- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
1.2. Усиление электрических сигналов
Усиление слабых сигналов являлось самой актуальной задачей на заре развития радиотехники, когда не было еще мощных радиопередатчиков и имелось слабое представление о способах распространения радиоволн при минимальном ослаблении их энергии. Но и в современной электронике усиление сигналов является одной из распространенных задач, причем очень часто усиление сигнала сопровождается некоторым функциональным его преобразованием (например, интегрирование сигнала).
Когда речь идет об усилении сигналов, то подразумевается, что усиливается его первоначальная энергия. Энергия электрического сигнала, описываемого в терминах тока и напряжения, определяется соотношением
(1.1)
Если под Эс понимать энергию входного (слабого) сигнала усилителя, то энергия выходного (усиленного) сигнала – сигнала в полезной нагрузке Эн –
, Эн>> Эс. (1.2)
Важно отметить, что выполнение условия усиления Эн>>Эс возможно при любом из приведенных ниже соотношений:
iн(t)>iс(t), Uн(t)<Uс(t), iн (t)<iс(t), Uн (t)>Uс(t).
Это означает, что в процессе усиления, например, гармонического сигнала амплитуда напряжения в нагрузке может быть меньше амплитуды входного сигнала, но при этом выходной ток будет значительно превышать по амплитуде входной.
Поскольку вечных двигателей не бывает, то усиление энергии входного сигнала невозможно без привлечения энергии некоторого специального источника – источника питания усилителя.
Таким образом, под усилителем электрического сигнала следует понимать устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию сигнала в нагрузке под воздействием входного сигнала значительно меньшей энергии.
Поскольку носителем электрической энергии является ток, то для «перекачки» энергии от источника питания к нагрузке необходимо соединить их в замкнутую цепь, а для регулирования включить последовательно в эту цепь электронный регулятор – элемент, сопротивление которого можно менять в широких пределах под воздействием слабого электрического сигнала (рис. 1.8), где ИП – источник питания; Н – нагрузка; ЭР – электронный регулятор.
Электронные регуляторы получили в электронике название усилительных (или активных) элементов, но более точно отражающим суть процесса было бы название – управляемые элементы (регуляторы).
Рис. 1.8. Структурная
схема
усилителя электрических сигналов
; (1.3)
.
Из (1.3) следует два способа регулирования энергии в усилителях.
Первый – регулирование тока в нагрузке под воздействием входного сигнала iн=F(Uc). Это способ непрерывного регулирования (усиления). Второй – регулирование при постоянном токе нагрузки интервала времени t=t2 – t1, в течение которого пропускается ток через нагрузку
t= F(Uc), iн= const.
Такой способ регулирования называется ключевым. Оба способа находят широкое применение при построении усилительных устройств. Хотя в усилительной технике используют такие термины, как «вход», «выход» усилителя, – это не означает, что сигнал «проходит» через усилитель. На самом деле он лишь воздействует на регулятор, оставаясь на «пороге» усилителя.
Лишь в частных случаях (аудиотехника, видеотехника, осциллографическая аппаратура) сигнал в нагрузке усилителя должен по форме как можно ближе совпадать с входным сигналом. Во многих же других случаях точное воспроизведение формы входного сигнала необязательно. Например, входной сигнал – постоянное напряжение с датчика температуры, а усилительный элемент регулирует мощность переменного тока в нагревателе электропечи и т. д.
Важнейшими характеристиками усилительных (управляемых) элементов являются статические характеристики «вход-выход» и быстродействие. Статическая характеристика – это зависимость выходного тока элемента от управляемого сигнала при постоянном напряжении источника питания. По своему виду эти характеристики могут быть плавными или скачкообразными релейными (рис. 1.9).
а б в
Рис. 1.9. Схемы для определения: а – статической характеристики «вход-выход» усилительного элемента; б – плавной характеристики регулирования; в – релейной характеристики регулирования
Быстродействие усилительного элемента – это скорость реакции на изменение входного воздействия. Наиболее наглядно эта реакция проявляется при скачкообразном изменении управляющего сигнала (см. рис. 1.10).
Конечное время переходного процесса tП приводит к тому, что при достаточно высокой частоте повторения входных скачков усилительный элемент практически перестает на них реагировать, т. е. теряет управляемость (см. рис. 1.11).
|
|
Рис. 1.10. Реакция усилительного элемента на скачкообразное изменение управляющего сигнала |
Рис. 1.11. Потеря усилительных свойств (управляемости) из-за инерционности усилительного элемента |
Усилительные элементы являются основными компонентами современной электроники, и в последующих разделах данного курса им будет посвящено достаточно большое внимание.