Проблеми автоматизаціїсхемотехничного проектування нелінійних вузлів радіоелектронної апаратури
Вступ
Розглянемоспецифічні властивості, притаманні нелінійним вузлам радіоелектронної апаратури(РЕА). Введемо поняття «опрацьована схема», причетне до довільного вузла РЕА. Покажемо,як треба розширити це поняття стосовно нелінійного вузла з врахуванням йогоособливостей. Уявлення про опрацьовану схему дозволяє сформувати задачі, якінеобхідно вирішувати при схемотехнічному проектуванні, і дає можливістьвизначити проблеми, виникаючі при створенні системи автоматизованогопроектування нелінійних вузлів.
1. Специфіка розгляду нелінійних вузлів
Насампередвідмітимо, що будемо казати про автоматизацію схемотехнічного проектуваннянелінійних вузлів, в яких робочим виявляється періодичний режим. До їх числавідносяться автогенератори, підсилювачі, помножувачі та дільники частоти,амплітудні детектори, деякі види частотних детекторів і т. і.
Уперелічених вузлах є хоча б один нелінійний елемент (опір, ємність абоіндуктивність). Нагадаємо, що вольт-амперна характеристика нелінійногорезистора, тобто залежність струма від напруги, або обернена функція,відрізняються від прямої лінії. Характеристики нелінійної емності(вольт-кулонова) і нелінійної індуктивності (ампер-веберна) ведуть себеоднаково. Тому значення опору, ємності, індуктивності в цих елементах незалишаються постійними при зміні напруги, струму, заряду або магнітного потоку.
Присутністьнелінійного елемента обумовлює особливість періодичного режиму в схемі: усіструми і напруги, будучи періодичними функціями часу, стають негармонічними.
Кажучиінакше, при розкладі у ряд Фур’є струмів (напруг) у нелінійній системі, в якійіснує періодичний режим з періодом Т, отримаємо спектр, який має частоту f = 1/Tта її гармоніки. В цій прояві одна із особливостей нелінійної схеми.
Іншіспецифічні риси виявляються при зміні параметрів нелінійної системи. В цьомувипадку можуть спостерігатися такі явища: виникнення паразитних автоколивань;перехід до іншого періодичного режиму з іншою амплітудою та частотою; одночаснеіснування двох або більше коливань. Проілюструємо перелічені вияви прикладами.
Паразитніавтоколивання часто утворюються в транзисторному підсилювачі потужності привідсутності сигналу на вході, якщо трохи збільшити напругу зміщення (абовідкрити транзистор). При цьому вимикання вихідного навантаження або йогозамкнення, як правило, сприяє автоколиванням. Причина паразитного збудження –внутрішній зворотній зв’язок в транзисторі.
Нерідков коливну систему вузлів входить нелінійна ємність (наприклад, ємністьемітерного, або колекторного переходу біполярного транзистора). Тоді при змінічастоти зовнішнього сигналу можна спостерігати викиди напруги та гістерезис (рис. 1).
Якпоказали досліди, це викликано зміною середнього за період значення нелінійноїємності, що при деяких умовах супроводжується збудженням коливань на частотізовнішнього сигналу і приводить до викиду амплітуди (частота f1 рис. 1), врезультаті чого спостерігається гістерезіс.
Вавтогенераторі, працюючим з інерційним автозміщенням, може з’явитисьсамомодуляція.
Цеявище можна інтерпретувати як збудження низькочастотного коливання, котре існуєсумісно з корисним.
Паразитніколивання в приладах на біполярних транзисторах дуже різноманітні внаслідокпояви параметричної нестійкості. Суть її складається у збудженні параметричнихколивань за рахунок модуляції нелінійної ємності корисним коливанням на частотіf.
Прицьому збудження трапляється на частотах f/2, f, f1 та f2, підлеглих вимогам:f1+f2=f і т. і. Параметричний механізм збудження може підтримуватися внутрішнімзворотнім зв’язком, існуючим в схемі.
Паразитнеколивання в розробленому виробі недопустимі по двом причинам.
По-перше,з’являються перешкоди у вигляді паразитних спектральних складових.
По-друге,ці коливання можуть бути інтенсивними та приводити до виходу з ладу елементівсхеми (пробій та вигорання транзистора, згорання опору і т. і.). Отже, припроектуванні нелінійних вузлів треба приймати заходи по запобіганню паразитногозбудження.
2 Що означає «опрацювати» схему нелінійного вузла?
Середрозробників РЕА є термін «опрацьована» схема. Під цими словами будемо розумітисхему, яка має такі властивості:
1.При номінальних значеннях внутрішніх параметрів, нормальній температурізовнішнього середовища, середньому значені зовнішніх параметрів (живлячихнапруг, опора навантаження і т. і.) характеристики схеми знаходяться в межахдопустимих значень, вказаних в ТЗ.
2.При зміні параметрів зовнішнього середовища, в тому числі зовнішньоїтемператури, в межах, обумовлених ТЗ, характеристики схеми не виходять за межі,встановленні технічними вимогами.
3.Характеристики схеми при розкиді параметрів елементів не виходять завстановлений технічними вимогами кордон припустимий технічними умовами на ціелементи.
Всилу специфіки нелінійних пристроїв вимагаємо від опрацьованої схеми ще однуумову:
4.При зміні живлячих напруг, навантаження, температури і параметрів схеми вдопустимих межах повинен існувати робочий періодичний режим; в підсилювачахпотужності і в подібних пристроях за відсутності корисного сигнала, а також приналагоджені та регулювані не повині генеруватися паразитні коливання.
Зупинимосьна першій властивості опрацьованої схеми. Досвід проектування показує, що можнавиконати умови 2 і 3, якщо досягтись виконання першої умови із запасом. Якимповинен бути запас, треба вирішати окремо в кожному конкретному випадку.
Щодо третьої умови, то при її виконані можна гарантувати працездатність схеми,виготовленої на виробництві, коли параметри елементів приймають будь-якізначення з поля допуску на них. Якщо іспити показують, що ця умова виконуєтьсяіз труднощами, або зовсім не виконується, то слід піти по дорозі обґрунтованогозменшення допусків на використовувані елементи.
3 Задачі, які треба вирішувати при опрацюванні нелінійноїсхеми
Вході опрацювання схеми треба домогтися здійснення сформульованих вище чотирьохумов. Обсудимо, які завдання треба вирішити при схемотехнічному проектуванні наЕОМ. Для конкретності будемо мати на увазі транзисторний підсилювач потужності.Припустимо, що визначена структура підсилювача (рис. 2). Проектуванняпроведемо поетапно, домагаючись на кожному етапі виконання вказаних вище умов.
1-йетап: опрацювання схеми при номінальних значеннях внутрішніх параметрів,нормальній температурі зовнішнього середовища та при середній величинізовнішніх параметрів.
Напочатку етапу потрібно вказувати змінні в ході опрацювання параметри схеми тавизначити межі зміни їх. Ці межі звичайно визначаються конструктивнимирозмірами вузла та використаної елементної бази.
Проектуванняна цьому етапі можна зробити по такому алгоритму:
Крок1: ввести початкове значення внутрішніх та зовнішніх параметрів, а такожтемператури зовнішнього середовища.
Крок2: розрахувати періодичний режим та характеристики схеми.
Крок3: перевірити, чи задовольняються технічні вимоги; якщо так, то закінчитироботу опрацювання схеми; якщо ні, то перейти до кроку 4.
Крок4: перевірити, чи вичерпані межі змін параметрів схеми; якщо так, то прийнятирішення для наступних дії; якщо ні, то перейти до кроку 5.
Крок5: змінити параметри схеми та повернутися до кроку 2.
Описанийвище алгоритм подамо у вигляді системи параметричного синтезe (рис. 2),яка має вхід і два виходи
Наїї вхід надходять початкові дані для проектування: структура підсилювача,значення внутрішніх та зовнішніх параметрів, температура зовнішньогосередовища, перелік змінюваних параметрів та межі їх змін.
Вихід1 означає кінець опрацювання схеми, так як при цьому розраховані параметризнаходяться в межах допустимих значень, а характеристики схеми задовольняютьтехнічним вимогам.
Вихід2 показує, що в умовах прийнятих обмежень технічні вимоги не задовольняються. Вцьому випадку розробник приймає рішення про те, як вести проектування далі. Взалежності від результатів він може поширити межі змін внутрішніх параметрів,замінити структуру кіл узгодження, перейти до схеми із загальною базою, якщо доцього загальним електродом був емітер, і т. і.
Звернемоувагу на два моменти. По-перше, параметричний синтез виконується за допомогоюітерацій. Причина цього полягає в тому, що з першого раза не вдається підібративнутрішні параметри так, щоб технічні вимоги задовольнялись.
По-друге,в проектуванні активно бере участь інженер: він вирішує, які параметри і в якихмежах треба змінювати, якщо не виконується технічне завдання; він вирішує, щоробити при негативному результаті проектування.
Неможна не відмітити ще одну обставину. В ході описаного способу проектування, які при традиційному, фахівець накопичує досвід (вчиться), але тепер цетрапляється з більшою ефективністю, ніж раніше: є можливість не тількиконстатувати який-небудь факт і припустити, яка його причина, але й одразуперевірити припущення.
Викладенийалгоритм показує, що на першому етапі важлива задача розрахунку періодичного режимув нелінійної схемі та визначення характеристик, вказаних в технічних вимогах,причому ця задача, як правило, вирішується багаторазово.
Кількаслів про початкові значення параметрів схеми. На перший погляд здається, щозаздалегідь потрібен розрахунок, хоч і приблизний, який показав би, при якихпараметрах можна очікувати виконання технічних вимог. Однак цього можна неробити, якщо ввести в вигляді початкових параметрів довільні значення ізобласті можливих значень.
Другийетап: опрацьовування схеми при зміні зовнішніх параметрів і температуризовнішнього середовища.
Проектуванняна цьому етапі можна провести за допомогою системи, яка використовуваласьраніше, трохи розширивши її (рис. 3). Тепер алгоритм такий:
Крок1: ввести нові значення параметра зовнішнього середовища або зовнішньоїтемператури в систему параметричного синтезу; якщо відгук на виході 1, топерейти до кроку 2; якщо відгук на виході 2, то прийняти рішення про наступнідії.
Крок2: перевірити, чи всі параметри зовнішнього середовища змінювалися і чивичерпні межі варіації зовнішньої температури; якщо так, то закінчити опрацювання;якщо ні, то перейти до кроку 1.
Наоснові викладеного алгоритму можна зробити наступні висновки.
Знайденіна попередньому етапі внутрішні параметри можуть не забезпечити працездатністьсхеми при зміні того чи іншого параметра зовнішнього середовища або зовнішньоїтемператури. Тоді треба повертатися до першого етапу і опрацьовувати внутрішніпараметри заново.
Можестатися, що в межах прийнятих обмежень технічні вимоги не виконуються. Тодірозробник повинен встановити, як діяти далі.
Новихзадач, які треба вирішувати, цей етап не додає. Але розрахунок періодичногорежиму при новому значенні зовнішньої температури неможливо зробити за одинраз.
Ділов тому, що транзистор розігрівається із-за розсіювання на ньому потужності.Температура його переходів більше ніж температура зовнішнього середовища тазалежить від двох факторів – зовнішньої температури та потужності розсіювання.На останню теж впливає температура середовища.
Робитьсяце від того, що змінюються параметри транзистора та його режими. Це змушуєвизначати періодичний режим послідовним зближенням: наприклад, припустити, щотемпература транзистора змінилась так, як і зовнішня температура, а потужністьрозсіювання зосталась однаковою; знайти нові параметри і режим транзистора,розрахувати потужність розсіювання і уточнити температуру на переходахтранзистора; по знайденій температурі знову розрахувати параметри та режимтранзистора, потужність розсіювання і температуру на переходах і т. і.
Ітераціїповторюють до тих пір, поки різниця в температурі на переходах транзистора насусідніх кроках не стане нижче заданої величині, визначаючої точністьрозрахунків.
Вособливо відповідальних випадках домагаються працездатності схеми в найгіршомувипадку, тобто при такому поєднанні зовнішніх параметрів та зовнішньоїтемператури, при якому характеристики змінюються в найбільшій мірі.
Перевіритивиконання цих вимог можна розрахунком періодичного режиму при кількох наборахзовнішніх параметрів та зовнішньої температури.
Третійетап: забезпечення працездатності схеми при розкиді її параметрів у межахдопусків.
Цейетап зв’язаний с розрахунком чутливості характеристик схеми відносно їївнутрішніх параметрів. Задача ускладнюється тим, що внутрішніх елементів вреальному випадку багато.
Томуїї не можна вирішувати багаторазовим розрахунком періодичного режиму нелінійноїсхеми, по черзі змінюючи кожен із параметрів, оскільки це приводить до великихвтрат машинного часу. З іншої сторони, чутливість – це похідна від відповіднихпоказників схеми по параметру. Отож, є можливість спрощення при розрахунках.
Четвертийетап: попередити збудження паразитних коливань в проектованій схемі.
Туттреба проаналізувати стійкість як періодичного режиму, так і положеннярівноваги (робочої точки).
Такимчином, використання ЕОМ в проектуванні схеми для класу нелінійних пристроїв,потребує вирішення ряду проблем.
Насампередусього, необхідний метод розрахунку періодичного режиму нелінійної схеми, якийби враховував усі фактори, практично впливаючи на її вихідні характеристики.Іншими словами, метод повинен бути досить точним, а це не допускає звичайнихспрощень в обчислювальній процедурі та в моделі транзистора.
Далінеобхідно аналізувати стійкість періодичного режиму та положення рівноваги внелінійної схемі. Ці задачі також не входять до переліку вирішуємих ні в однійіз описаних в літературі проблемно-орієнтованих програм.
Наступнапроблема – чутливість характеристик нелінійної схеми до змін внутрішніхпараметрів. Рішення цієї задачі отримано для двох випадків: перший – схемалінійна, другий – нелінійна схема, але резистивна, що орієнтує на розрахунокчутливості робочої точки в колах з транзисторами та іншими активними приладами.Засоби розрахунку чутливості в нелінійній інерційній схемі в літературівідсутні.
Нарешті,треба сказати про відсутність методики проектування за допомогою ЕОМ, в якіймістились би рекомендації що до вибору внутрішніх параметрів, мали б вказівкипро те, як зберегти працездатність схеми при зміні зовнішньої температури ізовнішніх параметрів, як знизити високу чутливість характеристик і т. і.
Щодо систем автоматизованого схемотехнічного проектування, то її створенняможливо лише після вирішення перелічених проблем. Більш того, додатково требавирішити ще ряд запитань: як повинен працювати з системою користувач, якповинна функціонувати вона – в якій послідовності виконувати розрахунки, яквзаємодіють програми; на якій ЕОМ розміщати таку систему і т. і.