Проблеми автоматизацiї схемотехничного проектування нелiнiйних вузлiв радiоелектронної апаратури
Проблеми автоматизацiї схемотехничного проектування нелiнiйних вузлiв радiоелектронної апаратури
Вступ
Розглянемо специфiчнi властивостi, притаманнi нелiнiйним вузлам радiоелектронної апаратури (РЕА). Введемо поняття «опрацьована схема», причетне до довiльного вузла РЕА. Покажемо, як треба розширити це поняття стосовно нелiнiйного вузла з врахуванням його особливостей. Уявлення про опрацьовану схему дозволяє сформувати задачi, якi необхiдно вирiшувати при схемотехнiчному проектуваннi, i дає можливiсть визначити проблеми, виникаючi при створеннi системи автоматизованого проектування нелiнiйних вузлiв.
1. Специфiка розгляду нелiнiйних вузлiв
Насамперед вiдмiтимо, що будемо казати про автоматизацiю схемотехнiчного проектування нелiнiйних вузлiв, в яких робочим виявляється перiодичний режим. До їх числа вiдносяться автогенератори, пiдсилювачi, помножувачi та дiльники частоти, амплiтуднi детектори, деякi види частотних детекторiв i т. i.
У перелiчених вузлах є хоча б один нелiнiйний елемент (опiр, ємнiсть або iндуктивнiсть). Нагадаємо, що вольт-амперна характеристика нелiнiйного резистора, тобто залежнiсть струма вiд напруги, або обернена функцiя, вiдрiзняються вiд прямої лiнiї. Характеристики нелiнiйної емностi (вольт-кулонова) i нелiнiйної iндуктивностi (ампер-веберна) ведуть себе однаково. Тому значення опору, ємностi, iндуктивностi в цих елементах не залишаються постiйними при змiнi напруги, струму, заряду або магнiтного потоку.
Присутнiсть нелiнiйного елемента обумовлює особливiсть перiодичного режиму в схемi: усi струми i напруги, будучи перiодичними функцiями часу, стають негармонiчними.
Кажучи iнакше, при розкладi у ряд Фур’є струмiв (напруг) у нелiнiйнiй системi, в якiй iснує перiодичний режим з перiодом Т, отримаємо спектр, який має частоту f = 1/T та її гармонiки. В цiй проявi одна iз особливостей нелiнiйної схеми.
Іншi специфiчнi риси виявляються при змiнi параметрiв нелiнiйної системи. В цьому випадку можуть спостерiгатися такi явища: виникнення паразитних автоколивань; перехiд до iншого перiодичного режиму з iншою амплiтудою та частотою; одночасне iснування двох або бiльше коливань. Проiлюструємо перелiченi вияви прикладами.
Паразитнi автоколивання часто утворюються в транзисторному пiдсилювачi потужностi при вiдсутностi сигналу на входi, якщо трохи збiльшити напругу змiщення (або вiдкрити транзистор). При цьому вимикання вихiдного навантаження або його замкнення, як правило, сприяє автоколиванням. Причина паразитного збудження – внутрiшнiй зворотнiй зв’язок в транзисторi.
Нерiдко в коливну систему вузлiв входить нелiнiйна ємнiсть (наприклад, ємнiсть емiтерного, або колекторного переходу бiполярного транзистора). Тодi при змiнi частоти зовнiшнього сигналу можна спостерiгати викиди напруги та гiстерезис (рис. 1).
Як показали дослiди, це викликано змiною середнього за перiод значення нелiнiйної ємностi, що при деяких умовах супроводжується збудженням коливань на частотi зовнiшнього сигналу i приводить до викиду амплiтуди (частота f1 рис. 1), в результатi чого спостерiгається гiстерезiс.
В автогенераторi, працюючим з iнерцiйним автозмiщенням, може з’явитись самомодуляцiя.
Це явище можна iнтерпретувати як збудження низькочастотного коливання, котре iснує сумiсно з корисним.
ємностi корисним коливанням на частотi f.
При цьому збудження трапляється на частотах f/2, f, f1 та f2, пiдлеглих вимогам: f1+f2=f i т. i. Параметричний механiзм збудження може пiдтримуватися внутрiшнiм зворотнiм зв’язком, iснуючим в схемi.
Паразитне коливання в розробленому виробi недопустимi по двом причинам.
По-перше, з’являються перешкоди у виглядi паразитних спектральних складових.
заходи по запобiганню паразитного збудження.
2 Що означає «опрацювати» схему нелiнiйного вузла?
знаходяться в межах допустимих значень, вказаних в ТЗ.
2. При змiнi параметрiв зовнiшнього середовища, в тому числi зовнiшньої температури, в межах, обумовлених ТЗ, характеристики схеми не виходять за межi, встановленнi технiчними вимогами.
3. Характеристики схеми при розкидi параметрiв елементiв не виходять за встановлений технiчними вимогами кордон припустимий технiчними умовами на цi елементи.
В силу специфiки нелiнiйних пристроїв вимагаємо вiд опрацьованої схеми ще одну умову:
4. При змiнi живлячих напруг, навантаження, температури i параметрiв схеми в допустимих межах повинен iснувати робочий перiодичний режим; в пiдсилювачах потужностi i в подiбних пристроях за вiдсутностi корисного сигнала, а також при налагодженi та регулюванi не повинi генеруватися паразитнi коливання.
окремо в кожному конкретному випадку.
Що до третьої умови, то при її виконанi можна гарантувати працездатнiсть схеми, виготовленої на виробництвi, коли параметри елементiв приймають будь-якi значення з поля допуску на них. Якщо iспити показують, що ця умова виконується iз труднощами, або зовсiм не виконується, то слiд пiти по дорозi обґрунтованого зменшення допускiв на використовуванi елементи.
3 Задачi, якi треба вирiшувати при опрацюваннi нелiнiйної схеми
В ходi опрацювання схеми треба домогтися здiйснення сформульованих вище чотирьох умов. Обсудимо, якi завдання треба вирiшити при схемотехнiчному проектуваннi на ЕОМ. Для конкретностi будемо мати на увазi транзисторний пiдсилювач потужностi. Припустимо, що визначена структура пiдсилювача (рис. 2). Проектування проведемо поетапно, домагаючись на кожному етапi виконання вказаних вище умов.
1-й етап: опрацювання схеми при номiнальних значеннях внутрiшнiх параметрiв, нормальнiй температурi зовнiшнього середовища та при середнiй величинi зовнiшнiх параметрiв.
На початку етапу потрiбно вказувати змiннi в ходi опрацювання параметри схеми та визначити межi змiни їх. Цi межi звичайно визначаються конструктивними розмiрами вузла та використаної елементної бази.
Крок 1: ввести початкове значення внутрiшнiх та зовнiшнiх параметрiв, а також температури зовнiшнього середовища.
Крок 2: розрахувати перiодичний режим та характеристики схеми.
Крок 4:перевiрити, чи вичерпанi межi змiн параметрiв схеми; якщо так, то прийняти рiшення для наступних дiї; якщо нi, то перейти до кроку 5.
Крок 5: змiнити параметри схеми та повернутися до кроку 2.
Описаний вище алгоритм подамо у виглядi системи параметричного синтезe (рис. 2), яка має вхiд i два виходи
На її вхiд надходять початковi данi для проектування: структура пiдсилювача, значення внутрiшнiх та зовнiшнiх параметрiв, температура зовнiшнього середовища, перелiк змiнюваних параметрiв та межi їх змiн.
Вихiд 1 означає кiнець опрацювання схеми, так як при цьому розрахованi параметри знаходяться в межах допустимих значень, а характеристики схеми задовольняють технiчним вимогам.
Вихiд 2 показує, що в умовах прийнятих обмежень технiчнi вимоги не задовольняються. В цьому випадку розробник приймає рiшення про те, як вести проектування далi. В залежностi вiд результатiв вiн може поширити межi змiн внутрiшнiх параметрiв, замiнити структуру кiл узгодження, перейти до схеми iз загальною базою, якщо до цього загальним електродом був емiтер, i т. i.
Звернемо увагу на два моменти. По-перше, параметричний синтез виконується за допомогою iтерацiй. Причина цього полягає в тому, що з першого раза не вдається пiдiбрати внутрiшнi параметри так, щоб технiчнi вимоги задовольнялись.
проектування.
Не можна не вiдмiтити ще одну обставину. В ходi описаного способу проектування, як i при традицiйному, фахiвець накопичує досвiд (вчиться), але тепер це трапляється з бiльшою ефективнiстю, нiж ранiше: є можливiсть не тiльки констатувати який-небудь факт i припустити, яка його причина, але й одразу перевiрити припущення.
Викладений алгоритм показує, що на першому етапi важлива задача розрахунку перiодичного режиму в нелiнiйної схемi та визначення характеристик, вказаних в технiчних вимогах, причому ця задача, як правило, вирiшується багаторазово.
Кiлька слiв про початковi значення параметрiв схеми. На перший погляд здається, що заздалегiдь потрiбен розрахунок, хоч i приблизний, який показав би, при яких параметрах можна очiкувати виконання технiчних вимог. Однак цього можна не робити, якщо ввести в виглядi початкових параметрiв довiльнi значення iз областi можливих значень.
Другий етап: опрацьовування схеми при змiнi зовнiшнiх параметрiв i температури зовнiшнього середовища.
Проектування на цьому етапi можна провести за допомогою системи, яка використовувалась ранiше, трохи розширивши її (рис. 3). Тепер алгоритм такий:
Крок 1: ввести новi значення параметра зовнiшнього середовища або зовнiшньої температури в систему параметричного синтезу; якщо вiдгук на виходi 1, то перейти до кроку 2; якщо вiдгук на виходi 2, то прийняти рiшення про наступнi дiї.
Крок 2: перевiрити, чи всi параметри зовнiшнього середовища змiнювалися i чи вичерпнi межi варiацiї зовнiшньої температури; якщо так, то закiнчити опрацювання; якщо нi, то перейти до кроку 1.
до першого етапу i опрацьовувати внутрiшнi параметри заново.
Нових задач, якi треба вирiшувати, цей етап не додає. Але розрахунок перiодичного режиму при новому значеннi зовнiшньої температури неможливо зробити за один раз.
Дiло в тому, що транзистор розiгрiвається iз-за розсiювання на ньому потужностi. Температура його переходiв бiльше нiж температура зовнiшнього середовища та залежить вiд двох факторiв – зовнiшньої температури та потужностi розсiювання. На останню теж впливає температура середовища.
як i зовнiшня температура, а потужнiсть розсiювання зосталась однаковою; знайти новi параметри i режим транзистора, розрахувати потужнiсть розсiювання i уточнити температуру на переходах транзистора; по знайденiй температурi знову розрахувати параметри та режим транзистора, потужнiсть розсiювання i температуру на переходах i т. i.
Ітерацiї повторюють до тих пiр, поки рiзниця в температурi на переходах транзистора на сусiднiх кроках не стане нижче заданої величинi, визначаючої точнiсть розрахункiв.
в найбiльшiй мiрi.
Перевiрити виконання цих вимог можна розрахунком перiодичного режиму при кiлькох наборах зовнiшнiх параметрiв та зовнiшньої температури.
Третiй етап: забезпечення працездатностi схеми при розкидi її параметрiв у межах допускiв.
Цей етап зв’язаний с розрахунком чутливостi характеристик схеми вiдносно її внутрiшнiх параметрiв. Задача ускладнюється тим, що внутрiшнiх елементiв в реальному випадку багато.
Тому її не можна вирiшувати багаторазовим розрахунком перiодичного режиму нелiнiйної схеми, по черзi змiнюючи кожен iз параметрiв, оскiльки це приводить до великих втрат машинного часу. З iншої сторони, чутливiсть – це похiдна вiд вiдповiдних показникiв схеми по параметру. Отож, є можливiсть спрощення при розрахунках.
Четвертий етап: попередити збудження паразитних коливань в проектованiй схемi.
Тут треба проаналiзувати стiйкiсть як перiодичного режиму, так i положення рiвноваги (робочої точки).
Таким чином, використання ЕОМ в проектуваннi схеми для класу нелiнiйних пристроїв, потребує вирiшення ряду проблем.
Насамперед усього, необхiдний метод розрахунку перiодичного режиму нелiнiйної схеми, який би враховував усi фактори, практично впливаючи на її вихiднi характеристики. Іншими словами, метод повинен бути досить точним, а це не допускає звичайних спрощень в обчислювальнiй процедурi та в моделi транзистора.
Далi необхiдно аналiзувати стiйкiсть перiодичного режиму та положення рiвноваги в нелiнiйної схемi. Цi задачi також не входять до перелiку вирiшуємих нi в однiй iз описаних в лiтературi проблемно-орiєнтованих програм.
Наступна проблема – чутливiсть характеристик нелiнiйної схеми до змiн внутрiшнiх параметрiв. Рiшення цiєї задачi отримано для двох випадкiв: перший – схема лiнiйна, другий – нелiнiйна схема, але резистивна, що орiєнтує на розрахунок чутливостi робочої точки в колах з транзисторами та iншими активними приладами. Засоби розрахунку чутливостi в нелiнiйнiй iнерцiйнiй схемi в лiтературi вiдсутнi.
при змiнi зовнiшньої температури i зовнiшнiх параметрiв, як знизити високу чутливiсть характеристик i т. i.
Що до систем автоматизованого схемотехнiчного проектування, то її створення можливо лише пiсля вирiшення перелiчених проблем. Бiльш того, додатково треба вирiшити ще ряд запитань: як повинен працювати з системою користувач, як повинна функцiонувати вона – в якiй послiдовностi виконувати розрахунки, як взаємодiють програми; на якiй ЕОМ розмiщати таку систему i т. i.
| 
