Схемотехника и моделирование полупроводниковых структур мощных аналогов негатронов, дефензоров и автогенераторов на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Заруба, Денис Владимирович

• Заруба, Денис Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Заруба, Денис Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СХЕМ И СТРУКТУР ТРАНЗИСТОРНЫХ АНАЛОГОВ

НЕГАТРОНОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИИ.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОЩНЫХ АНАЛОГОВ НЕГАТРОНОВ И ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ.

2.1. Аналоги динистора.

2.2. Аналоги негатронов на МДП-транзисторах.

2.3. Исследование мощных аналогов негатронов с Ы-образными вольтамперными характеристиками на основе составных транзисторов

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ МОЩНОЙ ЦЕПИ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ НА ОСНОВЕ АНАЛОГОВ НЕГАТРОНОВ.

3.1. Аналоги негатронов для защиты мощной цепи от перегрузки.

3.2. Исследование термостабильности дефензора на аналоге негатрона

3.3. Дефензоры на вырожденных аналогах негатронов.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ МОЩНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРОВ НА ОСНОВЕ АНАЛОГОВ НЕГАТРОНОВ.

4.1. Генераторы с электромеханическими преобразователями на аналогах негатронов.

4.2. Метод определения КПД мощных генераторов на аналогах негатронов.

4.3. Особенности мощного автогенератора на аналоге негатрона с параллельным колебательным контуром.

4.4. Компьютерное моделирование мощного автогенератора на аналоге негатрона с параллельным колебательным контуром.

4.5. Планарные ЬС-резонаторы с распределенными параметрами как элементы нагрузки мощных автогенераторов.

4.6. Мощные пьезогенераторы на аналоге негатрона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Схемотехника и моделирование полупроводниковых структур мощных аналогов негатронов, дефензоров и автогенераторов на их основе»

Актуальность темы. Транзисторные аналоги негатронов (АН) по сравнению с негатронами (динистор, тиристор, однопереходный транзистор, туннельный диод) обладают лучшей воспроизводимостью и управляемостью характеристик, повышенной температурной стабильностью, более высокими рабочими частотами. Они нашли применение в маломощных автогенераторах, автогенераторных датчиках, активных фильтрах, которые легко могут быть изготовлены в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Сделаны попытки реализовать полупроводниковую структуру АН с М-образной вольтамперной характеристикой повышенной мощности для мощных автогенераторов, элементов защиты источников питания от последствий короткого замыкания в нагрузке, многократного действия (дефензоров). Изучены элементы защиты с мощным АН на основе транзистора со встроенным в него тиристором или полевым транзистором, но ВАХ таких АН трудно регулируемы. Мощные автогенераторы на АН пока не исследованы. Потребности в мощных автогенераторах для источников вторичного питания, медицинских приборов, сварочных аппаратов, устройств плавления металлов, управления пьезодвигателями, устройств защиты источников питания от последствий короткого замыкания в нагрузке огромна. Именно поэтому целесообразно эти устройства изготавливать в виде мощных полупроводниковых интегральных микросхем. Необходимо рассмотреть особенности, достоинства и недостатки этих устройств.

Целью работы является синтез схем и моделирование мощных аналогов негатронов, построенных на их основе дефензоров и автогенераторов.

Для достижения указанной цели предполагается решение следующих задач:

- исследование макетов модернизированных АН с мощными транзисторами, АН со сложными составными транзисторами, выявление их особенностей, анализ частотных свойств составных транзисторов;

- формулирование требований к ВАХ АН для дефензоров;

- исследование макетов дефензоров, построенных на мощных АН;

- анализ условий реализации мощных автогенераторов на АН с электромеханическими преобразователями с компенсацией паразитных параметров преобразователей;

- разработка метода определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН для выявления условий при которых он максимален;

- компьютерное моделирование автогенераторов.

Научная новизна:

- разработана методика проектирования микросхем сильноточных (0,1-5А) аналогов негатронов;

- разработан метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН, позволивший определить условия, при которых коэффициент полезного действия автогенераторов максимален;

- определены условия возникновения колебаний в полупроводниковых структурах мощных автогенераторов на АН с электромеханическими преобразователями (пьезоэлектрическими, магнитострикционными, электромагнитными) при компенсации паразитных параметров преобразователей;

- обнаружен эффект появления повышенных выходных напряжений, в полупроводниковой структуре мощного автогенератора на АН с параллельным колебательным контуром.

Практическая ценность работы:

- получены модернизированные схемы аналогов динистора, в которых исключен резистор нагрузки, снижающий коэффициент полезного действия мощных автогенераторов;

- выявлены схемы АН на МДП-транзисторах, не содержащие резистор нагрузки;

- синтезированы схемы мощных ЛН с ^образными ВАХ на основе составных транзисторов, изучены частотные свойства сложных составных транзисторов;

- реализованы мощные термостабильные дефензоры на АН;

- построен макет полупроводниковой структуры электронного сварочного аппарата работающего на эффекте появления повышенных выходных напряжений, в полупроводниковой структуре мощного автогенератора на АН с параллельным колебательным контуром;

- разработаны топологии микросхем мощных дефензоров и автогенераторов на аналогах негатронов.

Результаты диссертации использованы при выполнении научно-исследовательских работ выполняемых в рамках совместного гранта Министерства образования и науки РФ и Американского фонда гражданских исследований и развития №ЯЕС-004.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на Всероссийских научно-технических конференциях «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (Таганрог, 2002 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ (2000-2004 гг.), на IV и V международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2003-2004 гг.), на IV и V международных научно-технических конференциях «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе» (Баку-Сумгаит, 2003-2004 гг.), на семинаре «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники» (Шахты, 2005 г.).

По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе шесть статей и девять тезисов докладов.

Основные положения, ныносимые на защиту

1. Использование модернизированных АН и составных транзисторов в АН с Ы-образной ВАХ позволяет увеличить рабочие токи до единиц-десятков ампер; рабочие частоты составных транзисторов в схеме с общей базой возрастают, а в схеме с общим эмиттером -понижаются или не изменяются.

2. Сформулированным требованиям к ВАХ дефензоров удовлетворяют АН, построенные по принципу ответвления тока базы основного транзистора в дополнительную цепь.

3. В генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с Б-образной ВАХ.

4. Предложенный упрощенный метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5-10%.

5. В мощном автогенераторе на АН с Ы-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента наблюдается эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

Личный вклад автора. В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор экспериментально исследовал все макеты, разработал топологии микросхем, произвел математическое и компьютерное моделирование автогенераторов, дефензоров, ЬСрезонаторов с распределенными параметрами, обнаружил эффект значительного превышения напряжения на нагрузке автогенератора на АН с 1М-образной ВЛХ и с параллельным ЬС-контуром по сравнению с напряжением питания, осуществил обработку, анализ и обобщение полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 60 наименований, четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 120 страниц, включая 85 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Заруба, Денис Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Выявлено, что в генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с 8-образной ВАХ.

2. Предложен упрощенный метод определения коэффициента полезного действия мощных автогенераторов на АН, который позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5-10 %.

3. Обнаружен эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания в мощном автогенераторе на АН с И-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

4. Составлены эквивалентные схемы планарных ЬС-резонаторов с распределенными параметрами, показана возможность использования ЬС-резонаторов в мощных генераторах на АН как элементов нагрузки.

108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен упрощенный метод определения коэффициента ' * полезного действия мощных автогенераторов на АН, который позволяет определить условия получения максимального коэффициента полезного действия с погрешностью не более 5-10 %.

2. Выявлено, что в генераторах с пьезопреобразователем при компенсации паразитной емкости преобразователя индуктивностью катушки необходимо использовать АН с Ы-образной ВАХ, а в генераторах с электромагнитными преобразователями при компенсации паразитной индуктивности преобразователя емкостью разделительного конденсатора необходимо использовать АН с Б-образной ВАХ.

3. Обнаружен эффект значительного превышения амплитуды колебаний на сопротивлении нагрузки по сравнению с напряжением питания в мощном автогенераторе на АН с Ы-образной ВАХ при параллельном ЬС-контуре в качестве частотозадающего элемента, компьютерное моделирование генератора подтверждает полученные результаты эксперимента.

4. Установлено, что схема аналога динистора является работоспособной при замене резистора нагрузки с высоким сопротивлением на два резистора малого сопротивления в цепях эмиттеров транзисторов, что позволяет увеличивать коэффициент полезного действия устройств с использованием аналога динистора.

5. Установлено, что устранить резистор нагрузки с высоким сопротивлением в схеме аналога динистора можно путем включения в схему резистора малого сопротивления и дополнительного транзистора.

6. Выявлены схемы на МДП- транзисторах, в которых не используется резистор нагрузки с большим сопротивлением.

• II1

7. Показано, что увеличивать рабочие токи АН до единиц-десятков ампер, позволяет использование составных транзисторов в схеме АН с Ыобразной ВАХ с ответвлением тока базы основного транзистора в дополнительную цепь на ■ токовых отражателях, рабочие частоты составных транзисторов в схеме с общей базой возрастают, а в схеме с общим эмиттером - понижаются или не изменяются.

8. Выявлено, что сформулированным требованиям к ВАХ дефензоров удовлетворяют АН построенные по принципу ответвления тока базы основного транзистора в дополнительную цепь.

9. Установлено, что термостабилизация ВАХ дефензоров возможна путем включения в схему цепочки из последовательно соединенных диода и резистора.

10. Выявлено, что дефензоры на вырожденных АН имеют низкое напряжение впадины, что позволяет расширить диапазон напряжений питания и сопротивления нагрузки.

11. Составлены эквивалентные схемы планарных ЬС-резонаторов с распределенными параметрами, показана возможность использования ЬС-резонаторов в мощных генераторах на АН как элементов нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Заруба, Денис Владимирович, 2005 год

1. Серьезнов А.Н., Степанова J1.H., Гаряинов С.А., Гагин C.B., Негоденко О.Н., Филишок H.A., Касимов Ф.Д. Негатроника (Под ред. JI.H. Степановой). Новосибирск: Наука, 1995. - 315 с.

2. Бенинг Ф. Отрицательное сопротивление в электронных схемах.- М.: Сов. радио, 1975. 287 с.

3. Арефьев A.A., Баскаков E.H., Степанова JI.H. Радиотехнические устройства на транзисторных эквивалентах р-п-р-п структуры.- М.: Радио и связь, 1982. 104 с.

4. Серьезнов А.Н., Степанова JI.H. Электронные устройства на элементах с отрицательным сопротивлением. М.: Радио и связь, 1992.-200 с.

5. О.Н. Негоденко, К.Е. Румянцев, J1.A. Зинченко, С.И. Липко Схемотехника, моделирование и применение транзисторных устройств с отрицательным сопротивлением Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. - 214 с.

6. О.Н. Негоденко Аналоги негатронов в электронных устройствах- Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. 104 с.

7. Гурин Н.Т., Бакланов С.Б., Новиков С.Г., Новоселов А.Ю. Схемотехническое моделирование и исследование мощных N-транзисторов // Известия ВУЗов. Электроника. -1999. №1. -С. 86-90.

8. Смолянский P.E., Смолянский В.А. Кремниевые биполярные тетроды дефензоры// Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. Вып. - 1 (154)-1 (155), 2000-2001. - С. 7-14.

9. Чернявский E.B. и др. МОП тиристор — перспективный прибор силовой электроники // Микроэлектроника. -2002. - Т. 31. - №5. -С. 376-381.

10. Чернявский Е.В. Транзисторный МОП-управляемый тиристор // Микроэлектроника. -2002. Т. 31. - №5. - С. 382-384.

11. Заврагинов Ю.З., Абрамов В.Г. Мощный автогенератор на полевом транзисторе // Электросвязь. -1982. -№6. — С. 42-44.

12. Агель A.A. Мощный генератор на полевых транзисторах // Приборы и техника эксперимента. 1987. - № 1. - С. 116.

13. Failing Ottmar. HF generator mit leisfungs MOSFETs // Electronic. - 1985. - № 15. - P. 61-65.

14. Чистяков H.H., Судаков Ю.И., Барский E.A. Мощный кварцевый автогенератор на комплементарных транзисторах // Электронная техника. Серия «Радиодетали и радиокомпоненты». — Вып.З (68). — 1987. -С. 57-62.

15. Судаков Ю.И., Путров Е.А. Гибридные составные транзисторы в каскадах мощных кварцевых генераторов // Радиотехника. 1988. №2. -С. 33.

16. Кяргинский Б.Е. Генераторы на биполярных транзисторах различной мощности // Электронная техника: Серия 1. 1993. -№3. С. 3-6.

17. Шустов М. Стирка ультрозвуком. // Радиолюбитель. 2001. -№1.-С. 18-19.

18. Самойлов А.Г. и др. Мощные транзисторные генераторы высокой частоты // Приборы и техника эксперимента. 1996. - №6. -С. 53-57.

19. Евсеев Ю.А. и др. Силовые полупроводниковые интегральные схемы // Электротехника. 2002. - №12. - С. 2.

20. Ежков Ю. Применение мощных автогенераторов в переносных устройствах радиосвязи // Схемотехника. 2003. -№11. - С. 16-18.

21. Суковатый Л.Г. и др. Установка с генератором высокой частоты для эмиссионного спектрального анализа и плавки драгоценных металлов // Приборы и техника эксперимента. 1998. -№5. - С. 21.

22. Сафронов Л.А., Розум Ю.И. Аппаратура для УВЧ терапии // Электронная промышленность. 2000.-№1. - С. 93.

23. Таламарчук Д.Ф. Транзисторные высокочастотные тракты для аппаратуры УВЧ терапии // Медицинская техника. - 1998. - №4. -С. 42-45.

24. Мазуркин В.Д. Аппарат для ультразвуковой терапии УЗТ -1.08Ф // Медицинская техника. 1994. -№1. - С. 2-5.

25. Мединец Ю. Аппарат для магнитотерапии К4-50 // Радиотехника, 2000. - №8. - С. 42.

26. Полу шин П.А. и др. Адаптирующиеся высокочастотные генераторы для биомедицинских целей // Медецинская техника. 2000. -№4.-С. 26.

27. Негоденко О.Н., Стрижаков П.И., Мирошниченко С.П. Аналоги динистора для мощных автогенераторов // Сб. материалов Международного научно-практического семинара «Проблемы аналоговой микросхемотехники». Шахты: Изд-во ЮРГУЭС. Часть 1. 2003. С. 65-68.

28. Судаков Ю.М. и др. Составной транзистор. АС СССР №1231576. БИ. 1986. - №18. - С. 244.

29. Мощный транзистор с повышенной устойчивостью по вторичному пробою. Заявка Франции. №2609213. Изобретения стран мира. 1989. -№3. - С. 25.

30. Семенов Б.Ю. Силовая электроника. М.: Солон-Р. - 2001.327 с.

31. Негоденко О.Н., Мирошниченко С.П., Заруба Д.В. Мощные аналоги негатронов с N-образной вольтамперной характеристикой // Деп. ВИНИТИ, №761-2002. от 25.04.02. 14 с.

32. Stepowiez W.J. Frequency properties of a Darlington composite transistor. Internal Journal of Electronics. 1973.-V.35.-№4.-P. 507-512.

33. Негоденко O.H., Заруба Д.В. Частотные свойства сложных составных транзисторов // Деп. ВИНИТИ, №762-2002. от 25.04.02. 9 с.

34. Негоденко О.Н., Лукьяненко Е.Б., Заруба Д.В. Аналоги негатронов для защиты мощной цепи от перегрузки Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2004. - №5. - С. 11-13.

35. Заруба Д.В., Негоденко О.Н. Устройство защиты мощной цепи от перегрузки на основе аналога негатрона // Труды IV международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Одесса. 2003. - С. 325.

36. Заруба Д.В., Негоденко О.Н. Устройство защиты мощной цепи от перегрузки при питании её переменным током // Труды IV международной научно-технической конференции «Микроэлектронные преобразователи и приборы на их основе», Баку-Сумгаит. 2003. -С. 92-93.

37. Заруба Д.В., Негоденко О.Н., Лукьяненко Е.Б. Аналоги негатронов для мощных дефензоров // Труды V международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Одесса. 2004. - С. 316.

38. Заруба Д.В. Исследование термостабильности дефензора на аналоге негатрона // Труды юбилейной международной научно-технической конференции «Информационные и электронные технологии в дистанционном зондировании», Баку. 2004. - С. 409-410.

39. Богородицкий В.В., Зубарев Л.Л., Корепин Е.А., Якушев В.И. Подводные электроакустические преобразователи (расчет и проектирование). Справочник. J1.: Судостроение. - 1983. - 248 с.

40. Ерофеев A.A., Данов Г.А., Фролов В.В. Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. М.: Радио и связь. - 1988.- 128 с.

41. Львович A.A., Гейсман Ю.В. Высокочастотные кварцевые генераторы на туннельных диодах. М.: Связь. - 1970. - 168 с.

42. Филатов Г.А. Малогабаритные низкочастотные механические фильтры. М.: Сов. Радио. - 1974. - 290с.

43. Зубцов В.И., Баранов В.В. Пьезотрансформаторные преобразователи контроля статических механических напряжений. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2001. — №1. -С. 45-50.

44. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоиздат. -1989.-272 с.

45. Лиситская H.H., Синицкий Л.А., Шумков Ю.М. Анализ электрических цепей с магнитными полупроводниковыми элементами -Киев: Наукова думка. 1969. - 440 с.

46. Негоденко О.Н., Воронин В.А., Заруба Д.В. Генераторы с электромеханическими преобразователями на аналогах негатронов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2002. - №1. -С. 5.

47. Заруба Д.В. Мощный пьезогенератор на аналоге негатрона. Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Таганрог. 2002. С. 199.

48. Негоденко О.Н., Заруба Д.В., Мирошниченко С.П. Особенности мощного автогенератора на аналоге негатрона с параллельнымколебательным контуром // «Проблемы современной аналоговой микросхемотехники». Шахты: изд. ЮРГУЭС. - 2005. — С. 132.

49. Burghartz J.N., Jenkins К.A., Soguer М. Multilevel spiral inductor using VLSI interconnect technology // IEEE Electron Device Letters. 1996. -V. 17-№9.-P. 428-430.

50. Негоденко O.H., Семенцов В.И., Заруба Д.В. Датчики на основе АН и резонаторов с распределенными параметрами// Труды IV международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Одесса. 2003. - С. 326.

51. Заруба Д.В. Математическая модель мощного генератора на аналоге негатрона // Труды IV международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Ростов на Дону. 2005. - С. 37.

52. Заруба Д.В. Дефензоры на вырожденных аналогах негатронов // Известия АНАКА том 8. 2005. - №2. - С. 5.

53. Негоденко О.Н., Семенцов В.И., Хвостенко A.A., Заруба Д.В. Планарные LC-резонаторы с распределенными параметрами и их применение // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. -2003.-№2.-С. 15.

54. Прозоровский В.Е., Афанасьев К.Л., Негоденко О.Н. К расчету пленочных двухполюсников с распределенными параметрами // Радиотехника. 1966. - №2. - С. 55-69

55. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей JL: Энергия. - 1972.-816 с.

56. Е.И. Манаев. Основы радиоэлектроники: учебное пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь. - 1985. - 488 с.

57. Гаряинов С.А., Абезгауз И.Д. Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением М.: Энергия. - 1970. - 320 с.

58. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства М.: Радио и связь. - 1985.-400 с.