/
Similar
Text
(f;JA'j~I
ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОТРАСЛЕВОЙ ОРГАН
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
«экое»
ТЕХНИКА
СРЕДСТВ СВЯЗИ
Научно-технический сборник
СЕРИЯ
ВНУТРИОБЪЕКТОВАЯ СВЯЗЬ
Выпуск 2
Москва - l 98ff
Uен.тральный отраслf,в Dй '. орган научно-техничеос Dй информации
"ЭКОС"
Серия
ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВ5оЗИ
НАУЧНО- ТЕХНИЧЕСКИЙ СБОРНИК
ВНУТРИОБЪЕКТОВАЯ СВЯЗЬ
Выпуск 2
Главный · редактор
довченкб" Н.К.
Редакционная к млегия:
Алексенко А.Г.,
Бегиаu!ВИ.nи Г. А.,
Богдвнкеви:ч О.В.,
Дианов Е.М.,
Игнс,Тl•В В•.И. ,
КанцырЕ,в В.Л,,
КовешЕикr,R В.П.
\ ОТВ, ct·K]J~<TЩJЬ),
Памеки:н В. Ф,
(зам. г.n. редэи·ора),
Mac.J11,R В. Н.. •
Морсхэов .t:1.н.,
Попов IO,J\1"
Проклов В.В.,
Смирнов В.Л.,
Темирхышв Т.Э.
Москва 1984
СодЕ,ржtJние
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРдБОТКИ
Гуляев Ю.В., Креймерман Г.Е.,
Меш М.Я., Прок11 ов В.В,, Шпифер А.Л.,
Юдин Г,А.
Волоконно-оптические датчики акусти
чесю,,хволн.Час1ъ2,,, • • ,
3
Ламекин В.Ф., Маnахс;всжий А.С.
Гибкие к омпnексы средств связи под
виж!'.ых [,6ьeKI'DB ••• .• ..• •
22
Бирюков В. А,
Комплексное. внедрение СССПИ в на
родное хозяйство •••••••. . 40
Романов И,А., ., Ламекин В.Ф.,
Ма.пыuев П.М.
Теор~:я v. практика модеnиров& , ния ли
нейных ргдv; оэлек 1·р онных СХЕ-М с г. о
мощью ытомальных цепей • .
.
•
50
~вдошиЕ Е.С., Кузнецов Н.А.,
Волоконные микр1Jфоны для световод-
ных систем связи •
80
Ламекин В.Ф., Шац С. Я., Ани
кин А.М., довченко Н,К.
Функцv: ональные интег~альi,ые схемы
·,щ~логовьтх перемнDжиrеnей • .
92
• Коыаров К.С., Котович Г.Н . ,
Ламекин В.Ф., ПалкL>В А.И., Собо
лев В.д.
Оценка эффекI·ивн ости раб uты цепей
КDМПЫJДИРDВ9НИЯ И выбср структуРНDЙ
схемы к L>дека , д11я инI· егr:эль ног_::1,;,ис-
п олнения
.•..•..... , 118
Лэмекин В,Ф,, , Саврасов, А,С ..
1
Схе моте хника уси11ите11ей возбужд е ния
ИСТDЧНИКОВ оптичесКDГО ИЗJiучения , ·
ссс .............. . . 135
ТЕХНОЛОГИЯ И МАТЕРИАЛЫ
ЗверькDв А . К . , Ка~щырев В.Л. ,
Михайлов В. А. , Пак С.К. , Пинский
Ю.А.
О повыш е нии прDизвDдите11ьности па
зерн о-г.пазменн ог О ист DЧНИКа ; ,. мягк DГ О
рентгеновского из11 учения с лазером
пери Dдиче ск ого де йствия на сте~ :: _
пе •. .. •..••..
.•
.•.. 161
::rлЕМЕНТНАЯ БАЗА
Ламекин В.Ф., Деревянко С. Н.
Разрабс,ткв ряда БИС для проблемно
ориентир ов а нных пр оцЕ,ссорDв КСС
по................ 168
КотDвич Г.Н., Ламекин В, Ф.,
Мапашонок И . М.
МикропрDЦ е ссорный низкоскоростной
депьта-преобразоватепь речи со с=и
стическим предсказанием •. . · •
191
КРАТКИЕ СООБШЕНИЯ
Тяпкин Г. Н. , Лучников А . П.
Влияние термоотжиге. на качес·гво сап-
. фировых
подложек интегральных микро
схем связи ••• , .•. •
.... .208
Гуткин Т.И., Нессонов Н.И.
• ФокусирDвка и кDМмутирующее д е йст
вие двух град0 е нтных линз •. . 2 18
© Uентрапьный отраслев.ой Dрган научно-техническuй информаци и
"ЭКОС" (UООНТИ "ЭКОС")
2
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
УДК 535,36:534,29:538,566,5
_ Академик АН СССР Ю. В. Гуля-
GВ 1 инж. Г.Е. Креймермэ.н, канд • . ф из .
_v1а1·, наук М,Я, Меш, д ок тор физ,-ма т.
наук В.В, Проклов, инж, А,Л, Шлифер,
инж. Г,А. Юдин
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
1асть 2
В работе рассмотрена модуляция состDяния пDJIЯризации излучения
в, световодах, ее · механизмы и их эффективЕость. Приведены сведения
о сг;ек1·ре сигнала пмяризацvонной •модуляции. Рассмотрены конструк
ции датчиков с пмяризационной модуляцЕей, Проведено сравнение дат
'41ков е.кустических вмн с амплитудой, фазовой и пмяризационной мо-
дуляцией сигнала,
В первой части работы · были рассмотрены вопоконно-uптические
датчикv· акустических BDJIH на основе амп11и1·удной и фазовой модуляции·,
~торая часть работы посвящена рассмотрению пмяризационных свойств
в рл оконных свет ов Dд ов и мене<:) изученных п мяризаци онных датчиков,
'
Как показано в [ 1, 2_], в обшем случае одномодDвый вмоконный
свЕ,тDвr,д может быть г::редсr-авлен, как сумма линейного и кругового . ,
фазосдвига'l·елей, причем на достаточно кс-ротких отрезках световод ве~
дет себи как линейная фазовtя пласr·инка, Прr: деформации вмоконного
cjJeт с,в одЕt изменяется сос1· ояние п мяризации оптического излучения
вfледствие изменения -сдвига фаэы ортогонально пмяризованных компо
нентов за счет трех [)СНовных механизмов: изменения дл. ины све1·овода;
измене1iия удЕmьной разности фаз (разность фаз на единицу длины све
товода), свя.звнного с фотоупругим эффек1·ом [3], изменения геометрии
поперечного сечения световода,
В идеальном све1·оводе естественное двулучепреломление отсутст
вуЕsт и уд,:,,~ьная. разность фаэ между ортогонально пмяризовы1Еыми
компонентами моды излученияЛ lf'o =О. Следовательно, _ продОl!Ъные
1деформа.uии, приводя.шие к изменению длины световода, не будут вли.:.
, ять на состояние пмяризации излучения. В реальных световодах зна
чение естественного дву11;чепре11ом11ения. лежит в диапазоне (0,65-
100) рад/м [4, 5, 6 , 7J. При продмьных деформация?-7
_3
диапазон изменения. фазового сдвиг~ с~т_авляет 5: 10-<:~ .(10 (рад/м).
При Dдноосной поперечной деформации одномодовогD световода
в оrсу1·с1·вин сдвиговых деформаций, за счет фотоупругого эффекта,
происходит из~,.,rенение показателей преломленкя. для. двух r,ртогишльно
ПОIIЯ.рЕЭDВЬННЫХ М.ОД И:3liучеНИЯ [ 8]. При ОДНООСНОЙ r,:оперечНОЙ дефор..-
3
мации стмбЕщ для деформаций может быn, запксан в виде:
6==/fl,
•
а матрица для фотоупругих к оэффицнентов, с учетом предпможения
из отр опн ости сердцевины в м oi< онн ог D световода (справедливость та
к Ьг о предпможения связана с мап,;й величиной естест·вЕ,нного двулу
чепреломления), записыьается в виде:
· 1Р11 Р,2 Р,21
Р= Р,2. Рн Р12.
Р,2. Р12. Р11
Уравr:ение индикатрисы дпя сердцевины световода имеет вид
a1X2 +a21J2 +a3c 2 =1,
•
(1)
коэффициенты а 1 , в.2 ~ а 3 определяю т·ся ~1а трицей
1&;~и:r=РхЕ. .
а3-ао
Подставшm: найденные значения кDэффицl'iен~·ов в ( 1), пмучим ура.в.:
нение оптическе,й индикатрисы
2
(aa+P11c)Xz +(ao+P,2E)(IJ 2 +l ) = i .
Из этого уравнения следуе'I', что сердцевvна станов~:тся одно
осной сред[;й с оптической осью, совваде.ющей с направ,;ением де
формации,
При распростр13нении света в ·пл;)Скости, перпендl'iкулярной на
веде,нв ой оптической ocv. , · имеет мест о двупучепрел омление.
Г1ри
этом изменения главных з~пч)ний показа т·епя преп омпен.rя описывЕ1ют·
ся выражением лtix==-: Р11Е, лny=Лrlz=--ДZ-,P,2E., :
!'ДЕ' Дf1х,Лnу.,л nt - ИЗМеНеНИЯ ПОКаЗ8Т€ЛЯ ПреЛОМЛеНИЯ, ВЫЗВЫ!НЬ!~
_деформаuv.ей среды, в 0ОХ", "ОУ" и "Or." направлениях, по - покаf
затеllь преломления недефDр~rирове.нного све~·оводе" Разностъ пока- ,
за тепей преп омпения для двух с,рт ог ональн о п оляриз ова НР,ых к омп о;.
нент ьпт·ического излучения, распространяющt,гося по свет·овощr
[ 9 ], лn"" -1n~t . (pt1-Pt2 ).
Таким ооразом, наведенная разность фазлf->==-?f' дпlортого-·
нально пмяризове.нных компонент осF.овной моды вспедств1Iе фото,
упругого эффек :га при одно осн ой д еформации свЕ тов ода с · учет ом
е,= _11;_ может быть за.писана в виде
.fЕ
1;L( -р)3РК
лf>=- Т Рн
ппаsЕ ,
где А- длина волны оптического излучения;
Р - сипа, действ)юшв.я на световод ;
( .2)
S/к - эффект·ивная ПJ!ОЩЕ.д.ь;
L d - дпина участ·кЕ, свРтоводе., подвЕ,рженная деформацvи, и его
}
диаметр;
Е - 11,;одуль Юнга,
4
Рассмотрим теперь иэмене~ше фаэDВL>ГО сдвы·:. при изменении
геоме'!'рl':r светс,водв. з& счет наведеннDй эпл.иптичпDсrи пре одР.сос~:ой
деформац;v. В [ 10, 11] проведен теоретv.ческ,· й sна.пvэ ыrняыя ,•л
липтичнос1·и сечения СЕЕ• 1·оводв (от11ичие егD от круговой сн~-·~,ёетрш)
на ре.энос'!ъ фDэ ортогональ,, о пмяризов енных кс,мпоненr ос~-:овной
моды.
Испмьзуя вырежение из [ 10] д,,.я fе.эностн фаз
д_31С2vz ( )312 t
Лу- (VL+4}4•2лп. ?I,
(:.:,)
М DЖН D пр DИЗБЕ·СТИ ОЦЕ·НКу максv.мапы-rо Б озм ОЖР.С·Й навЕде,нг ой раз
НСС'!'И фаз при [)ДНDОСНОЙ Дf,фор11,1ад\')i СБЕ'!'ОВЩЕ,, за счет НеВЕ'ДИfНl>Й
ЭIJЛИПrИЧНОС'!'И, Где ez с; 1- f-Lz
/t+ 1--;tt с)
При деформэ.циv:[~ З,1O-v, радиусе ж-1.лы а=2•1О-6 м, реэнхп;
n с,каэа 1·еле й3nрел 011,шени:я с.бы кн овенн ого и Ее ооык1- овЕ,нн ого л:r че :r
Лlt~~5·f0, V=f,33 (нс,рмализовы11-:ая час1·оrа отсечкv:),Jl =О,.:
ИЗ (З) пмучим лj3 = 2,2-10-2 fUL@/n.
При 1-ех же napaмe1·paxL,<,8E·'!'DBDДe щш оценки вктща фотоупру
г сгl' эффекrэ. (с уче1·ом С:= SEIS. ) из (2) пс.nучи.l\1 Лf-> ~ 1,3 fl-tLi/м.
Таким оорв.эом, де,ж.е используя при ср1шненп, вы.адов ра=ич
ных М. с. ХЫJУ.:ЗМс'В f'Зменения СОСТDЯШIЯ пмярнзацин в CBE,TDBL)Дf'! мак-•
СV.МВЛЬЕD ВОЗМОЖJIЫе ВЕ•ЛRЧИ.,НЫ ИЭМЕ'НеНП! Л/3 щ: и ИЗ~,IеНеНИИ ДJIИЕЫ
СЕЕ·1·оводн и егL• дvе.мЕ,тра, вкJJед фотоупруг с,гс, эффекта прvм Е, ;.,нс, в
100 раз бl.\llЬL' IO,cc;ЧeM других !\.!еханнзI\( DВ (при DДЕ[)Й и 'ГОЙ же ДЕ'·
фсрмш.аги ё, ~10-~ ) .
В [12] пuкЕ,эаво, ч1·0 максимы~ьноо измеЕе ние фазы Ф дости
гае'!·ся при продr.JПЬНЫХ (вдс,JЬ сптической оси световс,де.) деформа-
циях, прv этом 'f
•
-
fOfl-ar; /
fр = 1, "t-4-- IO
;нкflа l'1
В то время, кс1к бып о п оке,.эанu выше, при в оэдРйсr·вин нв сеЕ,-
т овод поперечных сдЕDОСЕЫХ дефсрмацнй (перпендrкулярно оси све-
товодf1) в нeiv: воэю•ка,а,: модулf'руемое двулучеr:релD!vшение вслед-·
сrвие фDтоупругого эффекн,. Воспольэовавшись уравнеп,;ем (2) и
подсиш,:яя в ЕеГl> энечения Л =0,63 мкм, По •=l,5J., Р J 1=0,121,
lC
2
..
•.
f-, •
-10
Р 12 =О,27O, Е=?-1O Н/м и K=l·,47, найдем, ч10А__=D,54- • !О
•
о
P·L
•
нfла.-м. Заметим, Ч'ГD э1·0 значение примерно В три раза менъ-
ше, че11,1 дпя фс:зL>вой модуляции прv. продольных д Р фuрмаш гях.
Рассмоrри:м в,пияние rемпературы v; изотропЕогс, дев.г:енvя ,:в
изменени:е СDСТDЯНИЯ поnяризs.ц;· и в СЕЕ''ГОВОДЕ,. ПDJiяр,:~sацноНН()-ЧУЪ
ствительF.Ые да.тчики давления бщ1ее стэ.бн.r,ы1ы r,o темпе·~:,атуре, че 1
фазовые. Это CBЯGf\P.[) С '!'ем, •п··о Ор'ГDГl>НВ.11ЬНD !i[l11Я\JИ3DBE.r1EЬIE: М[>ДЫ
оП'!'l!ческсго из.пучения находятсsr в с,динаковых r·eмuepai'ypEЫX уСJ".1>
виях и при одинаковых внешн,:х f<З~'!·ропЕых де.вJ":еш,ях, что, в свmо
очерець, ослаб,1яе1' yn омяну1ые в DЗДЕ',йствvя. Зн1:.ч1и'ельные различия
5
при их прахDждении набJ'.ооде.IРi'СЯ i'аnько в i'OM . cny<iae, . еспи внеш- ;
нее ВDGдейсi•в;;е - n~pe.зlfr.fvly дейсi•вуе,т не. две _ортогонаЩ,но пмяри:;зо
ве.нные моды, Особенно это проявляется в вмокнах с баnьшим -попе
речным внуi:ренним напряжением, Подобные вопокна облад1;1ют высокv.м
двуJ'IучепрелО1vшением и температурная чувс·твитепьность из высqка
из-:за разпичия i·ермических .коэффициентов расширения сердцевины
дщr_ ортогональных направлений,, совr~адающих с направгенит-1и пмя-:
ризацки двух мод излучения, pacnpoci•paнsnoщf,гocs:1 по свет_ овщу
[13] , Этr:_ различие! при нагревании,, в сваю очередь, приводит· к
еще б аnьшему увеличенюо шапряжения и,, следове.тепьн о, к _изменению
двудучепреломле·ния вопокна, Следует ·отметить, что при этон в .мокно
остается достаточно нечувствителы-10 к изотропным и:;эменениям дав.
пения, Высок_ ое двупучепрепсмпение вDGможно, кнк у~оминапось · ·выше,
еще и на основ€, б=иiой э1шиптичнDСi'И сердцев~1нь~' в·мокна, В спу~
чае ЭПЛИПТИЧ€СКИХ В МОК ОН Helr уп ОМИНЕ\НИЙ об увеn.ич:ении'·· те~1Пера- ,
. турной
ч)iвствитепы,ости,
•
для неб=шого температурного диапазона изменение внутренне
аНИЗDТРОПНЫХ напряжеН!'сЙ $ Гiponopц,i°oH8llЬHO Т-'Т5 , т; е, раЗНDСl'И
между некоторой конечщ>й температурой Т. и температурой . раз.мяг- :
..:~ения сщ:;дцевины. Разносl'Ь показателей преломления nро_порционiэ.ль-:
на ю-:утренним напряжениям - [ 13] : 'д (,1п,.} . "дS _ t1 n ( Т)
--:rs-· дТ - Т- Ts
ДЛ.я DДНОМОДОВDГ() ВС1110КОННОГ(> к:Варцевогс, СВ€'1'0ВDДВ С анизотропным
внутренним напряжением изменение сдвига фаз в эависимости от из
менения ,:емпературы определяется выражением [1зJ JJ
1
.
~(л/}} = 2'ii- [L·дlt
.Jll!:. + Llfl dL + L LJIJ. (Т,
L·Л Т Jl.·L
n,
dT
dт
т-.7s •
I
Расчет по этой Фо_р4,1упе даст в случае внутренне напряженного во-
локна с Лt1,,=2 -10
~s) .=:
5~.
-
L·4Т 2, t!0·N. J
в случае эппиптической жилы с 4/1.=8,44 ·10-4
1rл.f#l = 3. Ч· fО-3 !#!о
•
·ЛТ
I
C! 0 ·/J1
С другой стороны, в: [14] показано, что для вмокон с малой
величиной двупучепрепомпения, температурная зависи~,.,о· сть зна
чительна при изгибе; так при изгибе радиусом 30 мм
d.(~fiRl6. f0 -3 f!4J-
·
L·ЛТ ,v
с ·1'1
При этом темпера турfrый к r>эфф,щиент изменения ра;эн ости фав для
ппав.irенного кварщ, ..EL :: б-10-г~ [15].
L•.1Т
t"'-1'1
•
Такнм образом; для достижения ~-шксимапы1ой термОС'Габнльно
сти в nС1ПЯризацнонно-чувствительЕсм датчике необходимо испаnьзо,.,
6
вать вопок1ш без вi'1у'!·ренни:х напряжений, в которых uтсу~·ствуе т эп
липтi!чность сердцевины вмrжна ·и которые не подвергаю~·ся скручи
ванию вдмь продольной осп,
Теперь рассr;.iотрим сr.:еи·р сигнала при пмяриэ,щиоЕной модуllя- •
цни, Пусть в световод BFID/:ll!T<;:я линейл:о пмяризованнсJ€:i иэпуч'бние, на
правление· пмяризации которого ориентированно под углом 45 отно
СИ.'!'епьно направщ,ния дf.•ф[,рмацни. Направление · деформащш со13падает
::,~:;::::: :::: дn~JI/Xi;:~•• я коорд;.,,а, ХУ,
где Е O - s.мплитуда эпек трическ ог D п мя в мны;
. (,JJ
~. час·тота
све'!·а,
Расс~{атривая свЕ,товс,д, испьi~·ывающнй .деформацию, как линей
ную фаз:я!ую пластину, . ось ки·орой совr,адае'!' с · осью ОХ, пмучи1,.
на ВЫХDдеf~З,~Bf•o~~дafl· / )( 11 . , _· 1 1eiwt - {E_ ll 1-ij3 \)\. iыt
..
.-vг
оеи.и.
-1
-
w-е е
где j3==jo +Л.J3 - сдвиг фаз между l)pT ог ональн о п мяриз ованньн,rи ~,; о
дам и оптического иэпу•1ения, прошедшего вмоконF,ЫЙ
световод;
п осгоянР,ый сдвиг фазы, не эав.нсяn::ий D'Г времени;
оеременный. сдв~;г фазы,. обусловленный переменной
деформ9.цvей. свЕ,тов ода.
Пропустив зат·ем оптическrе иэпучение че~э ·анализатор (пмя-•
роид), ось которогс, ориентирована под yrll.DM 45° относительно нап-
рав,,енияf~еф1 о_{~1ац\iш1••
1
Т)l?чи\·\м L(.ut.:. .. . Ео 111 - е ~~; \\ ei_w~
гlf[11 •
-e-Lf> .е
-
i:.п 1-е··
Для интенсивности све'!'а, прошед1.:егl> анализатор, поnучш1;
I = Re [ ;: l\(1-~ifi) :(1-Jifl) \\ х \\ ~-= :~:/11 =
•
==-
t0 Re (2 - е fi) ::::. Еа (1-cos 1':,f3)?
Io[f...:. e.os (д ii. l!. (,1., !J
ИЛИr=Z
..
j- 'O
'J-'.J
.'
где т0 - интенсивность света на ~-с,де в свЕ,товQд•
Пщставнв в выражение ('2)c= ёo1l/1,Qt,
где 52..., чаС'ГQi'а звук~вых · коо<=баний, г.мучи н
лft> = 'j_L (Р,, -Р,2) ft,~ Ео J/riQi
или Л~ ==Л1.о ,j,('n,._Qt ,
Лfto ~ ~(Р,1- Р11-)п; ёо
тде
(4)
(5)
Произведя ·· в (4) тригономе7рическне преобраэова.ния, пмучим
с учетом (.S) сигнал на ВЫХl)Де фс-топриемыика:
7
I = ~о U- СО$Jo WS (д}3о j1'yt,,.J J... t) + -э/n.)'о --;11·rz _ ( 4fl0 r
~ 11tiQt)]; ~0[1~~o(Л~)ws}o-2wзfo f ~к(!Jj3o)x
• ws 2кS2..L + 2 -;1,n. fio ~ Jzк--t (д_~о) 11/1. (Zк-1).Q.t,
ГДР Jm (L1J3o)_ функщrя Бессет!Я т-г[I порядкь.
Пр,: ~,:ыrом дj3а J1.1аксv.мальньш:и в спек1·ре nопяризащтошшй модуляции
будут гармuЕпки с частотойJ2.. При fio =О в спеи·ре nмяризацvонliuй
модушщюr буд~·1• П]~.CYl'CTBUBE.l'Ь TC\IIЬKD '!еl'НЫЕ, гармоники С Ч&Сl'ОТ6-
ми 2/::Q, ттрl" J3o= ! - -нечетные с час:готами (.'2К-1)!2..
1
Важньrм пг.ргме1·рш,: та:с~-х да•гчикDв явт1яется отнuшенне сv.гн,ш/
' шум. Лля nрvемника, огрг.ниченногu дроб.:>вы~,.,: u:.умом, ток фстDд{i1-ек
н,ра прт: садЕmии на него ог.тической мщнос:r·и W [16J:
•
ieW
L=7iv
гдiс t - квантовея :,,ффек1·ивнос1ъ фDтодетек1·орг,,
h, - п DCT DЯI-ПШЯ Планка;
,J - с,птическья i;ac:r·oтa.
Ток сЕгнатrа, СБЛ,сjан:ный с измененv.:ем интевсивнос1:и пе.дЕооцЕ",гL> иэ
лу•:ення:
Дроб:,ьDй Шуt,.\ связан с током фстDпрv.е~,ника:
i; ==ZeiВ
гд Е• - заряд эт1ш;•гr;онь, В
-
пмоса част-о т. Поэ·гDму r;тношение
· си.гнел/шум может бы1ъ эаписенс, в в,дiс•
z
s _i~
1i(lw)
з
NLf4h)8W
д,ля tJ =1.
ляет
МИНШ,1аJ1ЬНГ; обнаруживс,емая: ~.JDЩHl>ClЪ
s-w..
.
~(1/lz_}Bw)1⁄2
РiЗlJуЧения с с,став-
oj m/11,.
е
Считая, Ч'I'D из~аенение ш:!'янсивн ости сvг~-:аш1 ._ 1"" ,% -;JJfl 4 у? .J
можнD попучить при W =10 - Вт,
- ~1 Гц, г =1 миниw·.аl1Ы1l} об1ш
μуживаеr-.,ый сднЕг фазы Л f~4, 10 рад. Заме1·им: также, что фт1ук
туацп1 сvгвала rrp11 попяризЕщv·DнЕой мощ·пяцнv: , связанные с измене
ние1~ темпера1·уr,ы, значительно r-1ень1!.'е, чем при фазовDй · модуляции.
Таким образом, в,;.здействуя 1ш CBE•l'DBl,д е.кустическ{.>Й вопной,
iм ож1; о в;,1зва ть наведенное двуlJучепреl! 1.:млРш,е, к и· ор ое нз1v:еняе тся
сВмес•ге с ак)-с~·ичесt:Ем попем. Ус'I·ановт:енный на выходе св€·1·овDда
П опяризацн DHHD-ЧYBCl'Bll!'eJIЬHЫЙ ф С·Т оприеJ\.•,НИК буд ~,1· регнс1:р,:р DBE. ть
переменную <;ос~·аr1J1s,.кщую с чaCl:[JTDй 1,кус•г11ческой BDJIHЫ, из-эа по
ляризационРой модут1яц,и оптического ИЭ11учения в све1·с,воде звуко-
ВЫМ П_l\/If,~~.
8
Следовьтепьно, используя поляризационную нодуляцию в свето
воде дпя регистрации эвука, вuэмmкно ссхздflние дЕlтчика акустическю/.
вмн. Пара~v:етры 1-акuго дЕ>тчик1с, оnредЕ,ляются в основном конструк-1
цией чувствигепьного элемента, ·,.е. cпocooDI✓.' соэд&ния опредР11.енно
го BHДiJ деф,,р~,ацпй В CBE'l'DBDДP rrpи ВСХЗД<ё·ЙСТВП! на ЧУВС1'f.lИ'ГеЛЬНЫЙ
э;1емен•r датчr;:ка акустической вооной. При э1·ом дос1-иженпе наиболь
шей чувс1·в,;тельнDсп1 СДР,нге. фазы ортог[>Налы10 пмяриэованнымп
компонентами основной моды к дt,Nrению вс,эможно пр,: анизотропных
попе))€'чнь;х дефDрмацР:ях свЕ·'ГОВL>де,.
Расо,; Dгрим к онс1-~::укцни в LVI ок скн о- оптических дв тчик ов акусти
ческих вопн с пмяр,;защ1онН[IЙ модуляцией сигнала. В [1 i] описЕ,н
потrяризаци DННЫЙ гидр с,ф,,н с исг; ольэовавием многомодового ВDЛDК oв
Ii И' D све'rDводн (рис. 1). Излучение, пройдя световод, поступает на
п DЛяриэв11и онный расщелитепь ;~уча, в к от ор ом претерпевает расщеп
ление на артогонг.nьно ПDЛяризованные компоненты, Jдна из них на-
1равляется, в поглотитель, а другая,- пройдя ПЛЕIС~'ину 1/4, становится
пмяризованной ГiD кругу. Да,rе с нэлучение проходит чувствитепьный
ЭJ1емен1·, выпСJ1нен:ный Р,з упруг'ооnтическс;го ма•rериала, и определен'-'
ным образ•JМ орпентироВЕ>НН)'JС четвертьвмновую пласr·ину, в резу;,ъ- :
та те ЧtГ ,, в CIЗIIИK&lf 1' два пл оск оп DЛяриз DВЕ•нных луча с направl!ением
nмяризвцни +45 к направпению · акустической вмны .. Эти лучи разr
д f.!JJЯK·'ICЯ в1-оры~,: nDЛяризац11ою1ы1v: расщеnителем и попадают в р.ы
ходные свf,товоды, соединенные с систеr,·ой регистрации сигнала. По
казан о, что изменение разности интенсивностей регис1-рируемых 11у
чей проnорцнонЕiльно изменению давления акустической вмны, падаю
щей на чувствительный элемент. Расчетное и измеренное значения
минимально ооваруживаемого дав11fния сои·вЕ•тс1-венно равны 15 и
4 7 дБ относительно 1 мкПа/Гц12
на часr·оте 500 Гц.
Описанная выu:е конструкция наглядно дЕ.!монс1-рирует все преи~ ,у
шес1-ва пмяризвц~; онных дЕ>тчиков: r,: ростоту и очень высокую порого
В)К чувс1-вvтельносгь, По последнему парю~етру, как будет показано
ниже, это ус1·ройс1·F.10 явияе1'СЯ одним из лучших вмоконно-. с,nтичес
кттх де. ТЧИК ОВ.
Однако испопьэс::в1:.н1се традиционных оптических ыrемен1-ов эна-: ·
чительн о усл ожняе 1' изготовление и исп DЛЬЗ ование датчика . ·· Для
этих элементов неооходимы герметизация и точное согласова
н:ю. Чу вс т в :1 тельный элемент датчика, показанный на рис. 1,
сложен в изготовпе,ши и не nоэво.пяе.'!t осущf,с1·внть накоr,пение раз
нос1·и между ортогонапыто потrяризованными компонентами излучения
по длине, С1' l:l!Ь г ривпекг тельное д;rя датчиков с в оп rж онным чувст
в1с1·елы1ым элементом. Кроме 1'ого, в устройсr•вf, очень велики поте-
ри 11зJ1учения (при исnольэовании лазера с мощнос1ъю2 мВт в~,rход
ные пучки uбшщ1,ю1· мощносrъю соответс1-вЕ,1шD 41 и · 17 мкВт), Чl'О,
в,;дш,,о, связано с больтr·.им~r потеря~.ш в r~оояризационных расщеши·е
l1ЯХ и при вв с,де иэлучения в С:Вf•товпд v: может привести к ус:лож
ненкю схЕ<мы фсr одРтек1·оров. Уч,пъrвt,я иэп оженное вы~;::е, вид11r-1 е,
9
следует признать, что, несмстря н а с,чень высокиЕ, хе;рактЕ ,р истикп
гндрrфDна [171, р.а.зраб~,1·ка безразрышп, х датчикив, в ксторых чув-'
С1'ЕИ 'f Е l!ЬНЫЙ &ЛeJv.,eн'f• выr:слн е н ИЗ Bl'\llDKC'l': !IOГD CBf! Tl•Boдa , явля е тся
бс.J!Ц" f.lf;PC ПfeK':"\f BHOЙ.
В llE.j раrсматр11вается датчик акустv.ческих HLVШ, выпмненный
на осново пмяр~:зацvонной моду11яuщ1 в однгмодовDJvr светс,водf.>, На
рис, 2 предс1·аы1ена сх{сма таког 1) днтчикн, Датчик р1б~йас·r С'l1 е дую
щ11r,, , сбршз L>1•i , СвРт с, т ист с. чника оптическ ,,го излучения ( Не- л/ е
лазера) , пройдя через поояризатс,р (Г!) вводится с по1:ошью ;:>Ох Lбь-•
еи··ИВIJ (ll) в ОДНО!v!ОДОВЫЙ световод (С). Одномодr;вьif ВОПГ>КDННЫЙ
СВЕ,ТСВL1Д накручен на ГiDIJЫЙ ЦНl!Ю!Др (lJ), На BЫXC:Df: ИЗ ВМ9КОIШ DГО
свf,товодf> 1·,птическсе ИЗl1учен~ю коллимируется 1 20х кратным сбьЕ.К-
1иво1v1 и пош1д1,ет в компенс9.тор Сапе-Б9.бпье (СБ), е затЕ·м в приз
му В01та стс,на (В), которая дыrит излучение на две ортог ональнс П[)-
ляриэ::>ванные ксмпоненн1 ИЗllучения, Ось пс1шр,:за1• ора на вс5одн 11
призмы BD1Illac1•c.нe. н а выхс,др ориентированы под угл!)!v: 45 от15~
сите11ьно направ11F,ния деф с,рме.п.пи свf,тс,водн (т.е , Г'Dд углем 45 от
н [)C\I T€1Ibll с, т· орЦ('Е L;il П DBf!pX!iGC'Tli: ЦIIlJ!fHДpa),
ИзвРстно (19], ч1•с, оптическсе излучение, Г'рш{с;дя через СВЕ>
товод, изогну1·ый в виток радиусом {; ,, исnы,:ывает дву11учепре11 •Jм-
11еi'f/' • т, е, l!инейно поляриз~Еюпrый свЕ,1', ориен1-ировЕнный под углО1v,
45 OTHDC~TelJЬHD ПЛDСt,DС1'И витка, раздРl!ЯЕ!i'СЯ в световоде нн две
одннаковы(, по ам,ыштуде DPTl ·Г)Ea,1ыrc, ПС\/JЩ:.'ИЗLОВflННЫе моды, между
ки·орьiм1, 111,.,ее тся разность -фаз, вызвннная дефс,рмапней све1·оводн,
Для кварцевого све~-овода и щшны волны света J\ =0 ,633 мкм сдР.иг
фаз на единицу д1rины свет с,в ода бу дР т ( J 9]:
2
д::: -4 9-toбJJE -121 , . ,;v 6L
J-'
'
·8
,J'т/С 82J
(6)
р
J?
с=-аС Ф
где - рвд0ус светс,водА, о
-
радиус вvтке., L IJ - ДР ормац~rя
световодА.
Такиtv сбразом, Ери п спадании акус~·ическ ой волны на чувс-:·вн
тельный :С\llf,мент 1·акого датчика, выполненный в 1шдР СВf:товодв , спи-•
рапью 1-,Е,к рученногD на nмый цvлиндр, этот цнлиндр 11сг.ь11·ывает дЕ•
формацни, Азиму"Гаш,ные напряжения ц,,линдре, ( т.е. ~<зменеr.ия его
радиуса) r,ресброоуюн:я в vзгибные деформацwи свстсвода, котсрые,
в свDЮ очередь, и~щуцирую1· в светсводf' дву11учепрела~vтение, меня~
щееся в, C)C>TBf,TCTEHl.t с изме чением дефс,рч!щп~,. Измеряя на выхDд•·
nрпзмы В=tн· ~·l'на интенс111шости Т 1 и Т2 , опредепя1<ч· веш,чину
индуцированного днуllучепрел с;мления:
П:::IгI2 =COS(f>L-t-fj ЧJ= - :JL(Z, (4~).,
I1 ·f]2
где Л у}=:4 {fiL) , а начальную nс,с1·оя1111у10 ризность
n опучаю 1· при пом сщи к ом пенсе, т Dpa С оnе-Бабине:
~(р== л(j3L)=(/31f + L~1)L1~-
10
(8)
Используя (6) и опуская перв1iй ЧJТf,н в (8), поnучю,j
fд~ =:: - ц,§·10 6(1-0,21 f) f
(9)
Измерения в [1е,] проводиnись с испоnьэованием по1иго цилинд
ре. , на котс,рый наr/атыва;1ся свЕ,1·с,вод длиной 0.84 м и диаметром
2р=8O мкr,-,, Дав.пен.не · имитир.ов9.лось подачей напряжения на пьезоке
рамический цилин~fv,аме 4 ом 1,27 см. Коэффициент радиального и.з-
11,;ерения цнпиндра dV = 22 V. Измеренное знвченне чувствнтеnьности
ра.зносп1 фаз Cl'Cтaвvnof~8 =4,З рад/м- мкм. Рассчи~!'анное по
формуш, (ft) знвченv.е чувствителын,сти fд] =4 ,86 _р9д/м•мкм,
Исnопьэуя уr;ругне пара~1етры пмого цнлиндра, можно нс~йти за-'
висv.мость радv,уса LI S пмого ц~~линдра · от пр~:ложеннuго дав1юния
[20] :
tJ 8 =~ _E_J(1-2~)+(-1+ }) ~z .z]
gz_al Е L'
D-
'
(10)
где а - вну1·ренний радиус ципнндра; Е
-
11,:оду11ь Юнга для rv;атерна
па цнпнпдра; D ,- к •:,эфtнщнент Пуассона цщ1индрЕ, 1: Р - даВ11ение.
Поцставпяя ( 10) в (9) поnучим для чуВС'ГВИТеnь11ос1·и СДВНГfJ фс.з к
Дl1RIJ€HHIO: Л Ч1
ГР
= ц,9· 1D 6[z (1-q21 ~Jg1~2v)+(1fV} tzz] [~п~]
E~(f- р2-)
-
о
(11)
В [1Е] рассма1·ршается 1·акже эксперимент, когдв' вмоконJ-:ый
све1•с,вод, накрученный на цrшпндр, прикреплен к11f,ем r:o всей его· длv.
не к п свщ_Jхн оспr н1ши1щра. При этом на611юдаnось увеличение чувс1·
в; 1·елы!ости к дЕ•Nrенню в 6,7 раза. Такое бооьшсе ув,,,1ичЕmv.е, пО,.:
&1щf,м Dму, связан Р с уве11v.ченне1v: эффс-;;п1вн •:,с•ги дву11учепреnомления
за счет тог D, ч1·0 световод, закрепленный на повЕ,рхност1' цгnиндра,
испы1·нш , п при пр сд=Еых шшрямениях цн1шндра (вдоль Е,го образую
щей) аниз,11·р г,пныЕ! поперс,чitыЕ!, отнDс1:теnьно ocv. свЕ,товодн, деформа
ции, Выше бьт о ттокнэано, ч1·0 максиw.апьное днупучепреn ()11,-tЛ,,Еие про
нсх с,д11 j. '
ripн аниэ·я·рr,пных r: оперечr1ых днфсрмацнях. Но ск11ейка свЕ,тр
вода с поверхнос1-ью uиnиндра не пrовопяет н гиб ооЕ,е эф<jКс' lil'ИВНЫМ об
разD~i органиэ ~ват-ь дР фс,р~,~ацнн нэ..:.За 11,,ал~го модупя : упру.гости к11ея,
Проаннлv.эируем измененкя вЕ,nичин двулучепрепомnення r:pi: иэ-
11,;Е•шш;, и радиуса изгиб а во1Ежонноrо светов::,да и ю:нэ::r1·роrп1ых Пl'
перf, ЧНI,.'х r.f·фё•р1vшц11Ял ripи одннак овых значениях: дЕ,ф~рмашr й в том
и другом спучsе с точки зрения эффектнвнос1·1: этих ~,ехюшзмс-в мс-
ду11яuн11, Для Э'Гl•ГD Гiроднфференц11руеr,.: ГiD в_ ВЫражЕеш:е (Е3), ПDЛУ-
ЧИ~,; _.;/}- _
"'-'(,9·10 6 -fμ__((:E)-t -,t,6,l ~г
(12) 11
( 13)
Иl!И
Подставпяя в (13) эначенv.я: g=0 ,5 см, ./J=50 мм, Е, =10-5
, по-
v:~учим л д -::::: -5 · 10- 1 fUlQ
'-' .) .J
l'1
.
Найд·ем (jЗменение сдвига фе:эы в сnучае анизотропной попереч
ной одноосной деформациис;световода, для этого в (2) подставим эна
f!ение деформации 6 =10-~, значения фотоупругих r,остояшJЬrх
Р11=
j=0,121 , р 12 =0,270 Дl!Я ПllaBlle!-!НOГlJ кварщI, Jl =0 ,633 МКН, п 0=
bl,51 пооучим d.f> = -25,5 рад/м,
Таки~,: образом, эфф€ктивность двудучепрепоw.пе1шя в случае ани-1
эотропных r;оперечных деформаций световода в 50 раэ выше, чем при,
1иэгибных дефсрr-лацню::..
,
В датчике, рассматриваемом в [21] , в эначитепьной мере иэ
'5ав;1яю~ ·ся от выше указавных нед остатков, В так DM датчике ( рис, 3)
однDмодовый вопоконный световод нспы'l.·ывает анизотропные попереч
ные деформации, Это происходнт бпагодаря тему, Ч'l'О свЕ,товод поме
щен в разрез, сдепанный по образующей цt,пиндра, При попадании Ш<:1 ➔•
стическс·й вопны на штиндр происходит его Дf!форм1ш.ня и изменяется 1
ширина разреза, что приводит к поперечным относитепыrо оси свен:
Fода ВJ!ИЗОТрОПНЫМ д_!Эформациям, Однако ЧуВСТВИТеl!ЬНDС':'Ь I'aKt:,ГD
датчика недостаточно вь:сока из-эа того, что д1шнг вэЕи1,-,одейс'l·вия
световода с а1{устl!ческим попем ограничена дпиной образующей ци
пиндра, В таких ,;_атчиках изменение разrv-еров ципиндра при темпера
турных q-.пуктуациях внеи.:ней среды также 1,рив1щнт к вDЭникнDвению
μ оп опнитеl!Ьных rv;ехашrческнх напряжений как поперечных ( при нзr,:е
:Нениях радиуса щтиндра), так и дродаm.1!ЫХ (при изменениях дшшы
днпиндра). Указанные ~v:еханические _напряжения изменяют состDяни.е 1
оптической_иопяризаци_и света, прошедшего через свf,•говод, и сущt>ст-,
венно ограничив11ю-r· чувствитеl!Ьность датчика к акусп:чесыим вмна1v',
, Несмотря на то, Ч'!'О, по сравнению с фаз:>выми д,,тчикш.~и, эффек~·
температурнDго изменения состояния оптической попяриз9.ции света,
прошед11;его через вопоконный световод, на неск=кс порядкс,1с. ниже
температурного изменения фазы, все жr, те1v,пературные изменения
в11е11яей среды не позвОJ:•яют дrJстичь rеоретическсй чувствитепьности
по давJ1ению в 1·аких датчиках.,
Кроме того, чувс'!·витеl!Ьнос:ть к температуре в этих д11тчикнх
опреде11яется напряже1-шяkи в н LVI с>к онном свет оводе, в ознике,юцим:и
,из-эа несогпасованных температурных рас~;.шрений кт1ея v. _ сш .I его
свf:
товод11, а также изменения~,:и д1Iю1ы световода в .заRис-~н.:ос~·и от тем
пературы,
Ни;же расс~1атривается предтrоженная вв~-ораr,:и кинструкцня дат
чики, rблаnвютдеrо бcJl,ee высокой· чувствительно=ью к д,,вJтеЕИЮ-.эа
·12 .
счет испмь:,tаы~ния r:сперечных ьнr:эот·ропных дефсрмsцr:й одномодово
го светсвода нг. всей ГiЛОЩЕIДИ Ч)ЪС'!'Вl!ТеЛЬl'DГI> Эl!f}Mt'lJTB ДfJ'!'ЧИКа. Схе;
ма да;чrикн предС'ГВNiеI!Ы нь рис. 4. Датчик рабl>'!·ает следующим обр&_;_
Св,и· с,т 11с'!·очю1ка 1 оптическсго иэпучения (паэера), пройдя
ПЛflС'l'ИНку1⁄4 2, полярсжд 3, микрr,сбЬЕКПIВ 4, Bf\DДIITCЯ в ОД!!DМОДО-
;БЫЙ световод 5. Зsтем свf,т r.роходнт через 11,•;ЕкрибЪ€К '!'ИВ 6 и попа- ·
Еае'!' на призму ВмлаС'!'DНа. 7, Кl>торая прос'!·ранствень:о деп1<.т свЕ,'!' на
двЕ, ортогонаиьные пмярr,зс,ванныи К[;МПоненты, каждая 1сэ ко'!·орых
попадш0 ·г на сои·ве'!·ствуюIL'.1·,й фи·DдетектL,р 8, гд<', световой сигна11
fреобμ0зуется в эиек'!·рическнй и после усииения подается в ус'!·ройс'!·->
~о 9 сбработки сигнала.
•
Акустическе.я вс.шш, распроС'!'раняющЕ,ясs;: в жидк DС'!'И, падая на
вмокс,нно-оптический датчик Е-кус'!·ическнх вмн, деформирует вьт:;ний
полый цилиндр 10, который в свою очередь передает дефс,рмацню св,•.-·
~оводу. Так кш< ш,утренннй спнсшной щшиндр 11 дос1·атDчно жесткий,
р све'!'С,вl>де вwникаю ·г с,дноосные поперечные дефс,рмацин по всей д,ш.
Jie с оприк осн ОВf>НИЯ с внеu:нш.:' ц111:индр с,м lC. Ука:оанные одноосные
деформации вс:ледС'!'В~ ; е ф с,т оупруг ого эффек'!'В приводят к навЕ,денному
двупучепреломлению, т.е. линейно поояризованное на вх1щf, световода
нэ1,уче11пе с•гаыовнтся sипvптически попяриз::JВ!lЕНЫI,: HR его выходе.
НаведеР.11ая разность фаз Л <р между ортогоналы10 пмяриэо-
~аЕШ,!1,:и к 1;,1>'ПD!JеН'!'а11,'н пзпучения в светс,воде 5 зав·v;сит от ды•1леР.ия и
рпределяется выражением:
'XL( р)·
.3 Fэср
L\lf= _я_
Р11-12.поу,
( 14)
где Fэф - эффек1·ивное давиенне, дейС'!'В)10Щf}е на све'!'DВЩI. ИзмерЯ5!
интенспвпостv 11 и Iz. ортс,гона11ь110 поляриз(,ванных компоне:~и· из
пучЕш,я ш1 выходе световода, можно оrтреде.r,нть сТЕпень попяриэвцни
Р из11учення, г.роu:ед111ег'j через световод
р== I1-Iг.
= cos (/J<fc +Л<pJ"
I1-+Ъ
( 15)
где Ll lfc - сдв~.rг фазь: 1,:1:-wду ~,ртс ,говаl!ьно пU1Jярпэ,;ы11шьп.-н•: кс-мпо
нент~ыи, с.бусловленный ест-ествею1ым дву,1учепре1Iс,млением в СВРТD
БОФ и rзме11ение1v· температуры.
Выражения (1.4) и (15) поэвооmс•, опредЕ•лить эффективнее дав~
ленне f эфа кус'! ическ ~-й волны, !!t1д11ющей нн дl' ".'ЧИК.
:
Эксперш,:е1-1'!·ы1ьнrе исследовюше дв".·чик11 пoкa~f!nci, ч1:р- nн обш,-
Jсtе1.' пороговой чувствиr·ельнсс1..~ью GКО.По З •10- ...
Па/Гц1fl: : при
)1ПН!Ш CIJE:T·t.•BOДH 1 м и НСПDЛЬ3С•ЕЕIН1!1! Не- Ne лазера с МDЩНОС'!ЪЮ
2 мВт, Эта веиичи,:а порогt,вой чувс:твv.тепыrос'!'~I уже дос'!·аrочнt1 для
ряда r.rри~,.~енений.
Во всех ~-·рех ,шисаш1ых Н1i1J1~, датчикnх, !'. ~ Р аШ Р Му
мненню, в1JG-
1v; ожен пр DC'!'DЙ сп се об уы,,.JИчення '!··eprl.' Хi'Е\РНГ.ЬЕОС'!'И, свяэаЕШ,!Й с
-
.
... .
.
13
введением в них в1·rрого световода , не nодnержею1ог ,.1 в:<?,дРис•гв1по
акуснrческс•й !3UIIНЬI, и находящегuся в одинаковых 1-емnературных ус
ловиях с сигшmЫ!ЫМ световодом.
Изменение фаз ов ого сдвнга между с.рт с,г 1JЕальЕ о п onяpflз ё>Банны~v;и
компонентами (14) и (15) в c11ГJiHJ1Ьl!CM CBE'Tt>BlЩf, обуспс:ы1,·нс на
веден11ь11,: акустической вопной дну;:учЕеnрепuмленнс~•, и 11з1,,ененнЕ•м
температуры.
Изwененне фаз::>вDго сдщ,га во втсром светс,воде связеЕо r- оль-
ко - с из1v1еiюштеr.: температуры, что позвоnяет исnопьзовБть типичные
"диффер~шптальные" схе~::ы регистрации и значhтельно уменьшить н;,ия
ю1я температурных фJJук~·уаций .
В целом такие преи мущес~·ва датчика на· основе пDЛярнзвп ',·•.1- 1 , й
rv:одуr.яцl!и, как простс,та и надежнос~ъ, отсу~·ствне Dпорного канала и
пробпн,;ы, связанней с прDСi'раЕсп,т · нuй фазир ,)F,ксй (как сш:-дсте-ие,
боnьшие раз~.,еры прие1,шой апертуры), менее жестк1,е уславия оnти
мизацшi приема излучения И OTHOCHTE'JJЬHD вь:сокая термос1'в. б1тьнDС1Ъ,
выгодно отпичакн· эти да1'чики от датчикс,н на основе фазовой r; ам
ш:титудн ой м:_одуJJяции.
Закпючение
Приведенные В Н8Сi'DЯЩеЙ раб-~те ДВЕНЫе по лучu::т.-, И3 DПl!СЕ\Н
ных в литературе дr,тчикн1': акустичесы:х ,н.т- н в з11в11сш,r с<: тЕ и· мо
дуll.ируе мDго пара1,!етра излучения и типов датчик:ш (ки·орые мож111J
счит·гть ужЕ усте.новпв~и,~,,ися) псхзвооmо1' сцела~ъ с.ледующне выводы.
Очевидно расхсждf,ние между высuкш,:и теuретическ1n.-:и эш,че
ния~,:и порогr,вой чувст-вительнос~т и их реаnьЕо дrхтигну1·-ыми вели
чинами. Дальнейшее развит-н е вм ок онн о-оптических дА тчик ов акус т1:_:
ческ1rх в,лн связано именно с достижением r-.,аксп.-:ВJJьной чувс твнтель-'
HDCi'И, термос~·абИJJЬНОС'f!I II пр.
При э'ror,.; сравненне датчикuв ра&111чных пшов пска:оывает сле
дующее. Датчики с асмпш:туднl'й r,.-1одуияц11ей обш,дr,ю~- нанбоr,ьшей
nростt,той ·· и высокой 1·ер1,1ос1·аб11лы1ос1ъю. Однако датчики проход
ногu 1·ипа об11адню~· с,граничею-1ы1,: ч1с,стот!iы1.1 дисшаз'>F.01v:, требую1·
точного выполнеЕня эломентов и юс1· ировк11. Даже в дЕ•·г-чиках ,:а свя;_
зи световодов 11.rш с мDдупяцней 1-;зпучення на r,.•.икr-:,с,изг1rб11х не реа
лизуется catvoe привliекнтепытое свойствD ВDЛоконно-с,птическv.х двт
чиков - ВСХЗМDЖНССl'Ь !!бКСПl!0НliЯ CIIГIШJJ.R на б~IЬШDЙ дпнне вэаР kО
дЕ,йСl'Е!IЯ акустпчес·к)й вооны со свЕ>товодоr,,-1, так как датчики с а~,•
гиштудной модуляцией 1'ак пли нначе основа,;ы па rv:одушщ,,и потерь
излучения. Э:~- о же обет оятельств о затрудняет их исп DJJЪЭ с,вашrе в
nоnностью свеговодньiх ю-1фс,рмецвонно-нэ1v,ерптельных cиc~·erv;ax.
Следуе•г заметить также, ч1· 0 в де, тчикt.х с амплитудной моду
ляцией [ 22] вDЛоконноrvrу световоду l'TBf,дel'.a Rl'C'poci·ene1Jш1я рDЛь
,·ранспя•;·сра излучения, в 'l'D время кnк вся cxei,:a трад1щниша для
рядв акселерометров и датчиков давления. Этс, позвоnяет пмемизй
ров111ъ с воэ~v:с,жнос~·и причнспения 1·акого датчика (и псдобных н,-:у)
к числу вмоконно-оптических, fjидимо, следует ввести более стро- ,
гое депение на вмоконно-оптические д1Iтчиии (в которых важнейшие i
эпементы выпмнены из световода) и датчики с ис:попьзованием во- 1
поконных световодов (в которых световод явпяется передающей сре
дой ипи играет второстепенную pOIIЬ), Это замечание носит общий
характер, так как относится и к датчикам с попяризационной моду
пяцией, 'под~ным рассмDтренному в [17] •
Датчики с фазовой модупяцией сип::апа обпадают очень высо
кой чувствитепьностью, но их низкая термостабипьность привепа к
необходимости сильного усложнения конструкции датчиков, реапьные
характеристики которых до сих пор весьма дапеки от теоретически
всзможных.
Сравним чувствитепьность датчиков с фазовой и пмяризационнрй
модупяцией сигнапа, Как показано в 1 части настоящей работы,
,
максимапьная эфрективн ость фазовой м одупяции достигается при ак-,
сиальных деформациях световода и опредепяет чувствитепьность даТ-:.
чика,
Однако такая чувствитепьность практически ·недостижима,
так как осуществить чисто продмьные деформации световода невсхз
можно, Суммарное же действие аксиального и радиального вrедей
ствий приводит к _:rtrньшению чувствитепьности в , 5-6 раз до зна-
чения~ 0,3•10
рад/м,мкПа (поскDJ1Ьку изм1=нение дпины светv-
вода и фотоупругий эффект дают вк.лады почти равные по вепичине;
но противоположные по знаку) [ 23, 24 , 12] .
В соответствии с [25) это дает урDвень теDретически дости
жимой дпя датчика с фазово!.&1одупяцией пороговой чувствитепын:>-
сти 25 дБ относитепьно 10 Па при дпине световода 1 м ,
Рассчитанное с учетом вкпадов раэпичных механизм.ав -ачениf!
чувствительности датчика с поляризационной МDдупяцией составпяет
-10
.
0,54 • 10
рад/м . мкПа, что СDответствует пороговой чувствитепь-
-6
'
ности окмо_20 дБ относитепьно 10 Па при дпине световода 1 м•.
Но испопьзуя поляризационную модупяцию,'можно• отказаться
от сложной техники гетеродинирования, что упрощает ус.тройство в
цепом, Влияние температуры и изотропного давпения также сущест
венно уменьшается, т.к. при пмяризационной модупяции меняется
относитепьная разность фаз ортогонально попяризованных компонен~
моды оптического иэпучения, проходящего через один световод, а н~
абсолютная фаза, которая сравнивается с фазой оптического иэпуче+
ния в опорном канапе как в датчике с фаз ов oi\ м одупяцией ,
'
Уже была также показана возможность поляризационн_ ой · моду-
пяции изпучения в многомодовом световоде, когда внешнее воздей
ствие приводит к модупяции поляризации опредепенных мод, как и
в случае одномодового свет.овода [26, 27] .
Новые технические предложения по у,11учшению параметров во
поконЕо-оптических датчиков с фазовой модупяцией связаю,1 с при- i
менением новых материалов для световодов и покрытий для них, в
том числе и для компенсаций температурных воздействий . Эти ре
шения применимы также и к датчикам с п опяризаци онн ой модуляцией
что позвопит в целом создать датчик с чувствительным элементом '
выпопненным из световсда, параметры которого будут оптимальны~и
дпя достижения необходимой чувствителыrости, терм. о стабипьности
и пр.
16
2з.JJEII. Ott~i.Rs -f . J/. КСЛfУ;;су Et:. LeT(, /9T~ -Yi'tJ)
;V.t, j?j-> ,,?f- ~ .Z.
•
24. Апексеев Э.Н., Меш М.Я., Проклов в.в.; .Сверчков В.Н.,
Телегин Г.Н. Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, с. 480-485.
25. /3и(?а/'О .7'.Л I d/cl:maл Т.R, л;с;;Р Opt:, 1919
l/lt, ;V~ Р· !?.Jtf-9//0.
,,
26. Алексеев Э.Н., Меш М.Я., Базаров Е.Н., •Гуляев Ю.В.,
Коваленке В.Г., Проклов В.В. Письма в ЖТФ, 1979, т. 5, вып. 19,
с. 1165-1169.
27. Быксе А.М., Вмяр А.В., Кучикян Л.М . Письма в ЖТФ,
1981, т. 7, с. 152.
Статья поступила в июле 1984 г-:,да
17
1-'
())
~
L~
i!
.:!'..L К. /1.ЛО~КО(>Л,U
, ;f'</~VHA:Q
•
аА!!!'<!!~иvеекv~
Рб'vлv,,_е-,,,Ре-rоhлз=щ v,;
ло,,,.я,1> v4о.,-;wнныv
,Ра.ОL.,Ц~/7&'7'7.!!АЬ
А"~ -
I
~~~~
. =~~7~
.·•.·
.••
v: 1-г.t=J ~.-
.•·~
...
1
: 1--·
ЛЛ6U?Л?VNК4.. ~
/•
ac,d' V,ZA'<:'/V «s•
/l0,9J,,Rv.Ja.и,voNo-v6/U .
/7~щ е4~Л?.еАь
Fз: :~
"!f':Y,R:
Рис. I . Волоконно-:-оптический датчик на основе поляризационной ••
модуляции излучения с использованием объёмного фС>тоуп-:
ругого материма в качестве чувствительного элемента
датчика.
..,
CD
ll JI
. .//Q.3 ~/J
D
~
t(
-
I
т,-г.
fис.2
.·~
Q~.,,.~-
,. ,,,ц1.;1вL>&а.9
.б'о.лн.Q
Волоконно-оптичевкий датчик на основе поляризационной
мод.У'ЛЯU'1И излучения с модулируемым дву~учепреломлени~м
на изгибе световода.
lle- 11/е
Л,IJt/Зl'fQ
fЗо..11/112 L'/l'J она
Рис. 3
Волоконно-оптическии датчик на основе поляри
зационной модуляции излучения с модулируемым
двулучепреломлением при анизотропных поперечных
деформациях световода, предварительно скручен-
ного вдоль его v~п.
20
I\J
,С...
I
2
J
4
?
8
Рис.4 Волоконно-оптический датчик на осно:ее поляризацион:ной
модуляции излучения с модулируемым д:еулучепреломлением
при анизотропных деформациях световода.
g
УДК 621.391.23:621.376.56 .08
Канд. техн. наук В.Ф. Ламекин,
инж. А.С. МалахDвский
ГИБКИЕ КОМПЛЕКСЫ СРЕДСТВ СВЯЗИ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ ·
Рассматривается идеапDгия сrодания гибких КDмnлексов средств
связи ПDдвижнь1х Dбьек ·тDв, nDстроенных на DCHDBe гибких МDдулей,
микрDnрDЦессорнDй и светDводнDй техники, БИС и CБvlC.
Быст·рые изменения в услDвиях эскплуатациr.- и функциDнальных
ВСGМDЖНDСтей ПDДВИЖНЫХ 'DбъектDВ (ПО) - DТЛИЧИ'rельная черта ПDС
'ледних лет. СветDводные сист·емы св2:эи (ССС), испмьзу емые в них,
приDбретают· такие нDвые качества, как ги-бкость, :эк6нDмичнDсть, вы
сокий уровЕ,нь автDматизаuни. Они Dбусловлены т-акими свойства~,,и
СВf>ТDВОДНОЙ т-ех1-а1ки-, как ширОКDПDЛDСНDС'ГЬ, малые габ&риты . И М9ССа.
Проведенные исспедовс.ния пrовапяют сделать вывод, чт·о наиболее
эффективны системы с гибкой структ·урой, тэк ЕазывЕ,емые гибкие
КDмnлексы средп·в связи (ГКСС) ПО.
Что же ·такоо ГКСС и почему вrонимr.а потребнDсть в них?
Дело в том , что разви-тие ПО и capDce нэ КСС nр,:в Рло к реэкслvrу
расширени-ю номенклатуры продукции-, ее кс,нструкпJВ11сй с.пожност·и,
тDгде. как время освоения выпуске новых изделий резк[> уменьшилось.
Эти .,новые. тенденции- возникли на фоне дефицит9 рабочей сv.лы, осс
бенн о квалиф,щир ованных r,аб очкх.
Не случ9ЙНD смена выпускаемой продукции без остановки прс
изв одства оценивается кг.к достиж ение, А такая с~rена д rJJiжнa бь!'!ъ
сооытием рядовым, Dбязательным для современного высокоэффектив.:
ного производстве., всегдЕ, rотовоrс, быстро и безубы:гочн о 1'•.рекратить
изготовленvе одной nродукцуи r: в коротки-й срок приступить к выпу
ску новых изделий с лучшими аксnлуатаци онными свойствами.
В любом виде nроиэВL'дст·ва при смене выпускаемой продукции
желательно как можно быстрее и дещевл е перестраивать технапо
гию, макс:v.мально экономя прошлый физ1'\ческнй и интеллектуальный
труд. ГКСС nrовапяет делать это на11луч1п1ы Dбразс>м, так как его
техническую б&зу составляет микроэлектронr:ка, свЕ,т·оводная и вы
числи:телыrея техника.
Гибкке комплексы ССС ПО вrоможвы 1-;а разных уроВЕЯХ, Ыиж..;
ний уровень - гибкий I,r Dдупь. Это легк D перестраиваемая и авто
номно функционирующая еди-ниц9 ГКСС, DСF.ащенная устройст·вами уn
рав11ения и сопряжения на DCEDBE, микрDnроцессоров и- световодF,ЫХ
линий связи (СЛС). Модуль может не только вести DбрабDтку раз-
личной информации в пределах Еsоэможностей э пп аратных и г1роrрамм
ных средств, но и легко встраиваться в гибкr: е комплексь: средств
связи по.
Гибкий КСС - DСЕовной уровень реализации ССС ПО
-
г.ред
стаыrяет· сDбой ряд взаимосвязанных гибких моду11ей, соед~шенных
22
·.-, i;LI
мультиплексной шиной оомена данных и диагностики. Синхронизацmф
работы модулей в этом случае, кг.к и управление всем ГКСС, осущеf
ств11яет быстрое перепрограr,,-1мирование средств связи на ооработку
информацv:и от новых источн·иков или в ином их сочетанv.и, внедрять
гиб.кие модули можно едv,ницами, группами и.пи ко1vшлексом. Вершиной
ав'!'е>Ма1·из1щни средств связи '!'огда явится система из нескольких
иерархически взаимосвязанных гибких комплексов.
Гибкие модули и комплексы, в первую очередь, д мжны широк о
внедря•rься в многономенклатурном мелкосерийном производстве
средс'!'В внутриооъектовой связи. Вопрос состоит в том: на какой
основе строить ГКСС - на базе новых, специально создаваемых
средств, или использовать и С'!'арые средства. В первом случае стои
мость комплексов будРТ высокой, а во втором - • н уж ны
слишком
бмьшие затраты труда и средств на "встраивание" трад1щи онных
средств. Очевидно, наибмее целесоооразным является модульное по
строение ГКСС из унифицирове.нных узлов и блоков. Это резке уВЕ•
личивае~· их "тираж", многократно удешевляе:г и упрощает их произ
водство, сущесгвенно оопегчая отладку и эксплуатацию комплексов.
Светсводная техника, в силу присущих ей свойств, значительно под-'
нимает уровЕ,нь унификации таких комплексов [ 1]. .
К этому надо дооавить, чr·о модульность структур, широкая н~
менклатура униф1щиров·анных узлов и блоков высокой заводскuй ГD
товности, наряду с широким применением ЭВМ в проектных и кон
структорских работах, пазволяют быстрее, чем теперь, проектироветь
и внедрять гиGкне СВРтоводRые модули и комппексы, так как из уни-,
фицироваюъrх узлов можно скомпоновг.ть любой ГКСС с требуемым11
харак~·еристиками. При неооходимости такие гибкие комплексы мож+
но разоорать ,ia узлы и блши и из них с!Jбрать новые средстве. с
иными техническими данными, разу1v.,но экономя прошлый труд . (2].
Дпя создания и вРедрения ССС ПО целесоооразно организовать
серийный выпуск едт;ных технических средств на униф1щировЕ,нной
основе с учетом бl!очности струк~·уr,. В час~·ноС'!'И, надо на.rшдить
серийный выпуск ново.гt) покмения мноrс.функциональных интерфей
сов на базе сnециализировЕJнных микропроцессоров, управляющих
микро-ЭВJI~, а также высокоресурснь•х КDw:плектующих изделий: БИС ,
СБИС, О.ЭИС, элементов и устройств волоконной и интегральной
оптики.
Чтобы оценить хараи·ерис'!'ИКН и определить неабхсдимую но
менклвтуру аnементной базы ССС ПО проведем краткий анализ
струи·ур ГКСС. ССС ПО может иметь DДRY из трех следующvх ос~
новных конфигураций: звЕ·здоооразную (рис. 1), кольцевую (рис. 2)
и древовидную (рис. З). В системе звездоооразной конфигурации каж
дый абонент подключен к блоку центральной коммутации (БUК). Сис
те.1:1а древовидной_ко~4!игурации аналоrична систе:--1е, исп~зуемой ооычно
в кЕ,бЕ!льном телевиде нии, rде сигналы от БUК распределяются по
постоянно Вf•'!·вяшейсs>. структуре, состояшей И3 магпсrральных ли-
23.
ний и атве'i'вленкй ко всем абонентам. В копьuевой системе F.1б1жен
ты вкmочены поспедоветепьно и образую'!' коnьuо, из которого кажды~
абонент извлекает предназначенн ые ему сигна1-..ы и в которое он вво,.
дИ'l' свои собственные сиг1-:апы [ 2, . З]
.
•
Систему свизи можно также сформировать на основе комбк .наций
этих трех основных структур (рис. 4,5, 6). ?асс~iо:rрим, как кеждая
иэ этих конфигурадий сопрягается со светоВОД!-!ЬIМ гксс по . Наибо,. '
лее · часто для совместной г;ередачи нескlJJIЬКИХ видеосигналов, речевых
сигналов и Сl'.гнапов данных по одному све ·'Ъ'оводу испо111,зую~·ся методы
частотного (ЧУ), спектрапь1-1ого (СУ) и временного (ВУ) уппотш,ния
,каналов. Час'!·отное уплотнение можыо осуществить с . ПDМD!liЬЮ элек·r
ронных и оптических средств•. В пе рв ом
случае пр опуск ная сп ·особнссть
ограничив.ае'!·ся недостаточной линейностью и выходF.ой мощностью ис-,
:гочников и.зпучения. Оптические средства частотного уплотнения поз
вмюст преодолеть огра~iичение на линейность ИС'l'DЧНИКЕ: излучения и,
1спедоватеп:ьно, могут повысить пропускr:ую способН{)СТЬ Сl'Стем с ЧУ.'
Бм-.,шими поте1щиальными: вrоможностя~1и об1шдЕ,ет iv1e 1·oд сгек'l·
;~альЕого уплотнения. В настоящее время техническая осуществимость
ме-.·ода С~' продемонстрирована д11я трех каналов, в которых в качест~
ве излучателей использованы лазер1-1Ь1е диоды с рабDчей длин ой вол-
ны в обш1сти 0,8; 1;3; 1,513 мкм, т.е. реализовано междиапазонное
СУ; рассмDтрена также возможность внутридиапазонного уш1.отнення
ропее 10 каналов в дпинновQ1iновом диапазоне 1,З и 1,55 мкм. для
рракн1ческий реализаuv. и таких с:кс:гем требуюr·си излучатели со сr·а
бvлы-1ой к точно контрапируемой длиной волны в оптические мупьти-
• плексоры/демультиплексоры с низкими вносvмымн
потеря)-,1И II кру'l•ЬJ~.,
срезоr,; ч&стотной характеристикv.
Метод временного упло тнения 'l·ребует цифрового кодРрования как
13идеосигналов, так и речевых сигналов и сигналов данных, Поскмьку
цля передачи цифрового теш?.вvзиощ1ого сигнала неоохс;дима значитель
но бооее широкая пмоса частот (скорос'!ъ лередачи составляет приб
лизительно 34 Мбпт/с:), чисr:о цифр vвых телевизионных каналов, кот.о-
рое може'!' вмес'!·ить одv.н световод, в д енР.ом с.г.учае уже не cтlJJIЬ
значительно, как Ер,: исnDЛЬэове,ннн методов частотного и сг,екr·раль
ного уnлотнения. Поэтому с точки зрения ~.,упьтиплексной перещ,чи
н аиб[)/]ее предг.очтительной являетси, по-видим ому, сеrъ г.в ездообраз
ной конфигураuии с кr,ммутаuvей в БUК, так как она требует от све
товода сравнительно невысокой пропуск~-:ой способносп,. Пр и~ :енш;: а
тю::же цифрDвЕ,я се,-ь капьцевой конфигурацvи с испL>JIЬэованием вре
менного уплотнения и распределенной (децентрализоы,нной) коммуr·а-
4v.ей.
Световодные системы связи способны обеспечиrъ не тапько су
ЩЕ•с ·rвующие виды связи, но также позвё>11яюr· посредством незначитель
ной модификации или внесения небDJ1ьших изменений ввод?i'!Ъ н буду-
щем допопни'l·ельные и новые виды усi!уг. В этом отношении сис'!-ема
древовидной к оБфигураut:и оошщает сравнктельпс невысок ой гибкостью,
особенно если это связано с двус,:с.ронней г.ередачей сигнапов. Бопь--<
щой гибкостью д11я введf'НИЯ новых видов успуг обладают сисгемы
звеGроссрЕ,зной и кмьцевой конфигурации, однако с точки зрения ши
рокопмасных нидов связи всхзможносТ!': конфигуr·ацни отчасти огра
ь11чены.
Сис'l·емы древовидной и кмьцЕ,вой конфигураций потенциапьно
менее надf,жны, требуют бооьшего времени и бмыuнх затрат на уст- ,
ранение неисправностЕй . В сисгеме звездообразной конфигурации ос
новные эпек'l·ронные и оптические компоненты размещаю'l'СЯ в БЦК,
распможенных в спец11а1IЬных отсеках ПО, окружаюшие усповия в к~
торых могут регулировнться, спедоватепьно , экспnу!>тацнонная надеж
ность 'l'аких систем выше. Кроме · того, в них пегче осуществить ремонт
и организовать техническ е,е обспуживание. •
Система связи допжна быть приспособпена для расширения и
внесения изменений, обусп::,в11 е нных добавпением новых абонентов и
модРрнизацней. Сис'l-емы звэдообразной и древовидной конфигураций
могут потребоь"ть меньш е дор~гостоящ1~х передепок, необхсдимых дпя
их постепенного расширения и изменения, чем системы копьцевой кон
фигурации.
Криптоус'Гl>йчивос:т.ь - важный фактuр дпя неки·орых видов свя
зи. Сеть звездообразной конфигурации обеспечивает, очевидно, наи
высший урDвЕ,нь эащиILенности связи, поскопьку в ней каждый вмсжон
ный кабепь vзакреппени ·за отдепьным абонен'!"·ом и спужит дпя пере
д а чи сигНЕШ!)В топько этому абоненту. · вм:жна оптических кабепей ·
в се'l·ях древовидн::,й и копьцевой конфиг·ураций испмьзуются нескопь- •
кvми абонентами, поэтеtvrу они в бопьшей степени подвержены несанк'"'
ционированному доступу. для с.бЕ:спеч;ения связи в таких системах !
необхсдиIV: с приrvенение специ,шыrой спожной аппаратуры ТСС.
ЧислD оптичес~:их вDПокон, требуемое дпя обслуживания данного
qислR абuнентс,в, также :>тнрсится к ряду очень важных факте-ров, так
кьк непосредственно от нег L> зависит эк ономическRя эффективносrь
сисгемы. Дпя абсRЕнт с в, щ: ибпизи'l·епьно равномерно распредепенньt.х
В ЕеКОТОрDМ ПО КВ9.ДрЗТНОЙ- формы, ИСПDIJЬЗОВ8НИе СИСТеМЬ/ КМЬЦеВО~
конфигурации потребует не.имены~,егL: чиспа оптических вмокон .
По сравнению с ней система; древовидной конфигурации потре
бует примерно вдвое, а система звездообразной конфигурации - в
V'ji/ раз бопьшего чиспа вмокон. Упучш ить коэффициент испопьз~
ы,ш~я оп·гического вмакн R в системе звездообразной конфигурации
можно с пш,:ощью допоонительных концЕ,нтраторов канапов (КК). За
счет т·ак ой децент·рапv.з ованн ой коммутации общЕ,е чисп о оптическv,.х
,в е,л окон, не обх r,дим ое дпя реапизации системы звЕ,эд ообра~н ой к онфи-
'гур sциv, можно зн9читет- но :v~•чп,~:•нть. Конкретная ве пичина этого
·уме ньш е ния зависv.т о·г к Dl!Нчества абонентов в обспуживаем 6м об1-
1ек!·е и емкости каждого испмьзуемого КК. Спедоватепьн D, звездо
обре.зная конфигурация 11е;же'l' бы'lъ л:риня'!"а за б&зовую д11я гибкого
МDдушr, на основе к::,торого сv.нтеэируК'!'СЯ liюбь ;е ГКСС ПО, а за
25
основньт Эl!ементы све r· оводной системы связи можно прr:няrъ: БL!J<\
свет DB ОдНУ!С линию r.ер€Д8.ЧИ, к с,нцентратор КЕШЕ1Л DB, СВе!' DB [,дную
аб Dнентск y!<'J лини~t, аб Dнентский терминал, ЭJ1ементы р; у стр ойствti
BDIHJКOHJ-!()Й и интегральной оптики, ЯВJJЯ!Сщ·неся основой Е,ДИ!-/ЫХ !'еХl-iИ
ческих средств ( зJ.
Единые техnические средстве (ЕТС) д.пя свеr·оводных сv.стем свs::
зи подвижных 1,бьектов (ССС ПО) представляют _ набор стандЕ,ртных
гибких. модулей, реалиэующvх re ил"и иные функ~~; и свЕ-товодн ой с~,сте
мы связи, выпмненные на основе единого системного подхода и оди-•
наковой элЕ,мен1·ной базе, допускающих гибкое прt,граммное управлf',нv.е
и воэмсжн,;с!ъ наращивания по структуре "общая ш~ъа".
Мсцули КОМПDНуюr·ся иэ б.f.DKOB двух DСНСВНЫХ 'ПJПов:
-
бJJCIOI Цt'Е'Грализове.вной К[>ММутащи (БUК) - рис. 7;
-
абонентские терминалы (АТ) - рис. 8.
Заданные конфигурация ССС ПО и набор функциональных воэмож
носr·ей реализуюr·ся :
-
аппаре.тн1j с помощью необхuдимого числа rибких 1\,!Одулей тре
буем ог D типа;
-
прс,граммно, с помощью управпяющей програwмы в гамяти
всr·р t)Е'ННой микро-ЭВJI/\, реализуюu.юй алrорvтм управJrения,
Комп11екс ЕТС ССС ПО поэвDJiяеr· строить ГКСС д11я передачи
речевDй информацvи, данных и сигЕалов управления в услов11ях nовы
-ШЕ,нногс, уров·,rя э,лекr·ромагнитных помех с высоки]\, ке,чесr·вом связп
и высокой достовЕ,рностью. Предусчиренr, подкJUСчение бооьшого ке>
личестве. радиосредств - радиостанций, приемников, аппарэтур пер€да
чи да.иных, выносных телефонных аттпе.ратов, апг.Е~ре. туры докуменп1ро
вания и т. д ·. Спецv.альный набор интерфейсов г.rхзвмяет строи!ъ r;v. -
стемы со звездообразной струк1·урой, кооьцЕвые и ,юрархическ,ю [ 2].
Требования мини,-.л:альнв~х габе.ритов, массы и потребпяемой мDПiности
пред опрЕ-дЕ,ляе т не обх rщ им ос1ъ шир с,к ого исп DJIЬЗ ованv.я спец и алиэир о-:
ванных БИС и · закээных БИС на нескоммутированных вентильных,
1 матрицах.
При разра.ботке ЕТС были прютя!Ъ, следующне оснlJвнь:е прин
ципы:
цифровое кодирование речи на основе ИКМ иnи дель 1·a -1v: одуля.:.
цvи;
максимальное испмьзс:-ванне npoгpal\,]\'HDГD управ1тния;
пмучение высоких параметр:,в речевых трактов за счет откаэ8
от мн ог окра тных •промежуточных 11ны1 с>г с,-цvфр с,вых npe образ ове нvй;
снижение · массьr, габари1· ов и повышение надЕ,жн осr·и апr:ара ту
ры эа счет nримененvя БИС.
Меr·од цифрс,вогс• преобразования речи ныrагает опредЕ.-ленные
ограничения на проекr·ируемую аппара~-уру. Исг.С111Ь(~ование дРлы·а-
м одуляцни, с одной стороны, обЕ.•спечиве.ет 1\,,инимальные аппаратурные
затраты, требует отноС?ителы10 НИЗJ(DЙ •гактовой частоты и не предь
ЯВJIЯеr· высоких треб DВЕШИЙ к к с.пичесr·ву сбDев в канале передачи.
26
Эти преим:у1цес'!·ва у11,~еньшс11о'!'СЯ при не сох с;дr,м ости прнм .енения высо
кокачЕеС.'!'венных каналов из-эа невысокого KctЧE,C'['BI:, реЧЕеВDГD тракта
(узкая ПDIIDCa частот, низкое отношение сигнал/помеха, огрюп.rченный
дi<.нвмический дr,апаэс1н) и '!'руднос'!ъю орга:низацrш КDнференц-связп,
Реализация КD!i.ференц-связ~, - одн;,:,,гс, из режимов работы многv.:х вну'!'
рv.:обьектовых систем связи, требует при делы·а-моду,шц1ш многократ
ног. о аналог r>-д,iфpt>BOГt> пре образовавия н юшл ГJГ ов ого суммирования,
что препЯ'!'С'!'Вуе 1· п овыu;с,нию кв. чес'!'Ва к онференц .. .евязи, мини а тюр,:за
щ;и аппара•rуры.
Напротив, ~,мпупьсно-кодовая модуляция · поэволяет строить ка
налы г,ередЕ,Чh речи с высоким кЕ,чес'!·В DM (кач€•ств t1 КЕ.нала определя
е'!'СЯ ,1ыЕь час•готой дr,скретизацни v. количествtм дБоичных разрядов,
испС>11Ьэус~:ътх дl!Я предс'!·ашrения Е<сJJ.ичины отсчета) и допускае,г uиФ
·ровые методы обработки - коммуташпс, спти~,,-rальную филь'!'р1щию, ус'!·
раневие Ш)NDB v '1',д. Платой за Э'!'D яв,JЯ1с·тся значительное успож
нение ИКl':\-кодеков, эначи'!·ельные аппаратные за. траты на комму'!·а
циовное сборудове,ше и повы\l:енные требDва,шя к достовЕ,рности пе
редечи инфDрмации по кг:нs.лу св,,:эи II шир· ок оп DЛ оснос'!·и кы1 еша.
При п DC'!'P t>епии комплекса ЕТС в качестве первично.го анал DГ о-
• цифрового преобразования rv:oжe'!' бь!'!ъ
прИНЯ'!'а линейная 12 или 14
разрядная ИКf\1, Это объясняется стремлением обесг,ечить макст-r-
11,;_ально высокие хвре.к;rерисп1ки речевDгс, трак1·а (вглоть до 1 кr:ас
са). Болы,,ая широкополос~'1ость ;~ высокая . помехоустойчивость све-
• товодных
линий совместно с широкп,: исг,ользове.нием БИС и СБЕС
· п'оэRrщяют вt, многом усr:рани,~ъ вышеуке.занные недоста'!·ки. R тех
· с.лучliях, коrдн не~'>бх~ди~,:с • ·переда~ъ речевt)й сп·нал rто узкополосны~
канг,лам связк, имее'!'СЯ в~можность гrреобразования линейпой ИКf1\ ..
в· · среднескорос:~·ную дельта-модуляцию с инерционным компандl'рове.
нием (скорОС'ГЪ передачи: 16764 кб,и•/с) ИЛИ В HИ3KC,CKOpDC'!'HyIO ДРЛЬ
r·а-~v:с,дуЛЯ!!ИЮ - (скорость переде, чи: 9,6 кбит/с) и обре.тно. СущЕ,с,··венно,
анел ог t,-цнфр ов оо и u~-ФР ~а.пал ог ов ое пре обрс1з ,,ванн я r:p Dисх одя'l' в
абDнен1·ском терминале только одl'Р раз, а во всех осталы-ых пре
обрв.зованиях используЮ'!'СЯ чисто цифровые методы, не вносыпие до
пм,п:'!'еl!ьпых искажений и ElYMDB, Отке.з от Прl)межуточных аналого
вых сигнапов упрощает r;рt>ектировf<н,,е БИС и СБИС обре.бDТКV и ком-
11,;утацни.
Рассм- отрим состав б;;r,ков и назнечен~-е отдf,пьных ~:. одупей,
Бпок центщ\l!иэованной КС>ММ.У.!ШJJ:ГИ*(рис, 7). Блок uентрализо
вышой КDММут· ации ЯВГ:Яе'ГСЯ GCKOBHЫI\.,; 6J1r"к,')!>.:: системы и DСуЩеС'!'В~
ляет функции управления раб ОТ DЙ П DДJ<ЛЮ<сеННЫХ К не~,;у аб lJ!IE'H'J.'CKИX
терминалов, к 011..;му'I'ВЮШ речевых сигналов в с ос;тветств, и с заднн
БЫМ решещ~ем функц~~DнировЕ,ния ССС ПО и обмена упраы1я1сщf,й r;н
фDрмацией с другими БНr:, включенными в той и.rrи инDй кснфигуре
ции, В со-::'!·аве каждого БLП<: имее1·ся моду,1ь уг.рsвпякщей 11.шкро
ЭВN1 на основ;, 8-11 ,ar раэрядногr, Кl'-'СП микр rюроцессорэ (аналог
приборэ8O85АС), киорая ут,реыrяет работой ь сего бJика по за-
данной пр l•гра мме.
?7
Информация от АТ поступает в БЦ К по све товоюiс,й абонентской
пинии связи (дЛС), преобразуе тся в элек1·рv.:ческий сигнал прие м- •
ным квантово-мектронным модуJiем (КЭМ) и де.лее через модуль ра
диапы1ого интерфейса (РИ) поступает на общую шину в расшифрован
ном виде . На основtнии сигналов упраы1 е ния от микро-ЭВМ РИ фор..
мируе:г иэ сигныrов на общей шине от всех абонен,:·ов индивидуальный
речевой сигнал для ·данного абонента , кс,торый поступает затем на
передающий КЭМ и далее в световод,~ую АЛС. В функцvи РИ входит
также обмен под управлением микро-ЭВМ БЦК командной информацv-
ей с микро-ЭВМ в составе АТ и формиров ание канала передачи дан
ных на АТ (при необхо.аимости). Речева.я информацня, команды и . д е н
ные передаются по трем неэавнсимьn,; логически~{ каналам (соотве1'
ственн о каналы nередRчи речи, команд и. данных), объединяемых РИ
в один физический канал путем временного уплотнения. Информац,~я
передается по све товодному кабеmо в относительном бним путJъсном
коде (типа "Манчестер-2") цикл ами по 16 бит, из к оторых 14 пред
назначены для передачи 14 разрядной линейной ИКJ'/~ (ке:нап переда-
чи речи), а два - для передачи команд и данных.
Модуль РИ обеспечивает базовую конфигУ[,ацию ССС ПО типа
"звезда", причем копичес1·в о абоБентов может достигать 128. При
необходим ости удаленная группа из неск опьких а б онещ· ов может
подкmочаться к БL1К по коплективной световодной пинии . связи путе м
вкmочения ~.ежду РИ и приемо-передюсщv.ми КЭМ концентратора ка
налов (КК), осущЕ,с1:·вт1яющего уплотнение/разуплотнение неск mьких
(до 16) абонентских сиг:~::ап:,в. В некоторых случаях это пр,:води'Г к
экономии световодного ка.беля , но ухудшает надежР.ость, так как пов ,f
реждение кабеля приводит. к выходу из связи всех абонентов групnь, .
Использование КК по.звоnяет также ссединять нескС111Ько БЦК
через один скоростной канал для . совмес,:·ной работы, или нескС111ЬКО
БUК для раб::,1ъr в иерархической системе со струк,:·урой "звездЕt
звезда" .
Модуль копьцевого интерфейса (КИ) в составе БUК реализует
возможнDсть подкпючения Еескопькvх БUК по структуре 'кольцо" и
соцержит аппаратные средства, nе0в011яющие:
осуществпя'!ъ синхронизацюо в копьц е ;
передавать сообщенv.я от mобого абонента, подкmоченногD к дан ;
ному БL\К, в mобом временном цикле кольце. ;
,обменивание командной информацией;_ не скmьких БUК, соедине}!
ных в копьuо.
Перечисленный состав моду.пей является базовым для БUК . При
не обхDдимости он може1· бьаь расширен . Легкость расширения uпре
де.пяется ПDС'!'роен;~ем БL!К по структуре "общая шина" и вссможно
стью программного управт,ения модулями о т микро-ЭВJI!\.
Абонентский терминал (рис. 8) . Абонентский терминал (АТ) яв
ляется оконечным устройс'!'ВОМ сv.стемы связи и предназначен для
непосредственной свsе:зн с абDнентом системы· - v.с1·очником _ iyi:и__ по
лучателем -речевой и командной информац~;:
28
В связи с баnьщим разнообразием источников и. ·пмучате,rrей
информации можно щ,1делить гри основных ,·ипа АТ:
1) АТ для связи ·с человеком-опера'Горmvri
2 У АТ для связи с радиосредств DW;
3) • АТ для связи с аппаратур ой передачи данных. •
В табrr. 1 приведены основные харак,-еристики. rpex типов АТ.
ТабпицЕl 1
Харак,:ерИС'ГИКИ
Тип АТ
1
1
2
3
Канал передачи речи
есть
• есть
неr
• Ка на n передачl'i данных
нет
нет
есть -
\Канал передачи . команд .
f>С'ГЬ
есть
.есть
1
1Наличие а.куст о-эnектрических
с
преобразователей •
есrь
не1:'
нет
Объем передаваемой информации:
ке. нал передачи команд, бит
2•.;30
1., .ioo 0".J.6.
кана11 передачи ·даю1ых, бv.т
-
-
8".16
Скорость пер·едачи информации: .
~ о каналу команд, бнт/с
300
1000
100
о Ке.Налу ДЮП!ЫХ, '(бii'Г/С
-
-
ДD 10
Органы управления и ю;дr,кецщ,
есть
·Не'Г
есть
.,
В ЕТС входит набор модулей, ПDЗВL\IJЯЮщих реализове,ть все пе- i
;речисленные возможнос,·и АТ. Как v.: Бl.IK, АТ строится на основе об
щей щины и имее,· программное управ11ение от однокрист9льной. •: мик
ро-ЭВМ (аналог прибора 80СЗ5). в СDС'ГаВ модулей входя,·:
микр о-ЭВМ;
•
модуль РИ;
КDДЕ,к;
органы управления (ОУ);
органы 11ндР, КЕщ,rи ( ОИ);
интерфейс радиосредстве, (ИРС);
интерфейс АПД;
ц!сфр овой преобμазовЕ,те ль кr,д•)в;
интерфейс микротелефонной гарнитуры.
Расо1отрим : нэзначение отдельных модулей. Учитыв1,я бDJJьwoe
~азн D образие функций, реализуемых Л Т, устройств с, управления ( УУ)
АТ цЕ,ле сс,обμаэно выпаnня1ъ 1-,а микрl~эвr-,. Однако микро-ЭВМ, , ана
логичнэя 1v:икро-ЭВМ БL!К, сущес,·венно увеличит рг.змеры АТ. Кроме
того, она об11е.дае1· вычислительной МDЩностью, намногl> превышаю
щей потребности обuрудовения АТ. В то Жt! _ время вDЗJiагать ФУН!{цvи '
..2.9 .
УУ АТ на микро-ЭВJ\~ БUК нельзя, так как при баnьшом каnиче-~вl
АТ (дr, 128) потребуется применение спожньrх r,рограwм управпени>' Т
и увЕ,пичится нагруэка на канал передачи команд по абонентской ли
нии связи.
Наибаnее эффективным решением задачи является исп011Ьзование
,щнокристапьной1 микро-ЭВJ\1 (ОЭВМ) в кажд1:1v1 АТ. Это, во-первых,
разгружает 1v:икро-ЭВJ\1 БUК и снижает . загрузку канала пере да.чи
команд ; а, во-вторых, псхзвDlIЯет реапиз::>вать логику обмена коман
де.ми между АТ и БUК по принцirпу стандартиз .Dваннь1х запросов на
ус:.пуги и ответов о !? r,зм ожн ости ·· ,1ред остааnения запрошенной успуги,
1что приводит к унификации алгоритмов· управ.пения и сокрашнет затра-
1 ты на разработку и отладку программного обеспечения. Исп011Ьзование
ОЭВМ в составе АТ поовмяет также избежать разпичий при передаl
че команд и дюrnьrх, рассматривt~я к омандьr, как данные специальног D
вv:да, адресованные процессору, а не аппаратуре переде.чи данных.
для riеред;,чи речевой инфор11ацни по свЕтовс,дной пинии в ци:ф..
ровой форме в АТ находится дельта- ипи ИКМ-кощ,к. В завvсимости
от типа и назначения АТ исr;апьзуется · линейная ИКМ с чиспом разря
дов (вкmочая знак) от 10 до 14 и периоцом дискретизации от 16
до 128 мкс. для обЕ,спечения требуем .ого быстродействия кодера ис
П011Ьзован метод порвзрядного уравновеn:ивения; а для папучения точ.;,;
НОС'I'И преобразования, соответстsующей 14-разрядйому кодирове.нию ,!
кодер имеет цепи ав1·оматической ба[!АНС~Iровки. для ссс Г!О С ПD/10- .
сой передв.ваемьrх частот 300. 3400 Гц . испапьзуется дш1ьта-кодек.
Модуль РИ АТ нескапько отпичается ·от модуля РИ БUК за СЧ(JТ
того, что при стыковке· с общЕ,й шиной _ АТ надо иметь речевые сиг
налы TCJIЬKO от одного абонента, Как и .в БLtK, модуль РИ может
содержать БИС допмнительной ци.фровой обре.боткr.: речи: фипьтрацvи,1
к сррекции искажения и т.д. В ОСЕ овном функr;ни РИ АТ анап огичны
фуькциям РИ БUК и они могу'!' бы'!!·ь · реализованы на одном тиг:е БИС
или СБИС.
Органы управления и индwкации (ОУ) и (ОИ) предназначены дщ1
осущЕствпения взвимодействия ОЭВМ АТ и человека-опера.тора. К ор
ганам управпения относятся: кнопки, перекточатепи, • тумблеры, тан- •
гента нагрудного перекпючатепя микротепефонной гарнитуры и т.д~
К органа1v.- иF.дикации огнс>ея1·ся: светодv, одные и СЕ·мисЕ·гментные . ин
дикатс,ры, линейные шкы1ы, зне.кисинтезирующ~~е индикаторы, дисплеи '
на ЭЛТ, ЖКИ и матричных га.зоразряцных пе.неJiях и т.д.
,
Опросом ОУ и обновления 1шформации на ОИ занимается ОЭВМ
АТ. На основ&.нии попожения органов управления формирую~·ся запросы
для г:ередачи микро-ЭВJ\1 БLtK, Еспи запрос не требуе'!' вмешатель
ства микро-ЭВJ\~ БЩ<, ОБ будет обрабиан на месте, Аналогично ОИ
отображают ссстояние системы связи и/wли АТ; ПJ:)И этом ОЭВJ\1\ АТ
формирует ссстояние ОИ на основе информации, папученной от ОУ
от микро-ЭВN\ БUК,
30
Итерфейс радиосредств~ (ИРС) и интерфейс АПД (ИАПд) пред
ставляют собой устройства, связывающие ОЭВМ АТ с радиостанци
ей, приемником, аппаратурой передачи данных и т.д. Основное назна
чение ИРС и ИАПД _
- : согласование уровней сигнэ.лов как цифровых,
так и аналоговых , и, при необходимости, обеспечение гальванической
развязки цепей.
В настоящее время устройства сопряжения радиосредств .- или
АПД с ССС ПИ требуют применения специальных переходных блоков .
Это ухудшает масс о-габаритные _ и другие эксппуатационные характе
ристики ССС ПИ, увеличивает их стоимость. Выход может быть толь
ко один - необходиморазрабатывать радиосредства, имеющие оптиче
ский стык и · использующие ·системо- и схемотехнические решения ком
плекса БТС.
В . том спучае, если необх_оцимо передать речь в цифровом виде
_ по радио;ракту с; ограниченной полосой пропускания, необходимо пре
образование ИКМ в низкоскьростну~о дельта-модуляцию (fт =9,6 кГц)
и обратно. Эту функцию выполняет, используя чисто цифровые методы,
специализированлая БИС. Для еще большего сокращения пол~ы час- ·
тот, требуемой для передачи дельта-модулированного сигнала, сле
дует использовать методы многопозиционной относительной фазовой
телеграфии (ОФТ). При четьiрехпозиционной ОФТ требуемая полоса
частот составит 4,8 кГц, при восьмипозиционной - 3,2 кГц . Как - и
в слу:чае с ИРС, ОФТ - ' м 0/::t~M · должен -входить в состав радиосред
ства.
• В том спучае, когда· истОЧН}!КОМ (попучателем) речевого сооб
щения является _ человек-оператор, необходимо подключение к АТ
микротел:ефонной гарни-туры того или иного типа.
В спучае применения традиционной электроакустической гарни
туры интерфейс микротелефонной гарнитуры содержит телефонный и
микрофонный (ларингофонный) усилители, обеспечизающие требуемое
усиление аналогового речевого сигнала.
В настоящее время перспективными являются оптоакустические
преобразователи, осуществляющие прямое преобразование акустическо
го сигнала в оптический (оптический микрофон и ларингофон) и обрат
но (оптический телефон). Интерфейс микротелефонной гарнитуры содер
жит в этом случае соответствующие приемные и передающие КЭМ и
усилители.
_
_
_
Перечисленные модули входят в состав того или иного АТ , реа
лизуя требуемые функциональные возможности. В зависимости от
предъявляемых к ССС ПО тактика-технических требований выбирает
ся та или иная конфигурация сети связи.
Иерерхическая сеть мо_жет рассматриваться как обобщенная
структура гибкого КСС ПО, так как предполагает объединение в еди
ное целое сетей различной (звездообразной и кольцевой) конфигура
ции . При этом логика управления иерархической системой обеспечи
вает замыкание информац"'!онных потоков на наиболее низком из воз
можньrх уровней иерархии, освобожцая верхние уровни для передачи
31
либо более скоростных,·- либо более важных сообщений. Иерархическая
сеть характеризуется, как правило, тем, что широкополосность линий
связи увеличивается с _ увеличением уровня иерархии.
Комплекс ЕТС предназначен для построения простых звезд ооб-, .
разных сетей связи с числом абонен·гов в звезде ,З2"J.28~- i-i -~истем
ных иерархических систем типа "звезде.Lзвезда" (рис. 1~- З), "коль
цо - кольцо' (рис. 2}, "звезда-1шльцо-звезда" (рис. 4) и т.д. для
этого в _ составе БUК iее;ь: соответствующие моду~ (f;'И, КИ, КК).
Построение чисто копьцевой структурь!_ возможно, но l'!ецелесообраз
но иэ-за значительных .габаритов . АТ, реализующих эту структуру.
В качестве примера на рис. 5, 6 представлены некоторые конфигу
рации сетей, используемых в ССС ПИ.
ВЫВОДЫ:
1. Комплекс ЕТС позволяет на -- основ0 обыч_ных технических ре
шений создать унифицированный набор аппаратных модулей,- реализую
щих ГКСС ПО различной конфигурации~- с раэличшrми •техническими
характеристиками mобого назначения.
2. Стандартизировать_ протоколь1 сбмена между . отдельньrми бю
ками . системы на основе использования единого _ вiща. цифрового пре
образования речи;- стандартного линейного кода (ОБС или "Манчес
тер-2 "), единых форматов передачи командной информации и данных.··
гибкого программного управления модулями от встроенных ! микро
ЭВМ.
З. Уменьшить габариты .и массу изделий ГКСС ПО,- увеличить
их надежность за счет применения БИС (более 20000 вентилей • на
крист,апле). Широкое . применение БИС стало возможным после отка
за от использования аналоговых методов обработки сигнала (кроме
окDнечных устройств),-- тщательной• проработки состава БИС и выпол
няемых - ими функций, что привело к минимизации числа внешних вы
водов.
4. Сократит-.., время и трудоемкость разработки - и изготов.ления
новых образцов ГКСС ПО за счет проектирования- на _ уровне модулей
с отработанной _ схемотехникой.
5. Сократить номенклатуру унифицированных модулей, выполнен
НЬ!Х . в разных конструктивах в зависимости от назначения аппаратуры.
6. Сократить трудоемкость и время разработки и отладки прог
раммного обеспечения микропроцессорных средств ГКСС ПО.
7. Обеспечить возможность - разработки единого испытательного
·обgрудl!>вания : ГКСС ПО за счет унификации сигналов;- форматов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Довченко Н.К,, Ламекин В.Ф. Проблемы создания световод
ной аппаратурь1 внутриобъектовой связи. - Техника сре.дств связи.
Сер. ВОС~- 1982;- вып, l.
2. Ла..м-.екин В.Ф. Осноооые принципы микросхемотехники комп
лексов средств связи подвижных объектов. - Техника средств связи.
32
.Сер. Вое, 1982, вып. 1.
3. ЛамекШI В.Ф. Сопоставление цифровых воес со звездообраз
ной и кольцевой структурой для внутриобъектовой связи. - Техника
средств связи. Сер. Вое, 1983• вып. 1.
Статья поступила в шале 1984 года
33
..ж~
.~·..
"' ••
'•
•
'АТ
Рис. I. • Звезд~ь-звеэРАая Q1if1)yft'тipa ссе по ..
-
--- -
клс·- .
-__
,_; {,;·~,~~-
;,·:
34
БЦК
//. .
ло
..
---
.
---
-
-
К,1С
Рис.2. Звездно-кольцевая структура CUC ПО~ ·
_
I
•
•
Рис.З. Древовидная структура СОС ПО.
Рис.4. Звездно-колъцевая-звездва.я структура ССС ПО.
35
\,,.)
~
~
~
~
c"ic
о
~
~
6
К/1.С
KIIC
клс )
Рис.5.
.
. Звездно-к ольцевая
структура ССС ПО с центр~зованным
управлением.
36
Л ОХАА ЬНОЕ' kOl't6Ц О
)
AOkAA6HOE кольцо
~
::::r
~
~~
6
Ч)
'\;)
~
~
)
~с AtJl<AtfьHOE k~Л6ЦО
~
6Ц'k
ь-цк
6
Рис . 6. Многокольцевая структура ССС ПО .
37
С.:>
о:,
f>н
хам
/ _м~кр~-эв~J
вип
• />#
/-(1(
f(i),A'f
l'r911
Рис.7 .Структурная схема БЦК ССС ПО.
/,(J,f
J(И
кн
l(дМ
хэм
КЭ/11
ИАI/А.
11!
{)И·
l(nli '--,-- -, -- --'
O!I
АТ
Рис.8.
А!1С
Структурная схема аСDаентского терминала ССС ПО.
39
УдК 621.391.23.01
В.А. Бирюков
КОМПЛЕКСНОЕ ВНЕДРЕНИЕ СВЕТОВОДНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
И ПЕРЕдАЧИ ИНФОРМАТТИИ В НАРОДНОF ХОЗЯЙСТВО
данная статья дает оценку современного состояния развития
световодной техники и указывает основные пути и направления в
создании эффективных СССПИ. Основное_ внимание уделено вопросам
комплексирования и унификации СССПИ, применению интегральной
оптики и воnоконно-оптических датчиков в светов_?дных системах.
Непрерывное увеличение объема информации, усложнение струк
туры народного хозяйства при одновременном относительном сокра
щении трудовых и сырьевых ресурсов выдв1~нуnо еще более жесткие
требования к сист~,мам управления и связи, особенно в час:~-и:
повыщения информациоН!:{ОЙ емкости и быстродействия;
надежности и гибк ~-т.i1;·:
оптимального сочетания централизации и автономности.
Одним из основных направлений повышения быстродействия и
информаци:онной емкости АСУ и систем связи является освоение оп
тического диапазона электромагнитных волн в широком спектре от
·дальней· инфракраснойi области до ультрафиолетовой части спектра.
В' настоящее время широко используются в системах связи и
управления ближняя ИК область и видимый диапазон оптического из
лучения. Останов.имея на использовании оптического диапазона в
проводной связи, где затраты дефицитных цветных металлов особен
но велики, а информацнонна,: емкость существующих систем близка
к насыщению.
13 качестве передающей среды в настоящее время используются
кварцевые волокна с низкими потерями (до 0,2 дБ/км), - где свет
распространяется путем многократных полных внутренних отражений
от ГрШiицы раздела сердцевины и оболочки волокна, Как и в атмос
фере для оптического излучения в кварцевых волокнах существуют
"окна прозрачностин, которые определяются дисперсионными и рефраs:
ционными характеристиками вещества. для бnижнего _ ИК__ диапазона
минимальные потери мы получаем на длинах ьоnн 0,85, 1,3 и
1,55 мкм, Учитывая преимущества световодных кабелей по сравне
ншо с обычными метаnпическими каб!?пями, свето_водные средства
широко внедряются в системы связи, управлею~я, диагностики и т.д.
Наибольший . ~кономический эффект nоnучс:.ется при прокладке
высокоскоростны;,с ( 140 Мбит/с и выше) магистральных световод
ных пиний связи, где за счет увеличения регенерационных расстоя
ний с 2-3 км дD 30-40 км и более значительно снижается стои-
40
мость канало:..километра линии. !Рекорды безрегенерационной переда
чи принадлежат /t/тт · -
134 км по одномодовому волокну на длине
волны 1,55 мкм со скоростью 445~8 J\1бит/с [ i] и Вeff$is'ton.
119 км по одномодовому волокну на 1,55 мкм со скоростью 420
Мбит/с [ 2].
Зн(iчительный выигрыш в массо-габаритнь~х характеристиках
получается и при применении СССПИ на протяженных бортовых · сис
темах связи и управления. Так, · например,- на корабельнь1х и само
летных системах уже сейчас уд·ается снизить вес кабельного хо
зяйства на 1-2 порядка. Следует иметь в виду~ - что простая замена
обычных проводных линий на световодные не всегда приносит положи
тельные результаты. В коротких разветвленных световодных систе
мах нередко преобразование оптических сигналов в электрические
и их обратное преобразование приводит к ухудшению массо-габарит
ных и энергетических характеристик объекта. В данном случае ва
жен комплексный подход к применению СССПИ на объекте~- имея в
виду следующие основные критерии:
,,;. функциональную целесообразность применения световодных
средств;
-
выбор диапазона длин волн;
-
технико:::-9кономический уровень компонентной базы и свето-
водного кабеr.я;
-
оптимальный выбор структуры построения системы;
-
нал11:1ие унифицированных оптических С'Т'ЫК~;в у сопрягаемой
аппаратуры;
-
возможность комплексирования различных с.истем связи и
управления на данном объекте.
Как видно из вышеперечисленного,особое значение в эффектив
ном применении ССС имеет разработка стандартов,- реглаwент_11рую
щих оптические стыки как по видам передаваемой информации, так
и с учетом иерархии комплексов и ситем. При этом на первом эта
пе допж.!lы быть унифицированны электрические стыки аппаратуры и
систем, в том числе · и на уровне алгоритмов взаимодействия раз
личных систем связи и управления.
К сожалению, к настоящему времени отсутствуют всеобъемлю
щие стандарты для световодной техники как на национальном уров
не, так и на международном.
Имеется ряд рекомендаций международных организаций. Так,
МЭК предлагает регламентировать диаметры световодов: 90/ 125;
100/200;- 100/250;-125/200;- 200/300;- 200/250 и 250/375
мкм.
МККТТ рекомендует стандартизовать следующие параметры
световодов [3]: ..
___
··-
_
_
затухание 10, 6, 4,5 и 3 дБ/км;
дисперсия 400, 600, 1000 МГц.км;
допуск на дш1метр сердцевины : 6%;
41
допус к на диаметр оболочки + 2,4%;
эксцентриситет с~рдцевина/оболочка • 6% .
Работы по ст&Ндартизации в . стране проводятся в соответствии
с t,:1ежотраслевой программой комплекс~ой стандартизации , Данная
программа охватывает требования к компонентам и . световодному ка,
беmо~- не затрагивая аппаратурно-системную часть работ по световод
ной технике.~ -
Однако, уже сейчас остро стоит вопрос сопряжения световодных
средств с. существующИJ,.1_ парком аппаратуры по всем видам те:,qiиiш . .
Задача осложняется тем, что решены не все вопросьi стандартизации
и унификации традиционной аппаратур:ы связи и управленiiя. •
•
Разработка типового ряда оптических интерфейсов дЛЯ основных
видов аппаратуры и систем должна стать первоочередной задачей как
заказчиков,-:- так и разработ':{иков ,' Унификация и стандартизация аппа
ра'ГНых, программных и КОНС'ГРУК'Г~НЫХ средС'ГВ дмжна бЬl'ГЬ направле
на на обеспечение информационной, .~нергетической и конструктивной
совместимости техни'iеских средств ,
. Исходя из накопленного отечественного и зарубежного опыта
разработок ,. требования на оптическцй • ~терфейс должны содержать .
следующие оптические харак:!:0ристики: ••
длина волны излучения;
величина оптической мощности__в тракте приема и передачи;
скорость._}iередачи информации;
вид к.ода;
конструкция, тип световода и его основные парамЕ!_!РЬ.1;
конструкция и оптические параметры соединителей , •коt,:1мутаторов
и т.д.
··-
Ес'Г(;!.СТВенно , что внедрение СССПИ происходит на конкре-~:!Iых
объект~ где уже установлена ранее разработанная аппаратура, по
этому здесь очень важно правильно оценить технико-зкономические
последствия доработки старого парк!Э, аппаратуры под оптические сты
ки или разработки новых типов аппаратуры с встроенными унифициро
ванными оптическими стыками . Во всяком случае в перспективных
комплексах необХС>.f!ИМО предусматривать наличие оптических сопря
гающих устройств, в том числе и в комбинированном исполнении с
электрическими ,
Немаловвжным фак:r:_ором являЕ!_!СЯ правильнь,~й выбор архитекту-
ры системы: радиальной, кольцевой, древовидной, радиально-кольце -
вой и· т.д. Радиальные и кольцевые системы~· как пр~11ло~- применяют.
ся в системах с малым числом абонентов;- что связано с ограниченным
энергетическим потенци(Э.Лом линии. В иерархических системах приме
няю~я комбинированные структуры: радиально-кольцевые и древовид
ные , что связано с резервированием каналов и большим числом або
нентов.
Максимально преимущества световодной техники могут быть ис
пользованы цри создании многофункциональных систем связи и управ-
42
пения, которые объединmот : функции упр8;8ления ·разпичными системами ;
и процессами в едином комщ~ексе.
Многофункциональные системы св~зи и передачи информашm поз- ,
вопят наиболее полно испоm,iзовать •вс~ основные преимущества свето..:
водов; · особеf!НО ШИрОКОПОЛОСНОСТЬ,- КО:!:Орая . позвqляет В ОДНОМ --~вето::,
воде обеспечить дуплексную передаЧУ) ,· iгелевизионных сигналов, речи,
видиотекста~- факсимит,ной информаци'и;tпереда~и даюn,iх и т.д.
для данных целей испоm,зуются широкоцолоснь1е градиентные свЕf
тов.оды или одномодовые волокна~ -Важнъ~м элементом многофункцио
нальных систем ЯВJISПОТСЯ · муm,тш11:iексоры . -~уm,тиnлексиров~ие МОЖ
НО производить на принципах спектрал;ьного, частотного и временного
уплотнения. Муm,типлексорь1 со -спектральным уплоцrщrием можно ра~
делить по принципу действия на · четыре . группы:
•
на ·полосовых фиm,трах. из тон~их пленок диэле'ктршса;
rры;
на принципе угловой дисперсии. на дифракционньrх решетках;
гi~бридный, -вкmочающий μифракц~о~ реше"тку и полосовые фиm,-
активные на основе линеек сепективных источников и фотодетек
торов.
Рассмотрим типовую. разветвленную многофункционаm,ную систему
(рис. 1). Основным у;злом · данной С}!:стемы является центральньn\ про
цессор;- который вьшолняет функцшо банка· данных и центрального ком
мутатора системы . - Uентральный . процессор С:_!!Язан с перирерийными
процессорами по радиально-коm,цевой схеме, причем коm,цо . может.
быть . двойным мя обхода в.озможных повреждений. Периферийные про
цессоры _;t:Правлmот низовой сетью, связан.ной непосредственно по ра
диаm,ной, _древ _овицной или -~оm,цевой схеме ~ оконечными устройства-: __
ми: _телефоном, телетайпом, вид!§!отелефе>!_!ом, факсИJ\:{ильным аппаратом,
дисплеем, периферийным банком _ данных~ принтером, графопосrроиrелем
и т . д . . ДЛЯ улучшения оперативно-тактических данныJ, сисrемы целесооб
разно испопьзов·ать на периферии оптические .процессоры или хотя бы
оптические коммутаторы. Коммутаторы оптических сих:!_!алов могут быть
разд~_лены на нескоm,ке> . классов: электромеханические , электрооптиче-
ские, ~акустооптические , термооптические и магнитооптические.
.
Электро:tзханич_:4кие имеюг огносиrеm,но малую скорость пере-
кJIЮчения 10 •. . 10 с и ограниченный срок спужбы,
Электрооп12irсfКИ~ комму!аторь1 дают высокие скорости пе'ре-
кmочения до 10
с, однако, имеют высокие управлmощие напряжения,
боm,шие вносимые потери и малую развязку между каналами. Снизить
управлmощие напряжения удается при интеграm,но-оптическом испол
нении электрооптического коммутатора ,за счет малых размеров диффу
зионных .амнов од ов. Принцип действия акустооптических коммутаторов
основан. на дифра~ции света на акустических волнах в сегнетоэлектри
ках . За счет изменвния частоты акустических колебаний ·;- меняется
угол отклонения светового луча, Характерное время уст~овлен~, по-
казателя преломления при акустооптическом эффекте 10 ... 10 с ,
43
В · 1v;агнитооптических коммутаторах поц Бl)н янием переыещ1ого
магнитного поnя меняется rюnяризаuия излучения, Несмотрs:: н а мапы ~
потери и н изкие_ управп~ие напряжения, скорость коммутаuиv. отно l
ситепьно невепике. - 10
_ 54 При термооптическом эффекте скорость
коммутации составпяет 1 U с. Выше указанные параметры коммута'
тсiров относятся к одномоцовом у режиму работы, дnя многомоцовых
вопноеоцов · скоррсти ипи· снижаются, ипи· коммутаnия вообще невоэ,;. .
можна . J.J аnьнейшие работы rio оптическим ко~..1мутаторам направ11ею, 1
в . сторону созцания многоэnементнь , х · высокоскоростных коммутационных
попей , При конструировании м:ногофУ}!кuионаnьных систем необхо~::имо
максимаnьно сочетать коммутаnию канаnов · и коммутацию пакетов
сообщений , Коммутация _ каналов как правипо реаnизуется на низшем
уровне системы, гце потокt информаnии относитепыiо ilевеnики; па
кетная коммутация применяется на межузповом уровне·.
Уже сейчас разработ,аны оптические автокомМ)'Та1-орс1 на
10000 абонентов, которые могут быть выпопнены в вице .трехмерных
решеток из п_учков вопоконных световоцов [4]. Ведется разработка
автокоммута торов, . исп мьзующих: гоiюграфичес:кие принципы сканирова.. ,
ния пучков вопоконных световоцов .
._
Реапизаци f! цанн"iх систем ицет по спедую□им основн1,1 м наnрав..-
nениям :
'
создание и комnпексное исnоnьзование воnоконно-оnтических ца .т-
чиков разnичнь : х. физических веnичин;
созцание функционаnьно закur:ченных интеграnьно-оnтических уст
ройств_, в том чисn_ е оптических процессо~;ов; •
охват оптическими срецствами и компnексирование раз11ичнс1х
типов аппаратуры и систем;
.
Особый интерес прецставnяют воnоконно-оnтические цатчики
(ВОД), которые имеют чувствитеnь:н:ость не. неско11ько поряцков выше,
' чЕ\м основанные на традиционных принципах, Принцип цействин их до
во11Ы10 прос;;т и основан на изменеюrи nоказатепя пре11ом11е1-:ин .иnи ,
дпю1ы воnокна, подвергнутох:о возцействию какого-nибо физического
фактора . Схема измерения прецставnя ет •собой· схему сравнения фазt.
вого набега 1v:ежцу этаnонной и цеформированной частью световоцногр
волокна , Сложность закщочается в то:м, что цnя .фазовых заi1еров
требуютс>' световоцные оцномодовые волокна, сохраняющие плоскость
попяризации перецавае,1v:ого излучения , Тиr:овая схема измереннs, при·
ведена на рис. 2 .
Рассмотри1vi боnее подробно основные типы ВОД и их хара'кте
ристики, По вицу модуляции светового потокэ. ВОД можно подразде-
11ить lia цатчv.ки с вне1пюй и внутре~-:ней модупя:цией; !-'а фазовые и
ампilитуцные, При внешней модуляции чувствительность световода ста
: раются снизить, а само волокно испоnьзуетс2 топько как среда цш1
перецачи иЕформации; при внутренней моцуnяuии чувствите11ьность
световоца максимально повышают к соответств:ующему вицу возцей
ствиs: • .i.;nя регистрации q;азовых изменений светового сигнаnа _испоnь-
44
зуются интерферометры Мойкепьсона, Маха-Uенцера и СаF.ь,жа.
В r.астоящее времн разработало СБ1с1ше 6() типов ВОД, к наибопее
распространенным спедует отнести датчики: акустических копебаний,
эпектрического попя, магнитного попя , те!\шератур1с1, пv.ьейных и уг
повых коорцшJаТ.
Акустические ВС!Д созцаются на осноЕе интерферометра Маха
Uендера, в опорное ппечо которого вкпючается вопокно, покрытое
мета1111ом •цпя устранения впи,.н,;Е акустических вотн, г в1·орое вопок
но покрь : вается попимером,повышающим: чувствитепьность световоца
к г кустическому цавпЕ,Нию на цва порядка [ 5] . На осно_:>6 акусти
ческих ВОД созданы гидрофоны с чувствитепьностью 1 О Па, что
на нескопько порядков пучше чувств1<тепьности традиционнь;х гицЕ§-·
фонов. Л рорг.батьшаютсz коr:струкции с чувствитеnьностью цо 10
Па.
ВОД магнитных попей работают на основе эффектов магнито
стри~ии и Фарадея, при этом наибоnьu2ая чувс1'вtтепьность
( 10 Э/м) поnучается при испопьэовании вопокон, покрытых маг
нитострикционными ма1 • ериапами. Теоретичесr,r1 прецеп детектирова;;.
ния спабых магнитных попей составпяет 1 О- Э /м,
ВОД дпя из1мерения те:v1пературы работают как на принципе_ пря.:.
1vюго детектирования теппового nопя, так и на v.спопы;овании v.нтер •
фероме:rра Фабри-Перо, вепичина зазора которого варьируется поц
возцействием Нt~грещ. ( 6] . д ос:тигн:у:тая .. точ~~сть измерений при
интерферометр.с:'iесwм мет·оде состаЕпяет 1 О 0с, при теоретичес
ком предепе 10-80с. Диапазон измеряемых температур пежи1· в •
]r,O,,
r,. 1оЗ,ос
интервнпе -
'-' '-•., ,"-
.
во;..; дпя иэмереБиs:: ;;,пектрического попя основаны на испопьэо
вании эффекта Фарадея ипи явпе.ния магнитострикции [ 7 ], ПR!f этом
МЕеташrизироваР.Еый световоц помещается внутрь сопеноида, г,о кото
рому протекеет иэмеряемый ток, ипи непосредственно через метап
пическое покрытие световода пропускается эпектрпчес:кий ток, кото'
рый Еызывает не.грев вмокна и, как спедствие, изменение фазы
светового копебания. Чувствитепьность подобных ВОД составпяет
.-8
-9
lU .. , 10 А /ы, Дапьней1пее соверше~;ствование BO.i .i будет ид-
ти по пути создания вопоконных световодов, сохраняющих ппоскость
попяризации изnу'!ения, разработки одночастотны.х. пазеров, изпучаю
щих одну процопы,:ую мору, создании монопитных интеграпьно-опти-
ческих интерферометров.
Другим важны м направпеы: ем в создании эффектнвных СССПИ
явnяРтся внедрение шr теграпьЕо-оптических устройств.
Соэдание интеграпьной оr::тики перешпо от стадии раэраб о·гки
отдепжых эпементов к созданию фун.1щио1-:Е.пьно эшюнченных уст
ройств, потенциапьные преимущества которых закqючаются в спедую
щем:
мапые веса, габариты и энергопотребпе~;ие;
45
высоксся скорость обработки и инфоt,м аuионн11я еJ1rскость ус тройств ;
Г.ОIU!8Я эпектромагнитная ра.звязка ·н.а входе и выходе устройств ;
высокая устойчi:вость к внЕ?шним вЬзрействиям и мапый уровень
изпученrя в окружающее простре.нство;
потенциапьно низкая стоимость.
К основным трудностям можно отнести вопросы согпасования оп
тических вопокок с iюпосковыми волновсдамR ИО-ехем; .с-оздани:е эффек-
rивных о~тических коммутаторов с бопьшими скоростями коммутации
-7
.
2
10 и более сек} и бопьшим чис1юм коммутируемых канапов ( l(J
и выше).
I Фактическое совr ,адениЕ> технопогии изготовпения .обычных эпект
~онных схем и интеrрапьно-оптических позволяет без существенно ro .
увепичения затрат использовать имеющее.ся оборудование дпя даннь х
работ. Лри высокой степени интеграuии оптических устройств требуется
применение рентгенолитографии. Дапьнейшее совершенствованv.:е отдель
,ых элементов и в це110!'1 МО-е./[ем и устройств ведется как по пинFи
фтработки технопогии, так и создаР..ии оптимальной топологии оптических
фхем,
Последний момент связэ.н .с тем, что оnисв.нr· е расnрЕцеления элек
тромагнитного поля в ИО устройствах часто не укладывается в рамки
классr:чес:кой теории, т.к. 1-:ачш1 ает скt ,зь : ваться КЕантовая прирора све
та. Наибо11ее эффективными путями решения данной задачи яв11яются
~азрабо1·ка и примененv.:е специ-али:эировг.юrь . х C.l1 Пf-' и автом~тизировы,
!fЬJХ измерите11Ы!ЫХ комп11ексов, сопрягаемых с микрооптикои.
•
'
Создание и внедрение световодных систем связи и r:epei:i.aч,: Иli'
формаuии явпяется ве.жн~йu:ей не.роднохозяйстЕепной задачеi;;. Усnеш-
на·я реа11изация этой проб11емы возможна 11ишь при комп11ексном под
ходе, который заключается во всесторонвf,м. и своевременно"'·' реLt, ипш
_Jфсех имеющихся вопросов. Лервым этапом в этой работе яв11яется соз
дание взаимоувязаннь : х отраспевых це11евых комн11екснь:х щ:огрю,м ка
цериод 5 . ..10
пет.
•
Программы допжны быть построены на с1шозном принципе пла-
нировс1ния: НИР - ОКР
-
серия.
Основными задачами дан. ных прогрю,м должны явкться:
максш,шnьный охват световодными cper.cтEarv:,; вvдов техникЕ v:
аrmаратуры;
скорейшее внедрен1<е и комппексное применение СССПИ на конк
ретных объектах;
ростюкшпrе наиnучL:шл т<:'ХНi<ка-экономических показате11ей СССПИ.
Типовая структура дан.ной программы допжна содержать спедую-
Jие разде11ы:
1
·Еводный (идеоnоrия и техн,жс,"""кономическое обоснован,;е приме-
•..нения СССПИ);
46
системно-аппаре.турнь: й;
стандартиза.uия компонентов, • аппаратуры и систем;..
элементная база обп;егri Г!:'-П~1енения;
эnементная баэа ':{астного применения;
контроnьно -измеритЕ!nьная _ аппаратура ;
специапьное технопогическое оборудование и базовая технопогия;
интеграпьная оптика ;
программа перевооружения и капитапьного строитеnьства;
подготовка и переподготовка кадров .
Исходя из достигнутого технического уровня и тенденций в об- ,
пасти развития СССПИ, основными направnениями в создании свето
водных средств на бпижайший период спедует считать :
серийное освоение компонентов и световодного кабепя на диапа
зон 1 , 5 5 мкм, а также освоение диапазона дпин вопн 2 .. .1 О мкм ;
создание многофункционапьных стационарных и бортовых СССПИ
: с широким применением ИО устройств и вопоконно-оптических датчи
ков ;
создание транс-океанских и транс-континентапьных магистрапь
, ных световодных пиний , сетей связи и передачи информации .
1 . Eeecir-oпL·cs, 1i~1~PJJl;}o. 69,р - 1/1-f/%
2 . 1 ..a::1er Focu.~, 1183, 11.1 .9, 1Vo. g. р 6
з . Efeetr-011-t-C:f, gg;, У. 55, llo. .to~ р. 7g
4. Revue lechп1"r1,ue Тom.JOIZ - f!Sf:", l.9J'.t:, У. -11/. Alo.3y р 761-1&!
5.IEEE lia1ua.eltO/U ол f!TT, 1g,;,2,зo,;Vo, I/Jp 'П1-5i-1
~- Ef'ee&-on1.e<;Lettrl':s. l.f.t.tJ t~J/o. l!?, р d'fl/- 6'I~
·IEEE lransaciш11s оп nтт •1?cf,t зо лlо. 10
7
/
)
'
_)
р tьtJ~- 16'11.
Статья поступипа в мае 1984 года
47
Рис~ I. Типовая -схема разветвленной многофункцио
н~ьной световодной системы связи и передачи
информации: I - центр~ьный процессор;
• 2 - •периферийные процессоры; 3 - периферийный
банк данных; 4 - видеотелефон; 5
-
факсимильный
аппарат; . б - дисплей; 7
-
принтер; 8 - графо
построитель .
48
..,.
ф
1.
/О
е
2
8
ч
6
•
1"4
7
5
...
1•4
't
3
9 Рис.2. Схема интеррерометрических измерений с использованием
· воло конноiо птическ ого
датчика: I - одночас~rотннй лазер; 2 -
пла.стина-"h; 3 - ПОJIУ11РОзрачное зеркало; 4 - кнкрооб-ьеК'!'ив;
5 - опорное волокно; 6 - измеряемое волокно; 7 - ЦИJIИндр из
материала, чувствительного к внешнему воздействию; 8 - двуху
чепре~омляющий элемент; 9 - фотодетекторы; !О
-
измеритель-
ный прибор.
.
.
УДК 681.3 .02
Инж. И.А. Романов,' канд. rехн. наук
В.Ф. Ламекин, инж. П.М. Ма11ышев·
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЛИНЕЙНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
с помоп.;ью АНОМАЛЬНЫХ UЕПЕЙ
(ЧАСТЬ 1. СВОЙСТВА АНОМАЛЬНЫХ UЕПЕЙ)
Из11агается системный подход к теории моде11ирования 11инейных
радиоэ11ектронных схем с применением анома11ьных цепей. Даны кон
кретные схемные преобразования раз11ичных комбинаций ну1111аторов
и нораторов. Рассмотрены принципы модеmrрования управ11яемых ис
точников, · транзисторов и операционных уси11ите11ей.
Испо11ьзование обобщенных моде11ей раз11ичных схем радиатехни
ческих уз11ов и устройств - макромоде11ей позво11яет существенно сок
ратить затраты машинного времени и эффективно опись:вать работу
11инейных схем (ЛИС).
Существую.т разnичные типы макромоде11ей, например: в вице
перецаточной функции, факторная макромоц:еnь, синтезируемая мето- :
цом пnанирования эксперимента на этапе схемотехнического проекти
рования, э11ектрические макромоцеnи и т.п. К пос11едиим относятся
макромоцеnи,. прецстаЕ11енные в виде многопо11юсников, характеризую,,.
щихся зависимостями напряжений и токов на выходных зажимах от
входных возцейс:твий.
Пос11едние цваццать пет цпя экспресс-анаnиза на ЭВ/v', nинейнь;х
активных рациотехнических цепей все чаще испо11ьзуют макромоце1IВ:,i
рование ЛИС с помощью схем замещения э11ементов и узnов РЭА,
в основу которых по11ожены искусс:твею,ые эnементы: анома11ьные
двухпо11юсниии (АЛ) - ну1111аторы и нораторы; аномаnьный четырехпопiюс
ник - нynnop, Совокуrшости нуn11аторов, нораторов иnи ну1111оров в
соединении между собой и с др·угими двухпоnюсными э11ементами
представ11яют к11асс аномаnьных цепей (AU ). Применение эквива11ент'
ных схем с испо11ьэованием AU в процессе автоматизированного ана
nиза сriожных радиотехнических устройств позвоnяет снизить порядок
реп:аемых зацач, а с11едовате11ьно, уве11ичить быстродействие машин-'
ного счета и уменьщить объем памяти ЭBNi. Аномаnьные цепи в
раз11ичных схемных сочетаниях с пассивными элементами могут пере
давать г11авные свойства ана11огов1с. 1х активных э11ементов и устройств,
значнте11.ьно снижая размерность задач ана11иза пос11ецних. Так как
анома11ьные цепи физичес1.и не реа11изуемы, то Еевозможно и говори1·ь
об их самостояте11ьном конкретном применении. Однако, как э11ементы
эквиваnентных схем, они позво11яют модеnировать транзисторы, управ
nяемые источники (УИ) (напр.s;жение-напряжение, напряжение - ток,
ток-ток, ток-напряжениеJ!__ !l_~тивные фи11ь_'!'_ры, _гираторные схемы,
50
а также фрагменты схем усипитепьных устройств, в частности, опера t
ционных усипитепей, цифференциап~.ных усипитепей, vдвоекv, vтроекv :
и т,д . Их синтез основан на ну11110ре заземпенном четь:рехпошос.нике, '
обпадающим одновременно свойствами норатора и нулnатора. Примене
ние макромодепей на основе нуппоров дает также синтезированное пред
ставление об интеграпьной эпектронике , позволяет легко производить
анализ разрабатываемых и стандартных пинейных схем.
К сожапению, в существующей питературе отсутствует системный
анапиз свойств аномапьных цепей в различных схемных комбинация.,'( ,
Настоящая работа ,посвящена систематизации свойств AU, изпа_гает ос
новы теории применения нуппаторов, нораторов и испопьзует материа
lnы уже известных иссnедований, опубпикованных в [ 1-21].
Аномапьные цвухпоnюсники и их свойства·,
•1
Свойства ну1111атора и нора тора , поnностью nпредепяются воnьтам
перными характеристиками этих эпементов. Э1·а связь принята весьма
:воеобразной и необычной, ее не может иметь ни один физический объ- .
гкт.
Нуппатор- это пассивный взаИW-ный пвvхпоnюсник, оцновременно
характеризующийся тожцествами U =О и L = О , Это означает, что •
на зажимах этого двухпопюсн~::ка не может существовать никакого
напряжения и в то же время "!ерез него не может протекать ток
(рис . 1,а ).
Вопьт-амперная характеристика нуппатора на ппоскости И -L
рудет изображаться точкой в нача1,1е координат (рис. 1,6 ) • .
Норатор - это активный невзаимный цвухпопюсник 1 у которого
протекающий через него ток и напряжение, появпяющееся на его за
жимах, явпяются произвопьными ·и независимыми вепичинами (рис . 1 , в) .
Вопьт-амперная характеристика нора тора на пnоскости И- L .будет
rредставпяться произвопьной точкой с пюбой комбинацией проекций на
реи координат, т,е . на!!ряжения и тока (рис. 1,г) ,
Особенность аномапьных двухп6пюсников можно показать анапи- •
'Гически с помощью матрицы Q. , опредепяемой в общем спучае дпя
многопопюсника с n. парами ПС111ЮСОВ из спедующег O уравнения :
[~] == аа
/.,
,
где И, L - n- мерные векторы _ напряжений и токов 11,1Ногопо11юс-
ника;
а - вектор комппексных множитепей.
В спучае двухпопюсника (/1, =1) мерность векторного подпрос1-"
lfанства Jl может принимать значения О, 1 , 2 .
;
Дпя нормапьного двухпопюсника, харктеризуемого сопро ·, ,шпением
с ипи проводимостью У , справедnивы уравнения:
~r]=l;]L, [~l ~[:}и
51
а мерность Л =1,
В отпичие от нормапьных аномапьные двухпопюсники характери
зуются матрицами:
(}о:: [Lf]
дnя нуnnатора и
цпя норатора.
Сnе1J.оватепьно, дnя нуnпатора мерность Л =О, а цпя норатора
-л.=2.
Не существует реапьного устройства, характеристики которого
в какой-то мере прибnижапись бы к сформупированным свойствам
кажцогu из АД • Поэтому нуппатор и нора тор невозможно попучить
ицеапизацией физического- прообраза, как это депается при ввецении
обычных эnеw.ентов цепи.
Дпя изучения специфики повецения АД рассмотрим эквивапент
ные преобразовы:ия разпичных схем вкnючений нуnnаторов и нораторов
между собой (рис, 3) и с комппексным сопротивпением (рис, 2 ).
Рис , 2 нагnядно иппюстрирует первое правиnо gпя цепей, cogepжa
.!!lli2f..1llipмaльныe g1;1ухпо11юсники: параnпепьное пибо поспеgоватепьное
поgкпючение нагрузки к норатору ипи Щ!]'.f...ЗТору характер повецения
. поспеgних
не меняют. Рис, З,д, е отражают второе правипо: пос
пеgовате11ьно (рис. 3 1 д) и параппепьнrэ (рис, 3,е) соединенные нуп
патор с норатором соответственно эквивапентны разомкнутой и корот
козамкнутой цепям.
В поспедоватепьном соецинении нуппатDра и норатора (рис, 3,ц)
напрпжение ветви, равное сумме напряжений на нуппаторе ( И i =О)
и нора торе ( U2 - пюбое), будет произвопьным, Ток ветви опрецепя
ется током нуппатора, соответствующим разрыву, и равен нупю, так
что L =О; l1 - произвопьно;
Как видим, рассматриваемая ветвь эквивапентна разрыву,
В щэ.раnпепьном соединении нуппатора 11 норатора (рис. З,е)
ток ветви, равный сумме токов нуппатора ( Li '""0) и норатора ( L-2
пюбой ), будет иметь прnизвопьное значение. Напряжение ветви .опре
депяется напряжением нуппатора, соответствующего короткому замы
канию, и буцет равно нупю:
Ц =О;
L - произвопьно,
Рассматf.!иваемая ветвь эквивапентна короткому замыканию.
Очевидно, посшщоватепьно соединенные АД можно вкпючать
между двумя точками цепи, а ш,раллельно соединенные All - в рас-
52
сечку пюбого соедllliитепьного проводника без изменения свойств це....
пей. Анапиз рис. З, а, б, в, г позвопяет сформупировать третье пра 1
випо: пара ну1111аторов в разпичном схемном соецинении (рис, 3 8 а, в),
явпяется ну1111атором1 пара нораторов - нораторов (рис. 3 1б 1 г), Оче
видно, аномапьные двухпопюсники, взятые отдепьно, не явпяются от~
ражением физически реапизуемых двухпопюсников . Из этого свойства
вытекает, что аномапьные двухпопюсники не могут физически сущест,
вовать, кроме как в парном соед\lliении. С11едовате11ьно, в процессе
модепирования реапизуемая схема допжна содержа'ГЬ равные копиче
ства ну1111аторов и нораторов. Данные правипа испопьзуются при схем
ных преобразованиях избыточных комбинаций аномаnьных цепей, интер
притирующих аномапьные четырехпопюсники, называемые ну1111орами
ипи при макромодепировании радиоэпектронных схем анапоговых тра~
тов радиотехническе5й аппаратуры.
Нечетное копичество нуnnаторов иnи нораторов, составnяющих
многопоnюсник с однотипными АД может быть представnено четным
коnичеством, испоnьзуя сnедующие преобразования . В схемном соеди
нении трех нораторов (нуnnаторов) один из АД может быть заменен
разомкнутой (короткозамкнутой) цепью, в резуnьтате чего, например,
соединение нораторов по схеме типа "треугоnьник" тождественно экви
ваnентно может быть заменено другими схемными конфигурациями ,
а также соединением типа "звезда" (рис. 4 ). В П-образных соеди,.;
нениях, содержащих два однотипных АД в поперечных ветвях и АД
другого· типа в продоnьной ветви, посnедний может быть заменен
короткозамкнутой цепью. Даnее, испоnьзуя эквиваnентное преобразо -,,
ванне в соответствии с третьим правиnом дnя параnnеnьно соединен
ных АД, поnучим схемы замещения дnя П...;образных цепей . АД. изо
браженные на рис. 5 ,а,б. В Т-образных соединениях , сод е рж9ЩИХ- два
однотипных АД в продоnьных ветвях и АД другого типа в поперечной
ветви, поспедний может быть искnючен. Д anee, испоnьзуя эквиваnент
ные преобразования в соответствии с третьим правипом дпя поспедова
тепьно соединенных АД, попучим схемы замещения Т-образных цепей
АД, изображенные на рис. 5,в,г.
Г-образные парны е СJед\lliения АД разных типов (рис . 6 ), свой
ства которых будут подробно рассмотрены дапее, образуют идеапьные
усипитепи напряжения и тока с единичными коэффициентами передачи.
Таким образом, рассмотренные свойства аномапьных двухпопюс
ников в разпичных схемных связях показывают принципиапьную воз
можность щирокого испопьзования АД дпя анапиза пинейных актив
ных схем. Кроме того, можно сдепать основной и самый важный вы
вод, что ну1111атор и норатор, модепируя пинейные активные эпемен
ты радиотехнических устройств, могут присутствовать в эквивапент
ных схемах топько попарно соединенными. При этом они описывают
свойства, присущ ие идеапьвым управпяемым источникам (УИ). Свой
ства нуппаторно-нораторных схем замещения УИ опредепяют аномапь
ные четырехпопюсники, попучивщие название - нуппоры ,.
53
Hynnop - это четырехпоnюсник, обпащlющий одновременнD свDй-i
сrвами норатора и .нуппатора. Дпя него U. t .=- О и {:,f = О, а •LL2, и •
L2 не опредепены (рис. 7 ).
В отnmше от отдеnьно взятого нуппатора" и нора тора нynnDp
может быть представnен как предеnьный спуqай некотDрого 'обычно
го* четырехпоnюсника, описываемого коэффициентами А, В, С и д
А-матр11IIЬ1, еспи при каком-.пибD изменении параметров
-CL'm А~ tim В== tim 'C = ttmJJ~o:
/
Это
что уравнение
и, таким образом, нуппор имеет матрицу
Q= [!fj
Иммитансные матрицы l , У , а также воnновая матрица S
у нynnopa не существуют"
В зависимости от соединения нуnпора с общей шиной анапизи,-;
руем ,ой схемы возможны КDнфигурации 8НDМ811ЬНЬIХ четыреХПD/IЮСНИКDВ
(АЧ). , изоораженные на рис. 8.
•
Управпяемым ИСТD'!НИком называют активный четырехпопюсник
со сnедующими свойствами: 1) выходная вепиqина пропDрционапьна
входной; 2) входная веnИ'!ина не зависит от выходной вепиqины, так
что нет перецачи сигнапа от выхода к вхоцу. Спедоватепьно, УИ
осуществnяют передачу э:нергии тоnько в одном направnении - от
вхоца к выхоцу. · Поэтому управnяемые ИСТD'!НИКИ называют одно -
напр/3,вnенными эnементами.
5'4 .
В зависимости от функционапьного назначения. при модепирован1и
, разпичают четыре типа Уli/равпяемых источников схемы, симвопичес
_ кие обозначения которых приведены на рис . 9:
w.::точник напряжения, управпяемый напряжением ( ИНУН ), -
р1;1с. 9,а;
•
источник - напряжения, управпяемый током (ИНУТ), - рис. 9 ,б;
источник тока, упраВ1Iяемый напряжением (ИТУН ), -рис. 9,в;
источник тока, управпяемый током (ИТУТ), - рис , 9,г.
Дпя нуппорного изображения управпяемых источников воспопь-
зуемся спедующим расс:;уждение4,
'
•,
•
Как известно, входные и выходнъ1е вепичины lL1 , L 1 и Uz, Lz
четырехпопюсника связаны. между собой в матричной форме через пара-
м[r/[~ '[;J [i:f:T~'r~:!, [tJ'rнJ [t:J'
!~J [l] [ ~:J, [iJ [А] [iJ
в общем Dиде матр~щы [GJ [н],[V],[l]J [дJ
можно представить
как[ 011
oz.;
(]12_ 1J
rzz.J
(1)
обратная связь _четырех;;.
где O11 - входная проводимость; О 12
попюсника; ?{ 21 - коэффипиент пер~дачи входного воздействия на
выход;
О 22 - выходная проводимость.
Анапитически конфигурации цепей, составпяющих основу управпяе
мых зависимых источников, разпичаются в зависимости от того , какfе
эпементы мaтpиц[GJ,[IO,[YJ,ClJ, [А]
равны нупю. Спедова-
теп[;j=[f gJ; [А]= [ 1~G 21
-
матричная форма представ
пения источника напряжения, упревпяемого напряжением (рис . 9 , а) ; .
, [z] =[g g] i [АJ~[1/t iJ
-
матричная форма представпения
источника }!апряжения, управпяемого током (рис, 9,б );
-55
[н] =[igJ; [д}= [g_oYнl
-
матричная форма представпе
ния источника тока, управпяемого током (рис. 9,в);
[оо]· - [о 1/у]
[YJ:= уо ,LAJ= о о
-
матричная форма представпе ...
ния источника тока, управпяемого напряжением (рис. 9,г).
Дпя ИНУН (идеапьный усипитепь напряжения) Gzt
характери-
зует уqипение входного напряжения l.i .1 до уровня выходного Uг
Ток Lг попностью опрецепяется нагрузкой, присоединенной к за"' -
жимам 2-2• (рис. 9,а ). Входное сопротивпение стремится к беско•~
нечности ( G-11 =О), а выходная проводимость стремится к нуmо
( G 22 =О). Dпя ИНУТ входное и выхоцное сопротивпения равны нупю
(l.11 =lzz=O ). Дпя ИТУТ (ицеапьного усипитепя тока) входное со
про-.ивпение равно нупю, а выходное - бесконечно вепико. Дпя ИТУН
входная и выходная проводимости равны нупю ( У.1 = У22. =0 ).
Все четыре УИ и их схемы (рис. 9,а,б,Р. и г i явпяются попар-•
но взаимно цуапьными: ИНУТ и ИТУН; ИНУН и ИТУТ, в чем нетруц
но убедиться, рассматривая урс;внения ( 1 ), а также рис. 9,а,б,в,г.
В приведенных матрШ!ах параметров эпементы dZf имеют конечную
ве11И'!ину, а эпементы 012 =О. С11едовате11ьно, параметры эпементов
не удовпетворяют усповиям обратимости и управпяемые источники яв
пяются необратимыми четырехпопюсными эпементами.
'
Основными из четырех эпементов можно считать первые цва
дуапьных эпемента: ИНУТ и ИТУН. Остапьные два эпемента можно
попучить каскадным соецинением первых цвух эпементов. Еспи к вы
ходу ИТУН подкпючить ИНУТ, то резупьтирующая_ цепь буцет пред
ставпять идеапьный уси11ите11ь напряжения с коэффШiиентом усипения
Ки = Y·l . (рис. 10,а). Еспи к выходу ИНУТ поцкпючить ИТУН, то
резупьтирующая цепь будет представпять идеапьный уси11ите11ь тока
с коэффициентом усипения 1< i =: l· У {рис. 10,б ).
Ну1111орные модепи идеапьных усипитепей с ециничными коэффи
циентами передачи будут иметь виц, прецставпенный на рис. 6.
В четырехпопюсной Г-образной схеме {рис. 6,а) с продопьной ветвью
из ну1111атора и поперечной ветвью из норатора входной ток, опреце-'
пяемый ну1111атором, равен нупю; выходное напряжение {на норато-
ре ), произвопьное по значению, очевидно, равно входному напряже
нию, так как падение напряжения на нупаторе равно нупю. Выход
ной ток, замыкающийся через норатор, может иметь пюбое значение
в зависимости от сопротивпения нагрузки, присоециненной к выходу.
С11ецовате11ьно, уравнения рассматриваемой схемы можно записать
как Lf =О LL2 =2/(.
56
Эти соотношения соответс•гвуют уравнениям так называемого ицеапь,
нога усипитепя напряжения с единичным коэфф1Щиентом усипения.
Четырехпоriюсная схема, дуапьная предыдущей схеме, состоит ·
из поперечной ветви - нупатора и. продопьной ветви
-
норатора
(рис. 6,6).
Вхоцное напряжение (на нупатор) равно нупаю; выходной ток,
замыкающийся через норатор и нагрузку, равен по вепичине входно-,
му току. Уравнения схемы, спедо;'атепьно, запишутся как
Ut=O; Lг-== - Lf.
Эти равенства соответствуют уравнениям так называемого ице
апьного усипитепя тока с единичным коэфф1Щиентом усипения.
НуппорЕое представпение управпяемых источников с коэффШ!иен
тами передачи, отпичающимися от ецин~щы, приведiJно на рир. 11 и 1
12. В схеме рис. 10, 11, а входной ток равен нупю; напряжение
в точке т , равное вхоцному напряжению lit , вызывает ток в выход-·
ном вывод,е, равный "1⁄2t •ll1
; входное сопротивпение бесконечно
вепико ( ? 1 =О); выходное сопротивпение при Ц1 =О также бесконечно
вепико ( L2 =О). Анапогично можно убедиться, что и остапьные схе...:
мы рис. 10, 11 имеют свойства соответствующи.х управпяемых ис
точников. Нуппорные схемы УИ, изображенные на рис . 12, отражаюt
свойства управпяемых источников со входом идеапьно развязанным ,
и· впияния выходной цепи, подсоединяемой к зажимам 2-2 1, и с ус
пехом могут • испопьзоваться при модепировании спожных конфигураций
разпичных активных радиотехнических .схем.
Отметим некоторые общие свойства введенных эпементов. Моrμ
ность, поцвоцимая от источника сигнапа, присоединенного к вхоцу
пюбого из четырех идеапьных источников, равна нупю, поскопьку
вход эпемента, управпяемого напр_Я)кениеtv(, прецставпяет разрыв, и
входной ток равен нупю, а вход эпемента, управпяемого током, пред
стэвляет короткое замыкание, и входное напряжение равно нупю. Об~
щая потребпяемая эпементом мощность равна мощности управпяемо-
го источника напряжения ипи тока в выходном контуре и поэтому
отр~щатепьна. Спецоватепьно; управпяемый источник явпяется актив
ным эпементом.
Нуппорные модепи идеапьного бипопярного транзистора.
Рассмотрим нуппорные схемы замещения идеапьных активных
эпементов на примере модепирования бипопярного транзистора. Ос
новной смысп таких схем замещения состоит в том, что по ним пег7
ко попучить прибпиженную модепь транзистора. При этом неспожными
манипупяциями со схемами можно пегко провоцить анапиэ множества
вариантов радиотехнических схем с разпичным чиспом активных эпе
ментов,
Дпя перехоца к нуппорным эквивапентным схемам идеапьных
транзисторов спедует пренебречь ряцом паразитных параметров, ко
торые всегда имеются у реапьных эпементов, и идеапизировать .не
которые~во_йства транз11_с__торов. Например.- .у ицеапьного транзистора,
57
вкпюченного по схеме с общей базой (ОБ) (рис. 13,а ), напряжение!
между базой и эмиттером Uo--0, ток базы LJ'-0 , коэффициен~
усипения по току в режиме короткого замыкания lz.2tб ~ f ; объем- '
ные сопротивпения эмиттера и коппектора ?.9 ~О ; Z.к zO .J сопро
тивпение нагрузки, подкпюченной к коппектору Zн ::::сю .
При указанных допущениях эквивапентная схема транзистора ОБ
сходна со схемой идеапьного усипитепя тока с коэффициентом усипе:..
ния Ki=l. Следоватепьно, транзистор можно прибпиженно представ~ть
нупnорной схемой, изображенной на рис. 6,6 . Эта схема воспроизве,;,
цена на рис. 13,б .
Приведенная трехпопюсная нуппорная модепь при соответствую
щих соединениях ее выводов пригодна дпя эквивапентного представпе
ния транзисторов, вкпюченных по схеме с общим эмиттером (ОЭ)
( рис. 13 , в ), общим коппектором (ОК) (рис. 13,д ). На рис. 13, г,е
представпены нуппорные модепи идеапьных транзисторов соответст
венно ОЭ и ОК . Очевидно, нуппорная модепь транзистора ОК (рис.
13,е) соответствует идеапьному усипению напряжения (рис. 6,а ), а
нуппорная модепь транзистора ОЭ (рис. 13,г) имеет сходство с ис
точником тока, управпяемым напряжением, изображенным на рис . 1,ia,
Из сопоставпения схем вкпючения транзисторов и их нуппорны
модепей, представпенных на рис:.:. 13, заключаем, что выво эмит-
тера соответствует точка соединения пары нуппатор-норатор, выводам
базы и коппектора - свободные выводы нуппатора и норатора.
Модепи бипопярного транзистора и пампового триода. имеющих
идеапьные характеристики, также могут быть представпены совокупi
ностью нуппора и пасс11вных эпементов. Нуппорная модепь реапьного
транзистора ОЭ с значениями сопротивпений эмиттера Zэ, коппектоiра
Zк и базы Ztf' не равны нупю, с коэффициентом рередачи транз~
стора ОБ lz2tб 11 и с реапьной параппепьной отрицатепьной обрат
ной связью (ООС) имеет вид, изображенный на рис. 14,а. Еспи учи
тывать топько паразитные параметры, приводящие к LuFO, L/,г!Ои h21f t-L
подучается нуппорная модепь транзистора ОЭ, показанная на рис. 14,б .
Исцопьзуя анапогичные рассуждения, нуппорная схема замещения 1
дпя пампового триода с конечными значениями крутизны .S и внут
реннего сопротивпения Ri имеет вид, показанный на рис. 14,в.
Модепирование дифференциапьных и операционных усипитепей
(ОУ) с помощью нуппаторов и нора торов ицентично. Поэтому в дап*
нейшем будем рассматривать нуппорные модепи анапизируемых уст- '
ройств на примере ОУ,
Как известно, резупьтирующее управпяющее входное напряжение
операционного уси11итепя равно разности двух напряжений, приmожен
ных к точкам 1 ( lf, ) и 2 ( Uг) входных зажимов ОУ, изображенно
го на рис. 15,а. Поэтому входное напряжение
L/3, q. =Кц_ ( LL-1-Uг).
(2)
58
,а.к как коэффшшент уси11ения у идеа11ьного ОУ ки-= , то
при конечн.ом выхоцном напряжении ве11ичина управ11яющего напряже ..;
ния ( U 1 -Цz ) ..- О. Это обстояте11ьство можно испо11ьзовать ц11я
'
об11егч-ения i,1на11иза схем, соцержащих ОУ.
Выражение ( 2) соответствует вк11юченюо ОУ по так называе
мой схеме цифференциа11ьного усипения, когда на входе сравниваются
два напряжения и выходное напряжение пропорциона11ьно их разност~.
Две модификации ну1111орного изображения схемы замещения ОУ д11я
такого вк11ючения привецены на рис. 15,б,в. Резисторы R{ и R2
моце11ируют входное сопро•гивпение реа11ьных ОУ,
Идеа11ьный операционный уси11ите11ь может также испо11ьзовать
ся в схеме с одним управ11яющим вхоцом, когда второй вывод входа
зазем11яется. На рис. 16,а показана · схема инвертирующего ОУ с ис,
по11ьзованием входного вывода 1 и зазем11ением вывода 2, Ну1111ор- •
ную моце11ь ОУ на рис. 16,а можно прецставить в вице ИНУН
{рис. 16,б), По11агая (и 1-и2 )- О и Rвх- 00 , видно, что ток,
протекающий в сопротив11ениях Rf и R2, оцин и тот же. С11ецова
те11ьно, пацения напряжения на резисторах опреце11яются по форму-
11ам:
Тогда коэффициент уси11ения ОУ можно записать
Кц::: Uз/u.r = ~ =- R.z.
LL,e-1
R1.
.
Очевидно, входное сопротив11ение уси11ите11я опреде11яется резисто
ром R1, Эквива11ентная схема по рис, 16,б яв11яется моцифицирован
ным представ11ением ну11nорной схемы ИНУТ (рис. 11,в).
Ну1111орно-нораторная моце11ь инвертирующего ОУ с обратной
связью (рис. 16,в) прецс·гав11ена на рис. 16,г, Приняв сцеnанные
ранее допущения, можно сце11ать вывоц, что в сопро ·тивпениях R1 и
R2
устанавnивается ;"ОК /, = Uз/R1+R2. . Напряжение на R1
равно напряже11юо U г=-L R1 . С11ецоватЕ<11ьно, коэффициент уси11ения
Ки =- Uз/U.1 =(R1+R2)/R1;, 1 •
Очевидно, эквива11ентная схема на рис. 16,г совпадает с нуn-
11орным представ11ением ИНУН (рис. 11,ц), Ана11огичным образом
можно попучить реапизацюо с помощью операционных уси11ите11ей .
других типов управ11яемых источников.
Несмотря на то, что реа11ьные ОУ имеют к~ечный, но все же
очень высокий коэффициент усиnения порядка 10 , при расчетах
схемы можно с цостаточной точностью принимать напряжение на
входе LLгUz -::.D
.
Вхоцное сопротив11ение Rвх составпяет цесятки
МОм, а вь1хоцное Rвых ециницы и цопи Ома. Сnецоватеnьно, схе
ма замещения ОУ на основе анома11ьных цепей, изображенных на
рис. 15 и 16, достаточно точно описы5ает поведение реаnьного ОУ
в попосе частот, где усиnение практически постоянно. Д11я моде11и
рования перехоц11ых и частотных характеристик ОУ можно воспоnь- 1
59
зоваться нуппорными схемами, изображенным и на рис . 12, представю,
эпементы У и l в виде разпичных соединений R, L '1 С ·
Таким образом , нуппатор и норатор можно считать основны м и
эпементами, которые в соединении с пассивными эпементами образуют
совокупность , доста'Гочную дпя эквивапентного описания веех пинеfшых
активных и невзаимных четырехпопюсников . Отметим важное дпя прак
тики модепирования свойство нуппора : нуппор отображает свойства
/идеапьноrо транзистора и iщеапьного ОУ и позвопяет модепировать по
Ьуществу все виды активных цепей .
ЛИТЕРАТУРА
1 . Боянов Й ., Гацжиева Е . Уравнения состояния схем с нуппатора-
11.1и и нораторами . - Известия вузов СССР, Радиоэпектроника, 1981,
No6, с. 132-135 .
2 . Гапямичев Ю.П . , Ланнэ А.А., Лунцин В.З ., Петраков В .А. Син
rез активных RC -цепей . Современное состояние и пробпемы./Под ре~.
f.A . Ле.ннэ.
-
М.: Связь, 1975 .
-
296 с.
3. Дэвис А . Нуппаторно-нораторные эквивапентные схемы цпя
управпяемых источников. - ТИИЭР, 1967, т . 55 , No 5 , с. 136-137 .
4 . Ионкин П ,А ., Миронов В.Г. Синтез RC -схем с активными
невзаимными эпементами (вопросы реапизации) •. ..J V\.: Энергия, 1976.
-240 с.
5. Ламекин В .Ф. , Романов И.А . Макромодепирование анапоговых
~теграпьных схем на основе аномапьных цепей . - В кн . Микроэпект
роника и попупроводниковые приборы./Поц ред. А.А. Васенкова и Я.А ~
Федотова , 1983, вып.. 7, с. 117-124.
6 . Майере Б.Р . Нуппорная модепь транзистора . Мартинеппи Д .
Закпючение автора. - ТИИЭР, 1965, т. 53; No 7, с . 872-873.
7 . Мартинеппи Д. О нуппоре .
-
ТИИЭР, 1965, т. 53, No 3,
/: · 381-382 .
•
8. Матхансв П.Н. Основы анапиза эпектрических цепей. Линей
ные цепи . - М.: Высшая шкопа , 1972.
-
336 с.
9 . Матханов П.Н. Основы синтеза пинейных эпектрических це4
пей. - М .: Высшая шкопа, 1976. -2 08 с.
'
10. Сборник задач по теории эпектрических цепей: Учебное по-
собие дпя вузов . /Данипов Л.В ., Матханов П.Н., Мерзпютин Ю.Б . и др ,;
Под ред. : Матханова П .Н. и Данипова Л.В. - М .: Высшая шкопа, 1980.-
224 с.
11. Сешу С., Рид М. Линейные графы и эпектрические цепи . -
N! . : Высшая шкопа, 1971 .
-
448с. f
t1_
·tl ft
12.:J 8NJ.,wi. E<yиva..Eent NIC пе W-Ol"l!S 1)Гt л n.u а, ОГ"S
a~d ttor-a,tor-s -т,ап~. IEEE, СТ-12, 1965, /v.3, f· 1./Ч1.
13. J. lJ,efЩfl-. Тopofo,-ica.t ana,&'tt-g о/ л. etwo'tk~
contcuiic:11-1 n,цt'fa tol'~ ал,d.. пo/"a:tofr.J'. - E[ecfr-01U'cs
А efter;f/ Vt, !9Сь 7 AIH, рр i/~.!f - '12t.
Статья поступипа в апрепе 1984 года
61
ф
1\)
L!!O
и:J \,
l.
~
u.
а)
о)
~ ~/45,LL
8)
г)
Рис.I. СавоJПrЧеские предстаВJ1ения нуJШ&тора (а),
. иоратора (в) и во.пь'l'-амперные харак'l'ерис
тики нyJIJiaтopa (б) , нора'l'ора (r} .
ф
l
z
а)
о)
Ркс.2. ЭкВJ1вuен'!'нне преобразования цеnеА, сод~...
.
~ -.Jlар&П.11UЬНН8 _ (а) _ и ПОСJ18ДОВ&'N.IЬННе (6),
C08,ЦIIН8НJIJI &НОМUЬ~ ,ЦВухIIОDХ;НПОВ.С КОМ-
е.:>
м~ксным сопро-rимением
\1•1
r1
\
(J)
д
3
3
Рис.З.
2.
3а)
z-
.3
5)
l
2
3
i
3
~
з
ф
(Л
11t f
LL:Qt
z.
z.
1
;J
1
il \u=u,
~=О l
2
f
2)
!
L, iR6ii=o 11 L= ~.
2.
z.
z.
а)
е)
Рис.З. Эквиваnентные преобразования разJIИЧНЬIХ схем
вКJiючения двух аномаnьных ДВуХПОJШСников.
(J)
~
1~~г.1
2i
~г. 1
2
1i'
•
~
1J'
1'J'
1
.
1
О•
•
□ 2 о---------0 2. J0- ---02 I о---.-----0 2
Рис.4. ЭкВJ1вuеН'fнне преобразо88К11Я схем ,сод~J81ЩМУ
Пи Т-оСSразные соединеНIIЯ однО'l'иnЮIХ аномuь
ных двухпоnJЮНИКОВ.
~
\\
J'
О)
--.J
l iI2.
/
1
n••
•
nгi
.
2.'
1~
а)
l . 10---Q-o 2.
'
1
'
u
•
о2 i о-----о 2
l
2 [Q.2
n•
•
~2' i'~21
oJ
2 1o----eo -J
J1
2'
о----о
W
..
г)
Рис.5. Эквкваnен'l'~е преобразования схем, содерuщех
Пи Т-оСSразные соединения аномuьных двухпОJШСников разных 'l'иnов.
i '( --------J 2'
а)
Рис.б. НyJIJiopнwe модели идеаJiьных усилителей
напраения (а) и тока (б) с единичными
коэq:фициен-rеми передачи.
Рис.?. Условные схеМНЬ1е изобрuения нуллоров.
68
1 (>-----,
l 1c >----
J
fc>-----,
'-----( J 2'
io'_ __,
01---i -+ -- -O
Рис.8. Основные схемные конфигурации аномальных
четырехполюсников в зависимос~и от подКJIЮ
чения их к общей шине.
69
N
N-
:jN
(\J
_._
-~!
.....::,......
-~t
N
~
-
aS
~-
.
:z:: -
~..:
-~~t 9
<;;>t
:s: :z::
·..J'
-: :!,
....
.. fa
"""'
:::s
lз
---
__...
-
......
-..1
~
-
...
i~
1 ~Ф-
а: 'О
N
-
С'1
N
i-
(\J
. ::::1 N
--
с~
-~1
~ :s:
~
•
-~i
;;:j.....
ф
С!)
•
С)
ёЗ'
~if
9f
- _j~
с:>11
- ..:r
:::;j...._
:::i~
--
~
-
. .....
_,
-, .,
--
70
-
C\J
(\J
~
-~t
1
1-
1
~
~~
-
~
-
..
1-
i
::J')
::t.
•
~ -~t
i.
-
~
-
......
ii
C\.J
N
811 •
-
1-
1~
::7-)
::х:
~~
::t:.
•
о
~
~ •(J
l
:::с ""-. J- -~
. :)')
1--
~
;::s- .1
ь:~ :::!а....
-: .....
71
-~i
~
.........
........
~
С"'1
.~......
·t=:1
N
l'\J
11
:;::$~ t\J
н
н
.
о
~
~ ;s;
. ...
(}.,
N
.........
......
72
-
C\l
· PJlc.12 .
~~~~
Нуuаоrор10-нора'l'орнне CUIIW управuе181Х ИС'fОЧНИIСО в'
используемые АJ[Я мо,це.uроваIОIЯ Рlд)lоtехнических
схем в qднородной хоорд1111атной системе: ИТУН ( а) ,
ИНУТ (б), ИНУН (в), ИМ (г)•
74
~
.Jt
С)
\\
ОС)
•....)
-
-~,
--
О)
с::>,,
~
:j
~
,jt
С)
11
~
.~
-
~
-~t
"to
:::s
---
СТ)
Lo~
~
~t
•-...)
lQ
:::с::
...~i
\.Q ~
с::>
•11
ю
3____, _
~,,
&о
::::r
LQ
-
(t) (\)
С"')
Н·
•
о
151
р.:.
75.
-1
ф
Бо---~ \ оЗ
J
•
оз
tИо
1U3=Uo
к
q)
tlis-
к
е)
Рис. IЗ.~еu1tные '!'реизисоrор~а, вКJШЧённые по схемам
00 (а), 00 (в), ОК (д) и их ну.uорные модеп
СОСWВ8'1'С'fВ8ННО ( б) , ( Г) И ( е} •
tU.э =Ио
Б
Рис.14.
э
а)
о)
8)
А
Нуuорные сх81А1 замещения не11Деuъннх б1111QIJIP80·
транзистора ОЭ (а,б) и J1aмnoвoro тркода (в).
77
-J!
(JJ
R1
----"' 3
l"
,--,
-
-
~
·.· з
+
'1
z
'У
'( Г\СVILo4
го
[=:J
о)
f~-
-
.3
2u•
1
у
13)
Рис.15. 0У C ' ДИ(iфepeНЦIIUЬНWIIII ВХОДОМ И ВЫХОДОМ
(а) и его IIIOДUИ на основе аномапьных
цеnеА (б) • (в).
--
... J
Ф'
2
R2
а)
R2
~
i
R.J
го----(
R2
'
Q) R2
R1
2)
Рвс.Iб. Схема rrr:m-ntr"я IIIIВ8Pf11P11118'8rO (а)•
НUНMprllP)8'1ro (В) 0У С OCSpa,t...
свяЭJ11111 • п нуuОJН18 . _. co orв er -
- с..-венно (CS) 11 (в)•
.::::
з
з
ВОЛОКОННЫЕ МИКРОФОНЫ
ДЛЯ СВЕТОВОДНЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ
УДК 681.7.068
Канц. техн. наук Е.С . АвцошЮI,
Н .А. Кузнеwв
Провецен обзор конструкций опти.ческих воnоконных микрофонов
dnя световоцных пиний связи. Рассмотрены преимушества и нецостат
Jи, а также иссnедованы основные труцности и перспективные направ
nения в разработке воnоконно-оптических микрофонов.
.
Бурное развитие воnоконно-оптических пиний связи (BOJIC)
стимуnирует необхо11,имость разработки оптических микрофонов [ 1, 2].
Совместное испоnьзование оптических воnокон и nазерной техн и- ·
~и привеnо к появпению принципиаnьно новых типов воnоконных микро
<Uонов дnя оптических систем связи.
1
Применение воnоконной оптики в акустических системах обеспечи-
вает хорошую эnектромаmитную совместимость . с оптической пЮiией
связи, а маnый вес и габариты преобразоватеnей, в сочетании с от
сутствием провоцяших частей, стойкостью к агрессивнь , м срецам и
э/Iектробезопасностью цеnают их перспективными устройстваwи цnя
~OJIC,
Вопоконные световоцы имеют маnые циаметры, незначитеnьную
массу, защишенность от возцействия окружающей срецы и т.п.
· По типу материапа светонесушей серцце:вины воnокна ·цеnятся
на три к.иасса: стекnянные, кварцевые и попимерные, по профиnю по
ка:щтеnя препомnения - на многомоцовые и оцномоцовые.
Дnя многомоцовых световоцов относитеnьная разница показатеnей
~реnомпени.я материаnов серццевЮIЫ и обоnочки составпяет ( 1 •.• 2)%.
j Наибопьшее распространение попучиnи на практике световоцы, [·
выпоnненные из кварца и стекоп, с циаметром воnокна (5••• 150) мкм и.
чисnовой апертурой 0,5 .
. Конструкции
оптических микрофонов можно разцепить на две ос -!
новные группы:
•
_·микрофоны с местным источником оптического изnучения;
; !v!ИКрофоньr С центраnЬНЫМ !fСТОЧНИКОМ ОПТИЧеСКОГО изnучения,
Оптические микрофоны с ме·стным источником оптического изnу- ;
чения содержат в своей конструкции светоциод иnи дазер и фотоприемi-·
Нf!К•
В ( 3] описан оптоэnектронный микрофон, в котором испоnьзованы
фе пара. пnеnьные решетки 2,4 (рис. 1 ), установnенные напротив цруг
друга. Одна из них прикрепnена к центру акустической мембраны 1,
которая выпоnнена из пnоской иnи конической фторопnастовой ппенки
тоnщЮiой 0,025 мм. С одной стороны решетки размещен источник
света 5, в качестве которого испоnьзуется светоциоц, с цругой :: фо'..;
80
топриемник . 3. •
При вибрации мембраны 1 поц цействием звуковой вопны реше~
ки 2,4 перемещаются вертикапьно относитепьно · цруг цруга, моцупи,...I
руя световой поток, в резупьтате чего с выхоца фотоциоца З снимает
ся моцупированный сигнап . Решетки 2,4 можно установить поц не
бопьшим угпом друг к другу, что повышает чувствитепьность микро
фооа .
.
•
.
.
Достоинством опт.Ического микрофона явпяются высокая чувст- '
витепьнос.ть, достаточный цинамичеекий циапазон и возможность кор-
рекции звукового цавпения.
.
•
В [ 4 ] описана конструкция оптического •интерференционного мик
рофона, схема ко •горого показана на рис. 2.
Микрофон соцержит корпус 1, акустический волновоц 2, закреп
ленный в корпусе, и установпенные внутри корпуса и оптически свя-!
занные источник 3 монохроматического из.пучения, ппоско-параллель.:.
ная ппастина 4, светоцелитепь 5 , первое зеркапо 6, второе зеркапо:
7, третье зеркапо 8, эпектромеханические преобразователи 9, 10 ,
~отопрf!емники 11 и 12, которые связаны с цнрференциапьными уси..:.
' питепями 13 и 14.
Изпучение от источника 3, разделенное ппоскопараппепьной
ппастиной 4 и светоделитецем 5, образует цве ветви преобразовате 1я
акустического сигнапа .
•
Оптические пучи, отразившись от первого и второго зеркап, ца-
ют интерференционную картину , при этом оцин из пучей проходит ч.е
рез акустиче.ский вопновоц 2. Из_бь1точное цавпение акустической во11-
ны изменяет ппотность возцушного объема в акустическом вопновоце,
что привоцит к изменению интенсивности интерференционной картиньi '
с частотой изменения акустического сигнапа.
При помощи фотоприемника 11 изменение интенсивности интер
ференциоiшой картины преобразуется в . переменный ·электрический
сигнап, частота которого равна частоте акустической вопны . Пере
менный сигнап с выхода фотоприемника 11 поцается к эпектромеха ...
ническому преобразоватепю 10, на котором закреппено зеркапо 7 ,
с помощью которого устанавпивается первоначапьная разность хоца
межцу пучами от зеркап 6 и 7 .
Эпектрический сигнап, пропорционапьный акустическому синапу,
снимается с выхоца цнрференциапьного усипитепя.
Нецостатком конструкции интерференционного микрофона явпя
ется его спожность, громозцкость и низкая шумостойкость. При воз.
цействии внешних механических факторов происхоцит копебание мик
рофона, что привоцит к паразитному изменению разности хода интер
ферирующих пучков, а слецоватепьно, к изменению эпектрического
сигнапа на выхоце ц!JjJференциапьного усипитепя. Это вносит бопь
шую погрешность при регистрации акустического сигнала, что не
позвопяет регистрировать акустический сигнап в усповиях вибраций
и уцаров.
81
В [51 описан оптический :Микрофон со светоизnучающим 11иo11orf!
(Сид), который установnен на акустической циафрагме, а фотопри- :
емник - на корпусе напротив светоциоца. При коnебаниях циафрагмь\
поц цействием акустического сигнаnа меняется расстояние межцу
Сид и фотоприемником, а сnецоватеnьно, изменяется освещенность
светоприемника, что вызывает моцуnяцию оптическоr·о изnучения по
закону звука .
Фотоэnектрический микрофон [ 6] имеет диафрагму, к которой
прикрепnен экран с небоnьщой щеnью. Внутри корпуса установnен ис
точник оптического изnучения, которое~ проходит сквозь щеnь и по
ступает на фотоприемник, который предстзвляет собой поnупроводник
р-типа со сформуnированной в нем n.- -о б па с ть ю .
С поnупроводника - при помощи цвух контактов снимается эnект 7
рическое напряжение. В резуnьтате воэдействия звуковых воnн на
диафрагму микрофона происходят коnебания экрана, которые модуnи
рую'It интенсивность' света, проходящего сквоэь щепь.
В [ 7, 8, 9] описаны оптические микрофоны с призмами поn
ного внутреннего отражения.
ОптИ'!еский микрофон [8] , конструкция которого показана на
рис , 3, содержит источник света 1, воnоконный световод 2, фокуси- ,
рующую тrнзу 3, которая направпяет световой поток О 1 О 2 перпенди~
куnярно боковой грани 4 призмы 5,
На ос,новании 7 призмы 5 установnена диэnектрическая проюпад
ка 6, на которой укреппенв термоппастическая мембрана 8. Поверх
ность мембраны 8, обращенная к основзнию 7 призмы 5, покрыта
светопогnощающим материаnом, На другой боковой грани 9 призмы
установnен световод 1 О, соединенный с фотоприемником 11. М икро
фон размещен в корпусе, снаружи которого установпена крыщка с от;_
верстиями.
Световой поток О 1 от источника света 1 фокусируется nинзой 3
и, пройдя через боковую поверхность 4 призмы 5, падает на основа l
ние призмы пor.t угnом о/., к перпендикуnяру, восстановnенному к
пnоскости основания,
Световой поток, испытав поnное внутреннее отражение, падает
на боковую грань 9 и, п~:;ойдя через световод 1 О, регистрируется фо
топриемником 11 ~
Под действием акустических коnебаний мембрана 8 соверщает
вертикаnьные копебания, при этом погnощающий спой оказывает мо
дулирующее воздействие на световой поток. На выходе фотоприемни-·
ка регистрируется эnектрический сигнаn, повторяющий закон измене
ния акустического воздействия,
Применение вопоконной оптики в конструкциях оптических мик
рофонов позвоnяет испоnьэовать nаоерные источники изnучения и
фотоприемники .
В настоящее время разработаны миниатюрные лазерные источ
ники, .!1 ..кото.рых активной... ..с.р.едой могут сп;ужитъ . пnенки, активирован-
82.
ные краситеnи, поnупровоцники и циэnектрики, nегированные примес
ными ионами. Разрабатываются миниатюрные газовые nазеры, в ко'
торых роnь разряцной трубки играет сам световоц. Наибоnее широкое
применение по11учи11и поnупровоцниковые оптические из11учате11и на ге
тероструктурах, светоциоцы с вывоцом из11учения через поверхность
и11и торец, супертоминисцентные из11учате11и и поnупровоцниковые
11азеры.
Наибо11ее перспективными цnя оптических микрофонов явnяется
ИЗJiучатепи ИЛПН-301-1, который· представnяет собой инжекторны'й
суперnюминисцентный поnупровоцниковый nазер, работающий на цnИ!Jе
воnны Л =О,85 мкм. Средняя м~2f1ость изnучения на выходе согnа
сующего эnемента не менее 1 О Вт при напряжении на из11учате11е
не боnее 2,5 В и токе накачки 0,2 А. Из11учате11ь ИЛПН-301-1
удобно сог11асуется с воnоконным световоцом типа 'Традан" с диа
метром сердцевины 5 О мкм.
Зависимость выходной мощности из11учате11я от тока накачки
J опредеnяется в вице: р К "ld.
вых .:
.,/ ,
гце К - коэффициент неnи:нейности, d., =1,2... 1,5.
К фотоприемникам, применяемым в оптических микрофонах,
предъявnяются требования высокой чувствитеnьности и ма11ой инерци~
онности. Этим требованиям в циапазоне во11н .Л =О,85 мкм уцовnет:~
воряют nавинные фотоциоцы на основе кремния, а в циапазоне
J\ = 1 ••• 1,7 мкм-- фотоциоцы на основе гетероструктурJnGа.АsР,
Ati7aAsP
.
Наибоnее оптимаnьными дnя этих требований яв11яются
р- L - tL фотоциоцы ФД-252, ФД-256, ФД-266, ФД-271.
Фотоциоц ФД-266 в диапазоне цnин воnн JI.
'=0,4... 1,1 мкм
имеет интеграnьную токовую чувствитеnьность 3,5 мА /пм и темно
вой ток 10 мкА, а фотоциод ФД-256 в том же циапазоне имеет
интеграnьную токовую чувствитеnьность 6 мА/.п.м и темновой ток
0,005 мкА.
При конструировании воnоконных микрофонов с местным ис•rоч
ником из11учате11я возникает пробnема разработки оптичесю1х разъ
емов_, цnя соецинения во11оконного световоца с микрофоном.
Г!1авная пробnема состоит в том, что поперечные размеры ра- •
ботающих в оптическом циапазоне из11учате11ей, фотоприемников и
световодов очень ма11ы. Эти эnементы цоnжны при соединениях юс
тироваться относитеnьно друг цруга с высокой точностью и обеспе
чивать согnасование характеристик, вnияющих на потери энергии и
искажение информации в местах соецинений .
К оптическим разъемам прецъявnяются сnедующие основные
требования:
пр ост ота с оединенпя;
прочность и стабильность конструкции;
незначитепьное затухание;
разъемн ость.
82
При конструировани
•
•
•
.
и таких разъемов , как правипо , опредепяю-
щими явпяются технопоrич_еские возможности . Некоторые существую.;;,
щие конструкции позвмяют ,снизить требования к точности совмещае
мых узпов , как, например, разъемы с шrnзами, с фоконами, с сепфо ..,.
ками. и с гопоrрафическими ппастинами . В таких конструкциях . 0суще
ствпяют расширение световоrо потока в стыковом сечен·ии с . поспе
дующим сужением ero и вводом в световод .
,
В бопьшинстве разъемных соединений осуществпяется непосред-
fтвенная СТЫJ(ОВКа, " ВОIIОКНО -ВОIIОКНО" С ДОПОIIНИТеlIЬНОЙ юстировкой при
каждой стыковке . Такие ра,3ъемы позвопяют совмещать ось вопокна с
точностью 4 - 7 мкм . Оптические потери в таких разъемах н'е выше
1,5 дБ.
Наибопее простым вариантом явпяется двоЙНое эксцентриковое
соединение [ 9 J. Бпаrодаря эксцентричности осей разъема поворотом
одной его части относитепьно другой можно отыскать попожение;r при
котором сердечники световодов согласуются . При этом потери в сое
динении не превышают 0 , 5 дБ , Дпя соiэдания неразъемных соединений
торцы световодов обычно скпеивают ипи скреппяют пазерной сваркой.
Оптические микрофоны с · центрапьным питанием ипи проходного
типа не содержат в составе констр укции изпучатепя.
В [ 1 О J описан вопоконный микрофон с · центрапьным оптически1'j:
питанием , в каче~тве которого может быть испопьэован · газовый ипи
попуnроводниковый пазер .
Микрофон (рис . 4) содержит вопоконный световод 1 , световод 2 ,
диафрагмы 3 , 4, к центрапьной части каждой из которых прикреппен
конец одного из световодов • .В сосrав микрофона вхоцят: • корпус 5 ,
дно 8 , крышка 6 и эпементы 7 , 9 креппения вопоконных световодов.
Изпучение от источников света ввоцится в световоп 1 , а световод 2
соецинен с фотоприемником ,
•
Акустический сигнап синфазно возцействует на диафрагмь1 З , 4,
которые смещаются , · при этом смещаются также концы световоцов 1
и 2 относитепьно друг цруга , и осуществпяется моцупяция светового ·
потока , проходящего через световоды. Д пя уменьшения спада частот
ной характеристики гибкость циафрагмы З и 4 , а также объем поц
' мембранного пространства подбираются дпя обеспечения резонансного
псщъема характеристики.
В [11] прецпожен микрофон, конструкция которого прецставпена
на рис . 5. Оптический микрофон. соцержит мембрану 1, связанную с · ·
чувствитепьным эпементом 2 с помощью штока З с копьцом 4 на
конце. Световой пото ·к подводится и отвоцится от чувствитепьного •
эпемента по вопоконному саетоводу 5, жестко закреппенному в точках
6и7.
Участок световоца межцу точками закреппения выпопнен в вице
стопбика из имерсионной жицхости. Сначапа опоры с закреппенными
на них в точках 6 и 7 световодами сбпижаются вппотную с копьцом
4 на к1шце щтока З . За1'ем на границу стыка наносится имерсионная
84
жидкость, после чего опоры разцвигаются . таким о·оразом, чтоьы цпи
на стопбика жицкости составипа 6 ..,,10 его рациусов,
При увепичении цавпения акустической во11н:ь1 на мембрану 1 она
перемеп:ает шток 3, Это перемещение перецается стопбику из имер
сионной жицкости, изгиб которого увепичивается .. В резупьтате успо
вия попного внутреннег ·о отражения в . стопбике из имерсионной жи ц
кости, что обусnовnивает увепичение потерь энергии прохоцящего по
нему оптического изпучения по интенсивности.
Увепичение чувствитепьности микрофона за счет ввеценliя стоn
бика имерсионной жицкости приводит к увепичению гпубины моцупяции
при фиксированном акустическом сигнапе , что позвопяет уменьшить
мощнос<rь источника оптического изпучения.
Анапогичные устройства описаны в [12].
В [13] прецnожены конструкции микрофонов с вибрирующим во
покном с микроизгибом, с вибрирующей шторкой, с вибрирующей приз,_,
мой и зеркапьного типа. Наибопее перспективны конструкции оптичес;..
ких мцкрофонов, в которых применяюгся 11инзы на основе градиентного
световоца-<:е11фоки.
Сепфоки, как сэ.мсхjiокусирующие световоцы, позвопяют снизить
межмодовую дисперсию и тем самым расширить возможности вопокон;
ных световодов в передаче информации,
Такие 11инзы могут прикреппяться непосрецственно к световоцам,
образуя компактную, прочную, стабипьную и нацежную конструкцию.
Сепфоки . обпадают меньшими размерами, чем эквивапентные про
стые оцнороцные 11инзы, что привоцит к меньшим потерям на ввоц
изпучения . Линзы на основе градиентных световоцов обычно имеют
дпину ~ /4 и называются четверть 1в мновыми •• 11инзами, Сепфоки мо
гут прикреппяться прозрачным кпеем непосредственно к торцам во-
11оконн:ь1х световоцов.
Еспи выбрать кпей с показатепем препомnения бпизким к срецнему
'значению показатепя пре11ом11ения пинзы и прикпеиваемого эпемента,
то можно значитепьно уменьшить потери на отражения на оптическом
стыке. Известно, что в сепфоках с циаметром серцuевины не бопее
60 мкм и чисnовой апертурой А=О,2 потери на аберрацию составnя-
ют 0,3,.J., 1 цБ.
В [.14] описана конструкция оптического микрофона с сепфоком
и с uентраnьным источником питания . Схема микрофона показана на
рис, 6,
Микрофон содержит корпус 1, мембрану 2, сепфок 3, держатепь
4, во11оконнь1е световоды 5, 6, Между отражающей мембраной и
торцами •изпучающего и приемного воnоконных световоцов помещается
градиентная пинза-<:епфок .
При копебаниях мембраны обцасть фокусировки отраженных от
мембраны 11учей перемеrr. ается в пnоскости торца приемного светово
ца, в резу11ьтате изменs;.ется поток ввоцимого изпучения . Коэффициент
модупяций микроФона на частоте 1 кГц при уровне звука 60 цБ цо
стигает 6 0%,
85
длина грациентной nинзы рассчиты!'lается по формуnе:
l =lo/4 ,
гце lo= 2 "fi/M;
А - постоянная распрецеnения коэффициента преnомnения.
стимый прогиб акустической мембраны опрецеnяется в вице:
х· = -х+ 'fJ(n.o v'f1)
иnи
х' :=: - -Х + <f~o /(2"/Z по),
гце <j)- угоп прогиба,
Допу-
iравнение статической пинии изгиба кругnой
микрофона 1 сеnфоком : р
2
2.)2.
мембраны оптического
fv\J('L) = 64N (r- -а
с учетом сопротивnения изгибу:
'
E· h-5
/\!= 1Z(f-Xy
гце
/
W - амплитуца коnебаний;
t! - расстояние от центра мембраны;
L а - рациус мембраны;
f/,,
-
тоnщина мембраны;
Е - моцуnь упругости;
Х - коэффициент Пуассона;
Р - давnение звука.
В [15] прецnожен фотоэnектрический микрофон, в котором межцу
источником света и фотоприемником установnена поцвИжная nинза,
ж:естко связанная с акусти'>еской чувствитеnьной циафрагмой , При
возцействии акустического сигнаnа проис:х:оцят коnебания циафрагмы
и см€щР.ния nинзы в вертикаnьной пnоскости .
Смещение nинзы привоцит к расфокусировке светового пучка и
осуществnяется моцу.,rяция светового потока.
Эффект~,вным может оказаться испоnьзование в оптическом мик
рофоне интерференции когерентных пучков, оцин из которых отра
жен мембраной. L16J. Возможность поnучения повышенного коэффи
циента моцуnяции об':,ясняется сораэмерностью веnичины ампnитуцы
коnебаний-W= O,"Jl. . .,0,2 мкм.
Микрофон с акустооптическим tфeoбpaзoвa"iiiieM, поцвижная система
tоторого моцулирует световой поток в возцушном зазоре межцу цвумя
fВетовоцами, предпажен в [1 7]. Чувствитеnьным эnементом явnяется
мембрана из нержавеющей стали тоnщиной 5 мкм. С помощью зажим
ных колец жесткость мембраны регулируется так, чтобы ее резонанс
ная частота равняnась 2 кГц. К центральной части мембраны поц
hрzмым углом прикреплен nепесток, также выполненный из нерЖа-
86
в~ющей стали толщиной 5 мкм. Лепесток сnУЖИТ штаркои, вхоцящей ,
в разрыв светопровоца и частично закрывающей световой поток. Пе
рецающий конец световоца соецинен со светоИзnучающим циоцом, а
приемный - с фотоциоцом. Этот микрофон является безопасным в I10;..
рючих и пажароопасных срецах.
В [ 18J описан оптический микрофон, в котором имеются два па-•
рабоnических зеркала, оцно из которых выполнено в вице акустиче
ской диафрагмы и изменяет свое фокусное расстояние поц цействием
акустического сигнала• . В прифокаnьной области мv.:крофона располо
жен источник света, а в прифокаnьной плоскости жесткого зеркала
приемник света.
При поцаче акустического сигнма :на приемник света пацает
моцуnированный пучок света, освещенность приемника света меняет
ся, что создает на выхоце фотоприемника переменный сигнал.
Ддя использования в абонентских устройствах оптико-волоконнь\х
систем связи применен оптический микрофон, в кот·ором оптическое!
волокно разрезано на 3 части [ 19]. Первая часть волокна неподвижна
и является провоцником света от источника. Вторая, короткая часть,
скреплена с поцвижной частью мембраны. Третья (выхоцная) часть !
также непоцвижна и является источником моцупированного света.
Модуляция света происхоцит всnецствие того, что в исходнvм сос
тоянии оси всех трех волокон совпацают и световой поток максима-:
пен. При перемещении поцвижной части мембраны только часть све-
та попацает в срецний отрезок волокна • и тоnъко часть света по
пацает на выход, к фО'гоприемнику. Фирма "Сименс.., [20,21] раз- i
работала микрофонную капсулу wrя работы в составе оптического
телефона. Капсула соцержит п~крытую алюминием д,rrя модулирующего
отражения оптического пуча пластмассовую мембрану диаметром :··'· ' 1
30 мм и толщиной .з мкм. '
При ·акустических колебаниях мембраны отраженный световой nуч
отклоняется от- выходного промежу:I'очного световоца •wrш1ой цо 20 1"'
с результирующей АМ глубиной 80... 100",{, в полосе звукового сиг-
нала 300-3000 Гц.
•
В заключении сnецует сказать, что проведенный анализ совре1
менного состояния работ в области волоконных оптических преобра
зователей не является исчерпывающим, тем не менее мажно сцеnать
вывоц о возмажности созцания широкой номенклатуры принципиально!
новых акустических устройств.
1-Iаибоnее актуальными зацачами в данной области являются:
Jl.. Изыскание новых принципов построения оптических преобра-'
зоватеnей wrя световоцных систем связи, наиболее поnно использую
щих возмажности волоконной и интегральной оптики.
2. Совершенствование технологии изготовления преобразовате
лей и разрабm,ка эnементов в интегрально-оптическом исполнении.
З. Совершенствомние метрологического обеспенения волоконных
акустооптических и оптоакустических преобразователей.
87
ЛИТЕРАТУРА
1, Беспятов ю.д., Бианки Н.В., Буланов В.Р., КарнШIIИН В.В.-Тех
ника срецств связи, серия ТПС, 1980, в,ьш. 11, . с . 10-12 .
2. КарНШIIИН в.в. Техника срецств связи. Сер. вое, 1982, вып. 2,
с, 91-95.
3, Патент Великобритании No 2079932 от 27,01.82, кл. НО4 R,
23/ОО.
•
•
4, А. с, СССР No 830661 от 15.05 .81, кл. H04R, 23/00.
5. Патент ФРГ No 2051215 от 25,04.79, кл, H04R 23/ОО.
6, Патент Японии No 5339129 от 19,10.78, кл, НО4 R , 23/00,
7. Патент США No 2835744, кл. H04R, 23/00, 1972,·
.
8. Черенков В.А. Зарубежная рациоэлектроника, No7, 1980, с. 77-81.
9. А. с. СССР No 949849 от 07.08 ,82, кл. H04R, 23/оо • •
10. А. с , СССР No 853827 от <О7.08,81, кл. H04R, 21/02.
11. А . с. СССР No 853828 . от 07.08 ,81, кл, H04R, 23/ОО.
12. Патент Франции No 2247032. от 03.10,73, кл. H04R, 9/00.
13, Патент США No 4071753 от 31.03 .75, кл . 250-227.
14. F,-eq,.цetzi
, 32 (1978) 12, р'. 356-363.
.
•
15, Патент ФРГ No 2046932, кл. НО4 R, 23/00 .
• 16. А. с. СССР No 627599 от 05.06 .77 , кл. H04R, 23/00.
• 1 7 .JEEE Spectr-urn
т. 13; No12, 198i, с, 24-29.
18, Патент Англии No 1576706 от 15,10.80, кл. GlA (H04R,
23/ОО).
19. Патент ФРГ No 285333 • от 26.06.80_,кл. H04R, 23/ОО.
20. Laser -focrAs, 1979, 15, No 7, р. 59. .
•
21. Etectr-oniC!_g
, 1979, No 3, р. З9-4о.
Статья поступила в июне 1984 гоца
8R
.,
Pnc .l,
·Jrrт~ическ!':й ~,w.ш:pcнixm с u,.ветнш"1 VIС'гочниr-:01,1 t,,;зл;/чонм.я.
(J
Т'м с . i'.. ин ·г fI p,{:>epf illf,1101-rны,~ миr<рсхl}с Н.
lf
12
3
89
3
2
f-€1~11
I
2345
7
9
90
f
s
?i:c. 5 . :']OJIOIIOIШЫ :~ ,ап-:ро([:юн.
6
5
91
УДК 621,382,8,011
Канц. техн, наук В,Ф. Ламеюrn, цоктор
техн, наук С.Я. Шац, кандидаты физ.-мат.
наук АМ, Аникин, Н,К, Довченко
ФУНКUИОНАЛЬНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
АНАЛОГОВЫХ ПЕРЕМНОЖИТЕЛЕЙ
Ча~ть 2
Рассматривается мияние геометрической формы структуры на
работу перемножителя в режиме большого сигнала, а также приво
цятся соображения относительно улучшений во внешней электрической
схеме перемножителя,
В первой части обзора [9] были рассмотрены теория, физика ра;,.
боты и принципы интеграпьной реализации функциональных интеграль~
ных . схем аналоговых перемнажителей, Вторая часгь посвящается б~
лее углубленному изучению мияния геометрической формы структу
ры на работу перемножителя, а также рекомендациям по улучшению
его характеристик. Анализ начнем с рассмотрения конкретной реали
зации в вице поn;упровод!iИКОвой ИС,
,
На рис, 1,а показан общий виц кристалла перемножителя, ана-
логично исхоцному, прецстаменному в[l,2] • Это устройство реализо
вано в обычном планарном процессе пзготомения кремниевых интег
ральных схем. Исполь.зуется п и р.-эпитаксиальный слой 1 Ом •см
ТDl!щинсю, 13 мкм, базовая циффузия - 275 Ом/о глубиною 3 мкм
и эмиттер с глубиной 2 мкм, Рациус кажцого полуциска базы сос
тамяет 125 мкм, Скрытый слой и изоляционная диффузия не исшль
зовались,
Этот вариант конструкции АП - чисто эмпирический и имеет
множество источников нелинейности, которые вццны из рис, 1,6,
Как буцет показано дальше, основные источники нелинейности за
ключены в геометрии контактов базы, в укорачивании полукольца
эмиттера (дJiина дуг менее чем "1i ) , и в неоцнороцности эпитак
сиального коллектора, Дополнительные ошибки вносятся несовершен·
ностями фотолитографического процесса и погрешностям11 технD1Iогии
изготомения устройства.
Усо!3еышенствование конструкции, Во-первых, усовершенствова-
~iия коснулись структуры перехоца эмиттер-база. Новая структура пе
рехода база-эмиттер (Б-Э), в которой используется полный круглый
циск базы и кольцевой эмиттер [3] в упрощенном вице по~азана на
рис, 2,а. Кольцевой эмиттер обеспечивает возможность 100%-го
92
отклонения (от О до~ радиан) доменов-носителей при цдеальном расr
пределении потенциала базы. Резистивньrй диск с точечными контакт~
ми (рис . 2,б) обеспечивает требуемое ицеальное распределение по- 1
тенциала и движение максимума потенциала (под углом-!: EJ ) по пе
риметру циска. Конструкция контакта базы новой структуры (рис.
2,9.) обеспечивает почти . ццеальное распре целение потенцтала базы ,
Новая структура Б-Э , показанная на рис. 2.,/1\., была использова7'" ,
на в двух различных конструкциях устройства, в которых использу
ется либо кольцевая , либо прямоугольная геометрия области коллек
тора.
В конструкции коллектора, в которой ток коллектора расщепля
ется на две компоненты, прямq.цропорu1шнальные Вт и ( '5i,-0т ) ,
используется скрытый слой • п' копьuевой конфигур~ции . (рис ~ : 2 , в),
находящийся в · серецине под кольцевым·• эмиттером п ;: Поверхност - .
ное сопротивrrение скрытого слоя (кольцевого) значительно меньше,
чем поверхностное сопротивrrение п-эпитаксиального слоя и коллектор
ный ток шунтируется кольцевыми трек9.ми, соединенньй,ш диффузией под
контакты коллектора ,
Прямоугольная область коллектора, в кvт'i:,рой поверхностное соп
ротивrrение определяется сопротивrrением эпит·акёиального слоя , мо- '
жет формироваться изоляционной дифф_Узйе й. Такая конструкция кол
лектора используется .дl!Я улучшенного перемнажителя и аналогична
конструкции, ранее использованной в устройстве, показанном на
рис. 1,а ,
Если эпитаксиальный слой явrrяется однородным, то деление TOf l'
межцу полосковыми контактами имеет линейную связь с Х-коорци- •
натой центров ifНЖекции доменов носителей [з] . Пинч-эфсрект при
циффузии базы в эпйтаксиальный слой вносит неоднороцность.
Мето.дРМ конформного отображения анализируется распределе
ние потенциалов в двухмерном резистивном диске с точечными кон
тактами и возбуЖцающим источником дифференциального тока
(рис. 2,6), В цилинцрических координатах потенциал в диске составl
ляет :
И(Р В)= u0 {dtп. {{ f+_p 2-2_pcosr&J}/4,Р} +
+(1-о1.) m{{tтp2+2_pcos(B)J/4JJ}} j
где Ua= .f5 J5/2'ii . .Ро - !!оверхностное сопротивrrение и о - ра~
диальная координата, нормированная относительно внутреннего ра
циуса эмиттерного кольца .
Учет реальных размеров контактов в двухмерном аналИзе сло
жен дс\Жё! дl!Я самых простых геометрических форм . Поэтому исполь
зуете я метоц, позволяющий определить такие конструкции контактов,
для которых также правомерен анализ структуры с точечными контак
тами . На резистивном диске графически Изображены эквипотенциаль
ные геометрические места точек для различных величин показателя
моцуляци!i .
-93
Эквипотенциальные линии в областях, близких к контактам,
имеют примерно кр_угnую форму. Поэтому контакты с круглыми пери
метрами и центрами кривИзны, совпацающими с геометрическими ме
стами точек '!'ОЧечных, ; :контактов, могут заменить точечные контактьт
с незначительными отклонениями в распределении потенциала от IГИ
нейности. Максимально возмажные рациусы контактов уменьшаются
с уt~еnичением глубины модуляции. Следовательно, структура (рис.
2,а) может обеспечить почти идеальное моделирование структуры
точечных контактов при определенной глубине модуляции. Из заданно
го циапа3она параметров устройства и рабочих условий (например,
..f,r , ItГ , I Э и d.., ) можно опрецеnить диапазон допустимых величин
цnя рациусов контакта. Проведенные исследования дали [3] следую
щие результаты.
1). Нормализованные рациусы контакто""в в случае периметра
базы должны быть цостаточно большими, чтобы избежать обратного
смещения перехоца Б-Э при требуемой глубине моцуляции и уровне
тока возбуждения базы З.в и цостаточными цпя инжекции цомена:
о
2
J 1'l f+expf"iZ[JBUsэ+Ur,э(дт)/J.. = D}j_pI,r "
гце В Uo~
-
напряжение пробоя при обратном смещении перехоца
Б-Э.
/\
"
2). Н орNoалИзованные радиусы контактов Z о и Z ~ и рациус
эмиттера Z. э цоnжны быть дuстаточно большими, чтобы избежать
модуляции поцвИжности основных носителей из-за эпектрического по
Ш! в сбластях, блlfЗКИХ к конгактам. Это условие обеспечивает линей
ный резистивный характер базы с примесной проводимостью:
,
( Ио/Zэ)/{ ({-Je)/(1- _ p) 2 -t-d ..e/({+p/-}{J~1J/_p/ :: f: Еmлх'
f .fo,(-I -J1)
гце ~е- показатель модуляции;
Lo - нормализованный рациус срецнего контакта базы;
Em<1iГ верхняя величина интенсивности эпектрического поля, при
которой поцвижность основных носителей постоянна.
Конечно, размеры устройства цоnжны быть также совместимыми
с обычной технологией фотоnи,,ографии, а относительные пnанаоные и
вертикальные размеры должны быть такими, чтобы область fia~ы ап- •
проксимировалась _. тактэ, как и двухмерный резистивный слой.
грецварительные условия могут уцовnетворяться при величине
.Ра - 300 Ом/о, уровень тока возбуждения базы порядка 1-5~ 12 мА,
.
и . 95%-ая глубина моцуляции при d.., = 0,025. Номинальные размf,ры
устройства сост9вnяют: 'li = д.25 мкм, Z. 0 = 6,5 мкм и Z1 = 15 мкм.
В реальной конструкции (рис. 2,а) оставлен небольшой зазор межцу
эмиттерным кольцом и контактами базы, чтобы избежать короткого
замыкания перехе>ца Б-Э.
94
Этот метод анализа показал, что и;цеали.зированная структура
(рис. 2,6) обеспечивает хорошую аппрокс::имацию устройства (рис. 2,а)
при глубине модуляции до 95%. Максимально возможнь1й уровень тока
возб;ужцения базы 12 мА - больше, чем необхоцимый для передвиже
ния домена.
Ин)!f;!кция цоменов неосновных носителей формируете я
лом базы вцоль внутреннего рациуса эмиттеRного кольца
-О (1, 8)=2Цу ui{tп."'-( 8/.z)cos(B/.z)}-U; •
,.
где L[ - опорный потенциал в центре контакта базы:
И= Ио fп {(l+.f>o)/4.P,}·
потенциа-
(1)
Нормали.зованные кривые распределения потенциалов при различ
ных значениях показателя моцуляции d., и.зображены на рис. З.
Дифференцируя уравнение ( 1), находим углы , максимумов• потен-
циала:
0m = ±C/..'l.tcos(f-2o1..j.
(2)
Арккосинусная зависимость Вт ,от J... показывает, что 95%-ая
глубина моцуляции требует лишь 80%-ой глубинь1 модуляции fJ,,, (в
сравнении с рис. З d=0,025), поэтому нет необходимости, чтобы
максимум потенциала точно совпадал с контактом базы. В этом за
ключен смысл того, что бЬльшей глубинь1 модуляции можно достичь
при реальной конструкции контакта.
Комбинируя уравнения (2) и (1), получим выражение потенциала
мяугла0m : _,
о< ('f- -d ..)
1
U(1, EJm)=Uoшfd (f---d - _) ] -U .
Графики (рис. 4) иллюстрируют пространственную зависим.ость вели
чины максимума потенциала.
Учитывая, что кольцо эмиттера представляет собой экв1шотенц1f
альную поверхность ·и возб;ужцается источником тока, потенциал пере- .·
хоца ,Б-Э составляет:
цбщ,
Uоэ (д): Uoetz { (iэ 1Js,47)/I·S1-т} + Uo 6z f{{ fao<(&j,)cof{0!г)j} {
-Uotll,,z[tlrzJi{{tf (,1/2)CfJs(%J]lj 01⁄40 с!А]
(3)
-
о
/
где {!о - обычное термонапряжение (пкТ/ i,);
.J3 - общий эмиттерный ток оцного домена;
. ,l/ - константа, записанная в вцце переменной операции интегри
рования.
На рис. 5 прецставпены кривые потенциалов перехоца база-эмит
тер при фиксированных уровнях !э и тока возб;ужцения базы ~б в за
виси11,юсти от углового положения домена .
Формы кривых показывают широкие пики и это прецполагает сла
бую инжекцию доменов даже в том случае, когда уровень тока воз
б;ужцения значительно увеличивается. Инжекция экспоненциально за-
95
висит от потенцищ1а перехода Б-Э, и могут со::щаваться довольно уз
кие домены , Формы кривых также указываюr на обратное смещение
перехода Б-Э в областях, приближающихся к максимуму потенциала.
• Комбинируя
уравнения ( 2) и { З), определяем потенциал перехо-
да Б-Э JJ,JIЯ углов clrn :
о(_ (f-ol.} Vs/uo
[lsg (0m)=Uoи{f.Тgifs..iт)/zs1rт} +l/4 l!п{oi (f-,,t_) }
-
-Ооtп{(1⁄2) J{ia-<P/4JttJs{3⁄4)J~}Ll0/t1o dл} ~ C4J
о
графики которого на рис, 5 ямяются огибающими профилей потенциа
.лов перехода Б-Э, незначительно увеличивающимися около &т= О,~ ,
Используя (3) (при экспоненциальном законе изменения напря
жения на перехсщ:е) . и допускаs;:, что потенциал перехода Б-Э ямяет
ся постоянным по рщ:~:иальной ширине эмиттера, находим нормализован-
ную плотно:т; ;;;:71;:~(;;;j;s(&l:;)};,j Utf!Uo
tEv
- {ffir) Jlftп;1/Aiz)tps{)i/г)JJ(j6/(Jdfi ' (5)
о
гце lt::ц - плотность эмиттерного тока,
Семейства кривых плотности э~•иттерного тока изображены на рис. 5,б
( в соответствии с кривыми потенциала перехода Б-Э при оцинаковых
уровнях тока возбУЖцения базы З. в.). ,
Области усиленной инжекции ( LE(B)/LEu 7 1) ямяются областями
формирования цоменов . При низких уровнях тока возбУЖцения базы цо-
ме1.1ы имеют широкую конфигурацию и сильно асимметричны, при )Т
лах с максимальными потенциалами они л1ШJс,;9 слегка сцвинуты в сто
рону от сбалансир ованн ого положения 0m = 7• /2. Слецовательно, угло
вая коорцина~ центра цомена Вс не совпацает с Вт, кроме случая,
когца Вт = 1t 12,
В тех случаях, когца уровень тока возбУЖцения увепичивается,
цомены становятся более узкими и более симметричными в широком
циапазоне 0111 , и улучшается согласование межцу 0е и tlm . Хотя
при этом в полной мере проямяется принцип цействия цомена, он ста
новит~ односторонним, когда tJт приближается к крайним значениям
О и 7v рациан.
Из уравнений ( 4) и { 5) получаем пиковую величину плотности
эмиттерного тока :
о(
(i-clJ LJ,5/tlo
Lc(0J
1 d 'lf-t1<.)
)
l(1
(6)
/Ev
={1/x)7J {{tпt1.(4zj(t?J(t•/2JJ2Jцiju"d)
о
91:i
График рис. · 5 показь,вает г.riуби~у· моцуляции, выше которой ·пикова·я
._
инжекция прибпизите.riьно постоянна (более 75%-ой Вт и бо:пее
85о/о-ая а. ) . Урав(шние ( 6) позволяет опрецепить критерий- выбора
уровня тrжа возбужцения эмиттера З.Е' который обеспеqи13?ет раt5оту
в . режиме инжекции. _
Статические. характеристики переХоца база;_коnпектор цпя цвух
конструкций (кольцевой -и прямоуголыi-оt!:) областей коллектора полу
чены по геометрическому месту точек угловых ( 0с) и горизонталь
ных (XJ коорцинат центров цоменов.
•
t:Jc~ угловые коорцинаты центра цомена опреаеляются из урав-
нения: •
.
·_
·.
]s1n(AJ{{tп.'1/A!z)Cl)s(Л/z)J}ш·1uDdл •
0с(,,!_k': tп·'f:1Co.s-(A){{tll"'(Л/4Jeos(,Y,JJ'}°'/V. ,lА 7.
В ицеаJIЬном случае (когца цомен симметричный) • Вс совпацает с
_
6)117 • Асимметрия цомена : при низких уровнях тока возбужцения _ба
зы привоцит к выс-окой нелинейности характеристик перехоца база:
коллектор .при _:КоJIЬце-вом коллекторе. д.аже если · работа устройства
улучuiается, когца уровень тока возбужцения· базы увеличивается, не
JIИнейность, рбуq~овленная (с!симметричным искажением цомена при
крайних значениях смещения, н_икогца не может быть иск111Qчена в
АП; в котором целение тока в коллекторе_ происхоцит по направпени_ю
той же оси, по которой располагается ц·омен . Это, по-вицим6му, основ
ное ограничещ1е, накпацываемое . на работу АП, не возникает в че
тырехквацрантном умножителе, описанном ниже, в котором характе
ристика перехоца база-коллектор зависит от цвижения горизонталь-
••; ·;;J':"k,):;~:J {?'t";.: (А;;);;(,4JJJи~dА
с ;IJ{i trid,(Aμ)~(Лμ)]-ljUti/410 dA • •
гце К - постоянная, опрецеляемая ,.rеометрией • .
fеометрические места точек Х указывают на пинейную зави-
"
/!
•
с
симость межцу Х и Хт цаже при низких уровнях тока возбужцения
базы и при значе~иях глубины моцуляции, прибли-жающихся к 100%,
Например, когца величина 0m ц6стигает О , либо -~
рациан, асим
метрия ц·омена небольшая, тем не - менее цомены jl.,Меют . заметное
распрецеление в направлении: У, которое цает по Хе слабу_ю асиммет
рию, Линейное цвижение по 'Х , являющееся резуJIЬтатом точной. вза-
.
.
с
имной компенсации межцу асимметрией цомена и распрецелением по
окружност·и, не зав~сит от уровня тока возбужцения базы. Кроме то
го, линейность . по Хе нечувствительна к изменениям темпе,ратуры и
зависит лишь от оцнороцности исхоцного материала устройства и .
его геометрической формы.
97
Искпючительно глубокая моауляuия, которую можно постичь в
этой структуре ( паже с относительно широкими аоменами), обус
ловлена асимптотической траекторией цвижения аоменов по направле
нию к коллекторному контакту .
Устройство с кольцевым коллектором (рис. 6,а) изготовлено· на
п, и р эпит1J.ксиальном 10 Ом•см слое толщиной 10 мкм со скры
тым слоем п+_ 12 Ом/о при помощи того же процесса, который был
использован при_ изготовлении первых конструкций перемножителя.
Анапиз структуры Б-Э поатвержаает хорошее совпацение межцу тео
ретическими и экспериментально измеренными величинами угловых
координат центра аомена ( рис. 6,б).
Другой четырехквацрантный перемножитель (рис. 7,а) изготов
лен с использованием технологии, иаентичной технологии, которая
использовалась при изготовлении первой конструкции АП с цобавлени~
ем изоляционной аиффузии р-типа аля формирования коллекторного
прямоугольника . Скрытый слой не используется. Реакция устройства
на пилообразный сигнал, поцаваемый на базу, указывает на значитель
ное улучшение характеристик по сравнению с ранее разработанными
устройствами.
Сравнение этих авух устройств показывает, что большие нелиней
ности, имеющие место в ранней конструкции, главным образом обус
ловлены ·геометрической формой баз_овь,х контактов и неточностью вы
полнения эмиттерного полукольца (его укорачивание).
Сравнение характеристик авух вариантов АП выявило остаточную
нелинейность в характеристике перехоаа база-коллектор нового ум
ножителя. Она опреаеляется по статической характеристике i:Iepexoaa
база-коллектор ( рис. 7 ,б). • Источник этой остаточной нелинейности
рассматривается ниже.
Динамические характеристики качественно _ оценены путем реали
зации операции перемножения пилообразного и синусоицального
( 50 кГц) сигналов. Устройство исслеаовалось вплоть цо 1 МГц ( ско
рость перемещения цомена равнялась 700 м/с), при этом отсутст
вовали виаимые искажения.
Применение оанороцной толстой области прямоугольного коллек
тора не объясняет нелинейность пинч-эффектом при аиффузии базы
в область поп круглой структурой база-эмиттер. Эффекты этой неоц
нороаности . коллектора проанализированы п_осреаством грубого моае
лироваiшя цвухмерного резистивного слоя. Результаты моцелирования
привецены на графике ( рис. 8,а), и показывают влияние параметров
слоя на характеристику перехоца база-коллектор АП.
Нелинейность коллекторного перехоца, вносимая в общую нели,
нейность АП, аает преаставление о форме остаточной нелинейности,
имеющей место в существующих устройствах ( сравните с рис. 7_,б).
Оцин из возможных метоаов улучшения оцнороцности обл1;1сти
коллектора состоит в формировании пр~оугольной конструкции базы
(рис: 9). • Токи
смещения базы в этой структуре еще, сильно огра-
98
ничны обпастями, окружающими эмиттер. В этой конструкции может
сохраняться относительно высокое коппекторное сопротивление, опре
цепяемое - уцельным . сопротивлением эпитаксиального .;поя.
• Испа~зование прямоугольного . скрытого споя п
цnя шунтирова
ния · эпитакЬи11:.11Ьного споя обеспечивает относительно низкое сопрГ)тив
пение коJщектора. · Устройство с · эпитаксиапьным 3 Ом •см споем
т9пщиНО.\О. • ·10 мкм со скрытым споем п + поряцка 400 Ом/D имеет
собстветН:~.':сщ1ротивпение комектора окопо 200 Ом. Результирую
щ~й' ,?nитiicj\"~ljl,Щ,I~ спой имеет поверхностное сопротивпение пр~бли
зитепь.цо · 4QОО. Ом/ о и хорошо шу1,1тирует ся скрытым споем п •
XsIPs\~Tig~pтиiи эксперим~нтальных ИС перемножи;тепей имеют
ограничения; цi!лагаiэм.1,iе процессами фотолитографии и ! технопогичес-
• кими процессами изготовления. Спецовательно, цаже еtпи перемножи
тепи обеспечива;iот улучшенIJые шумовые характеристики, по цавпение
паразитнь1х сигщ1,прв и стаб~пьность, то технологиче_ские аспекты ока
. зывают существенное влияние на работу устройства,
Пеj)!Э_мнржитель в вице ИС, в основу конструкции которой пол~
жен прюi_цип r(омена-носите .ля, изготовленный на современном уровне
.техники, о~~.чечим13т улучшенные характеристики при применении в
точных устройствах.
Контроль · за цопусками фотолитографии и в остальных операциях
тех;нологического процесса яв.1щется опрецепяющим в цостижении успе
ха при реализации таких характеристик,
Применение нового принципа аналогового П!W§МНОЖЩ!Шl. в ратчи
ках магнитного попя, В бопьшей части тверцотельных цатчиков маг-:
нитного поля используется эффект Хоппа [ 4], проявляющийся в том,
что поток основных носителей в тонкой провоцящей ппастинке созцает
поперечное электрическое попе при наличии перпенцикуnярного магнит
ного поля~- Результирующий выхоцной сигнал цатчиkа обычно состав
ляет милпивольты и часто сопровождается явлениями, которые обус
повпены цействием цругих гальваномагнитных или термомагнитных
эффектов, и поцвержены погрешностям из-за неправильного распел~
жения контактов, - В ( 5] описан цатчик на основе транзистора с гори
зонтальной р-п-р структурой, Оцнако цо сего времени все полупр~
воцниковые цатчики были равновесного типа, т,е, в процессе их ра
боты возникает некоторая сипа восстановления, прецотвращающая
цальнейшее· отклонение носителей (формирование цоменов),
Описываемые ниже устройс'Iва [6] имеют высокую чувствитель
ность, так как отклоненные носители, формирующиеся в цомены, не
генерируют сипу восстановления, свобоцно перемещаются по замкну
тому пу,ги, особенно по окружности кольцевой структуры, Эти устрой
ства имеют еще и такое свое образное свойство, как генерация вы
хоцного сигнала в цифровой форме (обороты в секунцу). Направление
вращения зависит от направления приложенного поля и прослеживает
ся по выхоцному сигнапу на трех или более ответвлениях по окружн~
сти, ilpyгoe применение устройств состоит в опреце11ении направления
99
магнитного вектора, приложенного в плоскости структурьr, которая
может бьrгь использована в качестве цистанционного цатчика направ
ления с очень малой массой и __ объемом, созцающего почти синхронные
аналоговые . выхоцные сигнат,.,.
.
Естественно, что образующийся цомен вецет себя - как упоминае
мый . в учебниках 'элементарный провоцник" в магнитном поле, и а.ля
проверки этой. гипотезы построены · различные линейные и круглые
, структуры, некоторые из которых · обеспечивают ана_логовое считыва-
ние положения цомена, испЬльзуя резистивные слои, которые •цейству~
ют как горизонтальные колпекторы р-п-р структур и являются срецст
вом цля опрецеления центра . цомеца, в то время как в цругих исполь
зуются цискретцые колпектор:ь_!, ·обеспечивающие опрецелеJJие . коорци
ilат цомена при его .вращении. Ниже описана· первая ,кQ!:JСТрукция коль
цевого устройства, чувствительного к магнитному полю, в ко1ором
показание угла поворота цомена считывается резистивным кольцом, о-
на кi:Уrором созцаны контакты в четырех точках, разнесенных . на . 90 .•
На рис~-- 9 показаны осно.вные части цатчика -,(они цаны не в
ма·сштабе) ~-- Все области являются кольцевыми и образованы с ис
пользо13аншэм станцартных метоцов циф:рузии~- Эпитаксиальный ело!\
П-,-ТИПа С уцеЛЬНЫМ СОПрQТИВnением примерно 1 Ом•см ~ ТОЛЩИНО.Й
5 мкм образует коллектор п-типа планарного п-р-п транз~стора и
ба.;!у транзистора с гоjжзонтальной структурой р-п-р типа. Коллектор
ограничивается обычной изоляционной цифрузией (не показано) в пре
целах примернQ 500 мкм в циаметре. Диффузией бора образуется
а.иск 6, котарый используется как база транзистора п-р-п тщ1а /,1
как .· коллектор транзистора с горизонтальной структурой p-'-n-p типа:, .
контакт с которым осуществляется посрецством металлизирощшного
кольца около его центра~ Внутрен!!е·е колыiо .7 образует контакт по
его цлине и эмиттер транзистора •р-п-р, а внещнее кольцо 5 образу
ет контакт в четырех точках, действующее оцноврем.енно как второй.·
каллектор цля транзистора р-п-р типа и как резистивный целитель
+
.
.
.
тока. Кольцо скрьrгого п слоя помещено поц активной зоной транзи-
стора с горизонтальной структурой р-п-р _ цля поццержания высокого
значения отношения горизонтального · переноса тока к вертикальному.
.
.
.
+
И наконец. циф:рузией фосфора образуется эмиттерн.ое колыiо п · типа
транзистора п:..р-п, которое оцновременно ~бразует контакт вцоль
всей цлины эмиттера.
Оба эмиттера возбужцаются от внешних источников питания с
равной величиной токов 1-10 мА, и все коллекторные rtере:х:оцы сме
щаются в противоположном на·нравпенци на несколько вольт. Почти
весь ток эмиттера транзистора п-'р-п типа течет через эпитаксиаль
ный циск к центральному контакту~-Приблизительно половина тока
эмиттера транзистора р-п-р типа течет по направлению к центру ц✓с
ка базы (цругая половина течет к резистивному кольцу)~-- Этvт ток
пр,отекает +поц споем с высоким уцельным сопротивлением • через
эмиттер п типа перец появлением его у центрального базового кон-
l0C
такта, В устройстве с ицеапьной симметрией конструкции цопжна ос у-
ще ствляться оцнорЬцная инжекция, оцнако эта система является по ·;
своей прироце нестабипьной и небопьшой разбаланс ( температурный
грациент, тепловой шум, неоцнороцность циффузии и т,ц,) вызывает
регенеративное группирование носителей, которое привоцит к увепиче
нию цомена в произвопьной _ точке на окружности и концентрации там
процесса инжекции не основных носителей,- Бопьшая часть областей
эмиттера в этом случае поцвержена обратному смещению, ·
Для иссnецования процессов, протекающих в магнитн ")м цатчике,
целесоо~разно иметь эквивалентную схему работающег о уст ройства.
На j:)ИС, 16,а показана эквивалентная схема локальной области при-
бора. Конечную структуру всего прибора практически н евозыож но смо
целировать, так как реапьные цвухмерные распрецеnе ния т,жов и по
тенциалов опрецеляются с большой труцностью.· Тем н е мен ое в при nе
ценной моцели легко локализуются перехоцы р-п-р-п структ у ры, поэ
тому он11 может быть испопьзована цля моцелирования процесса реге
нерации,
Величины сопротивлений моцели опрецеnяются с испопьзованием
рис, 10,б, откуца вицно, что особые свойства моцели опрецеляются
очень низкой величиной RвL .- Так им
образом, можно сцеJiать вывоц,
что это является причиной несовершенства ус,ройства, так как инжек
ция эмиттера р-п-р транзистора слабо изменяется при возцейст вии
тока коллектора п-Р:,.п транзистора и цомен поэтому буцет чист о циr\r
фузионным, Лучшим вариантом копстрJкции м оже т быть форми r ,)ванне
в кристалле цатчи1ш скрытого слоя п тип а, допускающего б олыную
потерю носителей,
Когца устройство при поцкт оче нном питании помещается в маг
нитное поле с плотностью В, все 11о с итеm1 ( основные и неосновн ые,
в цомене или в резистивных сл оях) поцвергаются цейс твию сип Лоре н
ца (j,(Vt8) , · гце V- соот ветств:,1ощ11й вектор скорости носи тепе й,
и этим просто иллюстрируется п r;нвлоние резупьтирующег о t1гю щ е11ня
цомена по часовой стрелке, к о гца п опе нахоцится в плоск ости п :1;1у п р о
воцника. Упрощенное объяснени е· принцип а пе йствия устrой с тва м с,же т
быть получено с учетом тока, направщ,1111 ::, r· о внутрь, • 1ере з о бп асть
базы транзистора с гори _~онтапьной стру,; т •, JJ O Й р-- п - μ, срецний рац11-
ус которой составляет Р, дырки, нн жектнруемые из [щ нной точки
эмиттера, претерпевают отклонение ,, перемещаются на край цис1(а
Р-типа с некоторым смещением по окружности, при этом потенциал
базы в структуре п-р-п типа повыш ае тся в точке приnоже нип смещ е..с
ния, центр электронного цомена смещается поц эмиттером п-типа.
В свою очерець это вы:;ывает измен ен ие минимума п::>тенци ала R эпн
таксиапьном слое ( база р-п-р структуры),' что привоцит к п ере ~1с щени н
центра цырочного цомена на небопьшое расстояние d, • Ппя п ::> лп й,
прецставnшощи~ интерес, d буцет изменяться пропорционально шшря
женности поля. Время, требуемое цля изм е нения этой величины, яв
.,rяе тся суммой нескопьких зацержек, Доминирующим буцет то значе
ние, которое ::>бусловnено перемещением цырок через базу структуры
101
~п-р типа, равное 1/Wт • Отсюца МО)!<НО быстро вычист1ть время,
требуемое цля оцного полного оборота.
Выразим его через частоту вращения
,fГ'"' /( fт•в
R
гце В - плотность магнитного поля, перпенцикулярного Пlшскости пt>
лупровоцника;
К - коэффициент пропорциональности, являющийся главным обра
зом функцией эффекта Холла;
R- рациальное ра<::стояние межцу центрами цырочных и электрон
ных цоменов.
Теперь можно полагать, что основным критерием правильной ра
боты цатчиков, основанных на этом принципе, является опрецеленная
степень группирова_ния носителей, обеспечивающая необхоцимое направ
ление их вращения. Практически постаточноцаже незначительного груп
пирования носителей в локальном участке устройства~- Это свицетель
ствует о возможности существования нескольких структур устройствз,
в которых отсутствует правильное образование цоменов.
В ипеальном случае устройство полжно было бы иметь ицеаль
ную круговую симметричную форму, и при оч:~нь слабых полях цомен
цолжен был бы перемещаться по окружности. В реальных устройствах
всегца буцет требоваться опрецеленное критическое поле цля преоцt>
ления торможения в тверцотельном приборе, которое, как можно прец
полагать, является результатом неск_ олъких вицов неоцнороцностей,
вызванных:
а) изменением глубины циффузии в структурах;
б) изменением концентрации легирования; ·
в) наличием температурных грациентов;
г) механическими напряжениями, возникающими при креплении
кристалла и при соецинении вывоцов;
ц) послецующей цеформаuией кристалла из-за ц_ефQрмаuии корпуса
в условиях эксплуатации;
е) остаточной намагниченностью материалов, используемых цля
изготовления корпуса;
ж) неточным совмещением фотошаблонов;
з) случайными цефектами различных вицов.
Так как эмиттеры цолжны быть узкими и цлинными, а протекаю
щие токи . большими, то пацения напряжений на эмиттерных перехоцах
также вызывают искажения~- Другим источником а-симметрии является
источник, обусловленный неперпенцикулярностью поля. Появляющаяся
при этом рациальная составляющая буцет являться причиной перестраи
вания цомена вцоль рациу~а и его перемещения поц цействием перпен
цикулярной составляющей.
Проблему асиммет_рии можно преоцолеть, испозьзуя цля смещения
поле переменного тока,
102
Структура второго варианта устройства [7] отличается от струк
туры, описанной выше, тем, что она имеет о:венао:цать о:опопнитепьных
коппекторов р-п-р с труктуры о:nя того, чтобы точно опрео:елить по
ложение о:омена, и не имеет скрытого споя поо: базой транзистора с
горизонтальной структурой типа р-п-р (ри~- 11)~-
Устройство имеет о:иаметр 6QО._мкм и изготовлен на поо:пожке
с уо:епьным сопротивпением 2 Ом,см, Диффузия бора созо:ает обпасть
р-типа, имеющую поверхностное сопротивление поряо:ка 12 О Ом/ о ,
о:иффузия фосфора формирует обпасть п-типа с поверхно=ным сопро
тивлением, равным 4 Ом/□~-
Впияние но12.мапьного магнитного попя на прибор объясняется спе
цующим образом, Магнитное попе искажает распрецепение потенциалов ,
которое обусловлено потоком носителей в кажцом транзисторе таким
образом, что обратная связь,- цействующая на другой транзистор,
смещает их по кругу на расстояние, приблизительно равное Wjf В ,
гце W - расстояние между перехоцами эмиттер-база р-п-р и п-р-п
типов, В - пл~::~:,ность нормального магнитного потока и jlA -поцвиж
ность носителеи,
Эффект отклонения имеет место в транзисторе с горизонтапьной
=руктурой р-п-р типа и, кроме того, в области коллектора транзи
стора п-р-п типа обе составляющие . 1:!меют тенценцию вызывать вра...
щение цомена в том же направлении, Так как имеется конечное время
эацержки, связанное с цепью обратной связи, конечный результат со
ответствует равномерному вращениI<:> цомена по окружности поц влия
нием нормаnьного магнитного попя ,
•Сравнение относительных вепичин поцвижностей цырок и элект
ронов в устройстве показывает, '!ТО эффект отражения в обпасти кол
лектора структуры п-р-п типа._явnяется цоминирующим фактором гори
зонтального смещения цомена, Аналогично, время переноса цырок че
рез горизонтапыrую базу структуры р-п-р типа явпяется о:оминирую
щей составпяющей времени задержки в цепи обратной связи~- Это вре
мя переносэ. может быть аппрок'симировэ.но• вырю~_сением 1/2'7i/т;·· гце
Jr - граничная частота транзистора р-п-р типа, Еспи J{n,. -
поцвиж
ность электронов в области коппектора структуры п-р-п типа и С -
алина окружности прибора, то частота. вращения цомена fi приближен- ,
но опрецеnяется при помощи слецующего выражения:
f,., ~ ./"ii I т;<Jll11 •.,в
Таким образом, частота враm:,ения пропорци онапьна плотности
нормального магнитного потока В, Поцставив аппроксимированные па
раметры о:пя о:анного прогипа• устройства, получим, что цпя созцания
частоты вращения цомена поряцка 10 кГц потребуетс5! плотность нор
мального магнитного потока, равная примерно О, 7 Т.
д.пя т о го чтобы проо:емонстрировать вращение цомена, 12 кол
пекторов прибора (магнитного о:атчика) соециняются группами по три
так, чтобы образовать четыре токовых выхоца~- Эти четыре выхоца
lОЗ
соеаиняются с четырьмя преобразователями ток-напряжение с тем,
чтобы выхоаящие токи от четырех квадрантов прибора можно было бы
воспроизвести~-На прибор поааются: напряжения смещения перехоаов
коллектор-база структур р-п-р/п-р-п типа, равное 4 В, ток э~иттера
п-р-п структуры - 16 мА и ток эмиттера структуры - 9 мА. На рис.
12 показана осциллограмма четырех выхоаных токов, когаа к УС'!:РОЙ
ству приложен нормальный магнитный поток с плотностью О, 7 т.
Вертикальная шкала имЕ!~Т размерность 1,5 мА/аеЛ::~ горизонталь
ная шкала - 50 мкс/цел.
По положению импульсов можно вицеть, что имеет место враще
ние цомена~- Частота вращения составляет приблизительно 1 О__кГu,
в уцовлетворительном соо11ветствии с приближенным расчетом.
Промежутки межQу импульсами соответствуют времени, когаа
центр аомена нахоаится · в оQном из зазоров межQу 12 коллектора'ми~
Этот зазор составляет примерно 6 мкм, т~ё~- aolv!eн имеет малую ши
рину по сравнению с цлиной окружности прибора, Изменение магнит
ноrо поля вызывает изменение положени.я им_1!_ульсов, и таким образом,
можно суаить о направлении вращения 11tо:мена,
В случаях высокой плотности_ магнитного потока частота враще...,
ния домена пропорциональна В, но существует пороговое значение •
плотности потока; iiиже которого нет вращения цомена,- Этот порог
у описанного прибора аовольно высокий_ ( обычно О,З Т) и потому ог
. раничивает возможные его применения. На рис. 13 · показана зависи
мость измеренной частоты вращения аомена от плотности нормально
го магнитно~~ по~ока аля прибора с условиями смещения, привеаен
нь~ми на рис. 12.
По рис. 13 можно выявить пороговый эффект и ПJ)1:>гнозируемый
характер зависимости при высоких плотностях потока,
Исслеаования формы колебаний выхоаного тока прибора, когаа
плотность магнитного потока уменьшается до порогового уровня, пока
зывают, что домен тормозится в некоторых точках. Это торможение
обусловлено структурными неоднородностями в приборе, возможные
причины которых описаны в [ 6].
•
Могут бь1ть описаны и аругие аномальные эффекты в работе при
бора~ - Опреаелено, что частота вращения аомена зависит от токов
эмиттера в п-р-п/р-п-р структурах, обратного напряжения смещения
коплек1:ор-база, температуры и, кроме того, плотности магнитного
потока.
Описанный аатчик магнитного поля, построенный на принципе
вращения аомена-носителя, является устройством, которое аостаточно
просто интегрируется вместе с вспомогательными схемами на оаном
кристалле. Главнь~м недостатком устройства является высокое порого
вое значение магнитн_ого поля, которое требуется аля врJЭ,щения .- аоме
на~ - Оцнако устройство в существующем вице имеет высокую чувстви
тельность ( обычно 14 ' ·:кГujТ) к росту магнитного поля п·ри значени
ях выше порогового уровня. Так как любое изменение частоты слеао-
104
вания импульсов на выхоо:е легко измерить, то приб~:>ры могут быть
использованы о:ля контроля слабых маrнитных 1D лей.
Таким образом, такое устройство может быть использовано о:ля
приема не п рерывного сигнала, который переносится магнитным поле~
или просто о:ля обнаружения изменений плотности магнитного потока.
ЛИТЕРАТУРА
-
1,- В. ()t-"ttfer-t . Новые пр1,i_боры с планаl?ным р~спрео:елением~
осн ованщ,,~ на принuипе о:омена._ - lEEE :f1tt .So&.d - .5'fa.te
f'trcиt-U" Соп.:f. ?[)t~.
'Тесh. ;юре!", 1?т5 ,?Р lьс- 16-7.
2~-д}ti!-'ert,t. !jовьrй ~етоо: о:ля аналогового ;f!v!НОжения~- - lEEE
'J. ofSot/и--Srд eQ"t,,caiu, lt'ct.3C-t0, tV6, {916 , pp - 'IH-L/L/1-
3~:J. :}rrz._ i. th. . Электроника о:оменов носителей ~- Метоц прост
ранственного распрецеления в функuиональных интегральных схемах .
f/2 .]) , _ о:иссЕ:,l;)Таuия, университет Флорио:а, 1974~-
4 . flaft Е. Н Относительно нового цействия магнитных и элек
трических токов. - Лт.J. лtath-, 19т8, .Z, p . .Zcff.
5~- f!udS0/1, Е. {'.
Полупровоцниковые магнитные преобразова-
тели~ - Патент США 3 ~389~230, 6 января 1967~ -
6~ - B .Gt'fter-f, Новый цатчик магнитного поля, в котором ис
поль зуется принuип вращения цоменов-носителей: прео:полагаемая кон
струкuия УСТQОЙства.- - Е tect!'-onic!: L eftef"J', (916', vot.12, #23 ,
РР· 608 - бЮ.
а !Заппаs. .
7~-мап&;;- /Yl.f!;!Зfwdwoztlz (iб'. С/17 Новый о:атчик маг-
нитного поля, в котором используется вращение о:оменов-носите лей :
принчип цействия и практичесJ,ш~ характеристики ~- - Ef'ectro11t'cs
1,..ettel'-S, ftJfG> ff, ;Vov-, voc. 1'1, Al.13..; р.б/0.
~ , f../J,:ff'
8},./!lea,,-c :Jм_ep_./'(')Ud t'c~шt"t, JJate _!З~ok, .;pNлf_ ~' и·
9_--
Ламекин В . Ф., Шаu С_. я., Аникин А .М ., Довченко н..JS. Функ
uиональные интегральные схемы а11алоговых перемножителей . Часть
1.--
Техника срео:ств связи ~·- Сер~·- ВОС, 1982, вьm ~ - 2 .-
Статья поступила в июле 1984 гоца
105
+
fi- ,<J Ir1
• 11•2
f11-rJJ,
~Iм,
Т• 300' к_
· Рис.I.
;.•
~...............---+-_ о ...............~, bl
· топология второго варианта перемножителя:
а) Микрофотография устройства и условия возбуждения
б) Нормированная статическая характеристика перехо
да база-коллектор, показывающая нелинейность
устройства и её зависимость от уров~я тока
возбуждения базы.
106
О:)
ff ".-=-~
~. , . ;... rt•CIIO~
8)
Рис.2.
Геометрия перемножиТ0Jiей:
а) Полная круглая коне трукция перехода Б-Э.
6) Идеализированная структура двухмерного резис
тивного слоя структуры Б-Э.
в) ПJiоская и вертикальная геометрия кольцевой
структуры кОJLЛектора п +.
107
f-'
о
а:
-et•qs, е,..~ t 90•
at=0 .11 ,D,..=!&6.~ •
о( :qo01, В- .=.! э.в2.•
Рис.З. Нормированные профили потенциалов на периметре диска базы в зависи
мости от mу6иньr модуляции. Максимум потенциала !J.<?Jtaзaн пунктирной
·и~~~~~-~~~-~-~~~
__
щ1,в11щ; ]и,,
-1~
___
U(t, 8"JIUS
0,е'"
линией.
Рис.4. Эквипотенциальные геомэтрические
места точек в резистивном диске рис.2
( 6) с mу6иной модуляции в качестве
']Г
'1[t2
о
аргумента.
U.н
1--'
о
(О
-U1;9(8)
---U6э(8111)
e,ew:
Ui1
'IГ/2
'JБ= {ОмА
1э=fнА
о
вг,--
.
-3з<8)1:J,и
\- _ -:;3<8,..)/Jэи
\rt,:(l.967
01 \/
Jc= (ОнА
/
1
1
«=00:JJ ,'
,"/
о
Рис.5~ Графики соответствующих друг другу потенциалов перехода
Б-~ и профилей плотности тока эмиттера в зависимости от
тока возбуждения базы и глубины мопуляции. Пунктирными
линиями показаны маr~симальные ..потенциа.,w перехода и плот
ности пикового тока. Профили плотностей тока показаны
при температуре 300 и 350°К. Плотности пикового тока
больше при температуре 350°К.
1-"
1-"
о
О, -;rt- ~ - ;c~er;..,.·...;_ 'F.ro~. «о";. /
с ~ иs-м-т=,оо•ос /
~,l
+
~I,.1
8
А
- <i(f-tl.)Ji
i2•J,
-< !ctii
«)
(tf'd] ••• м;atc•н..,•.tТ"::&so•tt 1
я
т
о•,
о
1•= .1tfA
I =1""
з
/
П/2
s,
о..,
r,
Рис· б. Аналоговый перемножитель с ко-льцевой конфигурацией коллектора и
скрытым слоем п +:
а) фотогр..фия устройства и условия возбуждения;
б) статические - теоретически предсказанные и экспериментально
измеренные угловые положения центра домена.
О'" и От получены экспериментальным путём через
( Iк2 - Iкr) и oL соответстnенно.
у
\1
Рис.7.
l&•S~
]'J" f11A
-
Т"30о'х
••• т•эso•t(
Усо вершенствованный перемножитель:
а) фотогр&фия устройства, показывающая две струк,
туры области .&-Э с прямоугольным эпитаксиль
ным коллектором и условия возбуждения.
б) зависимость нормированного дифференциального
коллекторного тока от глубины модуляции
базовой области.
111
Рис.В
r
1/
(J.)
а) Зависимость нормированного дифререн11иалыюго
коллекторного тока от глубины модуляции облас
ти базы. Общ:..я нелинейность получР.на для
характеристики перехода база-коллектор с уче
том коллекторной неоднородности.
б) Конструкция перемножителя с прямоугольной
областью базы.
Рис.9. Конструкция магнитного датчика:
I - контактные окна кольцевого э!V1Иттера;
2 - квадрантный контакт;
3 - линейный. резистои·
4 - контакт базы;
5 - внешнее кольцо р-типа;
6 - эмиттер п-р-п структуры;
7 - эмиттер р-п-р структуры;
8 - эпитаксильный контакт;
9 - подложка р-типа;
10- кольцевой скрытый слой.
]13
f--
f--
,1>,
(./мА
---~
1
2
1tIkJ
-
-
---
-- ---
3
_,_
~
4
-
llJJ•6
-- --
Ч
5
--'---+-____.._-
-
-t---+---r----------
-
-
-
-::L
---
-
а)
-
-- g-
.Pиc.IO. а) Эквивалентная схема датчика с сосредоточенными пара
метра.NIИ.
1--'
1-- '
(Л
/Rвt.
r /_'"
\R-r."P,
I~~
Rc
C:=J эпu,.,аксиоtr1ьн•1.:. слой, 15к!~в
~ с1<рыть;а ело~, 150м/1<в
~ 30<30<) 500 Ом/кв
-
п1,tн'l-с11ой, IОк. /1<.в
о)
Ри~.IО.6) Модель в виде сектора для вычисления эквивалентных
сопротивлений.
Pиc . II . Общий вид кристалла датчика 1.1 агнитного поля .
116
Рис. 12 · осциллограмма выходных токов устройства
при нормальном . магнитном потоке с
плотностью 0,7 т.
Рис. IЗ. График частоты вращения домена как
функция плотности нормального магнитного
потока
117
УДК 621.376.57
К.С. Комаров, канцицаты техн. наук · Г.Н. Jro- .
'
ТОВИЧ; в:Ф: Jlамекин, ~нж. А.И. Папков ,
• в.д. cooi:i.'lщ~
••
..
.··
•. •·.
"
ОUЕНКА ЭФФЕКТИВНОС111 РАРQТЫ UЕПЕИ
КОМПАН.l1ИРОВАНИЯ И ВЫБОР СТРУКТУ_~ЩQЙ с)<ЕМЫ КОДЕКА
ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО , ИGДQ;IЩ§НИ Я . •
- : ;{~_;1~--
• Рассмртрены разпичные структурн.1,1s, · схемы цельт.а-коцеков. По
~а заны пути улучшения__их качества и возможность раз~ботки в ин
•гегральном исполнении.
В послецнеР. время при выборе способа цифро-:-аналогового преоб
разо.~ания речевых сигналов цпя систем_ связи прецпочтение, как пра
виг.о, отцается цельта-моцуляции (ПМ ). Данное обстоятельство объ-
ясняется главным образом тем,' что среци известн . осqбов цифро-
аналоговс1го ПIJ8Образования сигналов, цепьта'-моцу •
ется
таким важным преимуществом, как воаможн\)С'Гl;, (9
' i;iЬJ(;;OKO~; .
JiIDМехоэащищенности восстанавпиваемоРо СЩ'ЩВЛ& ПР!f l:lll~KPЙ i:::itopocm
~ереца~ цифрового потока И сравнительно ~е1>ОЛЬ11П!Х а~п~ратур~ЫХ:- 3а.,,.
tратг.х.
·
.
Немаловажным постоинством це~Тl!t-МDдуляшiи яв_J!Яется так же
сравнительно простая структура цифрового ДМ-сигна.ла. Это значи
тельно упрощает зацачу коммутации выхоцных сигналов · цельта-коце
ров, уменьшает послецствия возможных сбое.в в каналах связи, а · так
~е играет существенную роль при специальной обработке цифровых
·сигналов .цпя организа!(ИИ разпичных цопопнительных вицов обслужива
ния в системах связи. Напр11мер, при использовании ПМ значительно
упрощается зацача суммирования и . объецинения цифровых сигналов при
организации конференц-связи по сравнению с использованием ИКМ ~-
Интенсивный рост интегральной микросхемотехники, наблюдающий
ся в послецнее время, созцает значительные персп~ктивы цпя проиэ
воцства цельта-коцекDв в интегральном исполнении.
Таким образом, в настоящее время становится актуальной раз
работка структур и метоцов расчета цель-га-коцеков, · оптимальных цля
реализации в ви::tе ециной интегральной микросхемь~-- Как известно ,. [ 1,
$), цпя обеспечения хорошего качества преобразования сигнала в циф
ровую форму, при относительно низких тактовых частотах, применяет
ся компанцированная цепьта-моцуляция (КДМ), причем при обработ
ке речевых сигналов прецпочтен11е 1 как правило, отцается коцекам со
слоговым (инерционным) компг.нцированием~~
. В · настоящее
время известно множество разпичных структур цель
та-коцеков- с -инерционным компанцированием , цпя обработки речевых
li8.
сигнапов, разработаны и проверены на практике апr-оритмы работ це
пей компанцир ования и метоцы расчета наибо,11ее перспективных из
них, Так неппохие параметры имее'II.' цепьта-коцер, показанный на
рис, 1 и соцержащий: К - компаратор; РЕГ
-
реr-истр сцвиr-а с раэ
ряцностью; ? - погические схемы _ совпацения; 1 - поr-ическую схе
му объецинения; СФ - споговый фиJ!Ьтр ( споговый интегратор); УС -
усипитепь; L - - ~умматоРi АИМ
-
амппитуцн~импупьсный моо.упятоРi
И - интегратор;
Апгоритм работы цепи компанцирования такого коцера описыва-
ется системой уравt1ений [ 21:
\
\i, а ~ rVrт •У-1е-2 !'~ <е-,1= &~ i~~. J;
с*:= У:!!!- ,/1+ {uJ'L)l J
гv
V= r.. (\/c--i-Vo) ~
гце Иrr, - амппитуца вхоцногс~ гармонического сигнапа;
V ~ - напряжение на выхоце споr-ового фиnьтра;
V - размах напряжения, управщпощего интегратором;
(1)
Е - размах напряжения, управпяющего споr-овым фиnьтром;
Vo постоянное напряжение;
vi:' -
постоянная времени· интеr-ратора;
с.и
круговая частота вхоцного сигнапа;
а.мппитуца ппотноаги ДМ-сигнапа, характеризующая загруз
ку коцера;
к - коэф:риuиент усипения усипителя в цепи компанцирования к~
цера;
е. - разряцность регистра сцвига,
Как известно, эффективность работы цепи компанцирования опре
цепяется вепичиной относитепьного изменения отношения сигнап/шум
Л [Ре /Ркв] в зацанном цинамическом циапазоне вхоцных сигнапов
[ 2J, Максимапьная эффективность цостигае:гся при ,a[Pc/R: 8 ] =1,
что соответствует максимапьной загрузке коцера во всем цинамическом
циапазоне, Из систем_ы уравнений ( 1) спецует, что цnя коцера, пост
роенноого в соответствии с рис, 1,
~ [Ре /Ркв] =s (/;)it ,
(2)
uткудs; очевицно, что цпя увеnичения эффективности _работы цепи ком·-+!
панцирования необхоцимо увепичивать разряцность {,, регистра сцвига,
При практической реапизации коцера вепичина f ограничена макси-,
мапьным чиспом оцнотипных импупьсов в пачках ДМ-сигнала, которое,
как известно [ 4], опрецепяется из выражения·;
119
гдеj=-2.r;; .:. частота вхоцного сиг_напа депьта,!кодера;
[И•
-
скобки Антье;
.-
(3)
.
-fc.·.,. тактовая частота кодера.
.
• Кроме того; при увеличении разрядности ~-г~стра . /_ в цепи . ком-
пандирования коаера увеличивается . время формировани:я сипiапа управ
пения шагом квантования и~ ' что может oтpиiraтenыiv повлиять - на·' .
. каче =во
прео9разования вхоаного сигнала коаем• . с уч ето м в се го
этого, значение {,, f!'a пр~ктике/ Qбь~чно не пре,вышает . .3 , ..4 , а . вели-
..
qюiад[Рс/РкьJ лежит в преаепах ' 4 . . ;9~ -
•
•,
.
Как показано в [з], эффекта, аналогичного уве·личению разряа"
ности · регистра{, ·можно цобитьс.н путем ввецения в цепь инерционно-
го _ комщэ.наирбвания к6цека вычитателя -/i (ри~ 2) ипи цоnопнитепьной
схемы совпадения и формир6ваrе,ля импульсов ФИ (рис. 3). При этом
операция уме·ньшения. числа симвмов " в ' пачках цифроl'iого сигнала, воз-,
действующего нl'I споговьiй фиm,тр, замен:яется эк:вивапен'rньrми о~~ра:...
циями,: вычитания некоторо?о постоянного напряжения смещения Vfo*
из в~,rходного. напряжения споговDrо фипьтра \/с:·- (рис. 2) и уменьше
ния дпитепьности симвмЬв ·в пачках, воздействующих на споговь,й
фильтр ( рис. 3) . Апг оритм •раб O!' ~ I данных цепей •к омцандир ования м ож-
яо представить в виде спедуюiцих сисrем ура~нений:
•
·11. 1 ~ .tllm Е 1⁄4.f-f (w~)'-
•
..v~
о/2 V
.
..
V~ к(Vc- Vo*)
.
.
•
•
.
1
(4)
jVt.e=i IJ~e*+2(C J~ (1-~)~ (1-Jjcae&~-2/;~cv*
е* ~ 'Ит_ -11 f(wt)l
•
•
,#V
V= K·Ve
.
-
•
.
-t
•
гце Vo - посто~нное наμряжение;
r
-
коэффициент заполнения
ЛЯ· ИМПУЛЬС0В0
Величина L\ [ Ре / Ркв]
(5)
импупьс•ов на !3ЫХОце · формировате-
цnя цанных цепей · компанцирования
опрецеnяется из выражений [ Зj:
120
(6)
(7)
Из {6) слецует, что минимумл[ft /P/<..f,] цпя цепи компанцирования
на рис. 2 цостигается при увеличении вычитаемого . уровня напряже
ния Vo* и коэффициента усиления в петле обратной связи К~ Для це
пи компанцирования на рис;- З из ( 5) и (7) слецует, что цпя мини
мизации д[Рс./Р~необхоцимо уменьшать величину коэффициента за-
полнения О . .
·
Основные труцности, возникаюшие при реаm1зации коцеков с це-,
пями компанцирования, привеценными на рис~ · 2 и З, связаны с необ
хоцимостью обеспечения стабильности и оцинаковости законов измене
ния уровней V в коде~" , _и в цекоцере,· что необхоцимо цпя обеспе
чения линейности амплитуцной характеристики коцека и уменьшения
коэффициента нестабильности остаточного затухания~-
С точки зрения· технологичности прецставления в интегральном
вице прецпочтение слецует отцать цепям компанцирования на рис. 1
и 3, в которых операция вычитания вьmопняется цискретными метD-
цами.
По аппаратурным затратам более экономичной явпяется реа.'Iиза
ция алгоритма работы цепи компанцирования еис~- з, т.к.4[Рс /P~ = l
в случае ( 1) обеспечивается при f ➔ Оо, т.е. при бесконечно бопьшой
разряцности регистра. Стабильность остаточного затухания и линей
ность амплитуцной характеристики коцека всецело обусловливается
стабильностью, постоянством ' и оцинаковостью законов изменения
уровней V как в коцере, так и в цекоцере.- Поц коэффиuиентрм неста
бильнос,_т,и ос1;ат,очного затухания слецует понимать параметр J =
s10 g,, J:!:.!i:: • ко~орый с У'!етом Uo= - Uк_ Va можно записать в
7ui J
v~Vк1
слецующем вице; J.::; l,O f/J _i
'
vк
гце Vк и v~ - соответственно уровни напряжений, управпяюшие основ
ным интеграторо_м в коцере и цекоцере при зацанном значении Ик
на вхоце коцера.
•
Стабильность и оцинаковость уровней напряжений Vк , Vg в ко
цере и цекоцере QЛЯ рассматриваемых цепей компанцирования зависит
сс~ответственно от Vo1 е. И O, причем . незначительные изменения каж
р:ого их этих параметров могут привести к большим изменениям ве-
•• личины остаточного затухания.
Наиболее . просто обеспечивается Раи+ю
наковость ев коцере и цекоцере . т·.к. в этом случае не нужно прец-
121
i!
\
принимать никаких цопопнитепьных мер по стабипиаации цанного па-
рkметр~ В остапьных цепях компанцирования необхоцимо обеспечить
ПОСТDЯНСТВО vq И Qt ЧТО СОПрижеНО С ИЗвеСТНЫМИ труцностяМИ::-
.
Еспи СЧИ:1'8ТЬ1 что коцеки с рассматриваемыми цепями компан-
дирования тактируются с/(!. =64 кlu и цолжны обеспечитьЛ[Р~ /Р~=
=З,2 в цинамическом циапазоне ]) =35 цБ, то цля нйх 1 ' :ПDП~ены
спецующи~а_ значения исспецуемых параметров: Vo =1;? 1 В; {! =4; •
1=0,з2.
-
лV
Коэффициент усипения в петле обратной связи К: д Vc буцет
разпичным цпя кажцой цепи компанцирования, ввицу разпнчия законов
изменения напряжения на спDговом интеграторе~- для цепи компанци
рования, прецставпенной на рис. 2, К=З, 9, цпя· риС::- 1 - К=2, 6 и цпя
рис~- З - K=l 1,4~- Из
привеценных расчетных значений коэффи-ци:ента
усипения, с учетом ранее изложенно·го, можно саепать вывоц, что апя
пракгйческого испопьзования наибопее целесообразно рекоменаовать
цепь компанцирования, преа=авпенную на рис~- 2, как обеспечивающую
=абипьность остаточного затухания и технологичность изготовпения
в вице гибрианой интеграпьной микросхемы при малом значении коэqr-
(ji!:ци:ента усипения в петпе обратной связi-
.
В цепом, ~К ПОКВЗаНО В r3 ], цеnьта::--КОЦеКИ С рассмотреННЫМИ
цепями компанцирования спосо~ы обеспечить цостаточно высокое
каче=во ПJХ!образования речевых сигналов и могут эффективно испопь
зоваться в раЗ1П1чных цифровых системах связi- •
Оцнако, основным нецостатком рассмотренных устройств, с точ
ки зрения реализации их в интеграпьном исполнении, является напи
чие в них бопьшого числа аналоговых элементов: сумм~!оров, вычита
телей, усилителей, амппитуцно-импупьсных моцуJIР.тDров.
Все эти блоки, как правило, реапизуются с применением опера
ционнь~х усипитепей, в сочетании с эпем_~н1.:ами цискретной автомати
ки - ключами, логическими схемами и т.а.
Особую труцность прецставпяет реапизаци:я в интеграпьном ио-
1 попнении слогового фипьтра.и интегрi~ара, -цnя построения которых, __ _
как правило, требуются конценсаторы относитепьно бопьшой емкости.
Таким образом, рассмотренные цепи компанцирования могут
быть реапизованы топько в вице гибрицных микросхем или микросбо
: рок с применением навесных элементов;,- и требуют инцивицуапьной
·, настройки, что сушественно снижает технологичность произвоцства
и нааежность у=ройств, повьпnает их =оимость.
ДЛЯ Dбеспечения возможности произвDцства цепьта-кDцеков в
интеграпьном исполнении необхоцима разработка таких алгоритмов
работы цепей компанцироваеия, которые мDгут б~,!ть реализованы при
помощи топько элементов цискретной автоматики.
Поставленная аацачв может бьrrь решена путем нахождения ал
горитма аискретного изменени·я шага квантования 8' в ааrшсимости
от параметров вхоцного сигнала коае~- При разработке цепи ком,.;
п~нцирования с цискретным изменением шага квантования, весь ци
наN;~ческий циапазон изменения вхоцных сигналов коцека .1) цепесо-
122
i!
··-
1
Dбразно разбить на нескопько более узких поцдиапазоновl)/, кажцЬ...
му из которых ~лжен соответствовать свой шаг квантDвания &·: - \
Основная характеристика коцека (изменение защищенности вое,
станавпиваемого сигнапа А в эависимос-m от уровня вхоцного сигн1-
па 'U) при таком построении цепи компанцирования показана на рис. 14,_
а структурная схема цепьта-коцера, обеспечивающего такую харак- !
теристику, - на рис:- 5:-
1
··-
1
Принцип работы устройства закпючается в слецующем, Как из-+
вестно, •цвух,- трех- и более элементные пачки в выходном сигнале!
Y{i) депьта-кодера появЛР.Ются тогда, •когда сигнал аппроксимации !
{L*(/:J на протяжении цвух, трех и более тактовых интервалов не мf-
жет •~_огнать" быстро нарастающий (ипи убывающий) вхоцной сигнаr
t.L(t) . Наличие многоэлементных пачек в сигнале Y(t} свицетепьет
вует о том, что цепьта-коцер работает в режиме перегрузки и что 1
сигнал ц*(i) (см:- рис:- 5) вDсстанавливается с бопьшими искажен~я~ i
ми ( шумами перегрузки) из-за слишком малого шага квантDвания /J.
Присутствие в сигнале Y(t) малоэлементныХ пачек на протяжении 1
цпитепьногD интервала времени свицетепьствует D том, чтD шаг кван
тования 8' слишком велик и восстанавливаемый сигнал LL-'i(f) имефт
!lизкое отнDшение [Ре/ Рк.в] из-за бопьшDй вепичины Р :- Зная, т~-
кв
1
ким образом, параметры вхDцногD сигнапа, который цолжен преDбра-
зовываться цепьта-кDцером, можно установить:
/
Nmin, - ЧИСЛD импуЛЬСDВ в п_осле~ватепьности !(tJ на выхоце Сfе
мы объецинения (см, рис. 5), в течение некоторого анал!j:
зируемогD интервала времени Т , которое показывает, чт;о
коцер работает с бопьшим уровfем Р и что шаг квантоf-
вания О нацD уменьшить;
кв
1
Nmax - число импульсов в послецовательност·и t(t) , в течение ·
интервала Т , характеризующее необхоцимость увеличения
() цпя устра/ения перегрузкН::-
./
1
Очевицно, что пюбое число импуЛЬСDВ межцу лlm,it и trma'( бу
цет свицетельствовать •о том, что шаг квантования { уцовлетвоj..
ряет как услDвию перегруз.кн коцера, так и условию Dбеспечения ми- .
нимальной эащищеннDст..~, а, слецDвательнD, является оптимальным:!
Поцсчет и анализ импульсов послецоватеl!Ьности /(i} в расс~ат
риваемDм устройстве вьmопняют первый счетчик CTl и цешифратор ,
··-
·-
··-
1
ДШ •( см, рис. 5), Ециничный импульс на первом выхоце цешифратD::_
ра появляется в тот мDмент, кого.а счетчик CTl цосчитает цDNmin..
ТакDй же импульс пDявляется на вторDм выхоце цешифратDра в мо-r
мент цостижения счетчикDм состояния Nmax :-
\
Набор шагов квантования О , с которьiМи может работать щшь
та-коцер, хранится в ПЗУ (см~- рис;:- 5) в вице набора цвоичных чисел
И ПDСТОЯННО пр_исутствует на· ИНфОрМд.UИDННЫХ ВХОЦSХ блока муl!ЬТИ-1
плексDров ВМ , Очевицно, чтD цля Dбесшечения нормаl!Ьной работы \
коцера необхоцимо, чтобы кажцый послецующий шаг квантования бь~
боl!Ьше прецьщущего, т~~~: <)z ?Of ; 53 ;,J.i; .. • ; 0i· 70i-J
123 1
На выхоа блока мультиплексоров в тобой момент време1ш по
ступает только оаин из шагов квантования, причем поряаковый номер
его опреаеляется состоянием реверсивного счетчика СТЗ {см/ рис. · 5)~··
Состояние реверсивного счетчика, в свою очереаь, изменяется сигна-1
лами с выхоаов аешифратора, обработанными соответствующим обра-
зом (рис~- 5), а слеаовательно, опреаеляется пар~метрами вхоа~ого
. сигнала на анализируемом интервале времени Та• Как·· виано из рис. 5,
сигналы с выхоаов аешифратора перец поступлением на реверсивный
счетчик СТЗ преобразуется • тэким обрцэ ом_,_ 1 , что в . случае,
•
i когдэ число импульсов в последовательнQсти , !(t)л/,:-lv'm,'n., ре
версивный счетчик перехоаит в преаыаущее состояние ( операция "-1 "),
в случае, когаа N~ Nmax , реверсивный счетчик перехоаит в слеаую
щее состочrnие (операция "+1")~ - Ес ли
число импульсов в послецова
;тельности t(t) лежит межау Nm1ff. и #тах (т~ - е~~Утмt ~ ;1/тах ),
.то реверсивный счетчик не меняе11.' своего состояния. При перехоце ре
:версивного счетчика в слецующее состояние на выхоц блока мульти
·плексоров поступает слецующее ( большее по ветrчине) значение О ,
из ПЗУ (соответственно при совершении реверсивным счетчиком опе
рации "-1" на выхоц БМ поступает преаьщущее, меньшее no величи-
не, значение О из ПЗУ) ~· Пвоичное число, соответствующее текущему
значению шага квантования,постоянно присутствует на выхоаах блока
мультиплексоров II поступает на первую группу вхоаов арифметико
:Логическрго устройства АЛУ. В: зависимости от значения очереаного
символа в послеаовательности Y(i) , поступающей на управляющий
вхоа АЛУ, текущее значение d либо суммируется, либо вычитается
из результата прецыцуще!I операции, совершенной АЛУ и хранящийся
в буферном регистре БР. Таким образом, на выхоi:\е буферного регист
ра постоянно присутствует авоичное число, отображающее величину
аппроксимирующего напряжения I.L*(-t} ~ -
Преобразование аанного числа
в уровень напряжения соответствую~ей величины произвоаится цифро
аналоговым преобразователем UАП. •
Блок мультиплексоров БМ (см~- рис. 5) преаставляет собой не
сколько мультиплексоров, управляющие вхоцы которых соеаинены парал
лельно и завеаены на реверсивный счетчик, а информационные вхоаы
образуют группы шин так, как показано на рис~- 6~ - Число
ининформа-
ционных вхоаов кажаого мультиплексора опреаеляется необхоаимым
цля обеспечения зацанного аинамического циапазона шагом кванто
вания [ , а количество мультиплексоров опрецеляется разряаностью
цвоичных чисел, отображающих эти шаги квантования~- Буферный рези
стор БР (см:,- рис.- 5) может быть реализован в вице нескольких '])" -
триггеров, стробирующие вхоцы которых соеаинены межцу собой и об
разуют шину С, а вхоцы ". . 1)" образуют группу информационных вхо
аов буферного регистра .,,
124
ФDрмирDвание анапизируемDГD интервала времени Т произво
цится при пDмDщи втDрDГD счетчика СТ2 и элемента экв~вапентн()
сти Э (см.·рис. 5)~ -
ДвDичнDе ЧИСЛD, поступающее из ПЗУ на вторую группу ВХDЦОВ
элемента эквивалентности, цDткно быть равно числу тактовых импуль
сов поспецоватеnьнDсти { с , уклацывающихся в интервал времени Т •
Тогца ПD прихDцу пDсnецнегD TЩ(TDBDГD импульса, уклацывающегося а
в анализируемый интервал времени Т ( т:е~- по окончанию интервала
Т ), на выхоце элемента эквивапентн'ьсти Э пDявляется · ециничный
и~пульс, сбрасывающий первый и второй сс.ч~тчики и R.$ -триггеры,
и разрешающий пepexD[J. реверсивнDГD счетчика СТЗ в спецующее или
прецыцущее состояние.
.
Таким DбразDм, компанцирDвание в цаннDй схеме Dсуществпяется
путем периDцическDго анализа парамеТР.ОВ вхDцНDГО сигнала и циск
ретнDГD изменения шага квантDвания О, КО!Dрым Dперирует АЛУ в
кDнце кажцDГD анапизируемDГО интервала Т •
Привецем DснDвные СDDтн_ошения и ме4°Dцику расчета рассмотрен
нDГD цифрDВDГD цепьта-КDЦера.
Как известнD, мDщнDсть шумDв квантования Ркв при прямDугопь
НDЙ ступены(е ·.аигнапа аппрксимации цпя линейной це.rtьта-мDцуляции
Dценивается выражением [ 1]:
gг.(8Uт{·д{
р/(8=Т
.
8' с.. 2.
•
.Те
гцеU111- амплитуца вхDцнDГD сигнала цельта-кDцера;
(8)
rJ величина шага кван·rDвания;
т, - частDта вхDцНDГD сигнала;
/, 'f - пonDca частот J?ХDцный сигнап~в, преDбразуемых коцеком ;
- f.c. . тактDвая частDта цепьта-коцека.
УсnDвие перегрузки цля iIИНейнDГD цепьта-кDцера мDжно выра
зить спецующим уравнением [ 1]: }iif 1/. 111 = 6'-fe.
(9)
С учетDм TDГD 1 ЧТD МОЩНОСТЬ ВХDЦНDГо синусоицапьнDго сигнала
равна
iL7n
Рс= т
и, п оцставив ( 9) в ( 8), п опучим выражение цпя оценки
го отношения сигнал/шум восстанавливаемого сигнала :
{ Ре: /Pк€]rn0/f= О,DП-8 • f{c:f. ;,
И с учетом (9) : ['Ре. lpu]-= О 103 te 1/пт
•
/1
'
rJ"'л f
( 10)
максимально-
( 11)
(12)
125
Как известно. защищенность восстанавливаемого сигнала опрецеляет-
ся выражением: _д-= -(О q7 !--P~/PкtJ .
(lЗ)
Из рис~- 4 слецует, что шаг квантования ~ 'цля кажцого цина
мического поцциапазона "J .) , '=,!/(t'+ 1) ~{/'/ необхоцимо устанавливать,
исхоця и;э условия обеспечения минимально цопустимой защищенности
А~/,.,; ~-· Тогца из ( 12) получаем
,..., .
✓
I
-<.
1
Ot,' =
(),/03•fс•Uт,
<1/ [Рс/Ркr!,]т,,'п
( 14)
гце {- поряцковый номер цинамического поцциапазона;
[f~/Pк-i]nzitz - минимально цопустимое отношение сигнал/шум, опреце
ляемое из (13) . -
Очевицно , что верхняя граница l -го цинамического поцциапазо
на lj(t'н) (см. - рис~.. 4) опрецеляется из условия перегрузки ( 9! и
может быть оценена при помощи выражений:
Urщt'-н) = cJ:· • {с ·
o!'!Zf }
-
~о 11-r~'п)
{/(t'-ц) ~ о(, l'.1?
,,,
-J q1-15J/.i7
( 15)
(16)
Тогца величина l -го амп,mтуцного поцциапазона с/, ·может бьrгь
опрецелена слецующим образом:
.
{4' = Uщ(l'+-1)
"'
i[c,·. fс . >
1imt'
д-f Ил1t
а с учетом (14) и (16): .~---:3,------7
d.1,' ~tJ f33 •~2 .!;. [PcJPк,J /7l-1 ' 11
:-.
JX =Уо=,11)~~ 7
гце.1) 0 - величина оцного цинамического поцциапазона.
(17)
(18)
(19)
Как слецует из (18), значения цинамических поцциапазонов не
зависят от поряцковых номеров и равны межцу собоi-
Очевицно, что число цинамических поцциапазонов 1.(1 необхоци
мых цля обеспечения зацанной ширины общего цинамического циапа-
(20)
Число цинамических поцциапазонов, как . спецует из рис. 4, 5 и
6, опрецеляет . необхоцимое число грацаци.й шагов квантования J' и
число и~формационных вхоцов мупьтiшnексоров в БМ (см. рис. 6).
Число мупьтиппексоров к · в БМ, · можно оп.рецепить при помощи выра-
жения:
к= f иg.z tf:71axJ +I "
гцедтм опрецепяется при помощи выражения
Из выражения ( 14) так же спецует, что
(21)
( 14) при !lmt"=!/щ;,~
cl/c~,,J = tf; ~~~v == ct:· dt' ,
гце dt • опре целяется из выражения ( 18 )~-
Тогца величину шага квантования в зависимости от номера
ского поцциапазона !)1ОЖНО опрецепить спецующим образом:
·
rft· ==-rf1 · d/t-,J .
·
.
(22)
цинамиче-
( 23)
• Как спецует из (18), (19) и (20),
щего цинамического поцциапазона Jt'
нижнюю границу . соответствую
у Qобно вычислять при помощи
выражения: //t, '; ;::: /jt + (/ t).])o .
(24)
При опреQеnении •необхоQимой разряQности АЛУ, буферного регистра
и · UАП целесообразно воспопьзоваться выражением:
/" = [ &?j,,t, lfпиn(A.')(J/ +1~
(25).
гQе 't - необхоцимое число выхоцных шин АЛУ, равное числу инфо~
мационных вхоQов буферного регистра и UАП.
Для окончатепьного расчета цифровогСJ цепьта-коQека остается
те·перь опрецепить параметры цешифратора. Если принять, что срец
няя крутизна ВХОQНОГО СИНУСОИЦаJJЬНОГО СИГНапа КОЦеКа .f =.f/ f llfl7
а среQнюю крутизну аппрксимирующего напряжения S'a . на интервале
Т можно опреQеnить j;!,З выражения:
а
а\ = t7';1/
•
ct
Та, •
(26)'
гце N- число импупьсов, поступивших на первый счетчик за время
Т (см. рис. - 5), . то Qnя нижней границы t' -го QИНамического поQ
а
Qиапазона Qоnжно вьmопняться условие:
cJ;· Л/tmn.
Та
ТогQа QЛЯ верхней границы
& !Утм
Та,
Из (27) и (28) с учетом
{ -го Qинамического поцциапазона
== 1/f l/л-,f/1-1).
(14) и (15) cneQyeт, что
( 27)
(28)
127
(29)
(30)
Таким образом, цля нормальной работы рассмотренного цепьта-
1: коцера .. nва состояния первого счетчика Nпчни #'таrцоткны быть вы
целены цешифратором L1Ш (см·;· рис·~- 5).-
Общая разряцность (число вы
хоцов) первого сче ,mmка можно опрецепить, как
Р=l to;,l Уmщ-JJ+1 .
(31),
Интервал Та при расчете целесообразно выбирать сои_змеримым с
цпитепьностью слогов речевого сигналs.
Разряцность второго счетчика, формирующего интервал времени
Та, равна:
(32)
Метоцику расчета цепьта_;коцека рассмотрим на примере . Доп ус
тим , цпя расчета коцека имеются слецующие исхоцные цанные:
1) защищенность канала связи А;п./11..=3 О цБ;
!
2) цинамический циапазон вхоцных сигналов_]) =35 цБ с грани-
1 цами Ут/п = -25 цБ , Утt1х =+10 цБ;
___
3) полоса частот вхоцного сигнала • /
=3,1 кГц;
•
4) частота, на которой произ~цится ра_счет, / =800 Гц;
5) тактовая частота коцека fC =64 кГ.
Расчет целесообразно провоцить в слецующей послецоватепьности:
1) из выражений ( 11) и ( 13) опрецепяется максимальная защи-
щенность канала, которую возможно обеспечить при зацанных исхоц-
ных цанных: [Ре/ Р1:13] то.r =-1,351, о ; .,fтч == 33, r д.ь .
Если Amav:L- А,,,,,,. то коцек не реализуем и цпя его реализации
необхоцимо либо повысить тактовую чаgтоту /с , либо снизить требо
вания к качеству преобразования (А, Лf , f j ;
2) из выражения ( 14) при i, =1 (1./h?i= t/m т,i-,) нахоцится df=
=7,42 мВ;
3) при помощи выражений
do и.:Dо :
( 18) и ( 19) опрецепяются значения
4) Из (20) вычисляется число цинамических поцциапазонов
lL=lO~ Слецоватепьно , разряцность мультиплексоров в БМ равна 10.
5) при помощи выражений (23) и (24) составляется таблица,
гце Yi- нижняя граница соответствующего цинамического поцциапазо
наi
128
i•1
2
3
45
6
7
819110111
дi (мВ) 7,4 11,3 17,5 26,8 41,1 63,О 96,6 148,21227,3r48,5
iiff,'{lfз.Б) -25
-.'.21
-
18 ..- 14
-10
-6,4 -2,7 1,0 ,4,7 ,8,4] 12,1
71,/( мВ) 6 1 94 144 222 341 523 802 123011886,28994430
Oi- величина оптимапьного апя аанного о:инамического поааиа
пазона шага квантования;
6) Из выражения (21) и таблицы нахоаится число мультиплексо-
ров в БМ К=9;
•
7) Из (25) опреаеляется разряаность АЛУ, буферного регистра
и UАП 'l,=13;
_
3
,;
8) Из (29) и (30) при Т =3• 10 с 13ычисЩiется /V(lt('п=79 и
Nтси =1 22;
а
9) Из (31) и (32) опреаеляется разряаность первого и второго
счетчиков:
р=7и$=8.
Таким образом, известны все параметры, необхоо:имые аnя раз
работки принципиапьной схемы цифрового аельта-коаека по структур
ной схеме рис. 5.
К сушественным аостоинствам цифрового коо:ека слецует отнести
чисто цифровую обработку инфррмации с применением аискретных ин
тегральных микросхем, возможность обеспечения иаентичности функ
циональных узлов в коаере и аекоаере, технологичность изготовления
в интегральном исполнении или же в вице сборки. Рассмотренный ал
горитм работы цепи ком п анаирования позволяет, при необхоаимости,
без сушественного уменьшения отношения сигнал/шум расширить аи
намический о:иапазон преобразуемых сигналов, уменьшить тактовую ча:
стоту, снизить инерционность п ри отслеживании за вхощ1ым сигнапом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пепьта-моцуляция. Теория и применение • М.П. Венеаиктов,
Ю.П. Женевский, В.В. Марков, Г.С. Эйаус. - М.: Связь, 1976.
-
272. с.
2. Котович Г.Н., Шульга С.Н. _ _ Исслецование цепи компанаирова
ния в моцеме с цельта-моо:уляцией. - В _кн.: Исслеаование узлов и
компонентов рааиотехнических устройств.-Рига, Риж. попитехн. ин-т,
1979, с. 3-15.
3. Котович Г.Н., Шульга С,Н. Некоторые обобшепия аналого-циф
~ового преобразования при о:епьта-моо:упяции. - В кн.: Исслео:ования
по электроо:инамике и теории цепей.-Рига, Риж~ попитехн. ин-т, 1981,
с, 68-73.
129
4 . Станке Г.С. О некоторых с:!'руктурных параметрах сигналов
линейной цельта-модуляции. - В кн.: Исслецования устройств, преобра
з>~щих электрические сигналь~·-Рига, Риж. п от1техн~- ин-т, 198 З,
с. 52-57.
5. Котович Г.Н., Ламекин В.Ф. Особенности построения низкоско
ростных коцеков с цельта-моцуляцией 0 - Техника срецств связи. Сер.
Внутри объектовая связь (БОС) , 1983, вьm~-- 1;
Статья поступила в июле 1984 гоца
130
,..
vJ
1-'
..,,;:.
---
·
-- ---j,
,,, ~
-
:.
-
~rr~,-----,J<It
'
'
!
.
!
-j
Р[Г ! L-jТl r=l Vc г-:
r-i
·
.-
НС'Р г--1УС -- .--
,
'
Q
f 9-'
: :_•
_ ,_t
._
:
~e_j
[}).(t}
j~ r. -L-fг; •
.
,
:-·
... •L·
~ :!V
-----------ti ~ t-
1
•
Jд~мl· 1~ ~v.
Рис.I. Дельта-кодер с многоразрядным регистром сдвига в цепи компаJ-Щирования
----
...ТL
Vf+ '
j[=2Г---,.-1 ;
f:(t '
~
;+у
•,.. ;-1 РGГ ! !--fГ11" :1 crpi v, • 1 ~ 1•1УС
AIIM -
,-;
'
г-L-,
.
i___J
L_J
;~·
:
.
'
.
i
. .-,&.! i
i,;
,,
i
μ
:Vc
;fr ----~
Рис.2. Цеnь -инерционного компанцирования с двухразряд.нык
регистром сдвига и аналоговым вычитателем .
.:
YftJ
-
-
,---,
---------: qзи ~
ij,
rлс.З.
Uепь инерuиовного компан.11ирования с !lБ.'tхразр.я.!lНЮI
регистром с:двига и nискретным вычr,та.ниеw ,
ДА
Аmш
/
-
7
'1
i
/
/
11
/i
!
D...
D
--- ----,,...СС..---------
(х~овная хара.ктеDистика дельта.-кодека. с
uепью !{1:;МП8-Н.!1И'ООВ8.НИЯ •
132
L:И':D0!30Pc
Рис. 5. Струnурная сх-. цеаь-rа-ищера с цхфрОъоl
цепью КО11П18НД11РОВ8И11Я .
•
Yr·O
Nmax
... .,. _1- -. ____ R Т 1------+-1
..__--i~
--~х БМ
~=============~ у
АЛУ
/.с--t- -+C БР
t===========:>:v
• 133
i,
11
'
1
!!
i
1
Х1
Xi
ir1' ~
1
.
1
1
:1•
1'
.
1
1i
'i
11
1i
Х1
~ -r~
,.
МП2
МПn
о. -<
i
i ~r..;.:______+;--iX• .
1
\_
~
1
i'
L
.
!',
....------)
?ис .6 . Структурная схема блока мультю1.лексоров .
•
134
УДК 681.7.086
Кана. техн. наук В.Ф. Ламекин, А.С . .,Сав
'расов .
СХЕМОТЕХНИКА УСИЛИТЕЛЕЙ ВОЗБУЖдЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
ОП111ЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ССС
Рассмотрены особенности схемотехники усипителей возбужаения
источников оптического излучения с мощным выхоаом, применяемых
при созаании световоаных систем связи, в том числе и поавижных
объектов.
Выхоаная световая мощность источников оптического излучения
относительно пинейно зависит от тока, протекающего через них, поэ
тому они могут быть использованы как в аналогавых, так и в цифро
вых устройствах световоаных систем свяэи ( ССС) по[tВижных объектов~
В усилителях с мощным выхоаом - устройствах возбужаения излуча
телей (в зарубежной питературе они имеют название - арайверы)
-
моаулирующий ток наклааывается на постоянную составляющую тока
смещения, протекающего через светоаиоа ипи инжекциоiнный полупро
воаниковь!Й лазер. Его величина колеблется в преаелах 10-200 мА
в зависимости от структуры попупровоаника. Размах моцупирующего
импульса тока лазера аостигает 500-1000 мА. Поэтому выхоаные
каскады драйверов выполняются нз мощных высоковмьтных транзисто
рах (в том числе по схеме Дарлингтона), имеющих импульсный кD1IJiек
торный ток свыше 200 мА .
. • Источнrfк
излучения может непосреаственно включаться как в
коллекторную или эмиттерную цепь транзистора, так и на вь~хоа уси-.
пителя через разаепительнь~й конаенсатор с_ отаеnьным смещением
излучателя по постоянному току, - в зависимости от виаа моауляции.
драйверы также могут быть построены на _ операционных усипителях
и выхоаных мощнь~х транзисторах. На рис. 1 привеаена с~ема с тем
пературной стабилизацией мощности излучения светоаиоаа. В схеме
использованы ОУ типа 140Уд10. На рис.- 2, 3 привеаены , примеры
схем арайв еров на ОУ без применения · выхоаных транзисторов.
В основе аналоговых арайверов, как правило, используется схе
ма преобразователя 'напряжение-ток", как показано на рис. 4. В циф-
ровых арайверах вь~хоаной ток логической ипи импульсной схемы ао
попнительно усипивается. При использовании V-tviOП выхоаных тран
зисторов выхоаной ток арайвера может аостигать значения 600 мА.
Схе~а _црайвера с вь~хоаным V-МОП транзистором приьеаена на
РИС, 50
135
На рис . 6 показан ' Пример использования к омпаратора напряже
ния типа 521СА1 и 521СА3 в црайвере, испоm,_эуемом в инцикаторе
уровня вхоцного сигнала светоизлучающих · диоцов. Выхоцы компарат~
ров чеf"=З р-п-р транзисторы непосрецственно поцкпючаются к свет~
циоцам . •
На ри с~- 7 показано сочета!!_Ие ОУ, полевого и биполярного тран
зисторов в аналоговом црайвере . Аналоговый црайвер цля ЧМ-моцуля
:uии может быть целиком пос_троен на транзисторах и выполнен в гиб
: рицн~ппеночном исполнении .
Также вьmу<:'каются полупроводниковые микросхе11,1ы црайверов цля
дифровых систем. Параметры первых простейших микросхем црайверов
Ьерии 155 привецены в табi- 1 ~- Принцип иальная
схема црайвера на
'микросхеме 155ЛП7 привецена на рис~ - в. ·
Таблица 1
Параметры микросхем с мощным выхоцо м
'
Наименование параметра
Тип микросхемы
'
133ЛА7 155ЛИ5
155ЛА7
,Ток потребления в состоянии логи-
ческого нуля, мА
22
65
Напряжение источника питания мик-
росхемы, в
5
5
Выхоцное напряжение в состоянии
логического нуля , В
0,4
-
Выхоцной ток, мА
30
300
Время зацержки рапространения
при вкточении , нс
25
26
Зарубежный аналог
.5 N 7422 Sл,'7 5452
155ЛП7
11
5
0,4
300
20
S/175450
В табл. 2 привецены основные параметры црайверов, выпускае
мы~ зарубежными фирмами, а на рис~- 9-'1>;i - их принuипи :,льные схе-
мы. В основу таких микросхем положено _вкпюче11~е мощных зыхоцных
транзисторов с открытым коппекторным выхuцом .
Выпускаются и црайверы цля цифровых схем с открытым эмит
терным выхоцом~ • Основные пар_~метры црайвероь с открытым эмиттер
ным выхоцом приве[(ены в табJ10 3, а их принципиальные схемы - на
рис . 15-18~- На
рис~· 19 _показана схема включения световоцов с
црайвером типа 559ИП4.
Параметры микросхем серии 55 9 привеаены в табл. 4. Д.ля циф
ровых световоаных систем можно использовать также и арайверы по
схеме Д.арпингтона. • Основные параметры таких арайверов 11_ривеаены
в табi- 5. а эш~ктрические принципиальные схемы
-
на рис. 20,а,
136
'< "19
~
Таблица 2
Основные параметры некоторых типов зарубежных црайверов
Тип микросхемы
Вьmолняемая логи - Выхоцной ток
Допустимое напря-
ческая функция
транзистора, мА
жение, В
SN'55450
Pos,ft've АЛ11>
20
S,1"75460
с цвумя транзисто-
рами
300
30
SN'75451
posit/ve AJYJJ
300
20
SN55461
30
SN75452
posit/ve !VA-N'..l>
300
20
SN'55462
30
~ ,/75453
Pos itt·ve-OR
300
20
SN75463
30
5,/75454
Postit'v - /YOR
300
20
.sн'55464
30
stl 49700
pp.f1i, 've ;VA-Alд 11 /Josit/re 160
30
st/ 49800
ЛllltYJ) с транз~- l
МСВ54140
4 - вхоцовый "A#JY'
40
10
.] ) HOO!l ( S,v'oo1)
with tvOR. 11J'TROBE
150
40
л/ HOOl,1
//
1
200
40
Быстроцействие,
нс
20/20
18/18
26/24
18/16
27/24
500/400
160/220
160/220
1-'
"'(JJ
Табпица 3
Основные параметры арайверов с открытым эмиттерным выхоаом
Тhп микросхемы
Выхоаной ток, мА
Напряжение источников
Быстроаействие, . нс
питания, В
ДНО035
1000
+30 В
60/60
-40 В
Дl-10008
1600
+40 В
5000/5000
800
+28 В
МНООО7
.
+500
+28 В
50/75
-500
-40 В
8Т23
Зл/75
100
+7В
20120
559ИП4
l!JJЛI 2981А
350 500
+50 В
U.l)ЛI 2982А
30/30
U.])/V 298ЗА
350 500
+80 В
U])N 2984А
Таблица 4
Параметры микросхем серии 559
Наименование параметра
Тип микр0<;:хемы
559ИП4 559ИП5
Потребляемая срецняя мощность, мВт
230
390
Напряжение источник_~ питания, В
7
7
Напряжение на вхоце. В
5,5
5,5
Напряжение на выхоце, В
5,25
5,25
Выхоцной ток цля состояния погической
единицы, мА
100
250
Входной ток, мА
12
12
Срецнее время зацержки распространения
сигнапа, нс
20
20
Тип зарубежного анапога микросхемы
8Т23
8Т24
139
f-'
,j:>
о·
Тип микросхе-
мы
1)S75491
JJS 7 5492
.J.S 8861
YS 8863
Основные параметры црайвгров по схеме Дарлингтона
Количество Рисунок
Номера вывоцов
црайверов в схемы
корпусе мик-
росхемы
4
20а
1, 7,8,14 - вхоцы
2,6,9,13 - эмиттер
3,5 ,10 - колпектор
4 - общий
11 - напряжение
б
21а
3;_5,8,10,12 - вхоцы
1,2 ,6,7 ,9 ,13 - вывоц колпектора
4 - общий
11 - напряжение
5
20а
4,6 ,12 ,13,16 - вхоцы
2,8 ,10,15,l - колпектор
3,7,11 ,14 ,17 - эмиттер
9 - общий
18 - напряжение
8
21а
2,3, 6,8, 11 , 131_15, 1 7 - вхоцы
1,4,5 ,7 ,10,12 ,14 ,16 - вывоц
колпектора
9 - общий
18 - напряжение
Таблица 5
Выхоцной
Напряжение,
ток, мА
в
50
10
250
18
50
10
500
18
21ai структурные микросхемы, со11ержащие четыре или шесть 11райве
ров, показаны на рис~- 20,б, 21,б.-
Таким образом, промышленностью освоена широкая номенклатура
интегральных схем · 11райверов ;с большим 11иапазоном выходных токов,
быстро11ействием, схем включения, которые могут бьrrь использовань1
для п.~строения как цифровых, так и аналоговых светово11ных систем
связи.
ЛИТЕРАТУРА
1 ;),,nea!" :Jniej'tafed _р,:rещ! _-!А.ТА ~o~:~fg,13.
,
2. Интегральные микросхем1;>1. Справочник. По11 ред. Б.В. Тараб-
~ина~- - М~; Ра11ио и связь, 1983~-
Статья поступи.тiа в .июле 1984 года
141
С! ---1
~ r-т--, /t---r- -~ - -,
Rf
С2
Рис.I.
Схема црайвера на ОУ с температурной ста6иJ.IИэацией
мощности из.лучения светодиода.
,--------u -t 12, 8
Vt
RI
R2
Рис.~
~----~-~s
Электрическая схема драйвера на ОУ с выходным
усилителем мощности.
142
+Еп
R1
VI
Cf
о~--11 i------1
R2
-Е,,
. Рис. 3. Схема драйвера на ОУ.
R.3
Rэ
Рис. 4. Схема аналогового драйвера, пос!r'енвая по
принципу преобразователя "напряжение-ток .
.•
1-'
+l=.n1
+Еп2
. i,,.
. i,,.
RI
r
С]
/
1
11 R2
/
/
I
/
I1
•{!'\ Vf
~1/
&1
1
1
1V3
V.Z
Рис .5. Схема драйвера с выходным V -МОП транзистором.
1-'
~
(Л
])f
~
·
IJ2
~
Рис.6. ·схема драйвера на компараторе напряжения.
-r/2 13
~
'
О)
;:;;
Рис.7. Схема аналогового драйвера на ОУ и полевом транзисторе.
iЧ i!
98
г-
-
-
--,
1
1
1
1
1
1
яz1
1
1
~
1
-
1-
-,
1
i!
Рис . В . Схема цифрового драйвера на ИС типа I 55JIII7 ,
147
f-'
~
ф
5
j5
бп~
~
7О-
"
о
~&
21~
t1)
2
Рис.9. Схема цифрового драйвера Рис.IО. Схема цифрового драйвера
на рдвоенных логических ИС.
с выходНЬI:м:и транзисторами
с открытым коллектором.
1-- '
.i ,.
со
6>-
6
7
7
4
1/_
f
2
2
3
о
Pиc.II. Схема цифрового драйвера Рис.I2. Схеыа цифрового _драйвера
с двухта.ктньiм выходом на логи- на логической ИС с выходньnvm
чес1шй ИС.
т_ранзисто_ра~-vrи с открытым коллектором.
. ...
.ел
о
г---------------:::-=.о- -,
1
.
&-~
•
& i----.~ ·
9
1
1
о---4
1
.
1
1
-~в 1
1,
&
5
"
~
1
1
2
-~
5
--
1
1
7
1
L _______
. ------ Б
____
_J
Рис.IЗ. Схема цифрового драйвера на матрице логических ИС.
!.. • .-: :;:;;
f--
(Л
f--
s-
9
G
Рис.I4. Схема uифpoF>oro драйвера на логической ИС и :еыходным мощным
п,анзисто-ром: I,2,3,4-Рход!::!; 5 -AND ; J - строб; IJ-питание .
1
.....
ел
I\J
μ ---_ВlJ. о+Еп
_J_ 1
-,
QT i"
i
7
"-
1
Q
1
)
1
1
1
.
1
1
•
1
т
~
~---μ~
а)
~
Рис.I5. Струkтурнi.я схема драйвера с открытым
эмитерным выходом.
f--'
(Л
uJ
6
8
~9
•
111(1•
ti f1
ч
5
I
2
Рис. IL~ Электрическая схема драйвер~ с открытым
эмиттерным.выходом.
12
БJ
\
.. ..
(Л
д
в
9
f
;~
!О
Ljo
IE:I
6
Рис.16. Электрическая схема драйвера с открытым эмиттерным выхо
цом:I,3,4 - входы; 2
-
экспандер; 6 - общий; 8 - контроль;
9 - питание; 10 - выход.
I
f-- '
(J1
ел
.,
83
10
1
2
7
.у
5
б
Рис.I7. Электрическая схема полулроводниково:й ИС драйвера.
I, 2 - :входы; 4 - земля; 7 - выход; ( - питв,ние -Еп.2. ; О - питание;fпt
3
16
5
б
13
а)
7
12
8
1/
i
lfO
'-------
156
8
IO
1
1
Б;)
*
9
f1
• Рис.18. Функциональная и электрические схемы матрицы драйверов.
,...
4-8
-
входы; 9 - питание; IO - общи~; II - выход.
~
.
.. .J
V,f
,f
&
z
7
vг
J
1/
·~.
1/J
·11
1Z
13
1,2.,3,ЧJ 10,1{J1г,1З-СходЬ;
7" Сь1хоВ YI,
.9- - Сь1ход J:12
8- ocfщutJ, 16"- п1.1 тан,:1 в
Рис . 19 . Электрическая схема драйвера на основе
ИС типа 559ИП4 .
158
1--'
ел
ф
f1
aJ
14 /!:,
12flIO
,98
г
1
1
1
1
1
1
L
- _,l
12.
3'15б)б7
~
Рис.20. Структурные (а) и электрические (6) схемы матриц драй
веров на четыре элемента.
l
,...
(j)
о
/J{ 13 12.11!О 9
г
-~1~
1
1
1
1
1
1
--
[s~
1
111
1Л
1
1
'-1 L
1 2 31151617
а)
б)
Рис.2I. Структурные (а) и электрические (6) схемы матриц црай
веров на шесть элементов.
в
-,
1
1
1
1
1
1
_J
(....
ТЕХНОЛОI11Я И МАТЕРИАЛЫ
УДК 621~378~325:621.З.029~Е>76
__
Инж~- AJC Зверьков, канцидаты физ.
мат~- наук вJ·С Канцырев, В~А~- Михай
лов, С~К.- Пак, ин~- Ю~А~- Пинский
О ЛОВЫШЕНИИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОС1И ЛАЗЕНЮ-ПЛАЗМЕННОГО
ИСТОЧНИКА 1\1\ЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЛАЗЕРОМ
ПЕРИОДИЧЕСКОГО дЕЙСТВИЯ НА СТЕКЛЕ
Привоцятся результаты исслецований тепловых режимов работы
лазера на неоцимовом стекле, прецназначенного ц~ лазерно-плазмен
ного источника мягкого рентгеновскоrо излучения. Привецены расчеты
термоупругих напряжений в активных элементах из стекла, позволяю
щие оптимизировать работу лазера в составе аппаратуры рентгенопи
тографии.
Оцним из наиболее перспективных источников мягкого рентгенов-
ского изnvчения (М_F.:И) цля рентгенолитографии является лазерно-плаз
менный (1] - ЛПИ. В этом и=очнике МРИ испускается горяч.эй и ' ,
плотной лазерной плазмой, которая созцается в вакууме на поверх
ности плоской мищени поц цэйствием сфокусированного мощного лаз 11:r
ного и~упьса_(Р ~()! 1... 1 Шт, плотность потока на мишени Cj,, '? 10,, •
... 10 Вт/·см ).
Для практической рентr-ен01штографии наиболее приемлем "частот
ный" ЛПИ, который разрабатывается на основе малогабаритного, срав
нительно маломощного лазера, но облац~щего большой частотой сле
цования импульсов .(более 1 Гц) • [1-3]~-В vчаст:>Тном" ЛПИ необхо
цимая экспозиция рентгенорезиста накапливается за боJiьшую серию
импульсов, так , чтобы суммарная энерРия лазерных импульсов (прц
зацанном значении q_,) превосхоцила некоторУIО минимальную величину -
как правило, не менее 100••. 1 ООО щк [ 4 J. В существующих частот
нь~х ЛПИ используются лазеры на апюмоиттриевом гранате (2]. или
на фосфатном неоцимовом стекле [з}~- Нецостатком типа ЛПИ являет
ся сравнительно малая энергия лазерного импульса ( ,::_ 1 Дж) , что
созцает проблемы с фокусировкой лазерного импульса (необхоцимая
величина пятна __-
меньше 40,,.60 мкм) цпя • обеспечения необхоцимо
го значения q,,.
В настоящей работе проводится исследование режимов работы
лазера на· неодимовом стекле, генерирующего , серии и~пульсов с
малой частотой повторения и прецназначенного для ЛПИ. Одним из
очевицнь~х преимуществ этого лазера является существенно большая
-161
энергия им!!ульсов излучения (более 10 дж) по сравнению с лазером
на гранате.
Режим генерации серии мощных импульсов с частотой повторе+
ния 1,. . 2 Гц позвоnяет обеспечить время экспозиции рентN!_!:lорезистов
менее 30 с, что впоmiе приемлемо цля рентгенолитографии. Плитель
ность серии и количество импульсов в ней ограничиваются, в прин
ципе, лишь разрушением лазерного активного элемента (АЭ), которое
наступает, когr:щ термоупругие напряжения в АЭ цостигают прецель
ных , значений. Величина термоупругих напряжений зависит от мощ
ности тепловьщепения в АЭ, . _его геометрии, теплофизических констант
и интенсивности теплоотвоца.
Ключевым вопросом возможности разработки лазера на стекле
цля ЛПИ является, слецовательно, исследование тепловых режимов ра
боты лазерных стеклянных АЭ, при которых разрушение АЭ прохоцит
через интервал времени существенно меньший, чем время тепловой
релаксации АЭ (нестационарный тепловой режим):- Эти режимы явля
ются типичными при генерации ограниченной серии импульсов с боль
шой частотой повторения~- В рамках этого приближения провецен рас
чет распрецеления температуры по сечению АЭ и термических напря
жений на поверхности АЭ~- Эскпериментально исслецована зависимость
цлительности работы лазера вплоть цо разрушения АЭ (прецельная
цли:гельносгь серии) от условий охлажцения и мощнооти тепловьщеле..
ния в нем.
Пля расчета термоупругих напряжений необходимо знать распре.,.;
целение температуры, возникающего по сечению АЭ:- Пр~р оцнороцной
IV,гновенной накачке, слецующей с частотой повторения 't , распреце
ление температуры по сечению цилинцрического2 АЭ опрецеляется [ sJ:
0oJ,,1T8i·Jo(Jl,ln't1) 1-e -}l"Fo
- - _μ~Fo
T(z1,Fo)==-k(p,,Z+Biz) · Jo(/Иh)' 1-e -ffn'-Fo!- ·е
,
(1)
atса
где F'o = Rг. ; rо:! =f· Rl ; d- коэффюiиент температуропровоцности;
8. c,.R
L = ;:- число Био, характеризующее условия теплообмена;
d,. _
-
коэффициент теплообмена; Л, с, J> - соответственно коэ(jr
фициент теплопровоцности, уцельная теплоемкость, плотность материа
ла АЭ; 4 Т - прирост темпер~уры АЭ за импульс накачки; .
t - текущее время; Zr ~ R- относительный patJ:иyc АЭ, Осталь
ные обозначения приняты такими же, как и в [6J.
Ограничимся рассмотрением промежутков времени значительно
меньших, чем время тепловой релаксации АЭ f0 f. ().! 08 ~- В
:этом
случае формула ( 1) может быть значительно упрощена. Пля этого,
воспользовавшись асимптотическим приближением цля функции Бессе
ля и ,разлагая в ( 1) экспоненты в ряц, в первом приближении можно
получить:
162
T(f"-1 Fo)aJ:+лТН[(Н)+!3 ~=~.]
i
~•
'
-
-+дTfi
при 'tok 1"1Ь
/~
_
приOkf"1~('о (2)
где 'l.o =(Z-3 L· о/z-Щ ; Т
-
начальная температура АЭ.
Коэффициент .J3 зависит rJf условий охлаждения и показывает во
сколько раз отличается перепад температур между центром и поверх
ностью АЭ с од1J9й стороны и между центр .ом АЭ и охлаждающей жид
костью с другой. При охлаждении АЭ водой с прокачкой для чисел
Bi ::::. 100'1 типичных.. _в условиях нашего эксперимента, согласно дан
ным из [6J,
.J!!;:;;o,9. В случае охлаждения АЭ жицкостью без про
качки при F'o f 0 , 08 можно положить коэффициент J3 по величине та
ким же, как и на границе двух попубесконечных тел, имеющих различ
ную температур! в мо11fнт их соприкосновения~- При этом р = тfк
,
где К::=(). 1С:'-1 fi (At С, р2 )'/;- индексы •1 и 2 относятся к теплофизическим
ха~актеристикам материала АЭ и охлаждающей жидкости соответствен-
но.
Отли,rnе между значением Т( Г'1, Fo ) 1 вычисленным по точной
формуле ( 1) и приближенной (2), достигает наибольшего значения в
окрестности точки "[= = Lo и не превьnuает 15% от максимального зна
чения Т('Z-t, Fo )~- В
рамках поставленной задачи расчета термоупру
гих напряжений без применения громоздких вь~ч:ислите~ных средств
эту точность можно считать впо;rnе удовпетворитепьн. ой,
Разрушение АЭ опредеnяетсsr! главным образом , напряжениями ,
нозникающими на поверхности АЭ. Это связано прежде всего с_ тем ,
что термоупругие напряжения на поверхности АЭ максимальны. Кро
ме того, из-за различных дефектов на поверхности АЭ ее прочность
значительно меньше объемной· прочности (7}. - Механические напряже
ния в АЭ полностью определяются распределением температуры по
сечению АЭ~- При распределении температуры, описываемом выражени
е11,1 (2), расчет главных компонент тензора напряжений на поверхн~
сти АЭ дает:
f+f"o +/';,z ~т Е
Z1.=0; г~=:?'f=
в•1
_
11 •т
(з>
где . T=дTJ3Jt ; oL,- коэффициент термич~_ского расширения ; Е -
м оцуль упругости; f{ - коэффициент Пуассона.
Из ( 3) , в час,ности , спедует1 что имеется различие в ве;rичи
нах напряжений, возникающих при работе лазера в нестационарном и
уст~новившемся режи м е с параболическим распределением температу
ры. При одинаковом перепаде температур Т в нестационарном тепловом
ре~име величина напряжений оказывается в g(1-+Го tГ-02.) раз боль-
ше.
Экспериментально исследовались различные тепловые режимы ра
боты АЭ, изготовляемых из фосфатного стекла ГЛС-22 и силикатного
стекла , ГЛС-6~ Использовались АЭ длиной 270 мм и циаметром 15-
21 м м~- Накачка осуществпяпась J~ампой ИФП-5000-2 ~- Энергия на
качки во всех ~спери ментах оставалась постоянной~- Осветите-пем
163
служил кварцевый моноблок 80х240 мм с серебряным покрытием,
Для охлажцения лампы накач,:и и моноблока, а также цля фильтрации
коротковолновой чъсти спектра излучения накачки использовался 6%
раствор t,/a!l/02. в цистил.пированной воце. Охлажце_:ие АЭ осуiцествля-
.
лось разцельно, что позволяло варьировать условия охлажцения. Исполь
зовались слецующие способы охлажцения АЭ: воцой с прокачкой (ре-
жим 1}, воцой без прокачки (режим П ), этиловьrм спиртом без про- ·
качки (режим · Ш). Случай возцушного охлажцения АЭ из-за труцно
· СТИ оt5есв:ечения высокой оцнор·оцности .11рокачки АЭ нами не · исслецо-
вался.
.
.
Измерения нагрева · и распрецеления температуры по сечению А.Э
осуществляlIИСЬ с помощью интерферометра Маха - Uенцера по числу
интерференционных колец. Температура нэгрева •АЭ из стекла ГЛС-22
и ГЛС:-6 -циаме;:ром 15,...мм за оцну вспьiшку° лампы накачки Л Т
составляла 1 5 ° и_ 2 7.0
• соот~?.тственно~С
увеличением циаметра АЭ
нагрев Ат ~еньшал~я, как • ;Rz..
·
.
Исслецования распрецеления температуры по сече.нию АЭ показы
вали хорошее согласие выражения ( 2) с экспериментом. Так, темпе
ратура . на поверхности АЭ была выше, чем температура охлажцающей
жицкости и, коэффициент J-> оставался в течение серии f0 f0,08
практически постоянньrм и цля обоих используемых стекол составлял
О,90.,1:-0,05, О,61+0;04, О,40+0,03 соответственно цля режимов ох
лажцения 1, П ; Ш , Набтоцалась четко выраженная невозмущен
ная охлажцением центральная ча;ть АЭ с рациусом '{, , = Zc _- -
При работе с лазером на · L-Текле в режиме рецкоповторяющихся
серий импульсов при зацанной частоте повторения и энергии импуль.,..
сов накачки обычно стремятся .получить максимальное число импуль
сов в серии ( цлительности серии) без разрушения АЭ. Оцr1а из · таких
возможностей, сог;:~асно выражению ( 3) связана с уменьшением ко
эфрициента J3 путем изменения условий , охлажцения АЭ, В таблице
привецены экспериментальщ,1е значения прецельной цлительности серий
импульсов tp , сле11ующих с частотой повторения / =1 -2 Гц [1.IIЯ ре
жимов1,Пи Ш,.,
В эксперименте испольэовались активные эле
менты со стравленн~,м ·· цефектным поверхностным слоем [1Иаметром
15 мм, АЭ изготовJIЕлись -. по е[1иной технологии из D[1НОй партии стек
ла~- Значения tp опре[1елялись по _результатам разрушения не менее,
чем трех АЭ цля каж[1ого режима, Из таблицы ви[1но, что пре[1ельная
цлительность серии, в хорошом соответствии с (3), увеличивается по
мере _уменьшения
при после[1овательном перехо[1е от режима 1 к
Ш , 0[1нако, сле[1ует, отметить . ограниченные возможности такого
способа увет1чения f Р• Это связано со слабой зависимостью .J!; от
произвецения теплофизических характеристик )f~ р и ограниченностью
набора жицкостей, приго[1ных [1.IIЯ охлажцения АЭ, Так, при перехо[1е
от охлаж[1ения к охлаж[1ению этиловым спиртом ( от режимэ 1 к Ш.)
произвецЕ!!IИе Л-Сf уменьшается на поряl~ок, тог[1а как J - всего в
1,6 раза,
164
Таблица
Тип стекла
Режим
Частота повторения Прецельная
охлажцения
f·Гц
цлительность
cepииr-ftJ,ceк
ГЛС-22
1
1
16.-20
ГЛС-22
+
2
4-5
ГЛС-22
n·
2
7-8
ГЛС-22
J1l
2
14-15
ГЛС-6
1
2
8-10
ГЛС-6
п
2
15 17
На рисунке прецставлена построенная согласно (3) временная
зависимость терм~пруГЙх напряжений г=? г: & ?r, . возникающих на
поверхности АЭ (q> =15 мм), На кажцой кривой цвумя точками обозна
чен интервал значений термоупругих напряжений, соответствующих
экспериментаlJьным прецельным значениям цлительности серий ( см~
таблицу) ~-- Из
графиков вицно, что значения напряжений, при .которых
происхоцит разрушение АЭ, не зависят от частоты повторения имп>1:_ль
сов, условий охлажцения АЭ и лежат в узком циапазоне значений,
Это говорит о том, что в нестационарном теш1овом режиме термичес
кая прочность АЭ оцнозначно характеризуется значением прецельного
нарряжения го~- При испо1з_()Вании АЭ из стекла ГЛС-22 г~ лежит
в прецелах 70-84 кГ/см , В случае применения АЭ из сте;;z1!11 ГЛС-6
прецепьные напряжения значительно выше - 230- 250 кГ/см , Эти
значения напряжения хорошо согласуются с результатами работ, вь~
полненных цля стационарного теплового режима [7,8] ~ - Та ки м
обра
зом, провеценный расчет термоупругих напряжений в АЭ в нестацис:>
нарном тепловом режиме цает хоорошее согласие с экспериментом,
Выражение ( 3) позволяет оценить наибольшее возможное число
,_
импульсов в _ серии при больших частотах повторения :f- ~
==Zo(l:,,'1)Д3·!,T·cl..т·E. нашем ~случае _при использовании АЭ из стекла J'JJC_ -
• ;г;;,
цля режимов охлажцения 1,
П и Ш соответственно получи_м
t/=5, 7, 11~-
Отметим, что в отличие от стационарного режима, сог;~асно (3) ,
при зацанной накачке с увели_чением рациуса АЭ величина термоупру
гих напряжений уменьшается, Соответственно возрастает п~:,ецельная
QЛ!!тельнос,ть серии tp ~- - Эт а
зависимость хорошо прослеживапась в
эксперименте, Так, при иопользовании АЭ и~ стекла ГЛС-6 циамет
ром 15 и 19 мм при частоте повторения 'f =2 Гц при режиме охлаж
цения :1_ цлительность ip принимала соо1·ветственно значения g.; , . ,10,
14-16.
•
Таким образом, исслецование тепловых режимов работы АЭ из
неоци мово rо стекла позволило разработать мощный 1rазер на стекле
165
оля рентгенолитографии, генерирующ_ий серии мощных импульсов излу
чения с малой частотой повторения.
ЛИТЕРАТУРА
.-
...
---
---
1. Капцырев __в.л.
-
Поверхность. Физика, химия, механика, 1983,
No 11, _~·
50-55 .
--
_
_
_
2. Васильев И.В., Зиновьев с.в., Кузнецов А.С., Кузнецов г.м.,
На_у~ов в:с;: Пашков в:А.; Скворцов л;·,д.;:; Стельмах м;Ф;: Швом
Е.М . - Ш Всесоюзная конференция vОптика лазеров" , тезизы аоклааов,
Лениенграа, 1982, с: · 17В-180; -
3. К_?нцырев в: л.: Хюппенен A ~[L_! Зверьков AJs::_ Михайлов в;д.;:
Пак С.К., Паршин И.А., Пинский Ю.А., Шлянцева А.С. - Xl Всесоюз
ная научно-техническая конференция "Высо~оскоростная фотография и
метрология быстропротекающих процессов и, тезисы аоклааов, Москва,
1983, с: - 123.-
4. Иванов Ю.П., Колесников БJ--1;, Кузнецов в.м.: Перлов LL.И.
Журнап _п рикпа аной спе!(_т.r_оскопии, 1972, 16, с:- 7 97;-
_
__
f.> ~ Белостоцкий Б.Р.
-
Квантовая электроника, 1971, No 5,
с. 77•
•-
··-
··-
··-
6_.
Лыков А.В. - Теория теплопровоаности.
-
М,: Высшая школа.
1967.
7 . Мак А.А., Митькин В.М., Полухин В.Н., Степанов А.И., Ша
велев oJ:::.- -
Квант::>вая электроника, 197 5, 2, с:- 850;-
8 ;· Алексеев н.i:: :: Гапонцев вJ1:: Жаботинский М.Е:: Кr~вчею,_о
в;t;: Руаницкий ю.п.·· - Лазерные фосфатные стекла:- Посr реа, М.Е.
Жаботинского:·· - м:: Наука, 1980;-
Статья поступила в апреле 1984 гоаа
166
i
300
rлс-ь
2.00
юо
о
5
f () f/; 10-г.
Временная зависимо~ть термоупругих напряжений
на поверхности АЭ: I,2,3,4,5-режимы охлаждения
:,II,I,II,Ш соотпетственно / f =2 Гц/; 6-режим
охлаждения I / J =l Гц/ .
1.67
УДК 621~32.5 .5.01
ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА
Кано:. техн. наук В,Ф, Ламекин,
инж, С. Н. Деревянко
РАЗРАБОТКА РЯдА БИС ДЛЯ ПРОБЛЕМН().:.:
ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРОUЕССОРОВ КСС ПО
Рассматриваются при!!i...'ИПЫ построения, структурные схемы и
структуры сигналов, принципы работы бопьших интеграпьных схем,
прецназначенных о:пя применен·ия в проблемно-ориентированных цепь
та-процессорах устройств управления комплексов срецс~в связи объ
ектов, в том числе использующих световоо:ную технику.
В настоящее время при созо:ании световоо:ных систем внутри
объектовой связ!!_ ПО ( севе ПО) исп опьзуются различные структу
ры сети [1] и различные принципы построения абонентс~их аппара-,
тов (АА) ц блоков централизованной коммутации (БUК). В резупьта
те о:ля аппаратуры оо:ного класса применения и сравнимых возможно
стей испоJiьзуются различные вариан1 · ы схем, вьmолненных, ка к пра
вило, на И1V\С серий 133, 564, . :?80, 588 и т~ц~- в количестве от
30 · ··0:о 1000 штук на комплект. Эти схемы имеют слео:ующие нецо
статки:
значитепьные габаритные размеры и · массу;
бопьшую потребляемую мощность;
нескопько источников питания;
невысокую стойкость к климатическим и механическим воз-'
о:е йствиям;
-
большое разнообразие коо:ов и метоо:ов коо:ирования при пере
цаче сравниваемых объемов информации;
-
высокую стоимость; ,.·
-
большой срок разраб отки.
Uелью о:анной работы является попытка созо:ания специализиро
ванного микропроцессорного комплекта о:ля обработки о:ельта-скгна
лов (2 ), прео:назначенного о:ля применения в КСС ПО с целью ми
нимизации м асса-габаритных, мощностных и экономических характе
ристик, а также унификации элементной базы различных классов
АВСК (от простейших - на 4-6 абонентов, no сложных, соо:ержащих
32-128 абонентов), стано:артизации схемных р~шений и конструкти
вов, применяемых в аппаратуре о:анного класса.
Провео:енные оценки показали, что применение о:аю1ого комплек
та позвотп сократить габариты устройства управления коммутаци-
ей АВСК о:о 3 раз, массу в 8-10 раз, унифицировать .коо:ы обмена
168
[(ЛЯ различных ти п ов АВСК, что позволит состыковать различные среа
ства связи ПО без применения специальных согпасующих устр.ойств,
а также существенно ув_еличить технологичность изготовления, ремон
та и контроля КСС ПО.
В ря[( разрабатываемых БИС вхоцят: с:,с~мы обмена, обработки
сигнала, коммутатора и процессорной ячейки. Рассмотрим поаробно
принципы работы и структуру указанных БИС/
БИС обмена~- БИС обмена преаназначена [(ЛЯ обмена речевой и
коман[(ной информацией 1v;ежау чет.!:1рьмя аппаратами абон0нта и бло
ком центрапизо~анной коммутации. Структурная схема БИС пре[(став
лена на рис. 1.
БИС обмена состоит из четырех приемо-переаающих моаулей,
связанных межау собой шинами аанных и управления~- Кажаый приемо
переаающий моауль, в свою очереаь, состоит из аекоаера пятипозици
онного широ-;-но-импульсного (биимпуliьсного) ко[(а, приемного регист
ра коман[(, триггера фиксации речи, переаающего регистра комана,
вхоаного буфера речи, коаера пятипозиционного широтно-импульсного
КО[(а. - Общая часть БИС со[(ержит в себе схему тактир.?вания и синхро
низации, регистры состояния приемника и пере[(атчика.
БИС функционирует сле[(ующим образом:
-
с коаера пятипозиционного широтно-импульсного ко[(а (формат
биимпульсного ко[(а приведен 1:1а .рис~- 2) разаеленные речь и команаа
поступают соответственно на триггер фиксации речи и на приемный
регистр команц;
-
приемный регистр комана, пре[(ставляющий собой 11-битовый
после[(овательный регистр, опре[(еляет наличие старт 1'! стоп битов,
проверяет бит контроля на четность и вьщает 8 информационных би-
тов в 8-битовый буфер приемн о го регистра и в соответствующие раз
р.яаы регистра с о стояния приемника (формат коман[( привеаен на рис:- 2);
-
при считывании пр оцессором комана из буфера состояние реги
стра состояния приемника изменяется ( рис. З) ; .
-
при п е ре[(аче В-битовая к о ман[(а пере[(ается в буфер переааю
щ0го регистра, Г[(е к ней аобавляются старт и стоп биты, и если в
[(анный момент не ,· иает пере[(ача, то она переаается в послеаователь
ный регистр переаатчика, гае по команае процессора бит за битом
поступает на оаин вхоа коаера, на цругой в~оа которог-о из вхоаных
буферов речи поступает речевая информация. На рис, 4 показан формат
регистра сос.-ояния пере[(атчика;
-
схе ма управления и синхронизации ос уществпяет_ синхронизацию
всей БИС и согласование ее с шиной аареса и аанных.
Панная БИС може т быть изготовлена в 4O-вывоаном кор1:_усе_.
Назначение и обозначе ни е выво~ов БИС привеаено на рис. 5.
БИС обработки аельта-сигнапа, БИС обработки цельта-сигналов
прс r:~назна чена для ор гани за ции сетей конференц-связи, реж;,~мов прос
лушива ния и са~опрослушивания межау 8 абонентами с возможностью
расширения. - Структурная сх~ма БИС обработки показана на рис~- 6 ~-
169
БИС обработки дельта-сигнала прецставляет собой аналого-циф
ровую схему, в состав которой входят кодеры и цекоцеры, аналоговь~е
сумматоры, регистры управления, схема управления и синхронизации,
БИС работает слецующим образом:
-
вхоцной сигнал попадает на дельта-цекоцер и после преобразо
вания в аналоговую форму подается на вхоцной ключ расширителя и
на коммутаторы абонентов;
-
если в разряце регистра управления вхоцом расширителя
(РгВхР), соответствующему цанному абоненту, нахоцится 1, то к=ч
открыт и сигнал попадает на 9-входовый аналоговый сумматор расши
рителя (8 вхоцов - от абонентов, оцин
-
от входа оасширителя);
-
коммутатор абонента представляет собой набор ключей, управ
ляемых с :оо\1ошь1п регистра абонента ( РгА), регистра выхоца расши
рения (РгВыхР), регистра уровня (РгУ) и регистра знака (РгЗн)~
Если в рЕtзряде регистрэ выходэ рэсширения в соответствующем
д э нном эбоненту, нэходится J., то сиг нэл С вы хо дэ рэсшире:1:1я пос ту
пэет лэ суммэ тор зб онентэ;
-
цругие вхоцы сумматора аБонента управляются с помощью
РгА следующим образом: если в разряце, соответствующем абоненту,
стоит J. ,
то выхоц цельта-цекоцера поцкJJЮчен к суммэтору; уровень
сигнала устанавливается с помощью РгУ (если стоит 1, то K=l; ее..;.·
.пи - /!), то K=l/2;) и регистμа знака. (если @, TI? +1; если 1, то -1);
-
сигнал с выхоца сумматора абонента поступает на кодер и вы
воцится в цифровой форме за прецелы БИС (Выхl-Вых8)~-
Таким образом, БИС обработки сигнала соцержит восемь дельта
к одер::ш, восемь дельта-цекоде_р[!в, по одному .F"гВхР, РгВыхР, РгА,
восем ь РгУ, восемь РгЗн, т,е, 26 регистров,
·-
Данную БИС можно выполнить . Е\ 4S)-выводном корпусе, Обозна
чение вывоцов БИС показано на рис, 7 ,
БИС 1,оммутапии.- БИС комутации прецназначена для коммутации
ч етырех мЫ.tуJiирЬН&ННых сигналов на 64 пространственновременных
канала (8 линий по 8 уплотненных сигналов) и выдачи четырех сиг
налов с любого из 64 канала ,- Структурная схема БИС показана на
рис, · 8.
БИС коммутации состоит из четырех вхоцных мультиплексоров,
'!етырех выходных цемультиплексоров с триггерами фиксации, регист
ров управпения, схемы · с инд1шсщ;щ занятости канало.в, регистров со
стояния каналов и схемы управления и синхронизЕщии,
Работает БИС следующим образом:
-
схема· синхро1шзэцни дпя кажцой l!инии Лl-Л8 делит такт по
сылки цельта-сигнала Т-16 мкс на 8 временных каналов;
-
в зависимости от управляющего коца, поцанного на регистры
управления М, один из вхоцов Bxl-Bx4 поцключается к выбранной ли
нии Лl-Л8 и сигнал поцается на время цействия зацаНН(?ГО временно
го такта : Формат слова управления показан на рис~- 9;
-
схема индикэции занятости ::,п рсцеляет к.экой канал являет-
ся занятым и устанавливает
170
для этого кзнэлэ в оцин из регистров
линий "1 ", а для св об одного канала - О;
выходной демультиплексор подключается к выбранной линии
Л1-Л8 и, в зависимости от коца управления на регистрах управпения
М производит запись в триггере фиксации в зацанны'!i 11,1омент времени
(формат уnравnяющего CJIOBa ПОКаЗаН На рис.- 9);
-
схема управления осуществляет управление и согпас ова нне с
шинами данных, адреса и управление,
Данная БИС может быть изготовпена в 40-вывоцном корпусе.
Обозначение и назначение выводов приведены на рис. 1 О,
БИС процессорной я;1.Еii:\.1Ш, Процессорная ячейка (ПЯ) пре[IРазна
чена цля обработки информации, поступающей от мо[lуля обмена, мо[lу
ля коммутации, модуля обработки [lельта-информации и [lругих вне~,ших
устройств, Кроме того, ПЯ предназначенэ. [IЛЯ соз[lания ра::шетвлеш1ых
сетей управления системами связи, Структурная схема ПЯ пока ::шна
на рис, 1 J..
Процессорная ячейка состоит из сле[lующих модулей:
-
оцно-• · и [IВунаправленных буферов, прещ~азначенных цля абме
на информащ1ей меж[lу ПЯ и внешней средой;
-
03У данных со схемами управления и регистрами ( ос.ье i•._~ ом
1024х8 разрядных слова) цля сравнения информации, поступающrей о т
внешних устройств;
-
ОЗУ команд объемом 1024х16 разрядных слова [1J1н хране ни я
программы работы ПЯ;
-
арифметически-логического ус·тройства, прецназначенн ог с цля
обработки командной информации, вьmолнени:я арифметических операщ, .i;
-
устройства управления, предназначенного цля управле ния ра
ботой процессорной ячейки;,,
-
блока контроля, предназначенного цля выполнения контр опя ра
боты других модулей процессора;
-
контроллера обмена, предназначенного цля организации обм(,
на между ПЯ и внешней средой по шине обмена;
-
таймера, предназначенного о.ля получения заданных интервалов
времени.
Рассмотрим подробно структуру отдельных блоков .
Структурная ,схема ОЗУ данных показана \>а рис, 12, ОЗУ [lан
ньrх организовано в вице четырех страниц по 256 байт ··и имеет в
своем составе регистр адреса, регистр базы ОЗУ, предназначенный
цля выбора страницы ОЗУ, четырех блоков накопителей объемом 25Rx
х8, регистр ,щнных для приема " и выдачи информации из ОЗУ и схем
управления,
J'v·, оцуль работает следующим образом:
1, Режим чтения:
-
на шину адреса подается адрес необходимой ячейки ОЗУ и с
УУ импульс нразрешение приема, адреса";
-
следующим импульсом, подаваемым с УУ "разрешение выбар
ки" происходит выборка одного из накопителей ОЗУ;
171
--
аалее поцается импульс -"прием информации в регистр" и ин
формация из накопителя фиксируется на регистре цанных ОЗУ.
2. В режиме записи:
-
оцновременно поцаются 'разрешение приема ацреса" и "за
пись информации в регистр-", в результате чеnо ацрес фиксируется в
регистре ацреса, а информация - в регистре цанных;
-
сг.ецующим поцается импульс "разрешение выборки', и проис
хоцит выбор оцного из моцулей ОЗУ;
-
поцается импульс "запись", при цействии которого происхоцит
запись информации , в моцуль.
Структурная схема моцуля ОЗУ команц показана на рис. 13.
; ОЗУ команц состоит из 10-разряцного регистра ацреса, 6-разряцного
регистра базы, накопителя объемом 1024х16 слов, 16-разряцного
регистра цанных и схем управления.
Работает моцуль слецующим образом:
поцается импульс 'разре шение приема ацреса-" и ацрес фикси~
ру€тся на регистре ацреса;
-
слецующим поцается импупьс "разрешение выборки.., в результа
те чего активизируется накопитель;
-
затем поцается импульс 'прием информации в регистр-" и ин
формаци:-~ фиксируется на регистре цанных.
Если соu.ержимое регистра базы ОЗУ команц не равно нулю, то
цанный процесс не происхоцит, и управление приемом команц переца
е1·ся контроллеру обмена.
Структурная схема АЛУ показана на рис. 14.
АЛУ состоит из слецующих моцулей:
-
регистров 1 и 2 операнцов цля хранения цанных и выполнения
, арифметических и логических операций;
-
комбинационной схемы сумматора, позвопяющей выполнять опе
рации сложения и вычитания 8-разряцных коцов;
-
ЛОГ'fЧеского блока, прецназначенного цля выполнения логических
операций;
-
матричного умножителя 8х8, прецназначенного цля быстрой
обработки 8-разряцных коцов;
-
сцвигателя, предю1значенного цnя оцнотактного циклического
или арифметического сцвига 8-разряцных коцов;
-
схемы формирования условий, которая формирует признаки _ "боль
ше', -"меньше.. , 'равно .. , "четность', ..переполнение", "нуль" и т.д.;
-
вьiхоцного регистра результата цnиной 8 разряцов, в котором
хранятся результаты вьmоnнения операции;
-
16-разряцного регистра операнца-резуnьтатс1, служащего , аля
работы с J.6-разряцн!>IМИ коцами, например, результат умножения или
цеnимое при [lеnении.
Блок АЛУ вьmоnняет стан[lартные операции, поэтому особеннос
тей в работе не имеет.
Стr_уктурная схема устройства управления (УУ) показана на
рис. 15.
172
уу состоит из:
счетчика ацреса команц, прецназначенного цпя формирования
ацреса спецующей команцы;
-
четырех 2х8 разряцных регистров ацресации, прецназнач енных
цля опрецепения ацреса при регистровом метоце ацресации;
-
16-разряцного инцекс-регис'J1ра, прецназначенного цпя инцекса
ции команц;
-
сумматора, прецназначенного цпя получения цействитеJJЬного
коца команцы;
-
регистра команц, гце хранится испопняемая команца;
ПЗУ М К, в котором формируются элементарные операuии, н еоб
хоцимые цпя управления другими блока ми;
-
синхрогенератора и многофазного тактового генератора, не об,
_ хоцимых цпя формирования зацанной временной поспецоватеJJЬности ;
-
мультиплексора управления, прецназначенного цпя распрецел е
ния управляющих импуJJЬсов межцу блоками процессора,
Работу УУ рассмотрим на примере вьmопнения команцы сложе
ния соцержи_мого цвух ячеек ОЗУ цанных с рег ;1 с-г,:,,}вой ацресаuией ,
1 такт, На моцупь ОЗУ команц поцается из УУ ацрес по ацрес
ной шине и выцается импульс "разрешение при ема ацреса",
2 такт, · На ОЗУ команц поцается импуJJЬс "разрешение выборки ",
3 такт, В регистр команц по импуJJЬсу_ "прием информаuии в ре
гистр" поцается информаuия из ОЗУ команц,
4 такт. Анализируется признак и_нцексации, если команца не ин
сtексттруемая, то такт 5 пропускается ,
5 :такт, Происх~цит суммирование соц9рж 11 мого инцекс--рег ис т
ра и регистра команц,
6 такт, Происхоцит выборка ацреса из оQного из регистров аQ
ресации и посыпка на регистр aQpeca ОЗУ Q1шных.
7 такт. ПроисхоQит запись из регистра цанных ОЗУ цанных в
регистр 1 ,шеранQа АЛУ,
8 такт. ПроисхоQит выборка aQpeca из второго регистра аQрес а
ции и его посьтка на регистр ацреса ОЗУ,
9 такт. Пр о_исхоQит запись из регистра Qанных ОЗУ в регистр
2 опера,ща АЛУ,
1 0 такт. Посыпа ется управляющий импуJJЬс "сложение на АЛ У " .
11 такт. Прьисх оQит считывание результата из регистра ре зу пь
тата АЛУ и посыпка его в ОЗУ.
12 та1,т, Счетчик кorviaнQ увеличивается на 1.
Структурная схема таймера показана на рис, 16, Таймер п ре ц
назначе н дпя формирования 11мпупьvных посш,довагельносгей с зэдсш
ной ч с1 ст о г ой и скважносгью, н е обходимых кэк для пр11менения внугр•1
ПЯ гэк 11 с внешними устройствами. Тэймер состоит из 16-рэз рядн :J-
го 'рсгис•грэ упрэвления и двух идентичных выходных кэнэлов. Кс1ждыji
КЭНЕlЛ г а йм с, рэ C:JCTDИT ИЗ пр огрэммируем ОГ D Д':!Л!l'1'еЛЯ частоты, Ш.1 9Ю
Щ9Г D к с:~эфф1щ11•Jнт деления :,г 1 до 65000, регистрэ дэнных ·гэ йi,1 с, рч,
преднэз ааче нн агD дпя зад,шия коэффиuиентэ де ле ния, фDрмиров ,,1 rrmя ,
17~,
необходимого для управления режимом работы таймера, и выходного бу-
фера , предназначенного для вывода сигналоо. таймера за пределы ПЯ.
Таймер работает слецующим образом:
-
на вхоц поцается частота, которая целится на 10;
-
согпасно числу, записанному в регистре цанных таймера, эти
импульсы (прошецшие через вхоцной целитель) поступают на вхоц
программируемого целителя;
-
импульсы с выхоца программируемог.о целителя (соf'ласно ус
тановленному коэффициенту целения) поступают на формировате.ъ,
который меняет форму импульса и вьщает нужную послецовательность:
меанцр, оциночный положительньrй и отрицательньrй импульсы, перио
дические импульсы с зацанной скважностью;
-
после формирователя эти импуЛЬ!!JЬI поступают либо на тригге
ры условий, расположенные в блоке АЛУ, либо на , выхоц через буферы~
Моцуль самоконтроля прецназначен цля контроля работы всех
устройств, поцключенных к ПЯ, и выцачи на внешнюю срецу цвух сиг
налов:
-
ПЯ 'работоспособна';
-
отказ оцного из моцулей ПЯ.
Эти сигналы обрабатываются устройством микропрограммноf'о
управлениs,: ПЯ и вьщаются на специальный 32-разряцньrй регистр
ПЯ, нецоступньrй программисту, но цоступньrй цля опроса вецушим
процессором.
.
Схема контроля работает с}rецующим образом:
-
при выполнении кажцой из операций, требующих пересылки
цанных или команц из · оцного блока в цругой, происхоцит контроль
на четность и сравнение контрольного бита с битом, записанным в
памяти;
-
при несовпацении бита контроля с битом, записанным в па
мяти, начинает работать микропрограмма, называемая 'повтор вьmоп
нения операцийн, про!fсхоцит трехкратная попытка обмена информацией
межцу моцулями ПЯ.
При неуцаче трехкратной попытки повторного -вьmолнения опера
ции происхоцит вьщача в реr'истр состояния копа, по которому мож-
но опрецелить неисправность, и затем ПЯ перехоцит в 1!ассивное со
стояние и ожицает активизации от вецушего процессора. Возобновление
работы .программы возможно только после считывания коца из реги
стра состояния и получения команцы от вецущеf'о процессора на про
цолжение вычислений. Кроме того, с целью повышения нацежности
схемы моцуля самоконтроля трехкратно р_~зервированы и применяется
мажоритарньrй принцип отбора информации.
Моцуль обмена прецназначен цля ·организации режимов прямого
цоступа к памяти, обмена команцной и 'оперативной информацией меж
цу ПЯ, оперативной загрузкой в П~ рабочей программы, выцачи сос
тояний процессорной ячейки и обесriече~ия работы с быстроцействую-
174
щими вне. шними устройствами. Структурная схема модуля обмена
приведена на рис~- 17~-
.
-
Принцип работы модуля обмена состоит в следующем:
-
в зависимости от режима работы происходит программирова
ние либо от внешни; схем.(ведущей ПЯ), либо по командам внутри •
ПЯ;
-
для программирования используются два 16-разрядных слова
(управляющее слово и слово данных) ; · •
-
по команде от .. устройства управления (Jiибо по сосrояниютай
мера) на выходе изапрос · обмена" появляется' в~1сокий потенциал, и,
если шина с.вободна, происходит вьщача-прием байт за байтом требуе-
i мой информации~-
•
'
Тзким обрsзом, можно быстро зsгрузиrь пэмять данных, память
комsнд, либо считsть состояние внешних устройств из каждой ПЯ.
Такой принцип организации обмена позволяет распараллеливать
процессы обмена между ПЯ и вьmопнением рабочей программь~- В дан
ном случае конфликтные ситуации получаются при одновременной по
пытке обращения к одной и той же ячеl!ке II!iМЯТИ модулем обмена и
устройством управления процессорной ячейки.
Описанный ряд БИС реализуется в два этапа:
-
используется базовый кристалл (изготавливаемый по К-МОП
технологии) для создания натурного макета БИС~ обработки топологии
ее элементов, оптимизации их режимов и размещения, разработки те-
стов контроля работоспособности [ 3 ];
.
-
разрабатываются и осваиваются в производстве заказные БИС
на специализированном предприятии, используя резу~таты моделиро
вания и . мsкетировsния, полученные на первом этапе.
Проработка на первом этапе дала результаты, приведенные в
та.блице. Разработаны технические задания и перецаны на специализи
рованное прецприятие для созцания ряда заказных БИС, что по.зволит
реаJ1Изовать проблемно-ориентированный цепьта-процессор цпя КСС
по.
Таблица
-- ·------:-
-·-
-
NoNo Тип БИС IГехнология Количество Площадь
Тип
·'
пп
элементов
кри2 таппа,
корпуса
мм
1 БМС обмена
к-моп
22000
5,36
429.42-1
2,зх2,з
2 БИС КОММУ-·
к-моп
11500
2, 76
429.42-1
таuии
1,7xl,7
3 БИС обрабо тк~ к--моп
56000
13,44 429.42-1
цельта-сигнапа
З,7х3, 7"
4 БИС процессоf ..,1<;-МОП
280000
67,2
244.48-8
ной ячейки
8,2х8,2
-
175
ЛИТЕРАТУРА
1 . Ламекин В , Ф ., Малаховский А , С. Гибкие комплексы срецств свя
зи поцвижных объектов , - в настоящем сборниюэ .
2 ~ - Ламекин
В .Ф~- Основы щ:юектирования проблемно-о,еиент!_!ро
ванных процессоров цпя КСС ПО. - Техника срецств связи . Сер. ВОС,
1984,_вып. 1
з . Ламекин В,Ф , Применение регулярных_ вычислительных струк-
тур QЛЯ созцания эффективных СВТ АВСК ПО, Техника срецств
связи~- Сер~- ВОС, 1983, вып ~- 2~ -
Статья поступила в апреле 1984 rоца
176
.....
-J
-
Вх. А2
Бх.
Дек одер! Реч.КОМI
ПРД
'еч.КОМ2
ПРМ
.екодер~ ·еч. КОМ,З
ПРМ
Реч.КОМ4
ПРМ
Триггера
Схема упр.
и та.ктиро
ваr1ия
!Реч .KOMI
ПРД
еч.КОМ4
ПРД
AI
А2
иксации речи
.
1
,..
..
-
-
-
_
,
К шине адреса, Bx~Pl Вх.Р2 Ьх.РЗ Вх.Р4
и управления •
..
•
-
-
-
..
-
-
-
·
-
-
··
·К шине
Вых.РIВых.Р2Вых .Р3Вых.Р4
;данных 1
Рис.I. ФункционаJiьная схема БИС обмена.
1'
1
~
-.)
(J)
старт --дi..im
fСОнmрш,ь н.Q
четн.ос.111ь
C/110/l-
t..и·ирормоци он.ны.е Бцmьi
r
.,
123't5678
Рис.2. Формат команды обмена с АА.
ПРМ-1 . - - I-IZ_'P_
'/'1--2--г-~-✓-7Р.-1/1--3-. -г-1-Пд_'М
___
't_l
JJD JJI д2 JJ3 д'I JJS 1)6 .1)7
Рис.З. Формат регистра состояния приемника.
ПРА1 ПРД2 ПРА3 ЛРДi/ У-1 У2 )3 Yi/
JJO JJI 1)2 1)3 JJJ/ 1)5 1)6 1)7
Гис.4. Формат регистра состояния передатчика.
l5u111
_____ ......_,.__
I Bx.AI
+Еп 40
2 Вх.А2
Вых.АI 39
,.
~
з Вх.АЗ
Вых.А2 38
4 Вх.А4
Вых.АЗ 37
5
Вых~А4 _36
6 Вых"РI
35
7 Вых.Р2
Bx.PI 34
8 Вых.РЗ
Вх.Р2 33
g Вых.Р4
Вх.РЗ 32
IO
Вх.Р4 ЗI
II до
30
12 ДI
АО 29
IЗ Д2
AI 28
I4 дз
А2 27
I5 Д4
АЗ 26
I6 Д5
Ут
25
I7 Дб
24
I8 Д7
чт 23
I9 Д8
зп 22
20 Общ.
вк 2I
Рис .5 . Обозначение выводов &IC обмена.
179
~:
()')
о
Вх.Р·. Вых. Р
.д
декодер
I
iuia
Схема управлени
и синхронизации
К шинам данных,а,цреса
и управления
Регистр
-у~равления Р
ок
1 регистро~
_
абоненТQIL
д,·
Кодер
Рис.6. Функциональная схема БИС обработки ·
• ле.льта-сигна.ла.
I
Bx.I
+Еп 40
2
Вх.2
Вых.I 39
3
Вх.3
Вых.2 38
4 Вх.4
Вых.З 37
5 Вх.5
BLIX.4 36
б Bx.f>
Вых.5 35
7 Вх.7
Вых.6 34
8
Вх.8
Вше. 7 33
9
Вых.8 32
IO Вх.Р
ЗI
Il
Ьых.Р 30
12 Д?
29
13 Дб
А4
2t)
14 Д5
АЗ 27
I5 Д4
А2 26
16 ДЗ
Al 25
17~
АО 24
18 Дl
Ут 23
19 до
Зп 22
20 Общ.
Вк 21
Рис.?.
Обозначение выводов БИС обработки дельта-сигналов.
181
.... 1
()) 1
''-1!-
.,,
:s:
(" .)
.
QJ
.
.~
:i:
в:s:
о
:х
ttr
:i::
~
::о
(" .)
><
.(О
. !1:
р,
tJ"J
:s:
а
:,;
о
;
'<
r-3
-
~
~
:s;
.
i3x1
·"
MSI
.дх.2
-•
/VIS2 -
,
-!3х.~
1"
/'1S3 .......
Ех 1/
MSi/
-·
t---
г
,1-f Л2 Л.3 //J./ Л5 1/б А7 Л8
)Р1
Jf1
.411
1тr
J~
Ji,'
:t
~
Pezцcmf)6I
Peu-1cmp61
упра811енц11 -
ynpa/J11eн(Jfl
Вх- l'1S
Вь;х. 1)/11
,...._
C.Xt!./11Q 011-
Схема улра8-
i-- реде11енця
лени.я ц_
3aнg11юcm(J
\
C..UHXJ:J_OHЦJQ-
~
l(OHCIIICI
Ц'Ul.i
Рещсл1рь1 i--
1( Шl./HQM ctilpec.a
КOHQI/Ct'
dQ1tнь1x, !/ttpq6'11etrц,;1 ._ _
JJIV/1
JJM2
JJN.!,
ДМ'f
81,1х. 1
-fl
---
/3ых. 2
Вь;х 3
т
/Jь1х. t
r
ЛI. КАНАЛА
/::; [_J
1JD ])·f IJ2 .D3 JJL/ JJ5 JJ6 JJ7
Рис.9. Формат управляющего слова.
1 Вх./
• +Еп. 40
2 8-,. .. 2..
'17 39
3 Вх.3
116 38
11 13х./../
Л5 37
5
ЛLt 38
6 Вых.l
Л3 35•
7 8ЬJх.2.
Л2 3'-1
в Е!,ьrх.3
ЛI .33
.
9 8ых.J.;
ло 32
10
31
1/ '])7
А2 30
12.
1)6
А1 29·
13 1)5
АО 28
/lf
j)'f
27-
15 1)3
lfТ
26
16 1)2
3П 25
-/7 JJf
'f1 2'1
18 JJO
'fт 23 •.
19
R
цикл
22.
20 Общ.
вк 21
Рис.ТО. ОбозначРчие зыводоБ БИС коммутации.
183
f--
,::ц
(J) . 'J)
. ;,.
Q
"С)
Р-,.
~:
cj
:r:
-~
.: c.:i
%-
~::t:
аl:f
~
::i:
:s:
3
р..
С') .
.
р.
t::
:>- .
cj
:r:
JS.
=
р..
З)
~~
μ.
(])
~
щ
ОЗУ
данных
Iкх8р
АЛУ
БЛОК
контроля
Устройство
упрамени.н
•
1
ОЗУ
команА
IкхIбр
Контроллер ,
обмена
Тliймер
Pиc.II. Функциональная схема ПЯ.
:обмена
'
Iбр
,Много
;функцио•
,нальная
·шина
! управле•
1НИЯ М1J.1У
8р
г
'
~с:-:---,,
·~·
,•-:: .:
~: ·,
.,
,
"
П.1
/-i( (1 /Cifl:<'!
('('·)
.
,_1•
.п;··;}с
--t
.
C\l
н
.
о
~
185
~\,)
f!o кспuп7 ель
~
-~
~
~
/021; х f6p
';:
·~
-
'\)
.
~
()...,
~ 1.::·
~
·~
с::::;
Ре2цс~р сlшнь1х 16/)
rис .1;J. Фу вкциональвая схема ООУ команд.
186
ANuCm/.J
cla /. !?р
с?опеμ,,11
,4,гиспр
clo J. с? j).
I,,,,.,,..,,.,, - 1
l
ЛОс иt./К'лtд.J
C'Yl'IHOП7 OJ:)
мок
\)~
t'
Q.: ~
~
,
Е(i\
•
(,,;~ ' - 1:;
~ .·:-,"'
,
!:ll'IHOжumeл ь f!x8
~7) ~
~~s
'
~Q
( 1,if?uJ ап, е /1 .ь
~&
-
·~
t~
Q <:\
~-
~~~
s~
-
~
~
/'Jб</0. rpcp-
(\) ,Q
k~
l'!ироьония
!:lc>лo⁢
Рис.14. Фуmщиональная схема. щ
187
Шина
команд lбр
~~;~ ~ж
MS
Регистр
адресации
Г:-rегистр
1юманд
Шина
адреса Iбр
Шина
управления 81
Синхро
генерато
Многофазный
тактовый
генератор
1
113У
микро1соманд
1---.-1 Сумматор
Индекс
реги?ТР
l:'Ис.15. Функциональная схема устройства управления.
18Б
1-'
(J)
ер
~
..:::
:;!
:r:
:s:
а•
,:s: •
~-
"'.
о
Е-<
о
у_ такт ,е.11итель ..._ _ ___,
на IO
~1
j
"r Программируемый
счетч11к _J " _,I бр
ili1'
t;;, 1
Р..Ф ,
~~\
:1 Програ.w.~иwемый
~§'
счетчик 2 Iб
Р-. :>.,
~ых. Т2
--- ------------1~ Регистры дшiных
таf;:мера 2xI5
i'ис.16. Функциональная схема таймера.
1-'
ф
о
·-
~
4
~:;з
~ф
[о
,_
()
----@,._
~
~
Q_~
~~
~~
jt}
N~
~~
1
1
tc 03У,Д,
03:УК
1
Л.ешшрратор
1(0/'taН..dЬl
у11раб,1ен.ия
1
Реги.стр
дан.ны х
j
,;,
Cчemч"tLA:. обtVен.а
IOp
1!,ых, бytpt?p
001ili6iX/
ка'1ано
Схеi'1ч
&,iJa'iи. -
rzpue~a
залросD6
?ис. I? . Фующиональна.н схема мод.уля обмена
к I.Li ·ане оонена
.
-
/5е3ущиJ.; 6едо1161,ц
s:.
1/
3GЛ'Р0С ОU/'1ен.а
"
/f
-
,,при.ем
за 11.роса
-
··-
УДК 621.395 .61.04
Канцицаты техн. наук. rJ--1 . Котович,
В~Ф;- Ламек.ин, иJi,C Малашонок.
МИКРОПРОUЕССОРНЬ!Й НИЗКОСКОРОСТНОЙ
ДЕЛЬТА-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РЕЧИ СО СТАТИСТИЧЕСКИМ
ПРЕДСКАЗАНИЕМ
Рассмотрены структуры низк.Dск.оростных цельта-коо:еков, прец
ложен принцип организации и построения микропроцессорного прогно
стического со статистическим п~цсказанием о:ельта-коо:ека, реализуе
мого в интегральном исполнении.
8 настоящее время боJ1ы11ое внимание уо:еляется метоо:ам преоб
разоваiшя речевых сигналов в цифровой вио: с целью его послео:ующей
перео:ачи по линиям связи, использования в системах с управлением
ЭВМ и т~ц~- [4)~-
Срео:и таких известных способов, как ИКМ (импульсно-коо:овая
,100:уляция), РИКМ (разностна~ ИКМ), ДМ (о:ельта-моо:уляция), lli\l\
занимает особое место, так как не требует синхронизации межо:у пеr·
рео:аваемыми отсчетами, поскольку отсчеты состоят лишь из оо:ного ...
бита, что о:елает организацию связи о:остаточно легко осушествимой~
Наиболее простым о:ельта-моо:улятором является линейный о:ель
та-моо:улятор (ЛДМ) (рис~--1Св ЛДl\1 вхоо:ной сигналх(t) посту
пает на первый вхоц компаратора, го:е сравнивается с аппроксимирую
щим напряжением у( f );- Сигнал с выхоо:а компаратора поступает на
вхоо: тактируемого триггера (д) и в моменты времени t=llT фик
сируется им. Выхоо:ной сигнал триггера послео:овательно •,ерез пре
образователь полярн1.>Сти (ПП) поступает на вхоо: интегратора (ИНТ),
кDторый о:ает положи+ельное или отрицательное прир,ащение аппрок
симирующему напряжению у( t ).- П .в ои чн ый
сигнал _ р(пТ) поо:ается
в линию связи, на выхоо:е которой 'включен о:екоо:ер, состоящий из
тех же узлов, что и коо:ер, за исключением о:искретизатора по вре
мени (триггера) и о:искретизатора по амплитуо:е:-
Сущ~ственный нео:остаток ЛП.М, как можно вио:еть из времен-
ных о:иаграмм ( см~-- рис,.- 1, б), заключается в том, что при больших
скорастях нарастания напряжения х ( t ) ап проксимирующее напряжение
у( f.) не успевает отслео:ить вхоо:ной сигнал, т.е. о:ля получения о:о
статочно качественного преобразования необхоо:имо либо повышать
частоту о:искретизации, либо увеличивать приращение аппроксимирую
щего напряжения в моменты времени, коrо:а скорость нарастания
вхоо:ного напряжения станет больше, чем та, которую может .::пслео:итr-.
191
коQер при прежнем значении шага квантования,
На сегоцняшний Qень приме!_!~_ют как прямое, так и обратное уп
равление шагом квантования, т,е, либо из вхоQного сигнала, либо из
выхоQного.- в·ьльшее распространение получило формирование сигнала
управления шагом квантования из восстановленного сигнала, так как
он имеет оQинаковый виQ как [!ЛЯ коQирующего, так и QЛЯ Qекоцирую
щего ус::тройства, 0Qна из типичных структур такого коцера показана
на рис, 2,
На рис~- 2 Qискретизированный Qвоичнь!Й сигнал р(пТ) поступает
на вхоQы полосовых фильтров ПФ, - При помощи в1,mрямителей (Б) и сло
говых фильтров ( СФ) формируется напряжение, пропорциональное среQ
нему знач .ению сигнала в кажQой из полос, которое затем nоQается на
нелинейный эле1v1~нт (НЭ), имеющий амплитуQную характеристику, как
показано на рис, 3, За счет нелинейности амплитуQной характеристики
происхоQит компрессия, Сигнал управления шагом квантования получа
ется при суммировании сигналов с выхоQом нелинейных элементов каж
цого канала ПФ-В-С;Ф-НЭ, которь!Й при помощи амплитуцно-импульсно
го моцулят .ора формирует необхоQимое приращение аппроксимирующего
напряжения ,
Существует большое число структур Qельта-моцуляторов с обрат
ным управлением, в которых управление шагом квантования прои з во
цится в зависимости или от Qлины пачки ,, состоящей из оQнозначных
символов послецовательности р(пТ), или от среQней энергии восстанов
ления сигнала, или его срецней скорости нарастания и т,·ц~ • [ 1, 2]. •
СреQи коцеров с прямым управлением можно показать структуру
ри_с. 4,
Вхоцной сигнал разцеляется на три частотных по1шсы при помо-
щи полосовых фильтров (ПФ) и компрессируется при помощи нелиней
ных элементов (НЭ) в кажцой полосе.- Сре[щее значение сигнэла в по
лосе формируется при помощи выпрямителей (В) совместf:!о со слоговы
ми фильтрами ( СФ ), на выхоQе которых фор мируе тся сигнал управления
шагом квантования цля кажцой частотной попосы, С1,орость и зменен ия
этих сигналов очень мала по сравнению r:o скоростями изменения сиг
налов ZLf, И:;,., U 2 , чти позволяет промоцулировать ими частоты 60
и 120 Гц, которые не вхоцят в полосу рече1J::>го си гнала,
Компрессированные сигналы ZL1 , U21 Zi:>
с1и1ацываются в сум-
NIВТОрах ( С 1) и ( С2 )_ с сигналами управлении V,, Vz 1 V.3 и поступа
ют на обычный ЛШ\1\. В цекоцере сигналы управления выцеляются из
сигнала ЛПМ, и восстановлени_е исхоцного сигнала пронзвоцится раз
цельно по всем трем попосам.
Оцним иэ неQостатков такой структуры является то, чти она соQер
жит большое число аналогоных блоков, что затруr:t няет ее реализацию
в вице микросбирки ишr БИС [3 ]. •
В качестве цругого приv."'р'l коQера _УQ_е:бно рассмотреть коQер с
прямым управлением, показанный на рис. 5,
Управление шагом квантования ЗQес ь проиэвоQится сиrнапом, по
лу,1енным при помощи Qифференциатора (П), вьmрямителя (В) и ФНЧ,
192
пр оп орци ональн D средней скорости нарастания входного наг ряжения
х( i ). Этот сигнал имеет цостаточно низкую . скорость ИЗ\fенения, что
позволяет о:ля его преобразования применить ЛД.М с такт овой частотой
поряо:ка 600 Гц~-- Палее непосрео:ственно ПМ-сигнал р(п т: при помощи
мультиплексора (М) передается в линию совместно с сигпалом V{!z.T),
на выходе которой призводится разцеление сигналов V(ll.i} и р(а Т) ,
что требует цс,полнительной сv.нхронизации, в чем и заклю• l ается основ
ной недостаток такой структуры.
Применительно к кодерам с прямым управлением сущ ,~с тв)IЭ'Г не
уцобства, связанные с раз;~ичием структур кодера и декощ,· ра, что за
трудняет настройку мо~ема и приводит к нестабильности er ·o ампли
туцной характеристики.
Все вышеописанные структуры цают уаовлетворительные резуль
таты при скоростях передачи информации от . 12-15 до 30- ,[ О кбит/с
[1, 21; ·
Отслеживание входного сигнала производится в описаю.r ых случаях
при помощи процедуры определения шага квантования, котор ый буцет
прибавлен или вычтен из предыдущего значения аппроксимир:,ющего
напряжения y(f );·· Таким образом, если вместо предьщущего значе
ния, как исходного, брать значение наиболее вероятное для п ос л е цую
щего отсчета, используя статистические характеристики вхощ r ого сиг
н ала, то слецу е т ожидать заметного улучшения качества преобра :о,ова -
ния, что может по зволи ть уменьшить скорость передач_и инфор1' : ации в
пинию при сохрсшении ее информационного содержания.
Наибс,ле е широкое при мене ние ilМ на сегодняшний день ожио:ает.ся
при цифровой обрабо тк<е речевых сигналов;-
Обрати мся к широко известной модели речеобразования (рис~- 6).
Возду шный поток и з легких под о:авлением преодолевает сжатые голо
совые связки ( обоз начено пун~тиром) и проникает в голосовой тракт,
возбуждая удар ные колебания. По мере нарастания скорости движения
воздуха чер ез Dбрэз овэвшуюс я щель давление в ней пао:а_е.т_ в соответ
стви и с законом БернуJJЛи и связки снова смыкаются, т.е. речевой·
сиг н ал являет соб ,J й реакцию резонансной системы: голосового трак
та на возбуждающее воздействие - воздушную волну.
Приближенно голос овой тракт (рис _-- 6) можно представить аппрок
симаuией из набора трубок с различным сечением ( рис.- 7 ), Передаточ
ная характерис тик а такой системы будет определяться выражением:
""
g z-к
!-/{l)=])·'r:h :.,
-К
1-Z. СiкZ
k=✓
гце g - нуш1, n а - по11юсы пере[щт очной характеристики системы;··
1',
1'
!:-3 м 11 огоч11 с1~е~'1ных исспецова ниях по модешrрованию речи было П!)-
казnно, что передаточную хnрн.ктеристику модеш1 голосового тракт а с
QОСТаТОЧ!·IЫi'Л качестDОМ• мо жно преасгавить 13 вице
).93
H(r.)=
=
"])
f-z С/1<. • z-к
К=_,,
т,е. моцели, соцержащей только полюсы.
Уравне ние цля такой моцепи получается из обратного преобразо
вания х 1рактеристики Н ( Z) :"""
,S(п,)=: Z C/_k .
. S(n-1c) +.JJ
k.= f
гце S(,,)- величина отсчета сигнала в t.' такте, а_:]) возбужцающий
сигнап.
Если ограничиться только цвумя полюса ми, то перецаточная ха
рактеристика моцели примет виц:
S(н.) =ct1S(n - 1J+aг. ·S(11 - 2J
-1-J) •
(1)
О, rрецелим значе!!И:5! коэффициентов а 1 и а 2 из условия минималь
ного значения J)2 , т.е. минимальной мощности ошибки прецскЕ1 занин:
]) =S'(n.J-a.1cS(л-t) -аг ·S(h-г) :,
]) 2 = . Sl,; +a/2J'rf1 _ 1J +aj.S(n~. 2.J - :l.a1~fh)S(n - l,) +
+ :Za rtl.{ Sfn-rJ ·S(r, -zJ - el.a,.z, S-(пJS'(п-.г) .
(2)
В слу~ае и -::пользования усрецненной к орреляци онн ой функции
Rк = .! .. Lt(н} t(n-tc) можно записать слецующее выражение:
N k=o
J>~R0 +а/ Ro +a/Rc - .ta1R1 +,,га1а-<, R1 -:<. Cl,,t_ R ~ =
= (t+a / +a.z ")Rо -,2а1(1-a,l)R1- ,2 Cl.,1,, R-2
Б результt.не несложных преоб~:;с1с.оваr1ий имеем cv.cтew.y
~RoClf -f R1a,z==R-t
(R1а1 +д,tl.2
= Rz_
виц:
--- ---- )
Ro2 -R12
194
Если ( цля упрсщения) пронормировать знЕ.чения 1шрреJiяционной функ
цу;и ПО Rо , получим:
Р1-Р,Р2 Р1
f-P .,<,
--
1-р/ >
z
1-р1
(3)
P.z -P/ f-
1-P,z
- ---
=
~ fz_
1-р/
1-1
(4)
*
Такш .,. образом, если сфr,рмирсч,ать сигнал S(1i)=a1S/11-1 1acl. S(ll-,?j
то поп:,,~!нr,; r,еак цию фиr.ь·~р11, мо целирующего голосоr;ой тракт, в от-
сутствие сигnал& вс,збужцения, С.оответствепно при наличии возбуж-
цеш•я гояв;~тся ошибка, рьвная ]) ,
f\еличину ошибки г:рецсr,1'. зания опрецеляем из соотЕошений ( 2),
(З), (<): JJ 2==-(fтafтaf)Ro:-,l,a1(l-tl..z.)R1--ta1 ,е~ =
/R /{,<tf-aiRгtl;,Ri ;2 Ro(t~pл,){cf,-
1=μ),
(5)
l ~ )(_.1- ;~iJ,,2 );
11
Таким · образом, по двум [!редыдущим отсчетам сигнала на ;;снове
его корреляционной функции можно пред сказать посл§'дующий отсчет со
с~:;ецней ОШИСКОЙ JJ .
Ест: 1 1р"извести сравнешrе пг,Ецсказанного посr.ецующего о тсче
та с фактичес1шм послецующим отиrетом при помощи ко1v,паратора,
а за тем прибавить и вычесть (в эа13ис111.-:ости от состояния ком ;шра т~
рЕ,) из r,рецсказанного .значения ВЕ личину прогнозируе11,1ой . ошибки JJ ,
то rюпучи1v1 наиболее верся',·ную величину отсчета сии-юла,
Обобщенную с,р;,к-::-урную cxewy цельта-м ицулятора, работающего
п о такому принципу, ~1ожно прецставить схемой ·рис,·· 8, -
Вхоцной сигнал x(i, ) С[)Е:внивается при по11,,10щ11 Еомпаратора с:
пре □си1::занным значением у""( [ ) ~·- Вь п: сц но й
сигнал компаратора ( К)
о.искретизируется пс ьро,-;ени триггером (il), выхоцной сигнап котор~
го, укЕ. зывающий на знак Гf1с;ности межау ф&ктичесюн, : и Ерец с: казан
ным знс1чени,с~1и, упраDляет знако11,~ ры1ее вычисленной при по~шщи с~
отнош,:,шш (5) ~, шибки D . •Попучеююг таким обрезом значеЕие скла
ш,·вс1ется в сумматоре· (С) с п~:;ео.скаэанны1', значен. ие~J Резупьтат
этой операции у(п)= 1.j*(n)+ !JJ(11}/"hfl-11- (x(n)-f/%); есть ню-бо-
ле е прнближеJ-iное к х(п) значение, !]_алее в линейном прецсказа,еп,,,
195
(Jill) значение у(п) испопьзуется [(llЯ реалиэацv;и выс:испений соглас
но выражениям (2), (3), (4), (5). на основе которых произво[(ится
[(аnьнейшее прогнозирование отсu.ет~а у(п + 1) и опре[(еЛЕоРие кратко
временной корреляционной функции.
В с нr:зи с тем, чтс· [(еl'Ъта-мсщулятор пре[(ставляет собой замк
нутую си с тему с r::еременньn"1И п~раметрами, то возникает вопрос об
устойчив асти [(еnьта-мо[(улптора" Согласf:о критериш.. устойчивости
замкнутнх систем, чтобы корни зню,:енателя пере[(аточной функции не
нахо[(нли съ вне ециничной окружности на Jf, -r,лоскости~ - Пругими спо
вами, необхо[(имо, u:rобы корни знаменатепя г;t;рещночной ф:,·нкции не
превышали по мо[(улю е[(иницу. Пере[(аточпая ;;арактеристика цельта-
мо[(улят о ра, точнее, его схемы восстановления
зателя, о пре[(елясн::я выражением:
-
пинейного пре[(СJ:Е.-
Н(с) =
])
Найцем корни энаменателя этого выражения:
'l,.t-a1 ~ -tl.., =о . ( х:· с10)
На границе устойчивости \ Х 1 t =1 и
/x1\ /:;e.zl"'"/ a/-af-lfa-2.( ::.1
~ = а1 +1/а '(-+4r/ J_'
\::t'i ,\
{
'/,==
(){-1!{lf l.;, . . /((/ i
\х 2 \ =1, поэтому
::if !tZ:t )=1. ;
и Бьшотшется ·гопько в том с;тучае, ес1111
=О.:)-\а f2 \а \=2~ ·
Так1->.м о!разомf цля устойчивости рабаты цепьта-моцулятора необ;:о
r,им) выпОlrнение условий:
f IQ{1L,Z
l /a,{/Li
(6)
На основе вышсnр!!Ееценных сос:,тнuшеш~й r;остроена структура
цетпа-моцулятора, показанная на рис. i).
Вхоцной сигнал x(t) по=упает на вхоп компаратора (К), гце
срввнивается с прецсказанньnv; уров;ем у({ ), и в моменты 1>rое~·· ени
Т =пТ, гце Т - периоп слецования тактовых И!l,JПупьсов, Рыхоцн ,)й
сигнал компаратора фиксируется тр,:ггером ( Д), обраэу1,.~щпм выхо[(
~;у1с: пвоичную послецоватеm,1· ость~- В 1L такте при помощи бита p(-n .) и
ранее вычисленной срецней оШ!fбкп ]) ацаптер (А) апрщ1.спяет моцупь
и знаJ< отклонения прецсказанного значеРия у~( t ) от х ( { ) ~ - С-ко ррек-
196
тироваР.ная таким образом ошибка JJкJnr} склацывается в сумма
торе (С) с прецсказанныJ<d значениеы у ·(п), образуя величину у(п)=
= ]) (п)+уit"(п), которая и используется, кгк фактическоо значение
отсч~та сигнала у(п) ~x(i )lt =nт~-
.
Восстановленный отсчет у(п) поступает на вхоц элемента за
аержки ( ЭЗ), который в общем случае состоит из схем сцвиговых
регистров~- Элемент зацержки фнксирует текущий у(п), и цве прецы
цущих отсчео:а у(п-1), у(п-2)~- Эти отсчеты с выхоца элемента за
церж~;и поступа:юг на вь~чи~тель корреляционных моментов, который
опрецеляет произвецю-;ия у (п), у(п)у(п-1) и у(п)у( п-2) и шроиз-
воцит их усрецнение на основе ранее Бь~:,ислен~ых.·
Усr;ецненные коэффициенты Rx. z . jt'Ji !f. (ll-l -к) fj {п~i)
ис-
пользуются узлом арифме'!'ической обработки сигналов (УАОС) цля
реализации проuецуры вь~числений ссглась:о соотношениям ( 2), ( 3),
( 4), • ( 5), результатом ко.'!:орых является эначе~;ия коэффициентов а 1
и а 2 и моцуля ошибки]) •
•
.
С UР-Ы,ю обеспечения устойчивой работы цепьта-моцупятора вве-
о.ены :регистры коэффюrиентов а 1 и а 2 (РП l ) и (РП2), схемы
сравнеР.'ИЯ (CC:J.) и (СС2), ана.111':эатор нуля (АН), а также ,схема
запрета (СЗ), управпяюща~ записью вычи.спенных значений а 1!f' и a,/f:
в регистры памяти (РП), В случае, если любое из неравЕ,нств (61
не выполняется ипи оба коэффvuиента окажутся· равпым11 нулю, то за
писЕ в регистры памяти не произвоцится и при [{,'!_nьнейших вычисле-
1шях используются прецьщущие значения а 1 . и а 2 •
Согласно соотношению ( 1) вьr,шслитепь поспецующих отсчетов
(БПО) проиэвоци~ операцию на основе значений у(п) и у(п-1), ссщер
ж&щР,хся в элементе заQержки, и .._значений коэфtиm:ентов. а 1 и а 2 ,
соQержащнхся " r;егнстрах памяти. Результатом операции яы:шется
получение преQсказанного значения на 'r1+1 такт у*(п+l ), которое
затем через циq,ро-анапоговый нреобразоватепь поступает на вхоQ
компаратора (К) и в п+l такте процесс преQсказания повторится~-.
Так ке.к часто речевой сигнал и~,.1еет более сложную структуру,
чы., та, которая описыъается уравнением ( 1), то уместно наряQу с
ЕЬ!'iиспением ошибки]) ..по соотношению ( 5) применить v; ыгнове~'. Н):'10
аQаптаuию ошибки, т.е. формировс1ть .ее значение, используя переQа
ваемые биты ДМ-посnеQоватепьности. Таким образом, .. резупь:rирую
щее значение ошибки преQсказания буQем брать в виr-е:
]к (п) = (],(п) .'9J 1,,·gп {:;e(i)- ~ *(t;) /-t = tiT,
гце q,() 'l,} - а □ аптаuионный множитель, оnрецеJJЯемый из переQавае
м .ай [.J\·\-п осле цоватепьности:
Cj,-(11) = /с(р(11), jJ(l'?-1),
.. / q,(11-d,
(7)
Если переQаваемая посnеQоватепьность соQержит ОQинаковые сим-
вопы на анализируемом интервале, то в зависимости от вица симво
лов происхоцнт уме,rьшение или увеличеР.ие величины аQаптаuионного
множителя ь К раз.
197
На первоначальном этапе работы произвоаилось моаеm~рование
аельта-моаулятора со структурой рис. - 9 на микро-ЭВМ "Электрони
ка-60J\,}<- Е качестве вхоаного сигнала использовался синусоиаальный
сигнал. МоаеJТИрование произвоаилось с целью опреаеления оптималь
ного способа вычисления кратковременной функции.· т~-ё~- еначений f?o
,f't, R2.
~- Наиболее
хорошие результаты были получены при использо~
вании вычислений согщ:.сно соотношению:
lfк (n)=Rк(11-r_}+ ~ f_ (!f(tн). /j(11-c'-1<)-y(л-c'-N)-(j(л-t·-N-k}J
-
;V t=-0
гае лl-алина интервала анализа отсчетов речеЕого сигнала~-
Из этого соотношения виано, что реализация такого варианта вы
числения кратковременных корреляционных 1v,оментов Rk:_ влечет за
собой значительные затраты, f.'Dскольку требует большой объем памя
ти о.ля хранения отсчетов,_ поэтому, ввиау сложности, от такого вари
анта пришлось отказаться.
ilругой ,;ссr.еаованный вариант опреаеления корреляционных мо
ментов заключа.f'.ся в процеауре:
• Rк (н)= t i01;1-(11-1)/j, (tt-t'-к).
Этот ·способ аает несколько меньшую точность прео:скг.зания, оанако
требуе-:г_ значительно меньшего объема необхоо.имой о.ш, вычислений
памяти. Зо.есь произвоо.ится арифметическое усреанение произвес.е~-;ий,
гз~тых на интервале в (1/ тактов, т~е~- в прям-оугольном временном ок
не.
Теперь, если произвоо.ить усреанение не в прямоугольном, а в
экспоненциальном временном окне, то объем необхоаимой памяти о.ля
отсчетов можно свести к минИМУJ>..!У• Р. этом случае вычисления произ-
воо.ятся соглас1-:о формуле
/ о<.
IZк(n)=cZ · ljf11,)y{t1-fc)+ ;_ Rк.(п-1) ,
(8)
Это вырая:ение описывает соотноu~ение межо.у отсчетами на вх.о-
ае и выхоае интегрирующей цепочки, г_o.__ec:l:'J(i1){f(л-1<.) - ьхоо.ной
сигнал, а f2к {п) - аыхоаной сп гнал,_ !•е• усреанение в о.анном случае
произвоцится за счет интегрирования. Так как процео,ура вычислений
по формуле (8) имеет минимально необхсаимый объем памяти и наи
боJiьwую простоту вычислений, то такой способ опреа.еления корреля
пионн:ых мо~:,1ентов и был выбран исхоаным о.ля реализации о.ельта
моо.улятора.
Поскопьку пинейный прео.сказатель по существу прЕ,о.ставляет со
бой цифровой фильтр, перео.аточная характеристика которuгоменяется
в соответствии с параметрами вхоо.ного спгнала_,_ __'!:о большое значение
имеет время "постройки" фильтра поа сигнал, т.е. Еремя ао.аптации m1-
нейного прео.сказателя к вхоаному сигналу.
Если использовать в качестве вхоаного во:;щействия стационар
ный сигнал,то качество преобразоваf!ИЯ буает тем выше, _че,,' бJТИже
198
/
к нуто значение С)(. -- ~
поскоlIЬку в этом случае мы не ограничиваемся
временем ацаптации, Оцнако, если на вхоце цействует нестационарный
r,роцесс с мецле 1шо меняющимися параметрами (например, речеЕой
сигнал), то очень ыалое значение величины с/-- бу-цет вызывать отсут
ствие реакции це11Ьта-моцулятора на изменение параметров р,хоцного
сигнала~- Поэтому значение величины о(_ 1;елесообразно в~1бирать, ис
хоця из наилучшей разi5орчивости перецаваемой ре,;:и при зао:анной так
тсвой частоте fт ~-
с этой ;-.;е точкv зрения выбирается и не обхоо:имая о:лина интер
вапа анаnиза ПМ-послео:0J3ате1IЬJ:!ОСТИ в выражении (7), г также и ве
личина К в этом же выражении, При увеличении значения К выше [)_!]::_
тимаlIЬной величины возрастает о:инамичность о:ельта-моо:улятора, т,е~
уменьшается время ао:аптации, оцнако возрастают шумы квантования,
С цругой стороны, уменьщение эначе1-:ия К ниже оптимального влечет
за собс-й увеличение инерционности це11Ьта-моо:уruтюr, что опять сни
зит разборчивость пере[щваемой речи~- Г.оэтому параметры с>(, К и цли
ну сегмента ДN1-послео:овате11Ьности также и~еет смысл выбирать
только при макетирова нии цельта-моцуля тора,
В связи с необхоцимостью построения действующего в реальном
масштабе ·времени цельта-моцулятора быпи рассмотрены три основных
варианта реализацю1: на основе аналоговых элементов, на жесткой
логике, с испо11Ьзованием __!1,ШКр опрограммируемых rv;икропроцессоров
~rсокого быстроцействия.
Р, случае исполыс,ования аналоговых элементов упро!I!1с1_~тся ~;:еа
m13ацш, арифметических опе[IЕ.ций умнСJ_жения, целении и т,ц,, не тре-:
бугт цнq, рсаналс,гового преобразования, В то же время С'I&новится
проблематичной реализация фиксированных зацержек отсчетов, ,, К тому
же само наличие аналоговых . элеr-сентов прео:усматривает настройку
цельта-моцу.ляторов и, ввицу. нестаби11Ьности пае_аметров элементов,
снижение нqо:ежности таких 9истем коо:ирования,
flpи испольэовании жесткой логики отпацает проблема настройки,
обеспечивг, ется нао:ежность и стаби11Ьность рэботы цельта-моо:улято
ра, а также вы1.'ыrнение зацержек сиrнала, что позволяет отлаженный
апгоритм цля рЕ,а.nизации о:ельта-моо:уля,ора в вице микросборки или
БИС. Оцнак_о при это1v, возни·кает проблема, связанная с обеспечение~,:,
необхоо:имого быстроо:ействия применяемой лоrики, а также с обес
печением минимальной пот1 ,€,бляеыой мощности : [з] ~
-
-
Общим, и наиболее существенным недостатком обоих вариантов
является то,. что алгоритм функционирования о:ельта-модулятора стро
го зацается .,щrюратурсй и возможность его перестрой1511 нm1 стлао:
ки свяэана с; большими технолоrическими труо:ностями,
В значительной мере от этих неQостатков свобоцен nариант реа
лизации устройства на основе микрспрограммируемых микропроцессо
ров, которые v. были выбраны в качестве, исхоо:ноrо для реализации
□ельта-моо:улятора~- Были рассмотрены возможности применения мик
ропрс,цессоров различных серий, оо:нако наиболее приемлемой яш-~лась
199
микропроцессор1ая сЕсрия 589, облацающая на сегопняшний цень наи
высщим быстроцейстьием ( 5-1О млн~- оп/с)~ - Результатом макетиро
вания явилось · созпание це;:ъта-моцулятора, обЕ:спечивающего по=а
точно хорошее качЕ:ство речи при скорости переё{ачи 4,8 кбит/с·;-
В реальной моцели цельта-модулптора пля вычисления корреля
пионных моментов использовалась процедура согласно {8)~·· исслепо
вания с реальными речевьn..-1и сигналами показали, что в качест-ве оп
тимального значения величины J. в ныражени~ (8) уцобно __!\зять ве
личину ol....~1/8 (пр,: частоте цискретизации --f i =4_,8 кГц),
Для вычист~ения ошибки в реализовс.нно~,,~__ ~:,арианте использова
лась только мгновенная ацаптация ошибки, т,е, не произвопились про
цецуры соглас~:о ( 5) вви цу слишком больши;, затрат . 1'.1ашинного вре-
1v1ени, сьязанных с вычисле1~ием •.к-вадра тичн0w корня, В этом случае
в качестве значения ошибки ]) используется постоянное значение, и
вычисление величины ])к п_роизводится только на основе перецавае
мой ДМ-послецовательности,
Как было показано выше, интеграл анализа ДМ-послепователь
ности р(п), р(п-1)~~:- влияет на инерционнос::!ъ цельта-моцулятора и
на качество отслеживания входного tиr·нала, На пействуюшем макете
было исследовано влияние анализируемого се:r::_мента ДМ-носпепователь
ности с целью поиска оптимального варианта. При частоте пискрети
зации, равной 4,8 кГц, наилучшие результаты были получены при_ ис
пользовании только оцного бита ДМ-постrецовательности,· г. оскольку
в этом случае обеспечивается максимально возможная скорость ацап
тации дельта-модулятора к вхоцному сигналу, особенно необхоцимая
при · низких частотах дискретизации~--При высоких. частотах цискрети
эации (более 9 кГц) интервал анализа может быть расширен по 2-
$ бит с целью обеспечения наиJiучu.::ей разборчивости речи~-
Опрецеление необхоцимого интервала анализа ДМ-послецователь
ности велось ,с вычислением : оптимального значения величины К в
выражении (7 J. J lучшие результаты показал слецующий алгоритм оп
репеления величины ~
--
Если текущий бит 111'1\-послеповательносТ!' по
казывает, что моцуль предсказанного значения больше моцуnя ф.о, кти
ческого значения, то коэфФициент К полагаетсs:~: рав~;ым 15..:16, в
противном случае К=5/4. Такие числа выбраны также из соображР-ний
удобства вьmолнения с ними арифметических операций~-
На основе вышеописанного алгоритма; показавшего цостаточно
хорошее качество перепгчи речи, возможно создание Qельта:-моцуля-
1·оров, построенных с применением жесткой сr.аботочной логики, что
позволит реализовать устройство в виде микросбоFКИ или БИС с не
большим потреблением мощности~-
ЛИТЕРАТУРА
1~-- Ко тови ч
Г.Н., Ламекин В.Ф. Осо_бенности построения низк_с>:
скор_остных кодек_ов с _1:1ельта.,.;,vюдуляцией. - Техника срецств сьяэи.
Сер. ЕОС, 1983, , вьm. 1,
200
2. Комаров К.С., Котович Г.Н., Ламекин В.Ф., Палков А.И., Со
. болев BJL- Оценка эффективности работ~,1 цепей ко":fпанцироВ8:J:!ИЯ и вы
бор структурной ~-Хf)МЫ_ коцека для интегЕ_а~_ного· .исполнения.... Техни-
ка cpeit~TB СВЯЗИ• s:e,p. ВОС, 19~jl_ ВЫП0 2.
·- ·-
··- ·-
3~ Котович Г.1-'.., Ламекин В.Ф., Бучацкий А.Б., Станке r.с~ ._Fасчет
структуры коцека цля Е_еали.~ации его в интегr.~~.!fОМ исполнении. -
Техника срецств связи;,· Сер. ВОС, 1982, вьm. 1.
4~ - Котович
.г. н~ ~ •Ламекин В~Ф~; Бучацкий ,_!\~Б~~ Хохлов AJC Ин
тегральный дельта-кодек 11.ля аппаратуры связи. - Техника · средств свя
зи~~ cei:,;;- вое, 1982; вьm~- 1~-
Статья поступила в июле !1984 гоца
201
1\)
о
1\)
;
Rт
8ыJ<1iд
P(l'tT~
--
пп инт
д t-r'\
i--=: • 1
1" 1 ....*'/.
.
\
•
11
,.,; ;;::
.
177
IIUJШЯ
C8Я.3tL
t
-t,
f(t)
Fr,tт)iiii1ii1 ; 11
•
-t
а;
о)
Рис.I. Струк~рная схема .пинейноrо де.пьта-моду.пятора (а) и
ero временю;~е диаrраммн (6).
(\)
Р(п -т) ______
--
-
-
i-- ----·-
-·-
'
1 ,____,
'-----'
'-----'
'----'
1
L - -----------·
---
--
--···-
--
-
-
-.J
г-- . ----------l
1
t
1
1------------ _ J
Рис.2. Структурная схема компандирующеrо кодера с
обратным управлением.
a&tx
iiвx
8 Рис.з. Амплитуцная харахтеристиха нелинейного элемента.
1\)
о
,!>
X(t)
1
1
1.
1
A/1..N
П'1'1ННЗ11 1ш1 ,.~Vf
~ l~L__
L_
1uq121 lю2 Iи2 l 1-l .62 Цс'Р2Ц.,4м 1!2 l j 60 Гц
IIЭ3 I LL.3 l-
.l 53 Це973 1
1
Рис.4. Структурная схема анаJiоговоrо кодера
с прямым управлением.
V.3
1 l20Гц
lv
о
с~
X(t)
P(11J)
&/XO.fl
А
м
!/(t) f, •=96 fi.1
т'
ч
~-----------jйНГ
Л 1~---1."НЧ I Ц,~щ JV(п Т)
P-klc. 5 . Струк'l\У 1н1аЯ схема :кодера с прш,шм управлением.
Рис.6. Модель
речеобраэования.
X(t)
y(t) к
~-
Y(rz.)
лп-
1
!JАП
YrпJ
Рис.7. Модель голосового
тракта.
Р(п)
!3ых
д
og
с
JJ(rt)
А
{D(п) /
Рис.В . О~общенная структурная схема прогностичес
кого дельта-мо.цулятора.
206
..
5ь,х. Р(п.)
''-~- --~
У(")!/, п.
А
207
YilK 621.315.612
Г,J-:, Тяпкин, А.П, Лучников
ЕЛИЯНИЕ ТЕРМООТЖИГJ\ НА КАЧЕСТВО САПФИРОВЫХ
ПО[]JЮЖЕК ИНТЕГРАЛЬНl::!Х МИКРОСХЕМ СВЯЗИ
Метоцом циэлектрической спектроскопии исслецовано влияние тем
пературного отжига на качество саr.фировьп; поцложек интегральных
микросхем. Показано, •по термообработка и облучение Х- и гамма
лучами соэцает в структур€, сапфира цополнительные цефекты, которые
уху □шают его электрические свойства,
Термообработка малой цлительности ( цесятки минут или несколь
ко 6асов) при сравнительно небольших температурах : отжига (цо
700 К) часто встречается в различных технологических операциях,
В СDЯЭИ с этим исслецованиЕ: влияния типичн огс, в технологии терм~
отжига и закалки на качество сапфировых поцложек, в частности, i-ra
электрические ре1'аксс:ционные свойства сапфира, является полезным.
В цанной работе привоцится ряц фактоо, указывающих на термостиму
г,яuию в сапфире электрич1еских релаксаци оннь:х процессов.
Терt,,1ообработка сапфира являетсн причиной появления в окисле
электрических ры1аксаци онных Oп рощ,сс ов, Г! осле те р;v;ообраб с,тки окис
ла при температуре 600-700 К в вакууме и сравнительно резкого ох
лажцения наблюцается увеличениЕ тангенса угла циэле1,трических по
терь ( f9д) ,.. в 10-30 раз и не;начительное увеличение QиэпектрJ,;че
ской проницаемости ё,' . Зависимость уцельной провоцимости в пере
менном эпектрическом поле от частоты поцчиннется степенному зако
ну 6'~ wS , гце б - уцельная провоцимость окисла в переменном
электричес1:ом поле; С,!) - к~:-уговая частота электрического переменно
го поля; s~ 1, С увеш1 чением глубины ТЕ:рМО§ТЖИГа В НИЭКОЧаСТОТ
НОЙ облаwи щrэлектрического спектра ( цо 10 Гц) появляется макси
мум i:go Qебаевского типа [1].
Важным цля практики явпяется термоотжиг скисла в воэцухе
при срЕвнительно низких ,емпературах (Т =570-620°К) за не
больu,ой промежуток времени (ориентировJ'J~fо' 30 миЕ), После тер
мообработки образцы охлаж □.апись цо комнатной те!l,Jпературы (в среа
нем за 6 11,шн,). В результате наблюцается увеличЕ;ние энаuений ЧJО
бс,лее чем на поря[,.ок и имеет место цисперсн,:, с . Временная зави
симость f9f при комнатной температуре и частоте 20 Гц может
быть прецставлена суммой ц~ух экспонент, псЕ_вая ~э которых имеет
врЕ,мя релаксации ( 1-2 ) • 10~ с, втGрая
-
10 -10 с. При меньших
значениях Т начальные значения fп О уменьшаются. Так, после
отж.
ё!
20s
термообработки при 450-5ОО 0К науnьнье зна5"1шя q;J в иссnецо
ванном частотном циапа зоне (2 • 10 • -
1,5 •1_04 Гц) практически не
увеличиваютс1, оставаясь равными ( 1-3) • 10 . Также отсутствует
цисперсv.я 13 в указанном частотном циапазоне,
Пapannenыio с изуче~оием временных зависимос~й ig.J' и Е
1
вс.f'ецствие термообработкv набnюцались цисперсия ~ и частотное по
вецение Z&2dнa протяжении всеrо интервала времени наблюцения, Диаг
раммы Kc,yna-Koyna, построенные с помощью этих частотных зависимо
стей ( рис, 1), позволяют сцеnать сnецующие заключе1шя.
1. Прt, эначv.теnьных fg,f и цисперсии Е 1, которые соответст
вуют начаnьному этапу набnюцения, параметр распрецеnения времен
реnаксации (J1 минимален. Часто J' близко к нулю, что соответст
вует существованию реnаксационного мономеханизма,
2, С увеличением времени наблюl\ения J" растет, приближRясь
к ео.инице, и, сnецоватеnьно, реnаксгционный мономеханизм перерDж
цается в набор реnаксаторов ( рис, 2).
З. На первом этапе набnюцени>!. поnожение максимального значе
ния fв,rS на частотной ~капе бnизко к нижней границе иссnецуемых ча
стот (20 Гц). С течением времени положение максимаnьноrо значеР.ия
-f .gli смещается в сторону низких: частот ,
Н ебоnьшое количество экспериментаnьных точек, прихоцящихся на
кажцую полуокружность циаrрамм, обусnовnено необхоцимостью быст
рого измерения электрофизических пар аметрDв с тем, чтобы временное
измеnение посnео:них не сказалось на характере '!:астотных зависимостей
ig О, Прецставnяется очеЕис,ным и · оцнозначным построение циаграмм
Коула-Коуnа цля первых частотных с,:;рий, Конечные частотные серии
позволяют лишь прибnиженно построить циаrраммы Koyna-Koyna,
Учитывая, что закаnка образсцов может привести к нежелатель
ной деформв.ции поверхности ·1.)iшспв. заранее нанесенной катоцным рас
пыnение11,J метаnлической пnенкой (как правило, из Jlц ), провецен ряц
измерений образцов, покрытых Jh-+Ga сразу непосрецственно после
закаnки, В посnеl\нем случае эnектроцы на поверхность образца нано
сиnись непосрецственным образом ("намазывались"), Результаты и&
мерений в этом случае оказались аналогичными результатам цля об
разцов с заранее нанесенной мета~.лv.ческой пленкой,
Гlерец о тж:иrо м образцы, как правиr.с, вьщерживались несколько
чв.сс>в 11ри 1000°к в возцухе и затем мецnенно охnажцались, В с.r,учае
покрытия из JfU образцы поцверrались специаnыюй тепловой обработ
ке с целью уменьшения влияния катоцноrо разр2:и.а на циэnектрические
свойс тва окисла, Это вnияние иссnецоваnось отцеnьно,
'Термостимуляцию , реnв.ксв.ционных эnектрическнх процессов в сап
фире подтвержд .с1ет тв.кже метод термостимуnированной депоnяризgции
(ТСД). П осnе поnяризации образцав при температуре окоnо 400 К с
праnL'жением к окисnу напряжения riоnяризв.ции (l/.п), равного 2,0 -
,
10,0 кВ,нв.блюдается сnожная термограмма токс1 ТСД, в которой в
обnасти 90-5ОО 0К можно выделить, как прrн'lиn,,, не менее 5-ти ос-
209
новных максимумов токс1 ТСД. Подобнс1я тер,,1ограммЕ1 обусповлена тер..с
мообработкой окисла. В случае отсутствия последней максимумы ТСД
_развиты _слэб о_.
• Серье зное
значение цля развития максимумов тока ТСП имеет
также закалка обрЕ~зцов непосрецственно перЕц измерением тока ТСд.
На рис. 3 показано, что закалка образцов и Еысокая температу];)а пе
р€ ц измерением тока ТСД спосuбствует развrтию тока ТСД. lLn,
равное 3,0 кВ, было поцано на окисел при температуре поляризации
(Т ) 320°К в процессе охлаждения после теgмооб;:~аботки при более
выgокой, ч:ем Т температуре, 540°К и 373 К цля 1, 2 и 3 термо-
п
грамм соответственно.
Термообработка сапфира стимулирует спектр тока ТСД, отличный
от ,спiщ-гра тока ТСД сапфира, обг.ученного рентг.с:нё>l\,; или гамма-кван
тами. В таблице прецставлена цинамика замещения максимумов тока
ТСД, стимулированных рентгеновским облучением сапфира, максимума
_1.:х тока, появление которьrх стимулировано термообработкой, В каче
стве rтослецней выступает нагрев образца во время ли1,ейного роста
температуры, обязательного ь метоце ТСД. Из цанных табтшцы оче
вицен характер цеформации спектра тока ТСП: меняется знак тока ТСД,.
исчезают 11,шксимумы, стимуJJированные рентгеновск,; м обпучением, и
появляютсп ~ , ак;симумы тока ТСД с отличными значениями энергии
активации после тер~-.-rообработки окисла вслецствие реализации ранее
измеренной тер~-.•1ограммы.
Отметим, что после рентгеновсуого облучения на поверхность об
разца наносились электроцы из AU с помощью катоцного рЕ.спыленип.
Г!ослецняя прсцецура была ецинстье~-:ным цополнительным к термообра
ботке возцействия на окисел после рентгеновского обпучения, далее
сн;мались токи ТСД. Режим поляризации, в результате которой полу
чены цанные, привеценные !'- та б л иц е , бы л вьщержан
ецинообразным:
цлительность поляризации р~~ун:а 3 О с, цлительность пауз=с\ после поля
ризации - 15 с, вег.ичина U.- 11 - - 2,34 кВ, Т11 ~258,0::1,О К. М9-кси
мальная температура нагревания в процессе термоцеполяризацни опре
целяпась температурным поаожеЕиЕ, N' максимума ТСО.. которr,!й набтоо
цался посnецним Е термограмме. В ряце сnучаев в канце измерения
токЕ ТСД провоциnся краткий термоотжиг.
Анатюги,;ные измерения были правепены цnя окисла, аблученнD-
го гамма-квантами, Посnе ряца термоочисток, устран ,псшкх отрицатель
ный ток ТСд, набJJюцался положительный максимум тока ТСД с •
Т =181,5°К с энергией активации, равной 0,31 эВ, Этот максн
м}'I-~к~rJолне соответствует максимуму тока ТСД, !'Озникаюшему после
обпучения сапфира рЕ·НТГЕном, В температурной обnасти 240-250°К
набJJюцался ~-:аксимум тока ТСд с срео.ним температурным положением
Т =244 °к. Как вицно из таблиц1с , , после рентгеновского акисnа
э.f:'Ь~к<~,;шксимум тс,ка ТСд не обнаружен, С v.акоnnением суммы термо
обработки в пропессЕ измерений ТСД токи 1~рмоцеполяризаdии с по
ложительным напры:,лЕJнием тока замешались на отрицательные т:жи
210
тед. · Таким образом, общий характер повео:ения токов '[ед схоо:ен о:ля
обоих случаев стимуляции о:ефектной структуры окисла.
Отметим, что в сапфире гамма или рентгеновское облучения не
созо:ают о:ефекты. Сни способны лишь стимулировать имеющуюся в
окисРе о:ефектную структуру. Дозы использованных в работе облучений
соответствовали насыще нию гамма-стимуляции окислэ при измерении
ЭПР в сапфире 2 • е целью непосредственной проверки эффективно
сти использованного рентгеновского облучения были измерены оптиче
ские спектры поглощения окисла до и после рентгеновского облучения.
ХарэкrерН!:!Я для сапфира пмоса поглощения вблизи 6,0 эВ после рен
тгеновской •стимуляции оказывэется еще бмее развитой. Таким обра
зом, влияние рентгеновского облучения на окисел было очевидным.
Отметим также , что выше указанная пмоса оптического пDглощения
принадлежит собственной дефектной структуре окисла.
Известно, что в [ 3] не все максимумы термостимулированного
тока (тет) воспроизвоо:ились после рентгеновской стимуляции о:ефект
ной структуры окисла. Возможной причиной непDлной воспроизвоо:имо
с,-и rv:огла быть термообрг.ботка сапфира в процессе измерений . еле
о:ует учитывать, что при использовании термоочисток, метоо:а Крес
ве;rпа-Перлмана, метоо:а фракционного нагрева iметоо: Гобрехта) сум
марное время тепловой обработки образца увеличивается, так как
увеличивается общее время термограммы. Поэтому, как хорошо вио:.:.
но из о:анных таблицы, возможна "серьезная" [!_еформация спектра то
ка теп.
В [ 4] исслецована мет оо:ом тед структура крш,ший на саgфире
(КНС). Опрео:елено, что в температурной области 200 - 300 К на
ссбственно сапфировой поо:ложке токи: TC[l не наблюо:аются, в то вре.
мя как на КНС в этой же температурной обJ:састи обнаружена хоро11ю
рэзвитэя картина токов ТСД. Не исключено, цто тепловая прео:ыстория
исспео:ования метоо:ом сапфира и КНС серьезно разлиs:.ны, что и опре
цепяет найо:енный в [д] эксперимен1fльный результат. Отметим, ЧТС'
в температурной обl!асти 200 - 300 К уверенно наблюцаются в сап
фире различные термостимуmrрованные явllения: тет, термостимулиро
ванная люминесценция, ТСД [5 J. С учетом вышесказанного можно
со:епать выьоц, что окисел имеет о:ефектную_ структуру, ответствеf!ную
за электрические релаксационные процесс:ы.
Таким образом, термообработка окисла ответственна за созо:ание
электрических релаксационных процессов в сапфире, развитие котсрых
устраняет электрические процессы, ино:уцированные отличными от тер
мообработки способами.
Статья поступила в нrсне 1984 гоо:а
211
(\)
,_.
(\)
Серия п:,с.ТJецовательных измерений облучеР.'ного рентгеном сапфира
+
No термо- J\'o макс. т
Энерr-ия_, Величина
Знак макс,
макс
е. кт., э&
граммы
макс, тока
ТСД. А
-
---·
._. ____
_
_
,,_
1
1
i87
0,39
4 • 10--'- -'
"+ }/
--
-] q• 10-J.З
.
1
2
~Ю6
1,50
"+"
., ....
-
1
3
386,1
1,18
4,7•10- 13
и+"
-
2
1
187,7
О,52
1,5' 10-13
·
11 ;;
-
2
~
:j.Q .}.,l
не о~--.р •
6 , ·10-14
"+"
2
.. :,
отсутствуе т третий максимум тока ТСД
1---- -
•·
-----
3
1
178,5
0,69
-
1га
2,5• 10 -~
,,_,,,
-
1,з-:"iо- ... ~,
3
2
266,5
0,63
1/ ,,
l ________
Таблица
-
1-'епоср(щ. тер- Макс. Т наr-рева-
мооб_р, Еремя,
ния в прео.-
r-.:ин, Т, К .
шествую-
щei,.,i_ изм,,
к
Катацн.
отсутст .
распьт,
··-
_,,_и_
и"
-
_,,_,,_
11 //
·-
отсут.
420,5
_ ,.._,,_
420,5
461,С
419,О
..
LJ.61,0
419,О
11 мин.
(IJ
.....
(jj
3
,__
4
5
5
3
2
1
2
---
180,3
не опр,
265,9
0,73
не наб.mоцается
261,5
0,80
Процолжение табпицы
2.7 ~- 10- 14
"-"
497,5
450,6
11 мин.
3,9 ~ -10- 13
,,_,,,
497,5
450,6
11 мин.
556,4
392,3
--
3,7 ~ -10-12
"-"
556,4
392,З
ЛИТЕРАТУРА
1 . Губкин А.!-!., Тяпкин Г.Н. Релаксационные явления в ~,iонокри
стаппическом кDрунце в области температур 175-1. ЗОО 0 К:.- - В кн~:
Механизмы релаксаци Dнньrх явлений в тверцых телах~~ Каунас, 197 4,
с~- 26}=c:~tte F т. 8Cll"tr-am Rf/. Уоип~ t t"
{!-itCtilm- ;ti1:a,diaiion .11&,-,,ih/um_ 'O,r/de, -
-
fhf/S'.Rev .? 1964" V, 13/;, /IЗА "p. .!l . .:;;fg_ /9. sgs /
з. kawamvra. S. 1 Wfj& J!.S 1 - Phtf-5- fiai_ so/.(a}_,
19:fJ , V 50, /11,, f- 669-б75
4 . Локшин М,М , , Лысенко А,С., Назаrов А.Н., Руценко Т.Б.
Поляризационные явленин в нерехоцных споях пленок кремния на сап
фире~ - - Укр~- Физ~- Журнаi; 1982, т~- 27, No 10, с~- 1569-1572~
5~ - Тяпкин
г-.~-с ТермоСТl!!'-'{УЛИРОВанная цеполяризац11.н монокрис-
талпическо_r_о к_s>рунца.-Б нк.: Эnе~тре-rный :э<Noк-r и эпектри'f е ская
релаксация. - М . : МИЭМ, 1979, с. 107- 112.
214
.:r
и,
cu
~::::: .
ч..)
С)
с::::)
ао
С::,"' '
--
tu
Lt")
"-
с::,"'
~
с::! ::с
р_ ;::_~
н •-"
Ctj
-'-1
(.~1
r.f ~
·~)
С)
1.()
со
н
L"..;
215
(\.)
. ...
ф
1
~
Q5i----t----+---...J..---_J_----I
о ._____
________.,____.__ _
____ ,
1
~
З 1';~/IШJI. L/
]'lc.2 . ;J' :C. I>OHH O C ii O :ЬCJ;, : i!: : o Ifijr),Э[,,' CTpa [)с.iСТ'ре , t елсния
:сш /J.Л, шс~щш .
Рис .з. Ток ТСД для термообраоотанных образцов.
I. Ток ТСД после закалки /Torr,is.=540 К/, скорость.
охлаждения в среднем 20 град./мин. 2. Ток ТСД в ре
зультате медленного охлаждения /I град./мин. / при
том же . значении Тотж •• з. Тотж. уменъшена,373 К.
~
r---
0
1-----------+---=--~:,,С...---! С)
<У')
а
~---------1------___;:в~~ U"")
C\J
С)
,__________j_ __ _ __ _ _
___ __.
а
с:::».. C\J
217
УДК 621,373,826,
Доктор физ.-мат. наук Т.И. Гуткин ,
канд. физ.-мат. наук Н.И. Нессон ов
ФОКУСИРОВКА И КОММУТИРУЮШЕЕ ДЕЙСТВИЕ
ДВУХ ГРАДИЕНТНЫХ ЛИНЗ
Рассмотре,;ы грациентные линзы цля исполь:зования в оптических
устройствах при коrv,мутации световых сигналов,
В настоящее время грациентные линзы широко используют в
разно_г:_о роr:щ оптических устроi1:ствах при КОJ\смутации световых сиг
ыалов, flocлe прс,хожцения и цеального грацана световой сигнал, имею
щ;rй, вообще говоря, не~-:улЕевуIС апертуру, становится параллельным
его _ оси и циаметр пучка лучей vееличивается ь несколько цесs,тков
раз, Это свойство позволит _ уменьши;,ъ в некоторой мере потерг из
лучения, если полученный параплельный пучок сфокусировать с по
rvющью цругой такой же грациентной линзы. НесомненЕо, внесенная
асимметрия в расположении линз вызывает опрецеленньпс возмущения
траекторий лучей и, очевицно, нарушает фокусирJш,у. Вьmолненные
vсслецования относятся к нахожцению величины этих "нару_шений" при
малых воэмущениях сиw;метричного •распопожения грацанов, Очевицно,
эти возг,;ущения сЕоцятся к сцвигу оцной цилинцрической mшзы по
отношению к цругой в J1<: , бом из направлений, nерпенцикуш~рно м их
ос2м (параллельная несоосностьь) и возникЕовению некоторого нену
левого угла между их осями (угловая нессюсность). •
Полученные резу:rьтаты своцятся к слецующему; "малая" парал
лепьная несоосность цае-г "малые" сцвиги сфокусvрованного пятна и,
слы1овательно, малые потери , возникающие при 1сесогласовании парал
лельного пучка излучения с приемной линзой; угловая несоосность
вы~-ывает значителью0rе смещения сфокусированного - пятна и, поэтому,
з1сачительные потери, Это прецъявляет высокие требования к техно
лсгии изготовления коммутир~щих оптических устройств, использую
щих вращательныЕ механизмы,
Прецваритет-,ны<'- результаты
Граци€нтная :шнза ( грацс11-~) - циmнщрический сЕ-етовоц (см;~ ри
сунок) с rаспрецеленнь,м покt,зателем преломле1лш 1t. Ввецем cиcтe
Iviy коорцинат, взяв в качестве оси Ol ось световоца, прямые ОХ
и оу фиксируем произвольно на оQном из оснований линзы,
218
Уравнение эйконала в векторной форме имеет виц:
d. 1 dr?)
-1/Z. --
= V/1
dz
dz
,
.
--' >
гце 'l, - рациус-вектор точки на траектории луча.
Если прЕ,цположить, что п зависит лишь от расстояния точки на луче
ЦО Oz И переписать уравнение ЭЙКDнала В цилинцричесюа:х ·:коорцина
тах (x~/" 'CJJS t.f>; J =f "h 'J1 У', z:: Z ), то имеем [1]
с/.г.f" п_
dn
d<-:f: =п~ #о..г, dr-
При
тает
ry (,,,./)
нахожQении зависимости ;,:; t.... полученное уравнение приобре-
виц:
z,;
12
dn
- (i') 3 --п}·~z df"
c!!JI =
c[r-- 1 - -fo
(1)
Зцесь
1
l.(r-)
==0
~/о
_,
rQe /1,{, -направляющий косинус луча по _отношЕснию к оси 01, в его
точкЕ,, нахоQящейся на плоскости ХОУ.
Заметим, что ург.внение ( 1) и начаЛЕ,НЬ!е ус.тс.овия не являются
тем, что называют заQачей !<оши, так как цифференциальное уравнЕ<- .
!!Ие ( 1) зависит от начальных условий и поэтому к нему не приме
нимы метоQы теории возмущений обыкновенных Qифференцнальнь:х
уравнений,
РаспреQеление показателя прЕсломления в реальных граQанах
хорошо описывается функцией .
ri(r):::-}o
Сп о<./"
Gj;:
d-,. свяг&но с длиной линзы соотношением :Zo<..
=={
_
При этом элеrv:ентарно
f
.
i,::: - CUU111-t
о(
нахоцится интеграл
/Vo Jh d.J"
уравнения ( 1):
11{-!Vr/· 1
(2)
Обс·значим чере_з_ "{1 {Zo} расстошше луча .от оси г_радана . пос
ле прохождения линзы.: Соотношение (2) позволяет получн:ъ слецую
щую оценку QJIЯ '{' r('lo} :
!f(t'o) ~ f"c + (JL/3 f_ ,
7t
з
которая справеQ1шва цля { ~ g. f(Jмкп, что отвечает
Фокусировка в с.rучае п.а.рал.пелы-:ой несоо<;;.ш>~-
Рассм отрим луч, попаQающий в граQан на расстояние 'l fот его
оси с ;1/0 =,1~- Гешая
Qифференциа11ьное уравнение ( 1) с Еачаг.ьными
условиями:
219
получим
:l (r-)= .
d,.,_ / -о
d-x: /1=1r -
,
chrJl'--1 (evtt-J -Jl'l Jhdr--J).
CJ<..
это соотношение МОЖ!JО.г записать в вице
sho<.I'-
=oS'in { сп oL/"'-1 -1) 1
- Jh d..f'-f
cJi oU"i
n
что с точностью цо _слагаемых поряцка ( о( 2'1) 0 цает слецующую
оuенку цля ."'{,, :
/ .(, '\/ ,<,
r,;::,
о<, C-t У
:l
1
Для значен!f {, указанщ,rх:13 (З), получаем:
'l~O,t;,"1.Sr--1
Если 7 , 10::\ мкм.!: е~ 9• 10 мкм, _то 'l1 L о, 14 t(loL мкм~ 2't~
~ 1 ,2 • l0L мюv:) и 1:- .f-35 ,4 1v1км. Это показывает, что цля реальных
волокон рациуса 30-40 мкм обеспечивае~я прохожцение излучеьия
с малыми потерями поряцка 0,5 цБ~ --
фою,сировка при VГJIOJ3DЙ несооQНОСТИ
/
1 Пусть [ -ось излучающей ..т;нзы, f, - ось приеN!НОЙ линзы,
!f - угол ~еж □у ними, car(f' = N, 7 f - расстояние цо t'' точки на
луче при вхоае в приемную mшзу, Пля оценки флуктуаuий сфокусиро
ванного светового пятна решим циффе~:енциальное урав~-:екие ( 1) при
начальных услоьиях :
d~;
dl" r-~1t
Тогца при
ОLcl,х-_~![
-
,<,
s Jт c1.;v= s1n~jJLn
..
shJ. f':t-
~
з
Отсюца п1.:и l=I:i__ с точностью цо спагаемых поряцка (rJ'l1) Иl\1е-
ем
,
1
,<,
/
~]
r-,;..
.s,~ V_+- [i .!11i 1 +(df':tJ tos У r; .
(ч)
Из этого соотношения шщно, что сфокусированное пятно раэмы-
вается цовqльн9
величину S1 n 'f
-- ;r-
220
незначительно, . . н ·о смеща е тс;51 0 от
DCf!
, Это смещение, напрю л(•р, ц .пя 1 составляет
100 мкм, Слео.овательн о, чтобы потери при ф окуе,и г свке и::злуче1 111я
на вхоо.ное сечение вол::жна н е п.ревосхоо.или О; .З о.Б , отклс1юнпе :пу
ча не о.олжР.о 0п_ревышать 3 мю,,, ч ему отвечаЕет угповая несо,•с 1, ос-1ъ
порно.ка 0,03 .
ЛИТЕРАТУРА
1. Ссновы ~;олоконно-оптической с1ояэи. П е р. с англ, поо. рео..
F.M~- П.ианова~-
-
М,: Сов."- рао.ио, 1980~ -
Ст.э. тья поступила в июне 1984 г ,,QЕ\
22.1
-
222
•
~1.")
tc
s:
!о:.!
Редактор Е.К. Кичкина
-------------
.-·
•·-----------------
Поцписано к печати 27 . 11.8 -4 г.
Заказ ,9%
U39_ . AI_~-.?9 Uet:a d_p_.
с2.2 к-.
Форматш,g&g; Печ. л. .r4,0 Уч.-изц, л. ;~. / ~
Т-2:1192
Инцекс 3942
Тир~.ж 1000 экз.
..
Цена2р.22к.