И.А. Мирошник

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ РАДИОКОМПОНЕНТОВ

Учебное пособие

Воронеж 2003

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

И.А. Мирошник

АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ РАДИОКОМПОНЕНТОВ

Учебное пособие

В оронеж 2003

УДК 621.317(024):681.518.3

Мирошник И.А. Алгоритмические методы измерения динамических параметров моделей радиокомпонентов: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж.гос. техн. ун-т, 2003 .119 с.

Приведена классификация моделей радиокомпонентов с точки зрения их использования в САПР электрических схем. Показано, что большой интерес для формирования динамических моделей для пакета программ PSpice представляет факторные модели. Сформулированы требования к моделям и измерительным задачам. Рассмотрены проблемы измерения матриц динамических параметров многополюсных радиоэлементов. Особое внимание уделено разработанным в ВГТУ методам измерения в схемах с конечными нагрузками, признанных изобретениями. Приведены алгоритмы расчета Y-матриц многополюсников. Отличительной особенностью приведенных способов измерения является учет систематических погрешностей, вносимых паразитными индуктивностями и емкостями измерительных цепей.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 654300 “ Проектирование и технология электронных средств”, специальности 200800 “Проектирование и технология радиоэлектронных средств” при изучении курса “Элементарная база РЭС” и будет также полезно для студентов и специалистов радиотехнического профиля.

Учебное пособие изготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS Word 97/XP и содержится в файле «Модели РЭС».

Ил . 65. Библиогр.: 70 назв.

Научный редактор д-р техн. наук. А.В. Муратов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

Рецензенты: Кафедра теоретических основ радиоэлектроники Воронежского военного института радиоэлектроники.

Канд. физ.-мат. наук Ю.В. Худяков

© Мирошник И.А., 2003.

© Оформление. Воронежский

г осударственный технический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии рассмотрены алгоритмические методы измерения динамических параметров многополюсников, представленных в виде Y-матриц.

В первой главе приведён системный анализ моделей радиокомпонентов (РК) с точки зрения использования этих моделей в интегрированных системах автоматизированного проектирования электронных схем (САПР ЭС). Рассмотрены особенности моделей двухполюсных (ДП) и многополюсных (МП) РК, и также альтернативные модели одного и того же РК в зависимости от его назначения и диапазона частот.

Отмечена возможность широкого использования высокочастотных моделей, формируемых пользователем на основе Y параметров. В основу подсистемы формирования моделей предлагается использовать модели , полученные в результате активного факторного эксперимента. В заключительной части первой главы сформированы измерительные задачи, обращено внимание на целесообразность внедрения методов измерения динамических параметров исследуемых многополюсных РК, разработанных в ВГТУ.

Во второй главе рассмотрены способы измерения динамических параметров РК в измерительных схемах с конечными полюсными нагрузками. Рассмотрены классические способы определения динамических параметров на основе измерения матриц рассеяния.

Ограничение возможностей такого определения параметров заключается в необходимости реализации измерительного процесса при использовании стандартных волноводных трактов и согласованных нагрузкок, которые представляют собой достаточно сложные инженерные конструкции. Согласование измерительного тракта также является сложной инженерной задачей. Базовая измерительная задача была решена на основе теории матриц рассеяния. Во-первых, показано, что процесс измерения S-матриц может быть реализован без применения сложных устройств типа направленных ответвителей практически в любом диапазоне частот, во-вторых, используя дополнительные измерительные операции в процессе калибровки измерительной схемы можно получить информацию достаточную для исключения влияния паразитных индуктивностей и ёмкостей измерительных цепей, в третьих, исключить шунтирующие влияние проводимости входной цепи измерительного прибора. Другие положительные стороны разработанного способа измерения заключаются в возможности использования не аттестованных комплексных полюсных нагрузок, номиналы которых можно определить приближённо по реакции индикаторов векторного вольтметра на подключение исследуемого РК. Для калибровки измерительных цепей предложено использовать комплект комплексных образцовых мер, количество которых определяет количество полюсов измерительной схемы.

Рассмотрены алгоритмы аттестации комплексных параметров этих мер и рекомендованы ориентировки по выбору их конкретных значений на основе методики измерения двухполюсных РК.

В заключительной части главы рассмотрены способы повышения точности определения Y-матриц многополюсника путём исключения влияния на результаты измерительного прибора и при применении реального источника сигнала. Приведены рекомендации по алгоритмизации измерительного процесса.

В пособии использованы литературные данные по работам [1-24] и результаты исследований выполненных в ВГТУ, приведённые в работах [25-70], в том числе в авторских свидетельствах [65-71].

Автор благодарит студентов радиотехнического факультета ВГТУ В.Т.Попова, К.Н.Астрединова, С.В.Чухлебова, В.В.Бородина, А.А.Кондусова, Ю.В.Мыскина, Филатова Д.В, В.В.Мухоморову, О.В.Сергатскую и других за действенную помощь оказанную ими при аппробации разработанных способов измерения и оформлении рукописи данного пособия.

. Измерительные задачи при определении моделей радиокомпонентов.

1.1. Структура элементной базы радиоэлектронных схем

Элементную базу (ЭБ) РЭС составляет множество различных РК радиокомпонентов , на основе которых производится проектирование . В самом общем случае ЭБ РЭС может быть представлена структурной схемой, показанной на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структурная схема ЭБ РЭС.

Согласно схемы рис.1.1 ЭБ РЭС может быть подразделена на двухполюсные (ДП) и многополюсные (МП) РК, которые в свою очередь могут быть представлены пассивными (ПК) и активными (АК) РК. Под ПК будем понимать РК, в процессе функционирования которых не происходит увеличение уровня мощности поступающего на РК за счёт дополнительных источников энергии. Остальные РК будем считать активными.

АК и ПК предлагается разделить на следующие крупные классы.

1. Дискретные (Д), отличающиеся законченностью конструкции и готовностью к непосредственному применению в сложных РЭС.

2. С распределёнными параметрами (Р), принцип действия которых основан на использовании волновых процессов в электромагнитных и акустоэлектронных устройствах.

3. Акустоэлектронные (А), работающих на основе акустоэлектронных явлений в твёрдом теле.

4. Функциональные (Ф), предназначенные для глубокой обработки электрических сигналов.

5. Интегральные (И), полученные по интегральным технологиям.

6. Гибридные (Г), полученные по смешанным технологиям.

7. Цифровые (Ц), предназначенные для цифровой обработки сигналов.

Структурная схема рис.1.1, по существу, отвечает классификации ЭБ РЭС, ориентированной на применение РК в САПР.

Разделение РК на ДП и МП достаточно условное. Так, любой ДП в зависимости от способа включения в электрическую схему можно рассматривать как собственно ДП или как МП, а именно четырёхполюсник рис.1.2.

Рис. 1.2. Варианты включения ДП: а- как собственно ДП;

б- как четырёхполюсник; – его полная проводимость;

0,1,2 – узлы подключения к схеме.

Согласно рис.1.2.а ДП полностью идентифицируется его полной проводимостью . В случае рис.1.2.б для полного описания четырёхполюсника необходимо использовать его Y- матрицу, коэффициенты которой определяет проводимость базового ДП [1,2]

. (1.1)

Количество полюсов у МП также зависит от способа его включения в электрическую схему, а в пределе, используя определенные комбинации соединения полюсов, МП можно превратить в двухполюсник (рис.1.3).

В самом деле, включая в схему транзистор, согласно рис.1.3.а, его нужно рассматривать как шестиполюсник, в случае рис.1.3.б – как четырёхполюсник, а при объединении базы с коллектором и соединении эмиттера с общей шиной (рис.1.3.в) – как ДП. Соответственно необходимо изменить и описание модели транзистора, например, с помощью Y – матрицы. Пусть транзистор включённый по схеме рис.1.3.б имеет матрицу проводимости

. (1.2)

Рис. 1.3. Способы подключения транзистора в рабочую схему:

а- шестиполюсник; б- четырёхполюсник; в- двухполюсник

0,1,2,3 – узлы подключения.

Тогда матрицу Y₂ транзистора, включённого по схеме рис.1.3.а можно выразить в виде.

. (1.3)

Коэффициенты y₁₁, y₁₂, y₂₁, y₂₂ матрицы Y₂ точно соответствуют коэффициентам матрицы Y₁, а остальные пять коэффициентов определяют по формулам [1,4]

;	(1.4)
;	(1.5)
;	(1.6)
;	(1.7)
.	(1.8)

Наконец, проводимость y транзистора, представленного двухполюсником рис.1.3.в, рассчитывают по формуле

. (1.9)

Формулы (1.4)-(1.9) справедливы, если режим транзистора по постоянному току для всех трёх рассмотренных выше случаев идентичен.

При проектировании РК и идентификации его параметров необходимо учитывать область действия физических законов, связанных с его функционированием. Особое внимание необходимо уделять электрофизическим законам, которые определяют основные электрические параметры РК. В каждом конкретном случае доминирует одно из электрофизических явлений, но также проявляется влияние и других, паразитных.

Так, в основу функционирования резистора положено явление электрического сопротивления постоянному или переменному току. Однако также в большей или меньшей степени неизбежно проявляется влияние электрического и магнитного полей, существенным образом увеличивающееся с ростом частоты. Магнитные и электрические эффекты резистора моделируют посредством индуктивности и ёмкости. В этой связи модель резистора с увеличением частоты усложняют (рис.1.4.), используя на СВЧ многоэлементную эквивалентную схему для учёта волновых электромагнитных явлений, которые возникают в тех случаях, когда длина электромагнитной волны становится соизмеримой с размерами резистора [3,4].

Рис. 1.4. - Развитие графической модели резистора с увеличением частоты:

а- на постоянном токе или низких частотах; б- на высоких частотах;

в- в СВЧ диапазоне.

Графическая модель резистора на ВЧ рис.1.4.б отражает основные физические явления, которые проявляются в процессе реальной работы резистора. При условиях

и , (1.10)

где  - частота;

L_П – паразитная индуктивность;

С_П – паразитная ёмкость;

R – сопротивление,

влиянием параметров L_П и С_П можно пренебречь, а при расчётах рационально использовать более простую модель рис.1.4.а. Однако, если размеры резистора соизмеримы с длиной волны

, (1.11)

где с – скорость света;

f – рабочая частота,

то необходимо учитывать волновые эффекты. Это достигается путём перехода к более сложной многосекционной модели, показанной на рис.1.4.в. Каждая секция из четырёх элементов моделирует отрезок l_R/n резистора, где l_R – максимальный из размеров резистора, n – число секций, выбранное таким образом, чтобы выполнить условие

. (1.12)

В случае рис.1.4.в сопротивление каждой секции равно R/n, а параметры: собственная ёмкость секции C_ci, собственная индуктивность секции L_ci и ёмкость секции относительно общей шины C_i - определяются конструкцией резистора и его расположением относительно общей шины.

Количество МП можно считать практически безграничным, так как МП проектируется на основе ДП, а каждому реальному МП отвечает определённый способ соединения составляющих его ДП.

1.2. Модели РК