1.2. Классификация электронных схем
Разделение электронных схем на аналоговые и цифровые не исчерпывает классификацию, принятую в схемотехнике.
Электронные схемы называются активными, если энергия сигнала на выходе схемы W2 либо превосходит энергию входного сигнала W1, либо входной сигнал отсутствует вовсе. Сигнал получает энергию от источника питания. Примеры активных электронных схем приведены на рис. 1.1 и 1.2.
Рис. 1.1
Рис. 1.2
Если выходной сигнал имеет энергию, не превосходящую энергию входного сигнала, то электронная схема называется пассивной (рис. 1.3).
Кроме разделения на активные и пассивные, электронные схемы делятся на линейные, параметрические и нелинейные. Формальный критерий, по которому осуществляется этот тип классификации, – вид дифференциального уравнения, описывающего схему. В линейных схемах все параметры не зависят ни от уровня входного сигнала, ни от времени; в параметрических – по крайней мере, один элемент меняется во времени, под воздействием управляющего сигнала (рис. 1.4); в нелинейных – зависит от уровня входного сигнала. За кажущейся отвлеченностью рассматриваемого типа классификации стоит глубокий физический смысл, лучше всего объяснимый с помощью понятия спектра сигнала.
Рис. 1.3
Рис. 1.4
Детерминированные сигналы в большинстве своем имеют спектры, содержащие ограниченное количество гармоник. При прохождении через линейную схему сигнал претерпевает лишь такие преобразования, которые сопровождаются изменением амплитуд и фаз гармоник, но не появлением новых. При прохождении сигнала через параметрическую схему в спектре на выходе присутствуют гармоники спектра входного сигнала, спектра управляющего сигнала, вызывающего изменение параметров схемы, и их линейные комбинации. Спектр сигнала на выходе нелинейной схемы обогащен гармониками, кратными гармоникам спектра входного сигнала.
В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим пример: допустим, входной сигнал – гармонический и его спектр содержит всего одну гармонику частоты f. При прохождении через линейную схему сигнал изменит амплитуду и/или фазу, но в спектре выходного сигнала также будет лишь гармоника частоты f. Если допустить, что в параметрической схеме управляющий сигнал также является гармоническим, но с частотой F < f, то спектр сигнала на выходе схемы будет содержать четыре гармоники с частотами F, f – F, f, f + F. На выходе нелинейной схемы будет сигнал с гармониками f, 2f, 3f, 4f, ... (некоторые гармоники могут иметь нулевую амплитуду).
Другим важным различием между линейными, параметрическими и нелинейными схемами является соблюдение (или несоблюдение) принципа суперпозиции. Суть принципа заключается в следующем: если входному сигналу Uвх1 соответствует выходной Uвых1 = KUвх1, a Uвx2 соответствует Uвых2 = KUвx2, то справедливо соотношение Uвых1 ± Uвых2 = K(Uвх1 ± ± Uвx2).
Принцип суперпозиции соблюдается только для линейных и параметрических схем.
Примерами линейных схем являются пассивный фильтр и резистивный делитель, параметрических – амплитудный модулятор и электронный ключ, нелинейных – ограничитель, а также автогенератор.
Следует отметить, что многие схемы в зависимости от уровня входного сигнала могут быть как линейными, так и нелинейными: например, усилитель при малых сигналах – линейный, а при больших, прохождение которых сопровождается нелинейными искажениями, – нелинейный (усилитель-ограничитель).
Еще один тип классификации – назначение схемы. В этом плане схемы объединяются в функциональные группы, например:
– фильтры;
– усилители;
– компараторы (схемы сравнения);
– генераторы;
– электронные ключи;
– логические схемы;
– триггеры;
– АЦП;
– ЦАП.
В каждой крупной группе можно выделить более мелкие. Например, группу генераторов можно разделить на генераторы гармонических сигналов и генераторы импульсов; генераторы импульсов, в свою очередь, – на генераторы прямоугольных импульсов и генераторы пилообразных импульсов; генераторы прямоугольных импульсов – на автоколебательные и ждущие, и т. д.
Количество «элементарных» электронных схем ограничено несколькими сотнями. Эти схемы представляют собой своего рода «кирпичи», из которых можно построить более сложные электронные устройства (как любое здание строится из типовых блоков, балок). Изменение элементной базы существеннее всего сказывается на этих «кирпичах», чем на процессе их объединения в сложные электронные схемы. Например, ламповый, транзисторный и операционный (на интегральной микросхеме) усилители очень существенно различаются, но так как они выполняют одну и ту же функцию усиления сигналов, то находятся, например, в приемниках разных «поколений» в одном и том же месте в схеме.
Отметим, что объединять элементарные электронные схемы в более сложные следует, конечно, с учетом того влияния, которое оказывает соседняя схема на данную, т. е. осуществлять согласование схем.
Свойства электронных схем, образующих группы, описываются параметрами и характеристиками, общими для всех схем группы.