристрої та системи захисту інформації”.

Результати роботи також використані під час побудови ІВС “Каскад”, яка була розроблена з врахуванням результатів дисертаційної роботи, особливо в частині шумового спряження у смузі частот індукційного давача та ПП. Практичну цінність отриманих результатів підтверджують акти впровадження, отримані в Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України, Національному університеті “Львівська політехніка”, Державному науково-дослідному підприємстві “Конекс”, Львівському інституті космічних досліджень НАН України, Російському ракетному комплексі „Енергія” ім. С.П.Корольова.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно виконана основна частина теоретичних досліджень, практичних експериментів та комп’ютерного моделювання. У публікаціях, написаних у співавторстві, автору належить: аналіз шумових моделей ПП [1,2], аналіз впливу типу дефектів та їх локалізації на шумові параметри ПП 3,6,7,12, розробка та експериментальне випробовування нового методу визначення шумових параметрів канонічної моделі ПП 4,8,10, розробка та практична реалізація вимірювально-обчислювального комплексу 4,8,10, розробка методу визначення характеристик фізичних шумових джерел у біполярному транзисторі та методу аналітичного розрахунку частотних залежностей шумових параметрів канонічної моделі ПП 9,11, дослідження впливу різного роду від’ємних зворотних зв’язків на шумові параметри канонічної моделі ПП, розробка коректуючих ланок для ПП з метою його шумового спряження у смузі частот з індукційним джерелом сигналу та методу розрахунку параметрів цих ланок 5.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи представлено на 4 науково-технічних конференціях, на яких здійснено 4 доповіді, а саме:

1. 15-а Відкрита науково-технічна конференція молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України (КМН-2000), Львів, 16-18 травня 2000 р.

2. 6-а міжнародна науково-технічна конференція “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці” CADSM’2001, Львів-Славсько, 12-17 лютого 2001 р.

3. 16-а Відкрита науково-технічна конференція молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України (КМН-2001), Львів, 16-18 травня 2001 р.

4. Міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп’ютерної інженерії та підготовки кадрів” TCSET’2002, Львів-Славсько, 11-16 лютого, 2002 р.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 12 роботах, 7 з яких - статті у фахових виданнях з переліку, затвердженого ВАК України.

Структура і об’єм дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатків, що викладені на 184 сторінках. Дисертація містить 85 ілюстрацій обсягом 29 стор., 1 таблицю на 1 стор., вісім додатків на 30 стор. і список використаних джерел з 148 назв на 13 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми шумового спряження у смузі частот ПП з індукційним джерелом сигналу, показано її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Наведено дані про впровадження результатів роботи, особистий внесок автора та публікації.

Перший розділ “Аналіз фізичних джерел шумів у підсилювальних пристроях” присвячений аналізу флуктуаційних процесів, що відбуваються в ПП.

Проведено аналіз властивостей теплових, дробових та надлишкових шумів напівпровідникових елементів. Основна увага приділена надлишковим шумам, оскільки вони у більшості випадків переважають над іншими, особливо у низькочастотному діапазоні.

Досліджено вплив типу та локалізації дефектів на характеристики флуктуаційних процесів, детально проаналізовано їх вплив на корельованість шумових джерел (гкб, гбе) у фізичній моделі біполярного транзистора (рис.1), що дало змогу говорити про необхідність врахування цього факту для пониження похибки моделювання і, відповідно, подальшого аналізу шумових властивостей та наголосити на необґрунтованості нехтування цим у більшості наукових досліджень.

У другому розділі “Визначення шумових параметрів підсилювальних пристроїв” розроблено метод визначення шумових параметрів ПП, вимірювально-обчислювальний комплекс на його основі та метод розрахунку частотних залежностей шумових параметрів ПП.

В першу чергу було проведено аналіз існуючих шумових моделей та параметрів ПП з метою вибору оптимальної моделі для задачі шумового спряження. А саме, проаналізовано моделювання шумів ПП одним шумовим джерелом, включеним на вході, множиною з трьох та чотирьох статистично незалежних джерел, базовою, канонічною та моделлю з винесеною провідністю. Проведений аналіз показав, що оптимальною, з погляду точності моделювання, простоти вимірювань та подальшого аналізу, є канонічна шумова модель ПП (рис.2), яка має три шумових параметри: , та комплексний коефіцієнт кореляції еквівалентних джерел шумів.

Оскільки для успішного моделювання шумових властивостей ПП необхідно знати значення параметрів канонічної моделі, було проаналізовано існуючі методи їх визначення і виявлено високу похибку експериментально визначених параметрів. Особливо значні похибки складових коефіцієнта кореляції і , які досягають 25% навіть за умови використання приладів з похибкою <1%. Крім цього, відомі методи вимагають використання режимів короткого замикання та холостого ходу на вході, які інколи неможливо забезпечити.

Ці негативні сторони стали причиною розробки нового методу визначення шумових параметрів, що базується на теорії апроксимації, яка дозволяє апроксимувати експериментально зняті криві залежностей аналітичними виразами.

Для канонічної шумової моделі (рис.2.) рівень шуму на виході запишеться:

, (1)

де: - імпеданс джерела сигналу підключеного до входу ПП; k – стала Больцмана; Т – абсолютна температура джерела сигналу; – еквівалентна шумова смуга; , – відповідно, вхідний опір та коефіцієнт підсилення ПП. Якщо експериментально виміряти криву залежності рівня потужності шумів на виході ПП від імпедансу шунтуючого опору , під’єднаного до входу , (рис.3) та апроксимувати її аналітичною залежністю (1), отримаємо значення шумових параметрів.

Апроксимація проводилась методом найменших квадратів (МНК) за яким передбачається розв’язок задачі:

, (2)

де: - вектор шумових параметрів після розв’язання задачі; - область допустимих значень параметрів; - функціонал, який необхідно мінімізувати:

, (3)

де: - вектор шуканих параметрів; - кількість експериментально знятих точок кривої; - коефіцієнти довіри до кожної експериментальної точки ; - апроксимаційна залежність; - значення шунтуючого опору , при якому вимірювалась точка .

Задачу апроксимації розбито на два етапи: визначення початкових значень аналітичним розв’язком МНК та остаточне уточнення ітераційним методом Левенберга-Маквардта. Це пов’язано з тим, що аналітичний розв’язок МНК не дав необхідної точності і можливості врахувати коефіцієнти довіри до кожної експериментальної точки, а ітераційний вимагає початкових (стартових) значень шумових параметрів.

Аналітичний розв’язок МНК полягає в розв’язанні системи рівнянь:

. (4)

Безпосереднє застосування у (3) як апроксимуючого виразу (1) приводило до неадекватних результатів (від’ємні або комплексні значення параметрів), тому було застосовано поліном другого порядку:

, (5)

якому відповідає перший множник у виразі (1). Через це експериментальні дані перетворюються до поліноміальної залежності оберненим другим множником виразу (1). Таким чином, для визначення початкових значень шуканих параметрів в (4) було застосовано функціонал:

, (6)

де - рівень потужності шуму (рис.3) при під’єднанні шунтуючого опору xi.

В (6) не застосовуються коефіцієнти довіри , оскільки їх використання знову ж таки приводило до неадекватних результатів. Розв’язавши (4), отримуємо початкові значення a, b, c для ітераційного методу мінімізації Левенберга-Маквардта:

, (7)

де: i відповідно значення вектора параметрів на k-ій та (k-1)-ій ітераціях; – вектор градієнтів функціоналу на k-1-ій ітерації; – матриця, елементи якої визначаються на основі других похідних функціоналу . Функціонал (3) для ітераційного методу записується:

, (8)

В нього вже включені коефіцієнти довіри , які розраховуються на основі похибок вимірювання:

, (9)

де - похибка викликана неточністю вимірювання параметра р, який необхідний для розрахунку шумових параметрів ПП. Це дозволяє понизити вплив експериментальних точок, які піддаються найсильнішому впливу похибок вимірювань.

Маючи остаточні значення a, b, c, розраховуються значення шумових параметрів:

(10)

Оскільки основна частина похибок виникає під час експериментальних вимірювань, а відомі методи вимірювань не забезпечували необхідної точності та універсальності, було розроблено та побудовано вимірювально-обчислювальний комплекс. Відповідно до його структурної схеми (рис.4) на вхід дослідного ПП /2/ під’єднуються шунтуючі опори /1/, з його виходу шумовий сигнал підсилюється низькопороговим ПП (НПП) /3/, фільтрується фільтром низьких частот (ФНЧ) /4/ (для усунення похибок дискретизації), перетворюється у цифрову форму аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП) /5/ і передається в обчислювальну частину, що складається з електронно-обчислювальної машини (ЕОМ) /6/.

Рис.4. Структурна схема вимірювально-обчислювального комплексу.

Обчислювальна частина комплексу закладена в ЕОМ і складається з програми цифрової обробки сигналів у якій розраховуються спектральні густини при під’єднанні кожного шунтуючого опору та програми обчислення шумових параметрів. На основі розрахованих спектральних густин ЕОМ обчислює криві залежності рівня шумів від номіналу шунтуючого опору (рис.3) в діапазоні пропускання фільтра і за допомогою вище описаного методу розраховує шумові параметри ПП для цього діапазону.

Для досягнення мети роботи, а саме, розробки методу корекції шумових характеристик ПП, необхідно дослідити вплив на ці характеристики елементів схеми ПП. Оскільки експериментальне дослідження впливу елементів, що вносяться, трудомістке, а теоретичне має значну похибку, було розроблено гібридний метод. Суть його полягає в тому, що за визначеними експериментально шумовими параметрами канонічної моделі (рис.2) розраховуються параметри фізичної шумової моделі (рис.5) за виразами:

(11)

де , , - відповідно Y-параметри ПП, активна та реактивна їх складові. Знаючи параметри фізичної моделі та вносячи нові елементи у схему ПП, розраховують параметри канонічної моделі:

(12)

де знак “*” означає комплексне спряження.

Відповідно до цього методу було розроблено програмне забезпечення та досліджено вплив від’ємних зворотних зв’язків на шумові характеристики ПП.

У третьому розділі “Спряження у смузі частот індукційного давача сигналу з підсилювальним пристроєм в ІВС” проведено розробку методу корекції шумових характеристик ПП для забезпечення шумового спряження у смузі частот ПП з індукційним давачем сигналу та розроблено алгоритм на його основі.

Шумове узгодження давача сигналу із ПП полягає в забезпеченні мінімального впливу власних шумів ПП на корисний сигнал джерела сигналу шляхом підбору модуля імпедансу джерела сигналу чи цілого ПП. Умова для його розрахунку записується:

, (13)

де F – коефіцієнт шуму на виході ПП.

У свою чергу шумове спряження передбачає окремий підбір і активної, і реактивної складової імпедансу джерела сигналу чи кореляційних шумових характеристик ПП. Умова для його розрахунку записується:

(14)

Як видно з (13-14) шумове спряження є частковим випадком шумового узгодження і забезпечення умови шумового спряження (14) означає забезпечення умови шумового узгодження (13). Саме реалізація шумового спряження дозволяє оптимально понизити вплив власних шумів ПП на чутливість ІВС.

Проведений аналіз методів шумового спряження показав, що для ІВС з індукційними давачами сигналу розроблено лише “точковий” метод спряження, при якому режим спряження забезпечується в одній частотній точці і, крім цього, він вимагає корекції імпедансу джерела сигналу, що приводить до зміни потужності корисного сигналу, або вимагає застосування узгоджуючого трансформатора, що у свою чергу вносить додаткові джерела шумів. У зв’язку з цим було розроблено метод корекції шумових характеристик ПП, який дозволяє утворити ПП, який для забезпечення режиму шумового спряження у смузі частот вимагає давача сигналу із індуктивним характером імпедансу. Основою методу є схема (рис.6.), яка дозволяє досягти виродження вхідного опору ПП за допомогою змінного з частотою опору , тобто утворити ПП, у якого залежність вхідного опору відповідає від’ємній індуктивності. Для розширення смуги частот у якій вхідний опір є виродженим, було внесено додатковий паралельний за напругою від’ємний зворотний зв’язок (С1 R1) (рис.7).

Це дало змогу досягнути збігу оптимальної провідності джерела сигналу для шумового спряження (Xопт) з провідністю індукційного давача сигналу (XL) у значно ширшій смузі частот (рис.8а) у порівнянні з відомим “точковим” методом спряження (рис.8б), Що дозволило реалізувати режим шумового спряження, тобто забезпечити максимальне відношення сигнал/шум на виході ПП, у значній смузі частот (400Гц – 2кГц на рис.9).

Маючи такі методи: визначення шумових параметрів ПП, розрахунку частотних характеристик шумових параметрів ПП та метод корекції шумових характеристик ПП, - було розроблено алгоритм практичного проведення шумового спряження ПП з індукційним давачем сигналу у структурі ІВС (рис.10). Відповідно до цього алгоритму вибирається деякий індуктивний давач сигналу /1/, ПП /2/, за допомогою вимірювально-обчислювального комплексу (рис.4) визначаються його шумові параметри /3/, з шумових параметрів канонічної моделі ПП розраховуються за (11) параметри фізичної шумової моделі (рис.5) /4/.

Оскільки внесення коректуючих ланок у схему ПП приводить до зміни шумового опору , який безпосередньо впливає на розрахунок шумового спряження, то ця зміна відповідно враховуватиметься в подальших кроках алгоритму, а на етапі /5/ апроксимується залежність шумового опору від глибини зворотних зв’язків (рис.11) логарифмічною кривою:

, (15)

де: a, b – коефіцієнти, які визначаються на основі розрахунків впливу ланок корекції на шумові параметри; Ku, K1 – коефіцієнти підсилення відповідно до і після внесення ланок корекції.

Від глибини зворотних зв’язків також залежить ефективність шумового спряження, тобто наскільки відрізняється потужність власних шумів ПП при шумовому спряженні до і після корекції шумових характеристик ПП (рис.12). Відносна різниця цих потужностей апроксимується лінійною залежністю /6/:

, (16)

де g – параметр лінійної регресії, який визначається на основі розрахунків впливу ланок корекції на шумові параметри.

Маючи залежність (16) та розглядаючи ПП в структурі ІВС, тобто додатково враховуючи власні шуми наступного ПП (рис.13) визначається оптимальна глибина зворотних зв’язків /7/ з умови мінімуму коефіцієнта шуму в розрізі А . Після чого відповідно до визначеного оптимального значення глибини зворотних зв’язків розраховуються /8/ номінали елементів коректуючих ланок (рис.7)

Далі за (12) розраховуються частотні залежності шумових параметрів /9/, визначається /10/ реактивна складова коефіцієнта кореляції на середині смуги спряження () і перевіряється умова спряження /11/ для давача сигналу з індуктивністю L. Якщо ця умова не виконується на етапі /12/, пробуємо добитись її виконання паралельним з’єднанням ПП, після чого знову перевіряємо умову /13/; якщо умова спряження знову ж не виконується, необхідно замінити ПП. При забезпеченні цієї умови за потребою проводиться корекція активної складової імпедансу джерела сигналу /14-15/. Завершальним етапом є експериментальна перевірка співпадіння розрахованих частотних залежностей шумових параметрів ПП з реальними, і за необхідності проводиться незначна корекція імпедансу джерела сигналу /16/.

Відповідно до цього алгоритму було проведено шумове спряження індукційного давача сигналу “Каскад” (рис.14) з ПП у смузі частот від 400Гц до 3кГц, що видно з частотних залежностей провідності (рис.15).

Розроблений метод шумового спряження індукційного давача сигналу з ПП забезпечує режим шумового спряження у смузі частот, яка більша в 5-6 раз за смугу частот для відомого “точкового” методу спряження, якщо порівнювати смуги збігу провідності давача сигналу та оптимальної провідності за критерієм похибки 20%.

ВИСНОВКИ

У роботі розв’язано низку наукових задач пов’язаних з моделюванням та експериментальним визначенням шумових параметрів канонічної моделі підсилювальних пристроїв, з методами розрахунку частотних залежностей цих параметрів, а також з методами корекції шумових характеристик підсилювальних пристроїв для реалізації шумового спряження давача сигналу з вхідним підсилювальним пристроєм ІВС. Зокрема було отримано такі результати:

1. Проведено аналіз впливу типу та локалізації дефектів у напівпровідникових елементах на характеристики флуктуаційних процесів, що дало змогу класифікувати їх та вказати на значний вплив цих дефектів на корельованість еквівалентних шумових джерел у фізичних моделях підсилювального пристрою. Врахування цієї корельованості значно підвищує точність моделювання шумових властивостей, хоча у більшості відомих моделей чи у подальшому аналізі на їх основі цією корельованістю необґрунтовано нехтують, вважаючи, що вона відсутня.

2. Проведено дослідження та аналіз шумових моделей підсилювальних пристроїв та методів визначення їх параметрів, в результаті чого розроблено новий метод визначення шумових параметрів канонічної шумової моделі підсилювального пристрою на основі апроксимації експериментально виміряної залежності рівня потужності шумів підсилювального пристрою від імпедансу джерела сигналу. Розроблений метод дозволяє понизити похибку визначення шумових параметрів канонічної моделі підсилювального пристрою – в 1.3-1.6 рази для енергетичних параметрів , та в 5-7 разів для коефіцієнта кореляції, в порівнянні з існуючими методами. Крім цього запропонований метод не вимагає використання режимів холостого ходу та короткого замикання під час вимірювань.

3. Розроблено та виготовлено експериментальний напівавтоматичний вимірювально-обчислювальний комплекс з необхідним алгоритмічним і програмним забезпеченням. Макет комплексу було практично використано під час проведення численних експериментів з визначення шумових параметрів підсилювальних пристроїв побудованих на транзисторах та операційних підсилювачах.

4. Запропоновано методику визначення фізичних шумових джерел біполярного і уніполярного транзисторів на основі експериментально визначених параметрів канонічної шумової моделі підсилювального пристрою. На відміну від існуючих методик, де у більшості досліджень застосовувались лише теоретичні шляхи визначення фізичних шумових джерел, запропонована методика усуває похибки теоретичних розрахунків, що виникають через неточність математичних моделей і дозволяє дослідити вплив різного роду факторів на флуктуаційні процеси, які відбуваються в об’ємі напівпровідників.

5. Проведено аналіз залежності шумових параметрів канонічної шумової моделі підсилювального пристрою від параметрів фізичних шумових джерел та було виявлено схемну кореляцію еквівалентних шумових джерел у канонічній шумовій моделі підсилювального пристрою навіть за повної статистичної незалежності фізичних джерел шуму, хоча до цього часу вважалось що ця модель позбавлена цього. Врахування даної корельованості дозволило збільшити точність моделювання шумових характеристик підсилювального пристрою. Крім цього, аналіз цих залежностей показав, що реактивна корельованість еквівалентних джерел шумів у канонічній моделі підсилювального пристрою викликана лише схемною кореляцією, що до цього часу не було відомим. Це дозволило розробити методи корекції шумових характеристик підсилювального пристрою.

6. Використовуючи аналітичні залежності шумових параметрів канонічної шумової моделі підсилювального пристрою від параметрів фізичних шумових джерел та аналізуючи вплив від’ємних зворотних зв’язків на шумові характеристики підсилювального пристрою, було вперше розроблено метод корекції шумових характеристик підсилювального пристрою, що дозволяє забезпечити режим шумового спряження у смузі частот з джерелом сигналу, імпеданс якого має індуктивний характер. Відомі ж методи забезпечують цей режим для даного джерела сигналу лише в одній частотній точці.

7. Базуючись на теоретичних та практичних розробках дисертаційної роботи було вперше розроблено алгоритм практичного проведення шумового спряження у смузі частот підсилювального пристрою з джерелом сигналу, що має індуктивний характер імпедансу. Алгоритм визначає кроки від вибору джерела сигналу до експериментального підтвердження режиму шумового спряження. Крім цього в ньому підсилювальний пристрій та джерело сигналу розглядається як частина ІВС, в якій на загальну чутливість впливають також шуми наступних вузлів підсилення. Відповідно до цього алгоритму було проведено шумове спряження індукційного давача “Каскад” з підсилювальним пристроєм, що підтверджено актом впровадження.

Отримані у роботі результати та запропоновані підходи, які застосовано для утворення підсилювального пристрою з необхідними частотними залежностями шумових характеристик, також можуть бути використані до розв’язку задач дослідження, аналізу, моделювання та корекції шумових характеристик інших модулів ІВС, що знову ж таки підтверджують акти впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Нічога В.О., Шабельников В.Г., Дуб П.Б., Трохим Г.Р., Остап О.П. Інформаційно-вимірювальна система “Каскад” для діагностики низькочастотних магнітних полів на космічній станції “Мир” // Відбір і обробка інформації. – 2003. - №18(94). - С.40-46.

2. Нічога В., Остап О., Дуб П. Аналіз шумових параметрів та еквівалентних шумових схем підсилювальних пристроїв (огляд) // Вісник НУ “Львівська політехніка”: Радіоелектроніка та телекомунікації. – 2000. - №399. - С. 65-75.

3. Нічога В.О., Остап О.П., Дуб П.Б. Вплив типу та локалізації дефекту в транзисторах на шумові параметри підсилювачів // Вісник НУ “Львівська політехніка”: Радіоелектроніка та телекомунікації. – 2001. - № 428. - С. 74-82.

4. Нічога В.О., Остап О.П., Дуб П.Б. Новий підхід до вимірювання шумових параметрів підсилювальних пристроїв // Электроника и связь. – 2000. - №9. - С.34-38.

5. Нічога В.О., Остап О.П., Дуб П.Б. Шумове спряження індукційного давача сигналу з підсилювальним пристроєм // Відбір і обробка інформації. – 2002. - №17(93). - С.91-95.

6. Нічога В.О., Остап О.П., Дуб П.Б. Шумові властивості контактних дефектів у біполярному транзисторі // Відбір і обробка інформації. – 2002. - №16(92). - С.28-32.

7. Остап О. Залежність шумових параметрів підсилювача від дефектів у транзисторі // Матеріали відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України (КМН-2001). – Львів: ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України. – 2001. – С.135-138.

8. Остап О. Метод визначення шумових параметрів підсилювальних пристроїв на основі апроксимації // Матеріали відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В.Карпенка НАН України (КМН-2000). – Львів: ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України. – 2000. – С.78-79.

9. Остап О.П. Аналітичний розрахунок частотних залежностей шумових параметрів канонічної моделі підсилювального пристрою. // Вісник НУ “Львівська політехніка”: Радіоелектроніка та телекомунікації. - 2002. - № 440. - С. 171-177.

10. Nichoga V., Ostap O., Dub P. Determination amplifying devices noise parameters with the help of a computer // Proc. international conf. “The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics (CADSM’2001). – Slavsco(Ukraine). – 2001. – P.55-57.

11. Nichoga V., Ostap O., Dub P. Frequency dependence of the amplifier canonical model noise parameters // Proc. international conf. “Modern problems of radioengeneering, telecommunications and computer science” (TCSET’2002). – Slavsco(Ukraine). – 2002. - P.152-154.

12. Ostap O. Dependence of transistor noise parameters on type and localization of defects // Abstracts of XVI open scientific and technical conference of young scientists and specialists of the Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine (YSC-2001). – Lviv: Karpenko Physico-Mechanical Institute of NAS of Ukraine. – 2001. – P.42-42.

АНОТАЦІЇ

Остап О.П. Корекція характеристик підсилювальних пристроїв для реалізації шумового узгодження з джерелом сигналу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 – інформаційно-вимірювальні системи. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, Львів, 2003р.

Дисертація присвячена розробці методу корекції характеристик підсилювального пристрою з метою реалізації шумового спряження у смузі частот з індукційним давачем сигналу. Для досягнення поставленої мети розроблено метод визначення шумових параметрів канонічної шумової моделі підсилювача. Апробація створеного на його основі вимірювально-обчислювальний комплексу підтвердила значне зменшення похибки у порівнянні з існуючими. Розроблено метод аналізу впливу додаткових елементів схеми підсилювача на частотні залежності його шумових параметрів. Створено метод корекції характеристик підсилювача, який за допомогою внесення додаткових коректуючих ланок у схему дозволяє утворити підсилювач, для якого оптимальна провідність давача сигналу для шумового спряження з ним у смузі частот має індуктивний характер імпедансу. Це дозволяє провести шумове спряження з індукційним давачем сигналу у цій смузі. На основі розроблених методів та методик створено алгоритм спряження підсилювача з індукційним давачем сигналу в смузі частот, який визначає кроки від вибору джерела сигналу до експериментального підтвердження режиму шумового спряження, а також враховує вплив шумів наступних підсилювачів ІВС.

Ключові слова: підсилювальний пристрій, шуми підсилювального пристрою, визначення шумових параметрів, канонічна модель, шумове узгодження, шумове спряження, індукційний давач сигналу.

Остап О.П. Коррекция характеристик усилительных устройств для реализации шумового согласования с источником сигнала в информационно-измерительных системах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 – информационно-измерительные системы. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2003г.

Диссертация посвящена разработке метода коррекции характеристик усилительных устройств с целью реализации шумового согласования в полосе частот с индукционным источником сигнала. Для достижения этой цели был разработан метод определения шумовых параметров канонической модели усилителя. Апробация созданного на его основе измерительно-вычислительного комплекса подтвердила значительное уменьшение погрешности в сравнении с существующими. Разработан метод анализа влияния дополнительных элементов схемы усилителя на частотные зависимости его шумовых параметров. Создан метод коррекции характеристик усилителя, который с помощью внесения дополнительных корректирующих цепей в схему усилителя позволяет создать усилитель, для которого оптимальная проводимость источника сигнала для шумового сопряжения с ним в полосе частот имеет индуктивный характер импеданса. Это позволяет проводить шумовое сопряжение с индукционным источником сигнала в этой полосе. На базе разработанных методов и методик создан алгоритм шумового сопряжения с индукционным источником сигнала в полосе частот, который определяет шаги от выбора источника сигнала до экспериментального подтверждения режима согласования, и, кроме этого, учитывает шумы последующих усилителей информационно-измерительной системы.

Ключевые слова: усилительное устройство, шумы усилительного устройства, определение шумовых параметров, каноническая модель, шумовое согласование, шумовое сопряжение, индукционный источник сигнала.

OstapCorrection of amplifier characteristics to achieve noise matching with signal sources in information-measuring systems. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 05.11.16 – information-measuring systems. Karpenko Physico-Mechanical Institute of NAS of Ukraine, Lviv, 2003.

This thesis is devoted to development of a method of amplifier characteristics correction to achieve noise conjugation as a special case of noise matching in frequency band with an inductive signal source. Noise matching consists in achieving minimal influence of amplifier noise on useful signal by adapting the signal source impedance module to the amplifier noise resistance or vice versa. On the other hand, noise conjugation demands selection of both real and imaginary parts of the impedance.

To achieve the dissertation aim, at first, behavior of the amplifier noises was analyzed, that allowed to speak about considerable correlation between fluctuation processes in the amplifier. This correlation was neglected without validity in most investigations that increased errors of modeling and further analysis. Therefore all modeling and analysis in this work were conducted with taking into account correlation between noise sources.

To increase accuracy of amplifier noise behavior modeling, especially accuracy of statistic dependencies, a new method of noise amplifier parameters determination was worked up on the basis of approximation of the experimentally measured dependency of the output noise power on the signal source impedance. Approximation is made in two stages, at first, the initial values are calculated by analytical solution of the least-squares method and, at second, the noise parameters are determined finally more accurate by the iteration Levenberg-Marquardt method, that allows to take into consideration the confidence coefficients for each experimental point. These coefficients are calculated on the basis of the measuring errors of signal and noise values. The proposed method decreases amplifier noise parameters estimation error, especially that of correlation coefficient, which estimation error in the existent methods is 5-7 times bigger than in the proposed method. Moreover, this method does not demand short and open circuit measuring modes, which realization is sometimes impossible. Using this method a measuring-computing system was elaborated and practically tested. This system allows semi-automatic estimation of amplifier noise parameters in a wide frequency range.

To decrease the number of experimental measurements during investigation of influence of the additional scheme