ВІННИЦЬКИЙ національний ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Фурса світлана євгенівна

УДК 621.3.016.35;621.3.088.3

Елементи та пристрої автоматики на

основі транзисторних оптонегатронів

Спеціальність 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Вінницькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Філинюк Микола Антонович,

Вінницький національний технічний університет,

завідувач кафедри проектування комп’ютерної

та телекомунікаційної апаратури.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Кожем’яко Володимир Прокопович,

Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

доктор технічних наук, професор

Самотий Володимир Васильович,

Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри комп’ютеризованих систем автоматики.

Провідна установа: Інститут кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України, відділ перетворювачів форми інформації, м. Київ.

Захист відбудеться “_25_”_05_ 2007р. о _1200_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05.052.01 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95, ГУК, к. 210.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий “_20_”__04__ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Захарченко С.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Технічні параметри інформаційних систем та систем керування в значній мірі визначаються пристроями, що входять до їхнього складу. Ефективність цих пристроїв залежить від використаної елементної бази. Вдосконалення та розвиток інформаційних систем неможливі без пошуку принципово нових підходів до реалізації елементів та пристроїв автоматики, що мали б високу чутливість, точність, підвищену швидкодію та надійність, відносно малий об’єм елементів, широкий робочий діапазон та мале споживання енергії.

В багатьох випадках цим вимогам відповідають оптонегатрони – електронні прилади, що в деякому режимі роботи мають негативне значення основного диференційного параметра (негативний активний опір, індуктивність, ємність), поєднане із оптичними властивостями. Науковий напрямок "Оптонегатроніка" був вперше визначений д.т.н., професором М. А. Філинюком в 2001 році. Цьому передувала публікація ряду робіт радянських та закордонних авторів, таких як І. Д. Абезгауз, Ф. Бенінг, Ганн (J.B. Gunn), С. А. Гаряінов, В. П. Дьяконов, Л. Есакі (L. Esaki), Ф. Д. Касимов, В. П. Кожемяко, В. М. Кичак, О. В. Лосєв, О. Н. Негоденко, В. С. Осадчук, Л. Н. Степанова, А. С. Тагер, У. Шоклі (W.та ін., в яких узагальнені результати як теоретичних так і практичних досліджень. Кожна з цих публікацій внесла значний вклад в розвиток негатроніки та оптонегатроніки.

Оптонегатрони є багатофункціональними електронними приладами, використання яких дозволяє покращити техніко-економічні показники елементів та пристроїв автоматики, підвищити їх ефективність та створити якісно нові елементи на основі оптонегатронів. Проте на даний час відсутні систематичні теоретичні основи побудови елементів та пристроїв автоматики на оптонегатронній основі. Недослідженість важливих питань стійкості, чутливості, підсилювальних та невзаємних властивостей оптонегатронів як узагальнених перетворювачів імітансу (УПІ) та електронних схем на їх основі вказує на актуальність проведених в дисертації досліджень. Проблеми стійкості та чутливості актуальні для елементів на основі оптонегатронів ще й тому, що вони є потенційнонестійкими, і тому є більш чутливими до зміни різних параметрів схеми.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у Вінницькому національному технічному університеті згідно з планом наукових досліджень Вінницького національного технічного університету і Міністерства освіти і науки України в рамках держбюджетних тем “Дослідження фізико-технічних процесів в багатоелектродних потенційно-нестійких структурах і розробка методів та засобів моделювання енергетично-ефективних інформаційних пристроїв на базі принципів динамічної негатроніки” (2003–2004 рр.), номер державної реєстрації 0102U002259, “Аналіз і синтез RLC-негатронів на базі напівпровідникових структур і створення на їх основі високоефективних інформаційних пристроїв” (2005–2007 рр.), номер державної реєстрації 0105U002414 і відповідає пріоритетному напрямку розвитку науки та техніки в Україні “5. Нові комп’ютерні засоби та технології інформатизації суспільства”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є покращення технічних характеристик (розширення функціональних можливостей; збільшення гальванічного розв’язку, ступеня мініатюризації) елементів та пристроїв автоматики за рахунок використання нових оптонегатронних елементів (комбінованих динамічних оптонегатронів) та зв’язків між ними.

Для досягнення поставленої мети розв’язувалися такі задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Об’єктом дослідження є процес перетворення оптичного опромінювання в електричні сигнали в спеціалізованих пристроях обробки інформації з частотним представленням.

Предметом дослідження є транзисторні комбіновані оптонегатрони, елементи та пристрої автоматики на основі таких оптонегатронів та їх характеристики.

Методи дослідження. Використані в дисертаційній роботі методи базуються на: теорії матриць та теорії комплексних чисел для розробки математичних моделей чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона; методах розрахунку електронних схем для побудови математичної моделі динамічного комбінованого оптонегатрона; теорії конформних відображень для дослідження імпедансних характеристик УПІ на основі транзисторного оптонегатрона; теорії стійкості для визначення умов стійкості оптонегатрона в різних схемах включення, теорії чутливості для визначення абсолютних та відносних чутливостей електронних схем з оптонегатронами та елементів автоматики на їх основі; теорії апроксимації для визначення частотних параметрів УПІ; теорії аналізу електронних схем для визначення основних параметрів елементів автоматики на основі оптонегатронів; теорії планування експерименту та комп’ютерному моделюванні для експериментальної перевірки одержаних теоретичних положень.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримано такі наукові результати:

1.

2.

3.

4.

Практичне значення одержаних результатів. Використання одержаних результатів дозволяє покращити технічні характеристики існуючих елементів та пристроїв автоматики та розробити нові високоефективні пристрої на основі комбінованих транзисторних оптонегатронів.

1. Досліджено імпедансні характеристики чотириполюсників на основі комбінованого транзисторного оптонегатрона, що дозволило визначити їх властивості як узагальнених перетворювачів імітансу та визначити умови потенційної нестійкості.

2. На основі одержаних теоретичних положень розроблено та досліджено оптично керовані активні індуктивності, придатні до виготовлення у вигляді інтегральної мікросхеми у широкому діапазоні частот. При цьому за рахунок введення нових елементів та зв’язків між ними збільшено гальванічний розв’язок між колами керування й корисного сигналу.

3. В результаті проведених досліджень розроблено схеми оптично керованих смугово-пропускних активних фільтрів на транзисторних оптонегатронах, що характеризуються затуханням за межами смуги пропускання –20 дБ та –30 дБ для фільтрів на одиночному та складеному транзисторних оптонегатронах відповідно. При цьому відбувається оптичне керування резонансною частотою фільтрів, що дозволяє використовувати їх в багатоканальних системах та виготовляти за інтегральною технологією.

4. В результаті проведених досліджень запропоновано схеми високочутливих генераторних давачів оптичного опромінювання на схемотехнічних аналогах оптонегатронів.

5.

Результати досліджень впроваджено та використовуються в НДІ “Гелій” (м. Вінниця), Науково-дослідному Інституті Авіації Національної Академії Авіації Азербайджанської республіки (м. Баку, Азербайджан), а також в навчальному процесі у Вінницькому національному технічному університеті на кафедрі проектування комп’ютерної та телекомунікаційної апаратури при вивчені дисциплін "Основи негатроніки", “Електронні пристрої на елементах з негативним опором” та “Основи оптонегатроніки та голографії”. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: розширена класифікація оптонегатронів [1], аналіз їх основних переваг та недоліків в залежності від способу реалізації [2], комп’ютерне моделювання внутрішнього інваріантного коефіцієнта стійкості та максимальнодосяжного дійсного негативного імітансу узагальнених перетворювачів імітансу на основі транзисторного оптонегатрона [3, 4], схема аналогового ключа на оптонегатроні, визначення її основних параметрів [5], схеми давачів оптичного опромінювання, визначення їх основних параметрів [6], експериментальна перевірка методу визначення внутрішнього інваріантного коефіцієнта стійкості [7], дослідження основних параметрів оптично керованих активних фільтрів [8], розробка математичної моделі внутрішнього інваріантного коефіцієнта стійкості оптрона [9], аналіз галузей застосування оптонегатронів [10], критеріальна оцінка ефективності базових елементів оптонегатронів [11], розробка математичних моделей [12, 13], визначення чутливості внутрішнього інваріантного коефіцієнта стійкості узагальнених перетворювачів імітансу на основі транзисторного оптонегатрона до параметрів еквівалентної схеми [14], класифікація активних індуктивностей та аналіз їх схемотехнічних аналогів [15, 16], розробка математичного апарату способу визначення граничної частоти потенційнонестійкого чотириполюсника, експериментальна пере-

вірка способу [17], розробка математичного апарату способу визначення оптимальної частоти потенційнонестійкого чотириполюсника [18], схеми оптично керованих активних індуктивностей, їх аналіз [19, 20]; схеми оптично керованих активних фільтрів [21].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати дисертаційної роботи обговорювалися на: міжнародних науково-технічних конференціях: "Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах" (м. Хмельницький, 2003р.); “Наука і освіта” (м. Дніпропетровськ, 2004р.), “Перспективные разработки науки и техники” (м. Бєлгород-Днепропетровськ, Росія, 2004 р.), “Информационные и электронные технологии в дистанционном зондировании” (м. Баку, Азербайджан, 2004 р.), “Современные информационные и электронные технологии” (м. Одеса, 2004–2006 рр.), “Мікропроцесорні пристрої та системи автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2004р.); "Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе" (м. Баку, Азербайджан, 2005р.); “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” (м. Вінниця, 2005–2006 рр.), “Комп’ютерні системи автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2005–2006 рр.); щорічних конференціях професорсько-викладацького складу, співробітників і студентів ВНТУ (2003 – 2006 рр.); наукових семінарах кафедри проектування комп’ютерної та телекомунікаційної апаратури ВHТУ.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 26 друкованих праць, з яких 8 статей – у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, 13 публікацій у збірниках наукових праць міжнародних науково-технічних конференцій, 5 патентів України.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, що містять 83 рисунка і 8 таблиць, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (153 найменування) і 8 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 253 сторінки, з яких основний зміст викладено на 120 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, мету і задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів та їх практичне значення, наведено відомості про публікації, впровадження, обсяг та апробацію роботи.

В першому розділі наведено класифікацію та основні параметри оптонегатронів. Проаналізовано існуючі інформаційні пристрої на основі статичних та динамічних двоелектродних та багатоелектродних оптонегатронів. За рядом критеріїв оцінено ефективність базових елементів оптонегатронів. Показано, що транзисторні структури як базові елементи оптонегатронів мають найвищий показник ефективності. На підставі проведеного аналізу сучасного стану проблеми визначено основні напрямки та задачі досліджень.

В другому розділі розроблено фізичну модель транзисторного оптонегатрона, визначено характер перетворення імітансу чотириполюсників на його основі та досліджено дію оптичного опромінювання на імпедансні характеристики таких чотириполюсників.

Одним з визначних факторів, що зумовлюють появу негативного значення основного диференційного параметра в транзисторних оптонегатронах, є оптичне опромінювання, дія якого викликає збільшення струму колекторного переходу. Цю додаткову складову струму враховано введенням додаткового генератора струму в базову еквівалентну Т-подібну схему транзисторного оптонегатрона з колом зворотного звязку. Спираючись на еквівалентну схему транзисторного оптонегатрона, отримано аналітичні вирази опису фізичних процесів зміни параметрів напівпровідникової структури (струму через емітерний перехід, опору емітерної та колекторної областей, ємності емітерного та колекторного переходів) під дією оптичного опромінювання. З розвязку невизначеної матриці провідності отримано фізичну модель транзисторного оптонегатрона (рівняння (1) – (3)), що поєднує в собі матриці провідності для схем включення оптонегатрона із спільною базою (СБ), спільним колектором (СК), спільним емітером (СЕ):

, (1)

, (2)

, (3)

де Ф – світловий потік, – комплексний опір емітерного перехода; – комплексний опір колекторного перехода; – повний опір активної ємності колектора; – повний опір пасивної ємності колектора; – опір базової області, Се(Ф) – бар’єрна ємність емітерного переходу, rе(Ф) – диференційний опір емітерного переходу, Ск1(Ф) та Ск2(Ф) – активна та пасивна ємності колекторного переходу, Ie(Ф) – струм через емітерний перехід; – зворотний струм емітера, – коефіцієнт передачі транзистора по струму.

Наведена модель є основою для дослідження імпедансних характеристик чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона і є коректною для таких граничних умов: не враховуються паразитні реактивності корпуса та виводів, а також омічний опір емітера та колектора; p-n-переходи плоскі; вплив обернених струмів p-n-переходів не суттєвий; рівень інжекції високий; режим роботи транзистора активний; амплітуда напруги сигналу суттєво менша значень постійних напруг на p-n-переходах транзистора (дана вимога відповідає режиму малого сигналу і дозволяє знехтувати нелінійними ефектами в транзисторі); спад напруги на опорі zб(Ф) значно менший, ніж на опорах zе(Ф) та zк(Ф); транзистор працює на частотах f<0,5fТ(Ф), де fТ(Ф) – гранична частота транзистора; застосована однополюсна апроксимація коефіцієнта передачі по струму б(Ф); дестабілізуючі фактори за напругою та температурою відсутні, транзистор працює за нормальної температури; світловий потік не перевищує 10-4 Лм.

З використанням експериментальної установки (рис. 1) та графоаналітичного методу представлення результатів досліджено імпедансні характеристики чотириполюсників на транзисторному оптонегатроні.

Рис. 1. Функціональна електрична схема експериментальної установки

дослідження імпедансних характеристик транзисторного оптонегатрона.

На схемі: ВЛ – вимірювальна лінія; І – індикатор; ДС – джерело світла;

СВ – світловод; ТОН – транзисторний оптонегатрон;

КП – короткозамкнений поршень, що регулюється

Визначено, що в діапазоні частот 1–3 ГГц чотириполюсники на основі транзисторного оптонегатрона є потенційнонестійкими та в схемах включення із спільним колектором та спільною базою є узагальненими конверторами імпедансу, в схемі із спільним емітером – узагальненим інвертором імпедансу. При цьому діапазон можливих значень перетвореного імпедансу чотириполюсників змінюється під дією оптичного опромінювання. При прямому перетворенні – в бік зменшення, при зворотному – в бік розширення.

Третій розділ присвячено УПІ на основі транзисторного оптонегатрона. Обґрунтовано та досліджено основні параметри оптонегатрона як УПІ під дією оптичного опромінювання.

Основним параметром УПІ варто вважати його внутрішній інваріантний коефіцієнт стійкості , що характеризує запас стійкості УПІ та дозволяє оцінити можливості УПІ при реалізації на його затискачах негативного опору. Встановлено, що УПІ на основі транзисторного оптонегатрону є потенційнонестійкими у всіх схемах включення в діапазоні частот 1–3 ГГц, що дозволяє реалізувати на їхніх клемах негативний дійсний імітанс і свідчить про розширені функціональні можливості використання таких УПІ. зі зростанням частоти запас стійкості чотириполюсників зростає. Найбільший запас стійкості на частоті 6 ГГц має УПІ в схемі включення зі спільним емітером (УПІЕ), його Кс.вн.=5,12. Запас стійкості перетворювачів імітансу є чутливим до дії оптичного опромінювання. Зростання світлового потоку від початкового значення до 10-6 Лм приводить до звуження області потенційної нестійкості (рис. 2). Подальше зростання світлового потоку опромінювання викликає розширення області потенційної нестійкості.

Визначено частоти, що відповідають межі області потенційної нестійкості УПІ і є граничними частотами – fгр, що відповідають умові Кс.вн (fгр)=1.

УПІ може як підсилювати сигнал, так і вносити згасання. Кількісно ця властивість УПІ характеризується максимальнодосяжним коефіцієнтом передачі по потужності чотириполюсника на межі стійкості Kms(Кс.вн=1). Встановлено, що перетворювач імітансу на транзисторі зі спільним колектором (УПІК) має найбільші значення Kms (табл. 1) та найкращі підсилювальні властивості у всьому досліджуваному діапазоні частот, при цьому він є нечутливим до дії оптичного опромінювання. мінімальний Kms має перетворювач імітансу в схемі зі спільною базою (УПІБ), він здатний до підсилення на частотах до 190 МГц. значення Kms цього перетворювача зменшуються зі зростанням світлового потоку понад значення 10-6 Лм. максимальнодосяжний стійкий коефіцієнт передачі по потужності УПІ зменшується за експоненціальним законом зі зростанням частоти.

Таблиця 1

коефіцієнти максимальнодосяжного підсилення по потужності на межі

стійкості УПІ на основі транзисторного оптонегатрона

Вид УПІ | Кms, дБ (f=2,1 ГГц)

Ф=0Лм | Ф=10-6 Лм | Ф=110-5 Лм | Ф=410-5 Лм | Ф=810-5 Лм

УПІк | Розр. | 2,92 | 41,2 | 41,3 | 41,81 | 41,81

Експ. | 2,9 | 41,3 | 41,1 | 41,7 | 41,9

УПІе | Розр. | 1,01 | 1,91 | 0,023 | 0,003 | 0,0004

Експ. | 1,1 | 1,8 | 0,03 | 0,004 | 0,0038

УПІБ | Розр. | 0,02 | 0,021 | 0,05 | 0,007 | 0,007

Експ. | 0,01 | 0,03 | 0,06 | 0,006 | 0,008

Дослідження максимальнодосяжного дійсного негативного імітансу виявило його чутливість до зміни світлового потоку. для УПІк (рис. ) зростання світлового потоку від значення первинного освітлення до 10-6 Лм викликає зростання максимальнодосяжного дійсного негативного імітансу, що свідчить про збільшення максимального значення дисипативних втрат, виражених в одиницях імітансу, які здатний компенсувати даний перетворювач імітансу.

Із подальшим зростанням світлового потоку максимальне значення дисипативних втрат, виражених в одиницях імітансу, які здатний компенсувати даний перетворювач імітансу, зменшується. Влив оптичного опромінювання на максимальнодосяжний дійсний негативний імітанс УПІЕ та УПІБ залежності протилежний.

на вхідних ReZ(-)вх. max та вихідних ReZ(-)вих. max клемах УПІ величина максимальнодосяжного дійсного негативного імітансу може відрізнятися, що свідчить про його невзаємні властивості. Ці властивості оцінюються коефіцієнтом невзаємності . Максимальний коефіцієнт невзаємності має УПІБ, а УПІК має Кн близький до взаємних властивостей.

У частотному діапазоні відбувається зміна ReZ (-)max. Частота, яка відповідає максимальному значенню ReW(-)max при постійному значенні імітансу, що перетворюється, називається оптимальною частотою перетворення fопт. Оптимальні частоти перетворення УПІ за відсутності опромінювання лежать в діапазоні 0,2–3,6 МГц.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню елементів та пристроїв автоматики (оптично керованих аналогів індуктивності, частотно-вибіркових пристроїв, генераторних давачів оптичного опромінювання, ключа) на комбінованих транзисторних оптонегатронах.

Досліджено характеристики елементів та пристроїв автоматики в частотному діапазоні під впливом оптичного опромінювання.

Розроблено та досліджено оптично керовані активні індуктивності як базові елементи для створення пристроїв автоматики (рис. 4) з величиною індуктивності 9,8 нГн на частоті 6,7 ГГц на основі УПІК на одиночному транзисторному оптонегатроні та на УПІК на основі складеного транзистора – з величиною індуктивності 12,56 нГн на частоті 4,57 ГГц при температурному коефіцієнті індуктивності відповідно 0,06%град–1 та 0,03%град–1 в температурному діапазоні –40…40С. Нестабільність реалізованої схемами індуктивності при коливаннях напруги живлення в межах 5% від оптимальної склала 0,93% та 0,76% відповідно.

Оскільки світловий потік, як одна з світлових характеристик оптичного опромінювання, пов’язаний однозначною залежністю із фотострумом, що протікає через р-n-перехід оптонегатронної структури, зміна величини фотоструму ілюструє зміну керуючого впливу на оптонегатрон.

а) б)

в) г)

Рис.4. Оптично керовані активні індуктивності на однотранзисторному

УПІК (а) та УПІК на складеному транзисторі (б) та частотні залежності

реалізованих схемами індуктивностей відповідно (в, г)

Розроблено та досліджено частотно-вибіркові пристрої (рис. 5, рис. )

.

а) б)

Рис. 5. Оптично керовані смугово-пропускні однорезонаторні активні

фільтри на однотранзисторному УПІК (а) та УПІК на складеному транзисторі (б)

а) б)

Рис. 6. АЧХ оптично керованих смугово-пропускних однорезонаторних активних

фільтрів на основі однотранзисторного УПІК (а) та УПІК на складеному транзисторі (б)

Показано, що при дії опромінювання на смугово-пропускні фільтри на основі УПІК на одиночному та складеному транзисторних оптонегатронах забезпечується підсилення сигналу на 3 дБ в смузі пропускання та його затухання за межами смуги пропускання –20 дБ та –30 дБ відповідно.

Розроблено та досліджено генераторні давачі оптичного опромінювання на транзисторних оптонегатронах (рис. 7).

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 7. Високочастотна частина схем генераторних давачів

оптичного опромінювання на транзисторних оптонегатронах (а, б, в)

та вплив опромінювання на частоту генерації давачів (г, д, е)

Проведено порівняльну оцінку розроблених давачів (табл.2).

Таблиця 2

Порівняльна оцінка оптично керованих давачів

Параметр | Схема давача

Рис. 7а | Рис. 7б | Рис. 7в

Р0 – споживана потужність, мВт | 5 | 5 | 10

Ргенер – генерована потужність, мВт | 2,5 | 2,5 | 3,7

Фмін – мінімальна чутливість, 10-6 Лм | 4,3 | 8,7 | 4,08

Фн – світловий потік насичення, 10-6 Лм | 58,7 | 80,12 | 78,4

– електричний ККД, % | 50 | 50 | 37–

чутливість частоти генерації давача до зміни світлового потоку Ф, ГГц/10-6 Лм– | 0,0178– | 0,031– | 0,0378

–величина нелінійності, % | 1,01 | 1,6 | 3,10

Технологічність–– | +

Розроблено та досліджено аналоговий оптично керований вимикач (рис. 8).

а) б)

Рис. 8. Оптично керований вимикач (а) та частотна залежність

затухання LдБ (б) вимикача від дії опромінювання (1 – Іф=0;

2 – Іф=50 мкА; 3 – Iф=100 мкА; 4 – Iф=150 мкА; – Iф=200 мкА)

Наявність негативного активного опору оптонегатрона дозволяє компенсувати втрати сигналу в режимі “відкрито” і забезпечує підсилення 1–3 дБ. В режимі “закрито” затухання складає понад 60 дБ. Використання оптичного керування забезпечує гальванічний розв’язок між колами керування та інформаційного сигналу та збільшує швидкодію перемикання ключа. якість ключа К=550, час перемикання становить 0,6...0,8 мкс.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ТА РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення та нове вирішення наукової задачі покращення технічних характеристик елементів та пристроїв автоматики, що виявляється в використанні комбінованих транзисторних оптонегатронів. удосконалення класифікації оптонегатронів та проведення критеріальної оцінки ефективності їх базових елементів дозволило показати, що оптонегатрони є багатофункціональними електронними приладами, використання яких дозволяє підвищити ефективність елементів і пристроїв автоматики. Розроблено та досліджено ряд елементів та пристроїв автоматики на основі комбінованих транзисторних оптонегатронів, що мають кращі технічні характеристики, у порівнянні до прототипів, визначено їх основні параметри, умови стійкості та чутливість. Достовірність одержаних результатів підтверджується коректним застосуванням математичного апарату, чисельними та натурними експериментами.

1. Вперше розроблено фізичну модель комбінованого транзисторного оптонегатрона, у якій враховано фізичні процеси зміни параметрів напівпровідникової структури під дією оптичного опромінювання, що дозволило обґрунтувати еквівалентну схему транзисторного оптонегатрона. Така модель дозволяє формалізувати основні параметри транзисторного оптонегатрона як перетворювача імітансу. Показано, що оптонегатрони з кристалом транзистора типу КТ3115 мають потенційну нестійкість в діапазоні частот (1–3) ГГц.

2. Вперше розроблено імітансну модель комбінованого транзисторного оптонегатрона. Дана модель дає можливість визначити вплив оптичного опромінювання на характер перетворення імпедансу чотириполюсників на основі транзисторного оптонегатрона в частотній області при будь-яких значеннях перетворюваного. показано, що при прямому та зворотному перетворенні імпедансу в “4” екстремальній точці чотириполюсники на основі транзисторного оптонегатрона, ввімкнені в схемі зі спільним колектором та спільною базою, можна розглядати як узагальнені конвертори імпедансу. Чотириполюсник, ввімкнений в схемі зі спільним емітером, є узагальненим інвертором імпедансу в широкому діапазоні частот. При цьому відбувається оптичне керування діапазоном можливих значень реалізованого перетвореного імпедансу.

3. В результаті дослідження імпедансних характеристик сформульовано вимоги, обґрунтовано та досліджено основні робочі параметри оптонегатронів як УПІ. Показано, що УПІК має найширшу область потенційної нестійкості та є найчутливішим до дії оптичного опромінювання, має найширший діапазон зміни світлового потоку, в якому можливе ефективне керування запасом стійкості схеми. УПІк має при цьому найбільші значення та має підсилювальні властивості у всьому досліджуваному діапазоні частот. Вплив оптичного опромінювання приводить до розширення діапазону частот, де УПІк підсилює сигнал. Це свідчить про перспективність побудови інформаційних пристроїв та пристроїв автоматики на основі перетворювача імітансу в схемі зі спільним колектором.

4. Використання комбінованих транзисторних оптонегатронів в режимі їх потенційної нестійкості дозволило реалізувати ряд елементів та пристроїв автоматики. розроблено та досліджено високочутливі оптично керовані активні індуктивності зі збільшеним гальванічним розв’язком, температурний коефіцієнт індуктивності яких в діапазоні температур –40…100С склав 0,06%град-1 та 0,03%град-1 відповідно для однотранзисторної індуктивності та індуктивності на складеному транзисторі. Нестабільність по живленню при відхиленнях напруги живлення від оптимального значення в межах 5% склала 0,93% та 0,67% відповідно для однотранзисторної індуктивності та індуктивності на складеному транзисторі.

5. розроблено та досліджено смугово-пропускні активні фільтри на транзисторних оптонегатронах, що характеризуються затуханням за межами смуги пропускання –20дБ та –30 дБ для фільтрів на базі одиночного та складеного транзисторних оптонегатронів відповідно. при зміні напруги живлення в межах 5% нестабільність центральної частоти фільтрів склала 0,82% та 1,4%, смуги пропускання – 1,57% та 1,82% відповідно, коефіцієнта затухання ключа в межах смуги пропускання 1%. В діапазоні температур –40…40С нестабільність: центральної частоти фільтрів склала 5,98% та 9,8%, смуги пропускання – 3,8% та 1,1%, підсилення в межах смуги пропускання – 0,7% та 3,6% відповідно. При цьому резонансна частота фільтрів зсувається із одночасною зміною ширини смуги пропускання. Розроблені фільтри є оптично керованими, можуть бути використані в багатоканальних системах та виготовлені за інтегральною технологією.

6. розроблено та досліджено схеми високочутливих генераторних давачів на комбінованих транзисторних оптонегатронах. Розроблено систему параметрів таких давачів, за якою проведено їх порівняльну оцінку. Показано, що чутливість частоти генерації давачів зменшується зі зростанням світлового потоку опромінювання для всіх схем внаслідок зростання, за рахунок збільшення складової фотоструму, струму емітера фототранзисторів, на основі яких побудовані давачі. Найменш чутливою до зміни світлового потоку є схема, побудована на однотранзисторному перетворювачі імітансу в схемі зі спільним колектором. введення в коло зворотного звязку фоточутливого елементу значно підвищує чутливість давача. Доцільним для оптичного керування давачами є діапазон зміни світлового потоку Ф=(4,0–80) 10-6 Лм, в якому вплив опромінювання на чутливість та частоту генерації давачів максимальний. Найкращою лінійністю володіє давач, побудований на складеному транзисторі із ввімкненим в коло зворотного звязку фоторезистором, що пояснюється також відсутністю в колі зворотного звязку індуктивного елементу.

7. Розроблено та досліджено схему аналогового ключа на оптонегатроні, що характеризуються малими втратами сигналу в режимі “відкрито” або підсиленням, малими габаритами та вагою, керуванням оптичним опромінюванням, можливістю виготовлення в вигляді інтегральної схеми. Залежність коефіцієнтів затухання ключа на оптонегатроні від світлового потоку дозволяє використовувати його в якості атенюатора з оптичним керуванням.

Можливість виготовлення розглянутих елементів та пристроїв в інтегральному виді дозволяє проводити їх об'єднання в одному кристалі для створення високоефективних мікросхем систем обробки інформації і керування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

АНОТАЦІЯ

Фурса С. Є. Елементи та пристрої автоматики на основі транзисторних оптонегатронів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. – Вінницький національний технічний університет, Вінниця – 2007.

В дисертаційній роботі досліджено імпедансні характеристики чотириполюсників на основі комбінованого транзисторного оптонегатрона, що дозволило визначити характер перетворення імпедансу оптонегатрона в частотній області при будь-яких значеннях перетворюваного імітансу під дією оптичного опромінювання. Визначено умови стійкості та можливі режими роботи транзисторного оптонегатрона. Визначено вимоги до динамічних транзисторних оптонегатронів як узагальнених перетворювачів імітансу, що дозволило обґрунтувати та дослідити основні параметри оптонегатронів як перетворювачів імітансу. Показано, що оптонегатрони є багатофункціональними елементами, використання яких дозволяє покращити технічні характеристики елементів та пристроїв автоматики. Визначено умови реалізації ряду елементів та пристроїв автоматики на основі транзисторних оптонегатронів. Розроблено та досліджено оптично керовані активні індуктивності, оптично керовані смугово-пропускні активні фільтри зі збільшеним гальванічним розвязком між колами керування та корисного сигналу, високочутливі генераторні давачі інтенсивності оптичного опромінювання, широкосмуговий високочастотний аналоговий ключ на основі транзисторного оптонегатрона.

Ключові слова: оптонегатроніка, оптонегатрон, негативний опір, стійкість, чутливість, елементи та пристрої автоматики на потенційно-нестійких приладах.

АННОТАЦИЯ

Фурса С. Е. Элементы и устройства автоматики на основе транзисторных оптонегатронов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. – Винницкий национальный технический университет, Винница – 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ т практической реализации элементов и устройств автоматики на основе транзисторных оптонегатронов.

Проведена классификация оптонегатронов и критериальная оценка эффективности базовых элементов оптонегатронов. Показано, что среди фотоприемных оптонегатронных элементов наиболее эффективными являются транзисторные структуры, в частности, биполярные, что свидетельствует о целесообразности их применения при построении комбинированных динамических оптонегатронов.

исследованы импедансные характеристики четырехполюсников на основе комбинированного транзисторного оптонегатрона, что позволило определить характер преобразования импеданса оптонегатрона в частотной области при любых значениях преобразуемого импеданса под действием оптического освещения. Показано, что четырехполюсники, включенные в схемах с общим коллектором и общей базой можно рассматривать как обобщенные конверторы импеданса, а четырехполюсник в схеме с общим эмиттером – как обобщенный инвертор импеданса. При этом управление областью возможных значений преобразованного импеданса осуществляется изменением интенсивности оптического освещения.

Сформулированы требования к динамическим транзисторным оптонегатронам как обобщенным преобразователям иммитанса, что позволило обосновать и исследовать их основные параметры как преобразователей иммитанса. Показано, что такие преобразователи иммитанса являются потенциально-неустойчивыми в СВЧ диапазоне, что позволяет реализовать на их клеммах отрицательное активное сопротивление, и свидетельствует о расширенных функциональных возможностях. Полученные результаты дают необходимую теоретическую базу для реализации ряда элементов и устройств автоматики на основе транзисторных оптонегатронов.

На основе полученных теоретических положений разработаны и исследованы оптически управляемые активные индуктивности и оптически управляемые полосно-пропускающие активные фильтры с увеличенной гальванической развязкой между цепями управления и полезного сигнала, высокочувствительные генераторные датчики интенсивности оптического освещения, широкополосный высокочастотный аналоговый ключ на основе транзисторного оптонегатрона.

Ключевые слова: оптонегатроника, оптонегатрон, отрицательное сопротивление, устойчивость, чувствительность, элементы и устройства автоматики на потенциально-неустойчивых приборах.

ABSTRACT

Fursa S. Е. Elements and devices of an automation on an transistor optonegatrons basis. – A manuscript.

Dissertation for the obtaining the scientific degree of candidate of technical sciences in speciality 05.13.05 – Elements and Devices for Computer Facilities and Control Systems. – Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia – 2007.

The thesis deals with the investigation of immitances parameters of quadripoles on an transistor optonegatrons basis, that allowed to determine on transistor optonegatrone immitances transformation character in frequency range under any values of converted immitance under influence of optical illumination. The conditions of transistor optonegatron stability and possible operational modes are determined. The requests to dynamic optonegatron as to generalised immitances converters are determined. It allowed to justify and to investigate main technical parameters of optonegatron as an immitance converters. It is shown, that optonegatrons are multifunctional elements, which use allows to improve characteristics of automatics elements and systems. The requirements for constructing of a number of automatics elements and systems on an transistor optonegatrons basis are determined. The number of automatics elements and systems on an transistor optonegatrons basis (optically controlled active inductance, the optically controlled band-pass active filters with enlarged galvanic decoupling between circuits of management and useful signal, highly sensitive generating gauges of intensity of optical illumination, broadband high-frequency analogy switch) are developed and investigated.

Key word: optonegatronics, optonegatron, negative resistance, stability, sensitivity, automatics elements and systems on an automation on potentially - unstable devices.

Підписано до друку 6.04.2007. Формат 29,742

Наклад 100 прим. Зам. № 2007–059

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95. Тел. (0432) 59-81-59