Повышение динамического диапазона устройств усиления и преобразования радиосигналов, содержащих многоэлектродные активные элементы

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&bdquo-) dxi. din <оо и /г&bdquo-(т1,., х") = 0.

00 —00 прит^ n.

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 #&bdquo-(«>!, юи)= {. К (хх,., тп) е~^хХх±+а» Тп) ат^¦¦(}%&bdquo-..

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 расчетаразработка радиоэлектронных устройств передачи, приема, обработки информацииисследование и разработка новых телевизионных устройств с целью повышения качества передачи информации и помехоустойчивости работыразработка 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, учебнои научно-исследовательской работе студентов, в лабораторном практикуме и курсовом проектировании по базовым дисциплинам «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Теория управления и радиоавтоматика» для студентов специальностей 210 302 «Радиотехника», 210 304 «Радиоэлектронные системы», 90 103 «Организация и технология защиты информации» и 90 104 «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 конференцийв 11 описаниях к авторским свидетельствам, к патентам на изобретения, к полезным моделям, алгоритмам и программамв 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..