Метод синтезу моноімітансних логічних елементів та спеціалізовані пристрої на їх основі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці методу синтезу моноімітансних логічних елементів, дослідженню їхніх математичних моделей і експериментальних зразків, побудові комбінаційних схем та транспондерних систем на їх основі. Використання імітансу як інформативного параметра дає можливість підвищити завадостійкість і швидкодію, зменшити поріг мінімальної робочої напруги логічних елементів. Це дозволяє використовувати моноімітансну логіку у промислових, бортових, спеціальних обчислювальних системах, які працюють в умовах високих завад, і для яких важлива не мінітюаризація, а висока завадостійкість і швидкодія. У роботі подальшого розвитку отримав імітансний метод синтезу логічних елементів шляхом одночасного використання імітансу тільки одного виду додатного значення та використання як фізичної основи трансформувальних властивостей чвертьхвильових і півхвильових відрізків лінії передачі у НВЧ діапазоні. Використовуючи розроблений метод, запропоновано математичні моделі та схеми реалізації пасивних моноімітансних логічних елементів на основі півхвильових і чвертьхвильових відрізків лінії передачі, які виконують логічні функції «НЕ», «АБО» та «І» за умови використання активного опору як інформативного параметра, та елементів «І» за умови використання ємнісного та індуктивного опорів. За допомогою комп’ютерного моделювання поведінки математичних моделей моноімітансних логічних елементів у програмному пакеті Mathcad 14 проведено дослідженння впливу на вихідний інформативний параметр дестабілізувальних факторів, яке підтвердило високу стабільність роботи моноімітансних елементів. Виконано комп’ютерне моделювання у програмному пакеті AWR Microwave Office 9.00 та побудовано експериментальні макети моноімітансних логічних елементів «НЕ», «АБО» та «І», які підтверджують роботоздатність моноімітансної логіки. Розроблено суматор за модулем 2, півсуматор та суматор на основі моноімітансних логічних елементів, що використовують активний опір як інформативний параметр, та проведено їх додаткову оптимізацію за рахунок взаємного скорочення довжини відрізків лінії передачі. Розроблено радіочастотні пасивні передавачі, сумісні з моноімітансними пристроями. На їх основі запропоновано транспондери з моноімітансними схемами: логічним елементом «АБО», «І», масивом елементів «НЕ», масивом елементів «НЕ» з різними хвильовими опорами, суматорами за модулем 2, шифратором, пріоритетним шифратором. Проведено комп’ютерне моделювання таких транспондерів у програмному пакеті AWR Design Environment 9.00, яке підтвердило їх роботоздатність і переваги, та запропоновано варіанти їх практичного використання.

Диссертационная работа посвящена разработке метода синтеза моноиммитансных логических элементов, исследованию их математических моделей и экспериментальных макетов, построению комбинационных схем и транспондерных систем на их основе. Использование иммитанса в качестве информативного параметра позволяет повысить помехоустойчивость и быстродействие, уменьшить порог минимального рабочего напряжения логических элементов. Это позволяет использовать моноиммитансную логику в промышленных, бортовых, специальных вычислительных системах, работающих в условиях высоких помех, и для которых важна не минитюаризация, а высокая помехоустойчивость и быстродействие. С помощью компьютерного моделирования математических моделей моно- иммитансных логических элементов в программном пакете Mathcad 14 исследовано влияние на выходной информативный параметр дестабилизирующих факторов, подтвердившее высокую стабильность работы моноиммитансных элементов. Проведено компьютерное моделирование в программном пакете AWR Microwave Office 9.00 и построены экспериментальные макеты моноиммитансных логических элементов «НЕ», «ИЛИ» и «И», которые подтверждают работоспособность моноиммитансной логики. Разработан сумматор по модулю 2, полусумматор и сумматор на основе моноиммитансных логических элементов, использующих активное сопротивление в качестве информативного параметра, и проведено их дополнительную оптимизацию за счет взаимного сокращения длины отрезков линии передачи. Разработаны радиочастотные пассивные передатчики, совместимые с моноиммитансными устройствами. На их основе предложены транспондеры с моноиммитансными схемами: логическим элементом «ИЛИ», «И», массивом элементов «НЕ», массивом элементов «НЕ» с разными волновыми сопротивлениями, сумматорами по модулю 2, шифратором, приоритетным шифратором. Проведено компьютерное моделирование таких транспондеров в программном пакете AWR Design Environment 9.00, которое подтвердило их работоспособность и преимущества, и предложены возможные варианты их практического использования.

The dissertation is devoted to the development of the method of monoimmittance logic gates synthesis, the study of their mathematical models and experimental models, and the construction of combinational circuits and transponder systems on their basis. As informative parameter in monoimmittance logic gates one type of immittance is used - active, inductive or capacitive. The use of immittance as an informative parameter makes possible to increase the noise immunity of logic gates due to the fact that the initial informative parameter of monoimitance logic gates does not depend on electromagnetic interference, voltage and current jumps. This allows for the use of monoimmittance logic gates in industrial, on-board, special computer systems, which operate in conditions of high noise and which are not need a miniaturization. Also, monoimitance logic provides high speed because it does not use transistors that provide a working frequency of the order of hundreds of gigahertz and switching times equal to tens of picoseconds, which far exceeds the values of the compound semiconductor logic gates. In addition, monoimmittance logic has no limits on the minimum power of the input signal, which allows to work with voltages that are much smaller than the threshold voltage of the semiconductor gates and increases the energy efficiency of the logic gates. The advantages of the developed combination schemes are passive power supply, absence of active elements in the circuit, high performance, high immunity to electromagnetic interference, reduced threshold of minimum operating voltage. Radio frequency passive transmitters, compatible with mono-immittance devices, have been developed. On their basis, transponders with monoimmittance devices are proposed: mono-immittance logical gate "OR", monoimmittance logic gates "AND", array of mono-immittance logic gates "NOT", array of mono-immittance logical gates "NO" with different wave impedance, mono-immittance modulo-2 adder, monoimmittance encoder, monoimitance priority encoder. The computer simulation of such transponders in the software package AWR Design Environment 9.00 was carried out, which confirmed their efficiency, and suggested possible variants of the practical use of such transponders. Based on developed transponders it is possible to construct sensors that will have the following advantages: power from the input microwave signal, the ability to work with low-power inputs signal, high-speed performance, and execution of logical operations without using of chips.