Исследование моноиммитансного логического R-элемента "или" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.38

Н.А.ФИЛИНЮК, д-р техн. наук, проф., зав. каф., ВНТУ, Винница,

С.Е. ФУРСА, канд. техн. наук, доц., ВНТУ, Винница,

В.П. СТАХОВ, асп., ВНТУ, Винница

ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОИММИТАНСНОГО

ЛОГИЧЕСКОГО Ä-ЭЛЕМЕНТА "ИЛИ"

Приведено обоснование схемы моноиммитансного логического й-элемента "ИЛИ". С помощью компьютерного моделирования исследовано влияние на характеристики логического элемента таких дестабилизирующих факторов, как нестабильность волнового сопротивления отрезка линии передачи, нестабильность фазовой постоянной и появление во входном иммитансе паразитной реактивной составляющей. Ил.: 4. Библиогр.: 10 назв.

Ключевые слова: моноиммитансный логический й-элемент, компьютерное моделирование,. дестабилизирующие факторы.

Постановка проблемы. Развитие вычислительной техники достигло значительного уровня. Основное место в реализации ее технических средств занимают видеоимпульсные логические элементы. Также постоянно ведутся поиски новых принципов построения логических элементов, соответствующих определенным специфическим требованиям. Примером результатов таких исследований могут служить оптические [1], магнитные [2], а также иммитансные логические элементы [3], использующие в качестве информационного параметра характер или величину иммитанса. Благодаря использованию иммитанса становится возможным повысить помехозащищенность и энергетическую эффективность логического элемента [4]. Однако данное направление находится на начальной стадии развития, и поэтому требует дальнейших исследований.

Анализ литературы. Иммитансные логические элементы относятся к радиочастотным логическим элементам, способным осуществлять логические операции на несущей частоте сигнала [5 - 7]. В случае, когда в качестве информационного параметра в иммитансних логических элементах используются комбинации резистивного, индуктивного и емкостного иммитанса, их можно рассматривать как мультииммитансные логические элементы [8]. Для практического использования более целесообразны логические элементы, которые используют один информационный параметр, например, только активное сопротивление -(й-элемент), емкостной иммитанс - (С-элемент) или индуктивный иммитанс - (Z-элемент). Такие логические элементы называют моноиммитансными логическими элементами [9]. Моноиммитансные

© Н.А. Филинюк, С.Е. Фурса, В.П. Стахов, 2015

логические элементы имеют высокое быстродействие и энергетическую эффективность, но меньшую помехозащищенность, чем мультииммитансные логические элементы. Оценка их помехозащищенности и методы ее повышения требуют дополнительных исследований.

Цель работы - исследование моноиммитансного логического Я-элемента "ИЛИ", использующего в качестве информационного параметра активное сопротивление, в диапазоне изменения дестабилизирующих факторов. Для достижения этой цели решается задача исследования влияния дестабилизирующих факторов на характеристики логического элемента.

Обоснование схемы моноиммитансного логического й-элемента "ИЛИ"

Для моноиммитансного логического Я-элемента (рис. 1, а) информационным параметром является активный иммитанс "Я", а логическое состояние элемента характеризуется диапазоном значений этого параметра. Таким образом, логической единице "1" соответствует диапазон изменения Я(1 > Я0, а логическому нулю - "0" соответствует диапазон изменения Я(00 < Яо, где Я0 - резистивная граница логического уровня. Работу моноиммитансного логического Я-элемента "ИЛИ" можно описать таблицей истинности, которая представлена на рис. 1, б.

Яех1 1Я Я Яеих

Яех2

Яех1 Яех2 Яеых

о /к < Яо о /я < Яо о /к < Яо

о /Я < Яо 1 /Я > Яо 1 /Я > Яо

1 /Я > Яо о /к < Яо 1 /Я > Яо

1 /Я > Яо 1 /я > Яо 1 /Я > Яо

Рис. 1. Схематическое обозначение а и таблица истинности б моноиммитансного логического Я-элемента "ИЛИ"

б

а

Электрическая схема возможного варианта реализации моноиммитансного логического й-элемента "ИЛИ" представлена на рис. 2. Логический элемент состоит из четвертьволновых отрезков ^ , ¡2, ¡3 линии передачи, с волновыми сопротивлениями соответственно 201, 202, 203. К входам логического элемента подключены активные сопротивления Явх1 и Явк 2.

Я(0) пех2

К1

-1-0 | I = 1е!4 I —°| I 1 .»

01

Я(1) Лвх1

' К 2

-+0--1 ¡2 =Ле14

I -^г^

¡3 =Яе/ 4

Ч—•-1-0

203

1

2,

02

лвх2

Рис. 2. Електрическая схема моноиммитансного логического й-елемента "ИЛИ" (на схеме К1 и К2 - условные переключатели)

Иммитансная передаточная характеристика этого элемента, учитывая трансформирующие свойства четвертьволновых отрезков линии передачи ¡1, ¡2, ¡3, описывается выражением

Я =

2 0 3 (20 3Явх 2 + ^вхО

2 Ш 2 2

(1)

02

Если считать, что входные каналы логического элемента одинаковы, то есть 201 = 202, тогда из (1) находим

п _ 203(Явх2 + Явх1) лвых 2

2П1

(2)

Из (2) следует, что иммитансная передаточная характеристика логического элемента на плоскости в координатах Явх1 и Явх2 имеет вид прямой линии (рис. 3), положение которой может регулироваться путем

выбора значений волновых сопротивлений , 202, 203 отрезков линий передачи 11, 12, 13.

КвхЪОм

R(1) 100

exl.max

р(1)

Rex1.min 70

Zni = Zm = 50 Ом

Reux = 100 Ом /

Ab

г?(0) E>(0)—1—1—^—f—1——1—1—т R Ом

R ■ = R ■ 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 вх2' ex.min ewx.min 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

R(0)

ex 2.max

R(i) R(i) ex2.min ex2.max

Рис. 3. Иммитансная передаточная характеристика моноиммитансного логического R-елемента "ИЛИ"

На практике параметры реального моноиммитансного логического R-элемента "ИЛИ" будут отличаться от параметров вышерассматриваемого "идеального" элемента из-за влияния дестабилизирующих факторов.

Для обеспечения помехоустойчивости в реальном элементе граница между логическим нулем и единицей определяется не Z0, а диапазоном значений RHX и RHbIX (рис. 3):

R(0) < R < R(

вх.max. вх вх.mm :

R(0) < R < R(

-"вых.max вых вых.mln

(3)

(4)

Таким образом, диапазон возможных значений активного импеданса, соответствующий логическому "0" и "1", равен: - для входного иммитанса

0 < R(0) < R(0) ■ R(1) < R(1) < œ •

0 < RHS < RHS.max. ■■ -^вх min. < rhs •

- для выходного иммитанса

0 < Я(°) < 0(0) • Я(1) < Я(1) <» (6)

0 < Лвых < Лвых.тах. • Лвых.тт. < Лвых < ^ . (6)

Аналитическое обоснование иммитансной функции преобразования реального й-элемента "ИЛИ"

В реальном моноиммитансном логическом элементе выходной

иммитанс 2вых связан с иммитансами отрезков /1, ¡2, ¡3 линии

передачи, причем, в общем виде приведенный выходный иммитанс отрезка линии передачи имеет вид [10]

^х = 2вх у • ' "V = Яе 2Вых + ] • 1т 2Вых , (7)

1 + ] • 2вх •

где

Кр7 _ Ох • (1 -^вх • '.#) + Явх • " • (^вх + . ш

Яе 2 вых = Явых = ^ — пч2 — пч2 ; (8)

(1 -Xвх • '"Р)2 + (Явх • '"Р)2

1т 2вых = X вых = (1 - Х вх ^ • (Х - +'"Р) - ^ • " , (9)

(1 -Хвх • '"Р)2 + (Явх • '"Р)2

где Р = 2п • ¡1X - фазовая постоянная, I - длина отрезка линии передачи, X - длина волны сигнала,

__о __х _ о __х

и _ У — вых р _ Явх у _ вх

ПТ ТЛ* *) СНУ *) Т1Л* *) БУ

20 2 0 2 0 20

Так как информационным параметром данного логического элемента является активное сопротивление, следующие вычисления проводятся для активной составляющей иммитанса. Приведенные выходные активные сопротивления Явых1 и Явых2 отрезков ¡1, ¡2 линии передачи описываются соответственно выражениями:

Л _ • (1 - Xвх1 • '#) + Я.,1 _'"в • (Хвх1 + . (10)

вых1 (1 - Хвх1 • '"Р)2 + (Явх1 • '"Р)2 '

д _ Явх2 • (1 -Хвх2 • '"Р) + Явх2_'"Р • (хвх2 + '"Р) щ)

вых2 (1 -Хвх2 • '"Р)2 + (Явх2 • '"Р)2 .

Входное активное сопротивление нагрузки и выходное

активное сопротивление Швых3 отрезка 13 линии передачи описываются выражениями:

__п • п

г> _ Швых1 ' Швых2 . /1

пвх3 - Ш--Ш-; (12)

Швых1 — Швых 2

£ _ Пвхз • (1 - Xвх 3 • - Ш*з_(Ев • (XВх3 - tgв) выХ3 (1 -Хвхз • (Ев)2 - (Пвхз • (Ев)2 '

Так как выход отрезка 13 линии передачи является выходом схемы, выходное сопротивление реального моноиммитансного логического ^-элемента "ИЛИ" описывается выражением:

Швых - Швых3 • ^03- (14)

Аналогичным образом рассчитывается и выходное реактивное сопротивление схемы.

Влияние дестабилизирующих факторов на характеристики логического элемента

Из анализа выражений (10) - (14) можно сделать вывод, что основными дестабилизирующими факторами, которые влияют на выполнение неравенств (5) и (6), являются:

1. Нестабильность волнового сопротивления ^ отрезка линии передачи.

2. Нестабильность фазовой постоянной в .

3. Появление в входном иммитансе паразитной реактивной составляющей Хвх.

Задачей исследования является оценка влияния данных дестабилизирующих факторов и поиск путей для их минимизации.

Оценим влияние нестабильности волнового сопротивления 20 линии передачи на чувствительность выходного активного сопротивления логического элемента при условии, что все другие дестабилизирующие факторы отсутствуют. Чувствительность выходного активного сопротивления схемы от влияния волнового сопротивления отрезков линии передачи описывается выражением

ГШ IШ

£Швых — вых Швых (15)

П / 2 0

На основе (7) и с учетом (15) с помощью компьютерного моделирования получены расчетные зависимости чувствительности

S^ от волнового сопротивления Z0 при разных значениях приведенного входного активного сопротивления йвх (рис. 4, а).

Rex =0.2

0.5, i

.15.",

lRebix

X ex

20 40 60 80

а)

1

/ Р.

*" * * \ * *

,'.'. ■'■ ■%.""" \

2 \

0.5

Rex =0.2

0 0.5 1 1.5

б) X вх

"... / 1.5 /0.5

' Rex = 0.2 -

0 2 4 6 8 10

Q

в)

1x10"

г)

Рис. 4. Расчетные зависимости чувствительности от волнового

сопротивления линии передачи (а), чувствительности £.вых от входного

х вх

реактивного сопротивления (б), чувствительности 5.вых от добротности (в), чувствительности £.вых от частоты сигнала (г) при разных значениях приведенного входного активного сопротивления Явх

2

0

2

2

00

2

2

0

0

2

9

10

1.01x10

Из рис. 4 видно, что чувствительность выходного активного сопротивления RBbIX от изменения волнового сопротивления отрезков линии передач Z0 является постоянной величиной, причем величина чуствительности увеличивается при увеличении значения входного сопротивления Явх.

Для оценки чувствительности выходного активного сопротивления Явых логического элемента от воздействия паразитного реактивного сопротивления Хвх будем считать, что Z0, f и /0 соответствуют идеальному логическому элементу. Чувствительность выходного активного сопротивления R от влияния паразитного реактивного сопротивления Хвх описывается выражением:

dR 1R

SRäbK _ "-^зых / \вых (16)

X / лг

вх dXs^/ Хвх

На основе (16) получена зависимость чувствительности £§вых при

Х вх

разных значениях приведенного входного активного сопротивления Квх (рис. 4, б), откуда следует, что чем больше значения , тем менше экстремальная величина б1^™ . В таком случае возможным путем

х вх

уменьшения нестабильности является использование линии передачи с большим волновым сопротивлением .

Исследована зависимость работы схемы от добротности в = Хвх /Явх . Зависимость чувствительности выходного сопротивления от добротности приведена на рис. 4, в, из которой видно, что для получения чувствительности 5^вых < +1 нужно уменшать значение добротности в < 1. В этом случае паразитное реактивное входное сопротивление Xт практически не влияет на работу схемы.

Фазовая постоянная @ зависит от опорной частоты сигнала f0. На рис. 4, г дана зависимость чувствительности 5^вых от изменения несущей частоты сигнала / при разных значениях приведенного входного сопротивления Лвх. Из графика видно, что при изменении несущей частоты в диапазоне + 1% величина 5^вых не превышает + 1 при

условии > 0,2. Наибольшая стабильность выходного сопротивления Явых достигается при условии 0,5 < RBX < 1,5 .

Выводы. Проведенные исследования влияния паразитных факторов (изменения волнового сопротивления Z0 линии передачи и опорной частоты f сигнала, а также наличие паразитного входного иммитанса Хвх) на передаточную характеристику логического элемента показали, что изменение величины волнового сопротивления Z0 линейно влияет на выходное активное сопротивление схемы Явых, причем при увеличении значения входного сопротивления R увеличивается чувствительность

SR^1*. Для уменьшение влияния f и Хвх рекомендуется использовать отрезок линии передачи с высоким значением Z , а значение R выбирать в диапазоне 0,5 < Явх < 1,5.

Список литературы: 1. Arsenault H. Optical processing and computing / H. Arsenault. -Elsevier, 2012. - 509 p. 2. Sakhbetdinov M.A. Schemes of effective magnetic and and xor logic elements / M.A. Sakhbetdinov, P.F. Kartsev // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2007. - Vol. 71. - №. 8. - Р. 1115-1117. 3. Лщинська Л.Б. Ьштансна лопка / Л.Б. Лiщинська, М.А. Фшинюж // 1нформацшш технологи та комп'ютерна iнженерiя. -2010. - N°. 2. - С. 25-31. 4. Лщинська Л.Б. Оцшка основных параметрiв iмiтансних лопчних елеменпв / Л.Б. Лщинська // 1нформацшш технологи та комп'ютерна iнженерiя. - 2011. -№ 3. - С. 45-52. 5. Электронные радиоимпульсные вычислительные системы дискретного действия / Под ред. Неймана М.С. // Труды московского авиационного института. - Том 149. - М.: Оборонгиз, 1962. - 186 с. 6. Кичак В.М. Синтез частотно^мпульсних елеменпв цифрово! техшки: монографiя. / В.М. Кичак. - Вшниця: УНШЕРСУМ-Вшниця, 2005. -266 с. 7. Кичак В.М. Радючастотш та широтжымпульсш елементи цифрово! техшки: монографiя / В.М. Кичак, О.О. Семенова. - Вшниця: УНШЕРСУМ-Вшниця, 2008. - 163 с. 8. Филинюж Н.А. Моноиммитансные логические RLC-элементы / Н.А. Филинюж, Л.Б. Лищинская, Е.В. Войцеховская, В.П. Стахов // Вютник Хмельницького нащонального ушверситету. - 2015. - № 3.- С. 117-121. 9. Filinyuk N.A. Monoimmittance logic й-elements / N.A. Filinyuk, L.B. Lishchynskaya, O. V. Voycekhovska, V.P. Stakhov // П'ята мiжнародна науково-практична конференщя "1нформацшш технологи та комп'ютерна iнженерiя". -1вано-Франювськ - Вшниця, 2015 р. 10. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ: учебное пособие. Том 1 / И.В. Лебедев. - М.: Высшая школа, 1970. - 439 с.

Bibliography (transliterated): 1. Arsenault H. Optical processing and computing / H. Arsenault. - Elsevier, 2012. - 509 p. 2. Sakhbetdinov M.A. Schemes of effective magnetic and and xor logic elements / M.A. Sakhbetdinov, P.F. Kartsev // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2007. - Vol. 71. - № 8. - Р. 1115-1117. 3. Lishhinska L.B. Imitansna logika / L.B. Lishhins'ka, M.A. Filinjuk // Informacijni tehnologi! ta komp'juterna inzhenerija. - 2010. -№ 2. - S. 25-31. 4. Lishhins'ka L.B. Ocinka osnovnih parametriv imitansnih logichnih elementiv / L.B. Lishhins ka // Informacijni tehnologi! ta komp'juterna inzhenerija. - 2011. - № 3. - P. 45-52. 5. Jelektronnye radioimpul'snye vychislitel'nye sistemy diskretnogo dejstvija / Pod red.

Nejmana M.S. // Trudy moskovskogo aviacionnogo instituta. Tom 149. - M.: Oborongiz, 1962. -186 p. 6. Kichak V.M. Sintez chastotno-impul'snih elementiv cifrovoï tehniki. monografija / V.M. Kichak. - Vinnicja: UNIVERSUM-Vinnicja, 2005. - 266 p. 7. Kichak V.M. Radiochastotni ta shirotno-impul'sni elementi cifrovoï tehniki: monografija / V.M. Kichak, O.O. Semenova. -Vinnicja: UNIVERSUM-Vinnicja, 2008. - 163 p. 8. Filinjuk N.A. Monoimmitansnye logicheskie RLC-jelementy / N.A. Filinjuk, L.B. Lishhinskaja, E.V. Vojcehovskaja, V.P. Stahov // Vistnik Hmel'nic'kogo nacional'nogo universitetu. - 2015. - № 3. - P.117-121. 9. Filinyuk N.A. Monoimmittance logic Ä-elements / Filinyuk N.A., Lishchynskaya L.B., Voycekhovska O.V., Stakhov V.P. // P'jata mizhnarodna naukovo-praktichna konferencija "Informacijni tehnologiï ta komp'juterna inzhenerija". - Ivano-Frankivs'k - Vinnicja, 2015. 10. Lebedev I.V. Tehnika i pribory SVCh: uchebnoe posobie. Tom 1 / Lebedev I.V. - M.: Vysshaja shkola, 1970. - 439 p.

Поступила (received) 13.09.2015 Статью представил д.т.н., проф. ВНТУ Перевозников С.И.

Filinyuk Nikolaj, Dr.Sci.Tech, Professor Vinnytsia National Technical University 95 Khmelnytske shose, Vinnytsia, Ukraine, 21021 tel./phone: (067) 171-22-97, e-mail: N_Fil_45@mail.ru ORCID ID: 0000-0001-9600-9082

Fursa Svitlana, PhD Tech. Vinnytsia National Technical University 95 Khmelnytske shose, Vinnytsia, Ukraine, 21021 tel./phone: 063 880 41 32, e-mail: pip_1@mail.ru ORCID ID: 0000-0003-4678-1423

Stakhov Volodymyr, PhD-student Vinnytsia National Technical University 95 Khmelnytske shose, Vinnytsia, Ukraine, 21021 tel./phone: (097) 840-29-97, e-mail: vladstakhov@mail.ru