Основы теории, схемотехника и применения электронных схем с аналого-дискретными обратными связями

• Автор: Сафрошкин, Юрий Васильевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 39 с. : ил.; 20х14 см

КРАТКАЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Современный этап развития науки и техники характеризуется быстро растущими требованиями к эффективности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и устройств различного назначения, в том числе к эффективности РЭА и приборов для научных исследований.
Схемотехника таких средств до недавнего времени развивалась, в основном, по структурно-функциональному принципу (СФП-подход): электрическая цепь (ЭЦ) строится из блоков (ячеек) функциональных элементов (ФЭ), выполняющих определенные типовые функции/операции (от усилителей и сумматоров до АЦП и микроЭВМ). Эффективность АКТИВНЫХ электронных схем ГЭС) из таких блоков и ФЭ при этом определяется: а) уровнем развития и параметрами компонентов общего
применения (от Г?,С до "чипов"); б) номеклатурой и возможностями ФЭ общего и специального назначения; в) информационным и методическим обеспечением разработчиков схем и устройств.
ФЭ развиваются по двум основным путям:
1. Эволюционное совершенствование традиционных ФЭ (аналоговых и дискретных, общего и частных применений). При этом трудно преодолеть основные слабости СФП: а) "арифметический" рост массы, габаритов, энергопотребления, стоимости и...шумов устройств и РЭА с ростом их сложности (количества функций); б) обычно обратное снижение надежности, чувствительности, быстродействия.
2. Разработка новых ФЭ (новые их функции, кзчества), позволяющих ослабить или обойти некоторые из таких слабостей.
АКТУАЛЬНОСТЬ и обоснование диссертации в рамках второго пути обусловлены и все более настоятельной необходимостью шире и глубже сопрягать технологию и технику (насыщенные цифровой электроникой обработки и управления) с естественными процессами, обычно непрерывными. Отсюда потребность в АНАЛОГО-ДИСКРЕТНОЙ (АД) схемотехнике для развития АД интерфейсов. Ее методологическое и теоретическое обеспечение в последние десятилетия стимулировалось и развитием "гибридных" (в смысле АД свойств) ЭВМ и преобразователей (АЦП,ЦАП) для радиоэлектроники, вычислительной техники, систем управления, большой вклад в это внесли многие школы, авторы (библиография в Л» 36-39] и СД1] - см. ниже). Их опыт и достижения показывают большие резервы повышения эффективности РЭА по второму пути.
Диссертация посвящена дальнейшему развитию АД схемотехники, изданию ФЭ и устройств с ноеыми АД свойствами и более широкими возможностями за счет уплотнения ("концентрации") нужных функций, их "самоорганизации" с использованием более компактны,1; схемотехнических решений. Раскрываемая ниже АД концепция, ее методология и принципы приводят к более эффективным решениям, чем чисто ана-

договые или дискретные, особенно при разработке экономичной РЭА, необходимой во многих областях, В диссертации это подтверждено на приборах и аппаратуре для научных исследований, разработанных и внедренных в производство и научную практику.
Актуальность работы подтверждена и ее тесной связью с крупными комплексными программами: "Автоматизация научных исследова-
ний", "Микрометоды в химии белка" и др. (пост. СМ СССР N131 от 18.2.75г. пост. ГКНТ СССР N69 от 28.2.79г.), а также с рядом НИР и DKP (per.NN 73042589, 74049740, 770622876 и др).
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. Научные цели работы - создание общей концепции и методологии формирования и исследования АД свойств в автономных схемах (от ФЭ и сложнее) с существенно нелинейными обратными связями (ОС), развитие на этой основе усилителей и преобразователей, стабилизаторов и генераторов и других элементов устройств с качественно новыми или расширенными функциональными возможностями.
На пути к этим целям ставились и решались этапные задачи всесторонней разработки нового схемотехнического подхода: использования функциональных непрерывнологических ОС для целенаправлен- ного обогащения свойств ФЗ и схем, а именно для совмещения в них аналоговых и дискретных свойств без пропорционального аппаратурного усложнения, но с улучшением тех или иных технических или/и эксплуатационных характеристик. Для этого потребовалось:
- Развить физическую (измерительную) интерпретацию аддитивных ОС в автономных ЭС, снять накопившиеся противоречия и неясности.
- Развить единую методологию синтеза и анализа существенно нелинейных (ступенчатых) функционально-логических ОС.
- Довести ее до уровня инженерной практики, компактных методов анализа и расчета новых АД свойств и синтеза АД схем.
- Осуществить их экспериментальную проверку (для верификации теории) и практическую проверку (для подтверждения реальных преимуществ новых решений) в рамках поставленных задач.
Конечными прикладными задачами работы явились разработка и выпуск новых устройств и средств радиоэлектроники, их внедрение в научное приборостроение (физические, биомедицинские исследования), предъявляющее к ним новые быстро расширяющиеся требования.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА достижения указанных: целей и задач.
- Исходные положения теоретической электротехники и теории цепей.
- Доработка и уточнение опирающегося на них основного понятийного аппарата и корректной терминологии.
- Современные представления непрерывной, дискретной и гибридных алгебр и логик и опирающихся на них областей схемотехники (например, см. Волгин Л.М. Непрерывная логика и ее схемотехнические применения.- Ульяновск: УГТУ, 1996.- 108с). *СД13

дачи - основных показателей ОС в активных схемах, одно- или многоконтурных; б) графическую интерпретацию нелинейной ОС как зависимости ВП от полных узловых напряжений, управляющих параметрами нелинейных компонентов. Это улучшило понимание ОС и их перспектив.
4. Развит методологически единый геометрический подход к оценке и реализации аналоговых, дискретных и совмещенных АД свойств в неделимых схемах с нелинейными ОС. Он включает (п.1.4):
а) обобщенную модель ступенчатой аппроксимации существенно нелинейных зависимостей ВП от напряжений, управляющих нелинейностями;
б) основы синтеза сложных зависимостей ВП;
в) классификацию основных типов АД функционально-логических ОС;
г) основные принципы их схемотехнического использования.
5. Развит единый экономный метод анализа статики и основ динамики АД схем на ОУ со ступенчатыми ОС. Он включает (п.1.5):
а) упрощенные графоаналитические анализ и синтез сложных СХ;
б) упрощенные исследование и расчет релаксационных процессов в контурах ОС с емкостями. Новизна и значение метода (и методологии в целом) - сочетание компактности и образности с ясной физической интерпретацией и эвристическими потенциями развития эффективного схемного мышления и геометрической теории цепей.
Эти теоретические и методические результаты подтверждены в разнообразных экспериментах и на практике. На их основе предложены принципы построения и разработаны ФЭ и более сложные схемы с функционально-логическими ступенчатыми ОС и совмещенными АД свойствами, реализованные в следующих областях АД СХЕМОТЕХНИКИ.
1. Предложены новые схемно компактные варианты использования регенеративных скачков в контурах ступенчатых ОС для автоматического выключения СН при перегрузках (т.е. их эффективной защиты). Предложены взаимные связи порогового типа между несколькими стабилизаторами, что значительно расширяет возможности самозащиты многоканальных ИП от перегрузок по току и их адаптивные свойства в нештатных ситуациях (п.2.1 [2,гл.53). В большинстве их внедрений это обеспечило аппаратурную и эксплуатационную экономию.
2. Функционально-логические ОС применены для реализации новых АД свойств в процессорах аналоговых сигналов (преобразователях, формирователях, генераторах). Например, регенеративные скачки при пороговых сигналах использованы для включения/выключения усилителей, переключения их усиления или/и фазы, получения внешних синхроимпульсов и т.п. Существенно расширены диапазоны перестройки частоты в простых ВС-генераторах и в полосовых фильтрах (при сохранении качества гармонических колебаний). Созданы специальные измерительные устройства для биомедицины (п.2.2 (2,гл.63).