МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский университет энергетики и связи»

 

 

 

 

Козин И.Д., Федулина И.Н.

 

ОСНОВЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

 

Учебное пособие

 

Алматы 2010

 

 

УДК 621.396.6 (075.8)

ББК 32.85я73

к59 Основы телекоммуникационных систем:

Учебное пособие/ И.Д. Козин, И.Н. Федулина;

АУЭС. Алматы, 2010. - 77 с.

 

ISBN 978-601-7098-82-7

 

 

Учебное пособие описывает основы электронных элементов, радиотехнических устройств и принципов телекоммуникационных решений. Приводится краткая информация о состоянии и перспективах развития радиоэлектроники. Существенная часть пособия посвящена описанию элементов, цепей, электронных и полупроводниковых устройств, применяемых в телекоммуникационных системах.  Даны  общие характеристики источников питания электронных устройств, представления аналоговых и цифровых информационных сигналов, способов их взаимного преобразования, принципов модуляции несущей частоты и организации многоканальных каналов связи.

 

Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальностям 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации;  информационные системы; космическая техника и технологии.

Ил. 54, табл. 4, библиогр. - 13 назв.

 

 

РЕЦЕНЗЕНТ:  КазАТК, канд. тех. наук, доц. Ж.М. Бекмагамбетова

     АУЭС, канд. тех. наук, проф. С.В. Коньшин       

 

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2010 г.

 

 

 

ISBN 978-601-7098-82-7

 

 

 

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2010 г.

Содержание

 

Введение	5
1 Радиоэлектроника и перспективы её развития	5
1.1 Радиоэлектроника, её роль в развитии науки и техники	5
1.2 Перспективы развития электроники и пути совершенствования	6
2 Радиотехнические элементы и цепи с сосредоточенными параметрами	7
2.1 Основные элементы радиотехнических цепей	8
2.1.1 Резисторы	8
2.1.2 Конденсаторы	10
2.1.3 Катушки индуктивности	12
2.1.4 Трансформаторы	12
3 Электровакуумная электроника	12
3.1 Газоразрядные приборы	12
3.2 Электровакуумные приборы	12
3.3 Телевизионные  электронно-лучевые трубки.	15
3.4 Осциллографические электронно-лучевые трубки	15
4 Полупроводниковые приборы	19
4.1 Полупроводниковые химические вещества	19
4.2 Электропроводность полупроводников	20
4.3 Диоды	22
4.3.1 Выпрямительные диоды	23
4.3.2 Стабилитроны	24
4.3.3 Варикапы	24
4.3.4 Высокочастотные диоды	24
4.3.5 Переключающие диоды	24
4.3.6 Светодиоды	25
4.4 Транзисторы	26
4.4.1 Полупроводниковые транзисторы	26
4.4.2 Полевые МДП транзисторы	28
4.4.3 Зонная структура n-полупроводника	29
4.5 Интегральные схемы	33
4.5.1 Полупроводниковые интегральные схемы	33
4.6 Тиристоры	34
4.7 Оптоэлектронные приборы и индикаторы	36
4.7.1Оптроны	39
5 Источники электропитания	42
5.1 Первичные источники электропитания	42
5.1.1 Химические источники электропитания	42
5.1.2 Автономные источники электроэнергии на солнечных батареях	44
5.2 Вторичные источники электропитания	44
5.2.1 Аккумуляторы	46
5.3 Блоки питания	46
6 Информационный сигнал	53
6.1 Аналоговые и цифровые сигналы	53
6.2 Модуляция	56
6.2.1 Амплитудная модуляция (AM).	59
6.2.2 Частотная модуляция (ЧМ).	60
6.3.3 Фазовая модуляция (ФМ).	60
6.2.4 Импульсная модуляция (ИМ).	61
6.2.5 Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)	61
7 Цифровая обработка сигналов	61
7.1 Линейные системы	61
7.2 Свойства линейных систем	62
7.3 Многоканальная радиосвязь и многостанционный доступ	62
7.4 Мультиплексирование	63
7.4.1 Частотное разделение информационных сигналов	63
7.4.2 Временное разделение информационных сигналов	63
7.4.3 Кодовое разделение информационных сигналов	65
7.4.4 Общая характеристика и принципы функционирования	66
7.5 Дискретные и непрерывные сигналы. Теорема Котельникова	67
7.6 Наложение спектров (элайсинг)	69
7.7 Дискретное преобразование Фурье	70
7.8 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП).	71
7.9 Цифро-аналоговый преобразователь	73
7.10 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей	74
7.11 ЦАП с последовательным интерфейсом входных данных	74
7.12 ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных.	74
7.13 Применение ЦАП	75
Список литературы	76

 

 

Введение 

Современные системы телекоммуникаций представляют собой комплекс научных, интеллектуальных и технических средств, предназначенных для установления контактов потребителей и передачи информации между ними.

Техническая часть этой системы – средства электроники и радиотехники. Достижения электроники используются почти во всех областях человеческой деятельности. Электроника внедряется в научные исследования, промышленность, транспорт, связь, сельское хозяйство, здравоохранение, культуру, быт, военное дело и др. Средства электронной техники стали неотъемлемой частью сложных приборов и устройств самого широкого назначения.

Особое место среди них занимают микропроцессоры, создаваемые на базе больших интегральных схем (БИС). Современный микропроцессор представляет собой полупроводниковый кристалл размером около 5´5 мм², в котором формируются десятки и сотни тысяч активных и пассивных электронных элементов, образующих сложную электронную схему.

Повышение степени интеграции микросхем до (3÷5)×10⁵ элементов в кристалле (сверхбольшие интегральные схемы - СБИС) привело к появлению микропроцессоров и микро-ЭВМ, которые содержат оперативный блок, блок микропрограммного управления, ОЗУ, ПЗУ, устройства управления.

 

1 Радиоэлектроника и перспективы её развития

 

1.1 Радиоэлектроника, её роль в развитии науки и техники

Электронными устройствами мы называем технические средства, выполняющие определенную функцию. Простейшими электронными  устройствами являются диод, триод, усилители напряжения и мощности, генераторы напряжения, тока, импульсов, фильтры и т.п.

Предметом электронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства.

Охватывая широкий круг научных и технических проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом, с одной стороны, электроника ставит перед др. науками и производством новые задачи, стимулируя их дальнейшее развитие, а с другой - вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследований.

Предметом научных исследований в рамках электронной науки и техники является:

а) изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с электромагнитными  полями;

б) разработка методов создания электронных приборов, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производств, процессов, создания энергетических устройств, контрольно-изме-рительной аппаратуры, средств научного эксперимента и др.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем объёме электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решётки для генерирования, преобразования и приёма электромагнитных колебаний с частотой до 10¹² Гц, а также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма-излучений (10¹²¸10²⁰ Гц). Последовательное практическое освоение спектра электромагнитных колебаний является характерной чертой развития электроники.

1.2 Перспективы развития электроники и пути совершенствования

Развитие электронной науки и техники идёт по двум основным направлениям, первое из которых связано с решением проблем информационно-вычислительного обеспечения, а второе - с проблемами получения и использования энергии.

Тенденция развития электронных приборов характеризуется непрерывной миниатюризацией, повышением их быстродействия, снижением энергопотребления, повышением качества и надёжности, снижением стоимости процессов переработки информации.

Т а б л и ц а  1.1- Основные характеристики электронных приборов[1]

Тип приборов	К-во функций на прибор	Габаритные размеры	Потребляемая мощность	Надежность
Электровакуумные	1	1	1	1
Полупроводниковые	0,5¸1	0,3¸0,2	5×10-2 ¸10-2	3 ¸10
Интегральные схемы	10 ¸20	10-2 ¸ 2×10-3	2×10-3 ¸ 10-3	10 ¸ 30
Большие интегральные схемы – БИС	3×102 ¸103	5×104¸3×10-4	10-2 ¸ 2×10-4	102 ¸ 5×102
Сверхбольшие интегральные схемы	5×103¸ 104	до 3×10-5	до  5×10-5	Практ. безотказно

Главным фактором интенсификации в микроэлектронике является рост степени интеграции и быстродействия ИС. В перспективе можно рассчитывать на создание ИС со степенью интеграции 10⁷¸10⁹ элементов на кристалле при быстродействии до долей нс. Использование доменных структур (ферромагнитных, сегнетоэлектрических и др.) позволяет прогнозировать создание запоминающих устройств с объёмом памяти 10¹²¸10¹⁵ бит. Вычислительные машины будут располагать интеллектуальным интерфейсом и логическим анализом. Интеллектуальный интерфейс позволит обращаться с машиной на естественном языке. Объём информации, хранящейся в банке данных, достигнет 10²¸10³ Гбит при быстродействии порядка нескольких млрд. операций в секунду.

Среди важных направлений развития электроники следует отметить оптоэлектронику, открывающую перспективы создания трёхмерных  быстродействующих микросхем, приборов отображения информации для стереоскопического телевидения и др. применений.

Ожидается значительный прогресс в развитии электронных приборов и устройств отображения информации. Наряду с совершенствованием электронно-лучевых приборов и высокояркостных проекционных приборов получают широкое распространение плоские экраны на жидких кристаллах, электролюминесцентных материалах и др.

Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в направлении их функционального усложнения, повышения надёжности и срока службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной аппаратуры.

При рассмотрении этапов развития электроники выделяют следующие поколения элементной базы:

- дискретная электроника электровакуумных приборов;

- дискретная электроника полупроводниковых приборов;

- интегральная электроника микросхем (микроэлектроника);

- интегральная электроника функциональных микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).

Каждое из приведенных поколений продолжает совершенствоваться в наиболее оправданных направлениях.

 

2 Радиотехнические элементы и цепи с сосредоточенными

параметрами

 

Электрические цепи состоят из резисторов, конденсаторов, индуктивности, электронных и полупроводниковых приборов, соединительных проводов. Поскольку эти цепи не изменяют энергию сигнала, они называются пассивными. Радиотехнические цепи, геометрические размеры которых много меньше длины волны распространяющегося в них сигнала, называются цепями с сосредоточенными параметрами.

Каких-либо закономерностей в значениях удельного сопротивления относительно атомного номера или атомной массы не наблюдается.

Элементы могут соединяться последовательно или параллельно. Примеры последовательного и параллельного соединений элементов показаны на рисунке 2.1, а формулы для расчёта результирующих параметров приведены в таблице 2.1.

Рисунок 2.1 - Примеры соединений элементов: а, б, в - последовательное; г, д, е – параллельное

 

Т а б л и ц а 2.1 – Формулы расчёта соединений элементов

2.1 Основные элементы радиотехнических цепей

2.1.1 Резисторы   Резистор - это элемент электронной аппаратуры, предназначенный для перераспределения и регулирования электрической энергии между элементами схемы.

Внешний вид основных видов резисторов показан на рисунке 2.2.

Основными параметрами резисторов являются: номинальное сопротивление R_ном, мощность и стабильность, которые указываются в технической документации и обозначаются на корпусе.

 

 

Рисунок 2.2 - Внешний вид основных типов резисторов: 1 - резистор переменный с выключателем; 2, 3, 4, 6, 8, 11 - переменные резисторы; 5 - переменный сдвоенный резистор; 7, 9, 10, 12, 13 - подстроенные резисторы; 14, 15, 16, 17 - постоянные резисторы

Номинальная мощность - это максимальная рассеиваемая мощность без отклонения параметров за допустимые пределы. Стабильность - это сохранение величины сопротивления со временем при изменении параметров окружающей среды, условий эксплуатации. Широко используются последовательное и параллельное соединения резисторов.

Пример последовательного включения резисторов - делители напряжения (рисунок 2.3), которые являются неискажающими цепями. Два резистора R₁ и R₂ включаются последовательно. Выходное напряжение U_вых определяется через входное напряжение U_вх как

U_вых = U_вх R₂/(R₁ + R₂).

Делители напряжения позволяют получать заданное постоянное или переменное напряжение, если входное напряжение достаточно велико.

Рисунок 2.3 - Схема делителя напряжения: R₁, R₂ - сопротивления; U_вх - входное напряжение; U_вых - выходное напряжение

В зависимости от конструкции резисторы подразделяются на проволочные и непроволочные. Наиболее широко используются непроволочные резисторы.

Проволочные резисторы изготавливаются из проволоки с высоким удельным сопротивлением.

Непроволочные резисторы обладают меньшими собственными ёмкостью и индуктивностью, что позволяет использовать их в более широком диапазоне частот. Кроме того, благодаря небольшой собственной ёмкости и индуктивности производят малогабаритные резисторы в широком диапазоне номиналов сопротивлений без изменения их конструкции. Непроволочные резисторы могут быть объёмными и плёночными.

Объёмный резистор состоит из резистивного элемента, который закрепляют на каркасе. Каркас обеспечивает механическую прочность и жёсткость всей конструкции.

В плёночных резисторах резистивным элементом является тонкая пленка, которую наносят на изоляционное основание в виде полых или сплошных цилиндров.

Резисторы с фиксированным значением сопротивления  называются постоянными, а резисторы с изменяющимся значением сопротивления называются переменными.

Постоянные резисторы. В зависимости от назначения постоянные резисторы подразделяются на резисторы общего применения, точные, прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные.

При прохождении электрического тока через резистор на нём выделяется электрическая мощность. Наибольшая мощность, при которой резистор может надёжно работать длительное время, называется номинальной мощностью рассеяния. Промышленность выпускает резисторы с номинальной мощностью рассеяния 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1 Вт и более.

В радиоаппаратуре наибольшее применение нашли металлизированные лакированные теплостойкие (МЛТ) и металлоокисные теплостойкие резисторы (МОН).

Переменные резисторы. В зависимости от назначения переменные резисторы подразделяются на подстроечные и регулировочные. Подстроечные резисторы применяются для периодической подстройки радиоэлектронной аппаратуры. С помощью регулировочных резисторов осуществляется регулировка радиоэлектронной аппаратуры в процессе эксплуатации. По характеру зависимости сопротивления от угла поворота подвижной системы переменные резисторы подразделяются на линейные и нелинейные.

Резисторы изготавливают на разные номиналы сопротивления, которые стандартизированы. Значения сопротивлений могут отличаться от номинальных в пределах определенных допусков. Ряд допустимых отклонений сопротивлений так же нормирован. Например, номинальные сопротивления с отклонениями ±5, ±10, ±20 % должны соответствовать числам, указанным в таблице 2.2.

Принцип построения рядов номинальных значений сопротивлений для резисторов с отклонениями менее ± 5 % аналогичен, возрастает только число промежуточных значений.

Т а б л и ц а 2.2 - Номинальные значения сопротивлений резисторов с отклонениями более +5 %

2.1.2 Конденсаторы Конденсатор - это деталь, состоящая из двух или более объёмных проводников (обкладок), разделённых тонким слоем диэлектрика. При подаче напряжения между обкладками конденсатора запасается энергия в виде электрического поля. При разряде конденсатор отдаёт запасенную энергию снова в цепь. Сопротивление конденсатора не приводит к потерям электрической энергии на нагрев, поэтому сопротивление конденсатора называется реактивным.

Конденсатор характеризуется ёмкостью С, которая означает количество зарядов изменяющих напряжение на 1 вольт и измеряется в фарадах (Ф). Основными параметрами конденсаторов являются номинальная ёмкость и её допустимое отклонение, класс точности, рабочее напряжение, температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ), предельная рабочая частота и тангенс угла потерь.

Номинальную величину ёмкости конденсатора указывают на корпусе. Промышленностью выпускаются конденсаторы ёмкостью от долей пФ (пикофарады) до 10 000 мкФ (микрофарад).

Класс точности конденсатора показывает допустимое отклонение ёмкости в % от номинальной величины. Для различных классов точности эти отклонения следующие:

I         класс точности - ±5%;

II       класс точности - ± 10%;

III      класс точности - ±20%.

У некоторых конденсаторов (например, электролитических) допустимое отклонение ёмкости от номинала может составлять 50 % и более.

Под рабочим напряжением понимают величину постоянного напряжения, при котором конденсатор работает без изменения своих характеристик длительное время. Повышение рабочего напряжения приводит к пробою диэлектрика.

Температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ) показывает относительное изменение ёмкости конденсатора при изменении температуры на 1°С. В зависимости от вида конденсатора ТКЕ может быть положительным, когда ёмкость конденсатора увеличивается при повышении температуры, или отрицательным, когда ёмкость конденсатора уменьшается. По величине ТКЕ конденсаторы подразделяются на группы, которым присваиваются соответствующие цифровые и буквенные символы, а также цвета окраски корпуса или маркировочной точки.   

Диэлектриком в конденсаторах служат газы, жидкости, твёрдые органические или неорганические вещества. Особую группу составляют электролитические конденсаторы, у которых диэлектриком служит оксидная пленка. Их применяют только в цепях постоянного и пульсирующего токов низкой частоты и только при определенной полярности напряжения на обкладках. Внешний вид основных типов конденсаторов показан на рисунке 2.4.                                                                                      

Рисунок 2.4 - Внешний вид конденсаторов: 1 - конденсатор с воздушным диэлектриком; 2... 6, 13...22 - конденсаторы постоянной ёмкости; 7, 12 - конденсаторы подстроенные; 8, 9 - конденсаторы электролитические неполярные; 10, 11 - конденсаторы электролитические, полярные

2.1.3 Катушки индуктивности Катушки индуктивности - это элементы радиоэлектроники, преобразующие энергию электрического тока в энергию магнитного поля и обратно (эффект Эрстеда). Напряжение на индуктивности пропорционально скорости изменения в ней тока. Индуктивность L измеряется в генри (Гн).

2.1.4 Трансформаторы  При использовании двух или более катушек индуктивности реализуется электромагнитный трансформатор. Эти катушки индуктивности на одном сердечнике принято называть обмотками трансформатора. Отношение амплитуды переменного напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, к амплитудному значению напряжения, подаваемого на первичную обмотку, называется коэффициентом трансформации К_т. Ток во вторичной обмотке отличается от тока в первичной обмотке. В повышающем напряжение трансформаторе К_т> 1, а в понижающем К_т < 1. Трансформаторы различных типов могут работать в разном частотном диапазоне и выполнять различные функции. Наиболее широко трансформаторы используются во вторичных источниках питания.

 

3 Электровакуумная электроника

 

Современная элементная база в основном состоит из высококачественных полупроводниковых приборов и интегральных схем. Однако в ряде специфических областей находят применение электровакуумные и газоразрядные приборы. Независимо от функционального назначения все электровакуумные приборы подразделяются на газоразрядные (ионные) и электронные.

3.1 Газоразрядные приборы

В газоразрядных приборах используются свойства электрического разряда в газах. Рабочий объём таких приборов заполняют инертным газом или парами ртути под давлением. Носителями зарядов являются электроны и ионы, образующиеся в результате ударной ионизации атомов газа. Электроны, испускаемые катодом, сталкиваясь с атомами газа, электроны отдают свою энергию и производят возбуждение или ударную ионизацию атомов. В последнем случае образуются новые электроны и положительные ионы. Разряды в газе принято подразделять на самостоятельные и несамостоятельные. Несамостоятельные могут длительно существовать при условии подведения энергии извне, например нагреве катода, радиоактивном облучении, облучении космическими лучами. При самостоятельном разряде электроны и ионы образуются за счет энергии поля и самого разряда.

3.2 Электровакуумные приборы

Электронная лампа - это электровакуумный прибор, в котором поток электронов, вылетевших из катода, управляется электродами. Наиболее распространенным электровакуумным прибором является электронная лампа, которая состоит из нескольких электродов (катода, анода, сеток), смонтированных внутри изолирующей оболочки. Электровакуумные приборы в 1000 раз превосходят полупроводниковые по рабочей мощности.

В электронных лампах используется явление электронной эмиссии, т.е. выхода электронов с поверхности тела в вакуум. Электроды изготавливают из металла. Внешние электроны его атомов слабо связаны с ядром и легко отделяются от него. При этом атомы кристаллической решетки становятся положительными ионами, а отделившиеся электроны совершают внутри металла хаотические движения. Общий заряд металла остается равным нулю, поскольку суммы зарядов ионов и электронов равны.

Электрод лампы, испускающий электроны, называется катодом.  Для нагревания катода используют цепи накала. Катоды делают из вольфрама или из окислов щелочноземельных металлов. Оксидные катоды более экономичны и работают при меньшей температуре (Т = 1000 К), чем катоды из чистого вольфрама (T = 2400 К). Электрод, который принимает вылетевшие из катода электроны и обладает положительным потенциалом, называется анодом.

Диод - это электронный прибор, в котором два электрода: катод К и анод А. Схема включения двухэлектродной лампы показана на рисунке 3.1.

 

 

Рисунок 3.1 -  Схема включения двухэлектродной лампы: А - анод; К - катод; I_а - анодный ток; Е_a -  источник питания; R_н - сопротивление нагрузки

Процесс испускания катодом электронов называется электронной эмиссией. Электроны образуют вокруг катода электронное облако, которое имеет отрицательный объёмный заряд. При подключении катода к отрицательному, а анода к положительному полюсу внутри лампы создается ток, направленный от анода к катоду. Этот ток называется анодным. При этом, чем выше напряжение между А и К, тем больше будет ток, текущий через лампу. Однако увеличение анодного тока не может быть бесконечным. Если увеличить напряжение между электродами до значения, при котором все испускаемые электроны перейдут на анод, то анодный ток в этом случае будет наибольшим и  называется током эмиссии, а режим - режимом насыщения (рисунок 3.2).

Если поменять местами полюса батареи, то электроны не смогут выйти за пределы катода. Следовательно, диод имеет одностороннюю проводимость, что широко используется в электронной технике, в частности, для преобразования переменного в постоянный ток.

Такой диод называется кенотроном.

Диоды используются не только для выпрямления переменного тока, но и для детектирования колебаний высокой частоты в качестве ограничителей и других целей.

Рисунок 3.2 - Изменение анодного тока в зависимости от изменения напряжения между анодом и катодом: I_а - анодный ток; U_a - анодное напряжение

Триод представляет собой трёхэлектродную электронную лампу, в которой между анодом и катодом располагается управляющая сетка C₁. Схема включения триода представлена на рисунке 3.3. Сетка не препятствует движению электронов, но она находится ближе к катоду, чем анод, поэтому оказывает на поток электронов большее влияние. Для управления анодным током в триоде следует менять разность потенциалов между сеткой и катодом. Между анодом и катодом создается анодное напряжение Е_а, а между сеткой и катодом - сеточное напряжение Е_с.

 

 

Рисунок 3.3 - Схема включения триода: А - анод; К - катод; С₁ - управляющая сетка; R_н - сопротивление нагрузки; I_а - анодный ток; U_вх - входное напряжение

Если на сетку подать отрицательный или положительный потенциал, анодный ток I_а будет соответственно уменьшаться или увеличиваться.

Основными недостатками электровакуумных триодов являются невысокий коэффициент усиления (не выше 100) и невозможность работы для усиления очень высоких частот.

Для увеличения коэффициента усиления устройства между анодом и управляющей сеткой С₁ вводится экранирующая сетка С₂ (рисунок 3.4). Такой прибор называется тетродом.

Экранирующая сетка С₂ располагается ближе к аноду. На экранирующую сетку, как и на анод, подается положительный потенциал порядка 0,2...0,5 Е_а. Экранирующая сетка С₂ ослабляет поле вблизи управляющей сетки С₁.

 

Рисунок 3.4 - Схема включения тетрода: А - анод; К- катод; С₁ - управляющая сетка;  С₂ - экранирующая  сетка;  R_a -  сопротивление анода; U_вх – входное напряжение; Е_а - источник питания; R_н - сопротивление нагрузки

3.3 Телевизионные электронно-лучевые трубки

В телевизионных передающих трубках оптическое изображение на экране трубки преобразуется в электрический сигнал. Для этого используют явление фотоэффекта (внутреннего и внешнего). Под действием света из фотокатода (фотоэлемента) выбиваются электроны. При внутреннем фотоэффекте под действием света увеличивается число носителей заряда - электронов.

Телевизионные передающие и приёмные трубки представляют собой электровакуумные приборы. Испускаемые катодом электроны ускоряются электрическим полем ускоряющего электрода и фокусируются (сжимаются в узкий луч) с помощью электрического поля первого анода (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Упрощенное изображение телевизионной трубки: 1 - катод; 2 - управляющий электрод; 3 - первый анод; 4, 5 - отклоняющие катушки; 6 -второй анод; 7 - экран; 8 - стеклянная колба

В приёмных и передающих телевизионных трубках имеются две пары отклоняющих катушек - вертикально отклоняющие 4 (для отклонения электронного луча по вертикали) и горизонтально отклоняющие 5 (для отклонения электронного луча по горизонтали). Каждая пара катушек создает магнитное поле, направление которого перпендикулярно электронному лучу. Магнитное поле вертикально отклоняющих катушек в области электронного луча направлено горизонтально, а магнитное поле горизонтально отклоняющих катушек направлено вертикально.

3.4 Осциллографические электронно-лучевые трубки

Особым классом электровакуумных приборов являются осциллографы. В них используют поток электронов, сфокусированный в форме луча или пучка лучей. Их используют,  прежде всего, в качестве элементов отображения информации для визуального наблюдения. В осциллографах применяют, как правило, электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением и формированием луча.

Электронно-лучевые трубки представляют собой стеклянную вакуумную оболочку с люминесцентным экраном (рисунок 3.6).

 

 

 

Рисунок 3.6 - Устройство осциллографической электронно-лучевой  трубки:  1 - нагреватель; 2 - экран; 3 - вакуумная оболочка; 4 - третий анод; 5 - горизонтально отклоняющие пластины; 6 - вертикально отклоняющие пластины; 7 - второй анод; 8 - первый анод; 9 - модулятор; 10 – катод

Внутри оболочки расположены катод с нагревателем, электроды ускорения и фокусировки луча (первый-третий аноды), модулятор яркости светового пятна, две пластины для отклонения луча по вертикали (ось Y), две пластины для отклонения луча по горизонтальной координате (ось X).

Принцип действия электронно-лучевой трубки следующий. Электроны, эмитированные катодом 10, ускоряются и формируются в узкий пучок (электронный луч). Проходя мимо отклоняющих пластин 5, 6, электронный луч под действием приложенного к ним напряжения отклоняется по осям X и Y. Попадая на люминесцентный экран 2, электроны вызывают свечение в виде яркой точки. Размеры и конфигурацию пластин выбирают так, чтобы смещение светового пятна было пропорционально значениям отклоняющих напряжений, поданных на пластины. При этом световое пятно описывает на экране траекторию, которая называется осциллограммой.

Важным параметром электронно-лучевой трубки является размер рабочей части экрана, в пределах которого искажения осциллограммы минимальны. Для улучшения использования площади экрана применяется прямоугольный экран.

К световым параметрам электронно-лучевой трубки относятся диаметр светового пятна при оптимальной яркости, максимальную яркость свечения экрана, цвет свечения экрана, время свечения.

Диаметр светового луча определяет разрешающую способность электронно-лучевой трубки.

Максимальная яркость свечения экрана зависит от плотности электронного пучка и регулируется путем изменения отрицательного напряжения на модуляторе.

Цвет свечения экрана чаще всего выбирают зеленым или желтым, так как эти цвета обеспечивают наименьшую утомляемость глаз оператора. Для фотографирования с экрана применяются электронно-лучевые трубки с голубым свечением, к которому более чувствительны фотоматериалы.

Для улучшения визуального восприятия осциллограммы время свечения экрана должно превышать время воздействия на него электронов (послесвечение). Для наблюдения процессов с частотой 10 Гц используются экраны с послесвечением средней продолжительностью до 100 мс. Для фоторегистрации сигналов более предпочтителен люминофор с малым послесвечением (до 10 мс). При исследовании медленных процессов используются экраны, имеющие послесвечение 100 мс.

Шкалу экрана электронно-лучевой трубки наносят на внутреннюю поверхность стеклянной вакуумной оболочки. Это позволяет устранять субъективные ошибки из-за параллакса (видимого изменения положения предмета вследствие перемещения глаза наблюдателя), которые возникают при использовании шкалы, накладываемой на электронно-лучевую трубку снаружи. Для увеличения яркости изображения используют металлизированный экран. Изнутри на него наносят тонкую пленку алюминия, прозрачную для электронов, но отражающую световой поток, направленный внутрь трубки, в сторону оператора.

Развёрткой называется линия на экране осциллографа, которую вычерчивает луч в отсутствие сигнала. Для воспроизведения формы исследуемого сигнала на экране электронно-лучевой трубки используется его развертка во времени. В осциллографе чаще всего используется линейная развертка. Для некоторых измерений применяются круговая и эллиптическая развертки.

В случае линейной развертки луч, двигаясь равномерно по экрану, прочерчивает прямую горизонтальную линию, как бы нанося на экран ось абсцисс декартовой системы координат - ось времени. Если на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемый сигнал, то луч будет смещаться от линии развертки, причем величина отклонения будет пропорциональна мгновенному значению сигнала в текущий момент времени (в данной точке развертки). Линейная развертка может быть однократной, непрерывной и ждущей.

Однократную развёртку применяют для наблюдения одиночных и непериодических процессов. Для фиксации изображения применяют фоторегистрацию или запоминающую электронно-лучевую трубку. При однократной развертке на пластины Х подают линейно изменяющийся (пилообразный) импульс от специального генератора, встроенного в осциллограф и называемого генератором развертки (рисунок 3.7).

Запуск генератора развертки производят несколько раньше момента появления напряжения на пластинах Y, для чего в осциллографе производится небольшая задержка входного сигнала. После того как луч достигает края экрана (при этом напряжение на пластинах Х равно амплитуде развертки U_p), он возвращается в исходное положение и осциллограф готов к приходу следующего сигнала.

Рисунок 3.7 - Изображение однократной развертки: а - наблюдаемый сигнал; б - сигнал развертки; в - осциллограмма импульса; Т_р - период развертки; U - напряжение сигнала; U _р - напряжение развертки; t - текущее значение времени

Непрерывную развертку применяют для исследования периодически повторяющихся сигналов. Напряжение развёртки при этом вырабатывается непрерывно, и изображение образуется наложением осциллограмм, полученных на каждом периоде исследуемого сигнала или на нескольких периодах (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Изображение непрерывной развертки: а - полученной наложением осциллограмм на каждом этапе исследуемого сигнала; б - полученной наложением осциллограмм на нескольких периодах исследуемого сигнала; 1 - наблюдаемый сигнал; 2 - сигнал развертки; 3 - осциллограмма импульса; T_p1 - период развертки (T_p1 = Т); Т_р2 - период развертки (Т_р2= 2Т); Т - период наблюдаемого сигнала; и - напряжение сигнала; и_р - напряжение развертки; t - текущее значение времени

Период развёртки следует выбирать так, чтобы изображение на экране было неподвижным. Это возможно, если отношение периода развертки Т_р к периоду исследуемого сигнала Т кратно целому числу:

Т_р/Т= п, п= 1, 2, 3, ...

где п = 1 соответствует изображению одного периода сигнала (см. рисунок 3.8, а);

п = 2 - двух периодов (см. рисунок 3.8, б) и т.д.

Если кратность не выполняется, то изображения сигнала на каждом периоде смещаются. Это приводит к появлению «бегущего» изображения (наблюдать сигнал при этом затруднительно).

Кратность развёртки периоду повторения сигнала обеспечивается устройством синхронизации осциллографа.

Ждущую развёртку применяют для исследования непериодических сигналов, а также импульсов малой длительности с большим периодом повторения, когда непрерывная развертка малопригодна. Напряжение развертки вырабатывается только при наличии на входе осциллографа исследуемого сигнала (рисунок 3.9). При этом генератор развертки работает в ждущем режиме. Несмотря на то, что период развертки меньше периода исследуемого сигнала (Т_р < Т), изображение получается однородным по яркости. Управление генератором развертки осуществляют устройством запуска осциллографа. Ждущая развертка незаменима при наблюдении непериодических сигналов, так как кратность развертки в данном случае не играет роли.

 

 

Рисунок 3.9 - Изображение ждущей линейной развертки: а - наблюдаемый сигнал; б - сигнал развертки; в - осциллограмма импульса; Т_р2 – период развертки (Т_р2= 2Т); Т - период наблюдаемого сигнала; и - напряжение сигнала;

и_р - напряжение развертки; t - текущее значение времени

 

4 Полупроводниковые приборы

 

4.1 Полупроводниковые химические вещества

Полупроводники - широко распространенные в природе вещества. Они представляют собой более обширную группу веществ, чем проводники и изоляторы вместе взятые. Для производства полупроводниковых приборов применяют главным образом германий и кремний, а также полупроводники в виде химических соединений, например, арсенид галлия, антимонид индия.

Германий и кремний имеют много общих свойств. Но если кремния в природе в изобилии, то германий - редкий элемент.

 

4.2 Электропроводность полупроводников

Существенной особенностью полупроводников является значительное (в тысячи раз) изменение их электропроводности при введении в них примеси. Электропроводность полупроводников может существенно изменяться при радиоактивном облучении, а также при изменении освещенности.

Механизм электропроводности в полупроводниках состоит в следующем. Внешняя электронная оболочка атома германия (кремния) образована четырьмя электронами. Каждый атом в свою очередь окружен четырьмя ближайшими такими же атомами и связан с ними ковалентными связями посредством восьми электронов (четыре своих и по одному от каждого из четырех соседних атомов). При этом валентные электроны весьма активно могут хаотически перемещаться по кристаллу. В этих условиях в полупроводнике нет свободных носителей заряда, и он является хорошим изолятором. Такая картина справедлива, если полупроводник имеет идеальную структуру и находится при температуре, близкой к абсолютному нулю.

При повышении температуры некоторые электроны приобретают значительную кинетическую энергию, они покидают свои атомы и становятся свободными.

Если в полупроводнике действует электрическое поле, то свободные электроны начинают двигаться направленно, создавая тем самым электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленная наличием у них свободных электронов, называется электронной проводимостью.

 

 

Рисунок 4.1 - Схема возникновения дырочной проводимости: Е - электродвижущая сила (ЭДС)

При разрыве ковалентной связи и переходе электрона в свободное состояние образуется свободное место, которое названо дыркой. На самом деле образуется неподвижный положительный ион. В реакции рекомбинации ион может быть нейтрализован электронами соседних атомов, образуя их в новые дырки.

Под действием электрического поля возникает упорядоченное движение дырок в сторону, противоположную движению электронов (рисунок 4.1). Следовательно, в полупроводнике образуется так называемая дырочная проводимость. Эта проводимость называется собственной.

В металлических соединениях хорошо известно понятие катализатора. Это примесь, существенно изменяющая физические свойства металла. Так легирование стали марганцем приводит к существенному возрастанию её гибкости.

Наличие атомов примесей увеличивает проводимость полупроводника. В результате этого возникает дополнительная проводимость, которая называется примесной проводимостью. Например, примесь одного атома индия на миллиард атомов германия увеличивает его проводимость в миллионы раз. Такие примеси можно назвать полупроводниковыми катализаторами.

Понятно, насколько сложен процесс введения примесей. Примесь должна быть равномерно распределена по всему объёму полупроводника и, кроме того, в смеси не должно быть несанкционированных примесей.

Если в германий добавить элементы пятой группы (сурьму или мышьяк), то четыре электрона атома примеси образуют ковалентные связи с соседними атомами кристаллической решетки германия, а пятый электрон атома примеси окажется как бы лишним, свободным. Такие электроны и будут представлять собой основные носители электрического тока в полупроводнике. В этом случае полупроводник будет обладать электронной проводимостью, или проводимостью п-типа (от англ. negative - отрицательный).

Если в качестве примеси использовать элементы третьей группы (индий или галлий), у которых имеется три электрона на внешней оболочке (рисунок 4.2, б), то эти атомы образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами в структуре кристалла, а около четвертого атома образуется дырка. Дырки при наличии электрического поля перемещаются в полупроводнике, в результате чего возникает дырочная проводимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.2 - Схемы возникновения примесной проводимости в германии:

а - электронной; б - дырочной; «-» - электрон; «+» - дырка

В полупроводниках с такой примесью дырочная проводимость преобладает над электронной, поэтому они называются дырочными, или полупроводниками р-типа (от англ. positive - положительный).

В одном монокристалле полупроводника введением соответствующих примесей можно создать две области с электронной и дырочной проводимостями. На границе таких областей образуется так называемый электронно-дырочный р-п-переход. На основании этого р-п-перехода и основано большинство современных полупроводниковых приборов.

При умеренных температурах электроны перемещаются через р-п-переход из п-полупроводника в р-полупроводник, где их концентрация меньше. Если подключить р-п-переход к источнику питания таким образом, чтобы «плюс» источника питания был присоединён к дырочной области, а «минус» - к электронной области (рисунок 4.3, а), то электроны, которыми обильно насыщена электронная область, будут двигаться к положительному полюсу батареи, а дырки - к отрицательному. Два потока зарядов создадут через р-п-переход ток I₁.

Если поменять местами полюса источника питания (рисунок 4.3, б), то картина резко изменится. Теперь электроны отталкиваются электрическим полем в сторону положительного полюса. В дырочной области электроны будут смещаться не к «минусу» источника питания, а в глубь полупроводника и заполнять все дырки у границы электронно-дырочного перехода. Потенциал на р-п-переходе окажется противоположным внешнему потенциалу и будет препятствовать прохождению тока, т.е. I₂ « I₁.

 

Рисунок 4.3 - Схема работы р-п-перехода при подключении источника питания: а - при прямом включении; б - при обратном включении; п - проводимость; р - проводимость; I₁ - прямой ток; I₂ - обратный ток

Таким образом, р-п-переход пропускает  ток  преимущественно  в  одном  направлении, т. е. имеет одностороннюю проводимость.

4.3 Диоды

Диод - это полупроводниковый прибор с одним р-п -переходом и двумя выводами. Устройство полупроводникового диода схематически показано на рисунке 4.4. Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении. Это направление называется прямым, а ток - прямым, или отпирающим.

 

 

 

Рисунок 4.4 - Схемное и буквенное изображение диода

 

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком - зависимость их параметров от температуры.

О свойствах и параметрах полупроводниковых диодов можно судить по вольтамперным характеристикам (ВАХ). Она показывает зависимость тока I, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения U (рисунок 4.5). Вольтамперная характеристика состоит из прямой и обратной ветвей. Прямая ветвь показывает зависимость прямого тока диода I_пр  от приложенного к нему прямого напряжения U_пр и имеет нелинейный характер.

Даже незначительное увеличение напряжения вызывает большое приращение тока. Обратная ветвь вольтамперной характеристики показывает зависимость обратного тока I_обр от приложенного к диоду обратного напряжения U_обр и также имеет нелинейный характер.

 

 

Рисунок 4.5 - Вольтамперная характеристика выпрямительного диода: I - прямой ток n-области в p-область; I_пр.обр - обратный ток; U_пр - напряжение в прямом направлении (прямое смещение); U_пр.обр - обратное напряжение; U_ст - напряжение стабилизации

В той части ветви характеристики, где обратное напряжение U_обр становится равным пробивному напряжению U_пр.обр, наблюдается изгиб, указывающий на резкое возрастание обратного тока I_пр.обр . При напряжениях, превышающих максимальное допустимое обратное напряжение, возникает необратимый (тепловой) пробой р-п-перехода, приводящий к выходу полупроводникового диода из строя.

4.3.1 Выпрямительные диоды  являются самыми распространенными полупроводниковыми диодами. Их применяют для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный ток. Для пропускания больших токов в выпрямительных диодах используются переходы с большой площадью.

Кремниевые выпрямительные диоды работают в диапазоне от -60 до + 125 °С. Предельный электрический режим диода характеризуется максимальным обратным напряжением U_{обр mах}  и максимальным прямым током I_выпр (или средневыпрямленным током).

Выпускаются кремниевые выпрямительные диоды на токи до сотен ампер и обратные напряжения до тысяч вольт. Если необходимо работать на обратных напряжениях, превышающих допустимое значение обратного напряжения U_обр для одного диода, то диоды соединяют последовательно. Для увеличения выпрямленного тока может применяться параллельное включение диодов.

4.3.2 Стабилитроны  предназначены для стабилизации уровня напряжения при изменении величины протекающего через диод тока. Они подразделяются на маломощные (допустимая мощность рассеяния до 0,3 Вт) и средней мощности (допустимая мощность рассеяния от 0,3 до 5 Вт).

4.3.3 Варикапы Принцип действия варикапов основан на использовании зависимости ёмкости р-п-перехода от величины приложенного к ним обратного напряжения U_обр. Уменьшение ёмкости р-п-перехода по мере увеличения приложенного к нему обратного напряжения характерно для всех диодов. Отличительной особенностью варикапов является то, что у них эта зависимость выражена более ярко (ёмкость р-п-перехода может изменяться в 3 - 5 раз). Кроме того, для варикапов характерна малая инерционность процесса изменения ёмкости. Основными параметрами варикапов являются: номинальная ёмкость С_ном; напряжение смещения U_см (U_см - постоянное обратное напряжение, при котором ёмкость перехода равна величине номинальной ёмкости С_ном) и коэффициент перекрытия по ёмкости К_с = С_в1/С_в2 (где С_в1, С_в2 - ёмкости варикапа при заданных значениях обратного напряжения U_обр1 и U_обр2).

Варикапы используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях и других устройствах в качестве конденсатора переменной ёмкости. Благодаря малому обратному току потери в р-п-переходе диода несущественны, поэтому добротность ёмкости варикапа оказывается высокой.

4.3.4 Высокочастотные диоды  Рассмотренные ранее выпрямительные диоды, как правило, применяются в схемах, в которых частота подводимого к диоду напряжения не превышает нескольких килогерц. Однако в целом ряде устройств требуются полупроводниковые диоды, рабочая частота которых должна достигать единиц и даже десятков гигагерц (1 ГГц = 10⁹ Гц). Такие диоды называются высокочастотными диодами (точечными). Особенностью высокочастотных диодов является то, что на высоких рабочих частотах диода приходится учитывать индуктивность выводов.

Предельными электрическими параметрами высокочастотных диодов являются максимальный прямой ток I_{пр mах} через диод и максимальное обратное напряжение U_{обр mах}.

4.3.5 Переключающие диоды  В ряде электронных схем диод должен работать в режиме переключения, т. е. в одни периоды времени он оказывается смещенным в прямом направлении (в этом случае сопротивление диода мало), а в другие - в обратном (в этом случае сопротивление диода велико). Для этой цели используют переключающие (импульсные) диоды. В идеальном случае переключение диода из одного состояния в другое должно происходить мгновенно. Реально время перехода из одного состояния в другое имеет определенную величину. У современных переключающих диодов время восстановления обратного сопротивления составляет 10... 100 нс и менее.

Основными классификационными параметрами переключающих диодов являются максимальное прямое импульсное сопротивление R_{имп max}, время восстановления обратного сопротивления t_в и ёмкость при заданном обратном напряжении С_об.  Максимальное  прямое импульсное сопротивление R_{имп max} переключающегося диода определяется отношением максимального импульсного прямого напряжения на диоде к импульсному прямому току I_пр.имп. Переключающие диоды используются в качестве ключевых элементов быстродействующих схем со временем переключения менее 1 мкс.

В переключающих диодах используется контакт Шоттки, особенностью которого заключается в том, что накопление заряда в базе диода не происходит, поэтому время переключения диода из одного состояния в другое может быть существенно уменьшено (порядка 100 нс). Другой важной особенностью диодов Шоттки является меньшее прямое напряжение по сравнению с напряжением обычного р-п-перехода при тех же токах. Диоды Шоттки используются в комбинации с транзисторами для работы в переключающих схемах. Мощные диоды Шоттки с прямыми токами (до десятков ампер) и обратными напряжениями (до сотен вольт) применяются в выпрямителях переменного тока.

4.3.6 Светодиоды Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий р-п-переход. Свечение его вызвано рекомбинацией носителей заряда. Неосновные носители в базе (испускаемые эмиттером) рекомбинируют и излучают освободившуюся энергию в виде квантов света. Длина волны l излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации приблизительно равна ширине запрещённой зоны полупроводника. Светодиоды, изготовленные из арсенида галлия, испускают инфракрасное  излучение. Для получения видимого излучения необходимо изготавливать светодиоды из полупроводников с более широкой запрещённой зоной. Ожидается, что в скором времи светодиоды заменят лампы накаливания, что существенно снизит энергопотребление приборов освещения.

Энергетической характеристикой светодиодов является квантовый выход, который показывает, сколько квантов излучения на выходе светодиода возникает на каждый электрон, проходящий по цепи управления.

В настоящее время фотодиоды и светодиоды используются в оптоэлектронной паре (оптроне). Светодиод генерирует электромагнитное излучение  под действием электрического тока, а фотоприемник (фотодиод, фототранзистор) изменяет ток под действием освещения.

 

4.4 Транзисторы

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Малое потребление энергии, а, следовательно, и малое выделение тепла транзисторами дает возможность использовать маломощные источники питания: миниатюрные аккумуляторы, солнечные и атомные батареи. Радиодетали (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) можно располагать более компактно, значительно уменьшив их массу и габаритные размеры.

Транзистор не является симметричным прибором, так как обычно коллектор легирован слабее эмиттера и площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода. Однако эмиттер и коллектор при включении в схему можно менять местами. Такое включение транзистора называется инверсным. При инверсном включении коллектор становится эмиттером. Коэффициент передачи тока эмиттера при таком включении меньше, чем при прямом включении.

Транзисторы, как и диоды, изготавливают из кремния и германия и герметизируют в корпуса. Кремниевые транзисторы могут работать в диапазоне температур от -50 до +150 °С, германиевые - от -60 до +85 °С.

По диапазону рабочих частот различаются низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные транзисторы. По мощности транзисторы подразделяются на транзисторы малой, средней и большой мощности.

Транзисторы могут быть точечными и плоскостными. Однако точечные транзисторы практически вытеснены плоскостными, которые обладают малым уровнем шумов, высоким коэффициентом усиления и большей мощностью. Плоскостной транзистор представляет собой систему из двух взаимодействующих электронно-дырочных переходов, полученную в монокристалле полупроводника. В системе можно выделить три области: среднюю область называют базой Б, а крайние области - эмиттером Э и коллектором К. Области эмиттера, коллектора и базы снабжены выводами, с помощью которых транзистор включается в электрическую цепь.

Транзисторы, у которых используют только один основной носитель заряда, например, только дырки или только электроны, называются униполярными, или полевыми, или канальными.

4.4.1 Полупроводниковые транзисторы  Свойства p-n-пеpехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или транзистором.

В полупроводниковом триоде две p-области кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью (рисунок 4.6).

Триод p-n-p типа состоит из трёх областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя - электронной. К ним делаются самостоятельные контакты Э, Б и К, что позволяет подавать разные напряжения на левый p-n-пеpеход между контактами Э и Б и на правый  n-p-пеpеход между контактами Б и К.

 

Рисунок 4.6 - Полупроводниковый триод

 

Если на правый переход подать обратное напряжение, то он будет заперт, и через него будет протекать очень малый обратный ток. Подадим  теперь  прямое напряжение на левый p-n-пеpеход, тогда через него начнёт проходить значительный прямой ток.

Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой ток через p-n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n-p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего слева в n-область.

Если при отсутствии напряжения между точками Э и Б обратный ток в n-p-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах э и б этот ток почти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n-p-переходе с помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе. Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p-n-p-триода в качестве усилителя.

 

 

 

 

Рисунок 4.7 - Применение p-n-p-триода в качестве усилителя

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами заключаются в отсутствии подогреваемого катода, потребляющего значительную мощность. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Транзисторы очень чувствительны к изменению температуры, электрическим перегрузкам и проникающим излучениям. Так, полупроводниковую технику, устанавливаемую на космических аппаратах, следует экранировать от воздействия галактических и солнечных космических лучей, а также от заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли (радиационные пояса).

4.4.2 Полевые МДП транзисторы Полевой транзистор (ПТ) - это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление током осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы являются универсальными усилительными приборами и они, так же как и биполярные транзисторы могут применяться в схемах самого разного назначения.

Полевые транзисторы можно разделить на две большие группы: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник (МДП). Поскольку в качестве диэлектрика часто используется окисел кремния, поэтому транзисторы этого типа называют ещё МОП – транзисторами. Для обозначения подкласса полевых транзисторов используется буква П. Поскольку эти транзисторы выполняют те же функции, что и биполярные, для них в классификационном обозначении используется тот же элемент, что и для биполярных транзисторов.

 

 

 

 

Рисунок 4.8 - Графические обозначения полевых транзисторов: 1 - полевой транзистор с n - каналом, 2 - полевой транзистор с p - каналом, 3 - полевой транзистор с изолированным затвором и p - каналом, 4 - полевой транзистор с изолированным затвором и n - каналом

Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, тип канала, по которому протекает ток, определяется типом основных носителей заряда и может быть как p-типа, так и n- типа.

В последние годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура Металл-Диэлектрик-Полупроводник (МДП). В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.

ПТ являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как их работа основана на дрейфе носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал n- или p-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся на ПТ с каналом p-типа и n-типа. Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа - электронной.

Если на затвор подать некоторое напряжение  смещения относительно полупроводника, то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации.

Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объёмом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно, то зоны изгибаются вниз.

4.4.3 Зонная структура n-полупроводника  На рисунке 4.9 показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность; разность потенциалов между поверхностью и объёмом полупроводника; изгиб зон у поверхности; середина запрещённой зоны. В объёме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников.

В поверхностном слое объёмного заряда происходит искривление зон и расстояния от дна зоны проводимости  до уровня Ферми по мере перемещения к  поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4.9 - Структура МДП-транзистора с изолированным затвором

 

При формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и  обогащение  этой области носителями заряда.

Обеднённая область появляется в том случае, когда  заряд  затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока. Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа  и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной  области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого, концентрация неосновных носителей заряда (дырок) у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей, и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных носителей может быть столько же или  даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объёмному, называют инверсионными. К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.

Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными.

В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микросхем.

 

Рисунок 4.10 -  МПД-транзисторы с затвором в виде p-n перехода

Транзистор состоит из кристалла кремния, например, n-типа, у поверхности которого диффузией (или ионной имплантацией) в окна в оксиде формируются р-области. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями  покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности  кристалла слоем  оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. На границе между р- и n-областями возникают два р-n-перехода - истоковый и стоковый.

Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют.

Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от  свойств  полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением.

Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении, называемом пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей p-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях  на затворе выше канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым резистором.

Однако сопротивление канала определяется только напряжением  на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область, обеднённый слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал  сужается. Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной.

При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти  по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока.

При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается  к  истоку. Перекрытие канала, однако, не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала  вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на  стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.

Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p -переходе  неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.

Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала  ток стока практически насыщается. Значение  тока  насыщения зависит от напряжения на затворе, чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе (во  входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи).  Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника.

На границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые  поверхностными или, точнее, состояниями границы раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях  локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина  возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности границы раздела полупроводник - диэлектрик (оксид). На реальных границах  раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и  нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэлектрика. Плотность и характер состояний границы раздела существенно зависят от технологии создания диэлектрической плёнки.

Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник - диэлектрик отрицательно сказывается на параметрах  МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике,  захватывается на эти состояния. Успех  в  создании  полевых  транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии  создания плёнки на поверхности кремния с малой  плотностью  состояний границы раздела.

В самом оксиде кремния всегда существует положительный  "встроенный" заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии  изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве  подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе.

Такие транзисторы называются транзисторами со встроенным каналом. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется  слишком  большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на  затвор  напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае p-подложки.

Входное сопротивление полевых транзисторов на низких частотах является чисто емкостным. Входная емкость образуется затвором и не перекрытой частью канала со стороны истока. Так как для заряда этой ёмкости ток должен протекать через не перекрытую часть канала с сопротивлением, то собственная постоянная времени транзистора равна. Это время, однако, очень мало, и в интегральных схемах, применяемых, например, в цифровой вычислительной технике, длительность переходных процессов определяется не им, а паразитными  ёмкостями схемы и входными емкостями других транзисторов, подключенных к выходу данного. Вследствие этого при изготовлении таких схем стремятся сделать входную ёмкость как можно меньшей за счёт уменьшения  длины канала и строгого совмещения границ затвора с границами стока и истока.

При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при "проколе"  базы биполярного транзистора.

4.5 Интегральные схемы

В микроэлектронике на смену дискретным элементам пришли интегральные схемы. Здесь элементы и соединительные проводники изготавливают в едином технологическом цикле на поверхности или объёме исходного материала, они имеют общую герметизацию и защиту от механических и климатических воздействий.

Интегральная микросхема представляет собой микроминиатюрное электронное устройство, все или часть элементов которого нераздельно связаны конструктивно и соединены между собой электрически. Интегральные микросхемы подразделяются на полупроводниковые (монолитные) и гибридные.

4.5.1 Полупроводниковые интегральные схемы Полупроводниковыми интегральными микросхемами называются такие схемы, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводникового материала. Элементы, выполненные внутри полупроводникового материала, не могут быть отделены друг от друга, поэтому их нельзя отремонтировать или заменить. При выходе из строя какого-либо элемента полупроводниковой интегральной микросхемы заменяют всю микросхему. При изготовлении интегральных схем наибольшее применение получил кремний вследствие широкого интервала рабочих температур и возможности получения на его поверхности стойкой пленки диоксида кремния SiO₂. Эта пленка служит защитным покрытием при проведении ряда технологических операций, предохраняет схему от внешних воздействий и применяется для изоляции отдельных элементов.

Гибридные интегральные микросхемы подразделяются на тонкопленочные и толстопленочные.

 Тонкоплёночные интегральные микросхемы. Тонкопленочными интегральными микросхемами называются микросхемы, все элементы и соединительные проводники которых выполнены на одной общей подложке в виде пленок из резистивных, диэлектрических и проводящих материалов толщиной от нескольких сотых до десятых долей микрометра (не более 1 мкм).

Тонкопленочные микросхемы, в которых используют навесные активные элементы, называются гибридно-пленочными интегральными микросхемами (рисунок 4.11).

Пассивные элементы гибридно-пленочных интегральных схем (резисторы, конденсаторы и др.) получают методами тонкопленочной технологии. Активные элементы выполняют по обычной технологии, но в миниатюрном или бескорпусном исполнении. Их монтируют на подложку приклейкой или пайкой, а выводы присоединяют к контактным площадкам платы микросваркой или пайкой.

Рисунок 4.11 - Гибридно-пленочная интегральная схема (до герметизации): 1 - корпус; 2 - подложка (поликор); 3 - навесные элементы

Толстоплёночные интегральные микросхемы. Толстопленочными интегральными микросхемами называются такие, в которых пассивные элементы, межэлементные соединения и контактные площадки изготавливаются путем последовательного нанесения на поверхность подложки различных по составу паст с последующим их вжиганием. Пассивные элементы формируют из пленок толщиной более 1 мкм (обычно от 5 до 25 мкм). Активные элементы изготавливают по обычной технологии и монтируют на подложке, присоединяя к соответствующим контактным площадкам платы. Основой толстопленочных интегральных микросхем является подложка из керамики.

4.6 Тиристоры

Тиристоры представляют собой четырёхслойную полупроводниковую структуру р-п-р-п (рисунок 4.12). Вольтамперная характеристика тиристоров (рисунок 4.13) имеет участок отрицательного сопротивления.

 

 

Рисунок 4.12 - Четырехслойная структура р - п - р - п- структура (тиристор): I - ток; U- напряжение; П₁, П₂, П₃ - р -n – переходы

 

Структуру тиристора можно представить как соединение двух биполярных транзисторов р-п-р и  п-р-п-типа (4.14). Коэффициент усиления р-п- р - транзистора - К_р, а транзистора п- р- п - К_п. Ток центрального перехода тиристора I₂ складывается из токов коллектирования обоих транзисторов. Если ток во внешней цепи равен I, то до центрального перехода доходит ток, равный К_pI + К_nI= (К_р + К_n)I.

 

Рисунок 4.13 - Вольтамперная характеристика тиристора:  I- ток; U - напряжение; I_выкл -ток выключения; U_вкл - напряжение включения

 

Рисунок 4.14 - Двухтранзисторная модель тиристора: К_р - коэффициент усиления р-п-р-транзистора; К_n - коэффициент усиления п-р-n-транзистора

Если сумма коэффициентов передачи меньше единицы (К_р + К_n < 1), то через переход I₂ должен протекать дополнительный ток (1 - К_р - К_n )I, направление которого совпадает с током внешней цепи. Такое протекание тока соответствует обратному смещению перехода I₂ и закрытому состоянию тиристора.  Если  сумма  коэффициентов передачи (К_р+К_n>1), то через центральный переход должен протекать дополнительный ток (К_р+К_n-1)I, но направление этого тока противоположно направлению тока во внешней цепи. Это соответствует прямому смещению центрального перехода и открытому состоянию тиристора. В этом состоянии на тиристоре падает напряжение, которое приблизительно равно напряжению одного p-n-перехода. Это напряжение называется остаточным напряжением U_ост. Обычно U_ост = (0,7... 1) В.

Коэффициенты усиления биполярных транзисторов увеличиваются при увеличении тока эмиттера. При возрастании тока во внешней цепи тиристора сумма коэффициентов передачи увеличивается от значения К_р + К_n < 1 до значения К_р + К_n > 1 и напряжение на тиристоре сначала возрастает, а затем уменьшается. Условию К_р + К_n = 1 соответствует ток выключения тиристора I_выкл.

Если в область базы р-п-р - транзистора втекает внешний управляющий ток, то условие равенства суммы коэффициентов передачи единице (условие К_р + К_n = 1) выполняется при меньших токах во внешней цепи.

Это приводит к уменьшению тока выключения и напряжения включения. При некотором значении тока управления, который называется током управления спрямления (I_упр)_спр, участок отрицательного сопротивления (рисунок 4.15) исчезает и тиристор при любом токе находится в открытом состоянии.

Как самостоятельный прибор тиристор используют в микроэлектронных структурах редко.

 

Рисунок 4.15 - Вольтамперная характеристика тиристора для разных токов управления: I - ток; I_упр - ток управления; (I_упр)_спр - ток управления спрямления

4.7 Оптоэлектронные приборы и индикаторы

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

 Обычно подразумевается также "твёрдотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены, прежде всего, квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

а) высокая информационная ёмкость оптического канала;

б) острая направленность излучения;

в) возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной;

г) бесконтактность, "электропассивность" фотонных связей;

д) возможность простого оперирования со зрительно воспринимаемыми образами.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным (светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам. Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника".

Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия оптического квантового генератора - лазера. Примерно в то же время получили достаточно широкое распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n-перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет дифракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы параллельный пучок становится расходящимся.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления.

Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов того же материала, но с большими значениями концентраций алюминия и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В роли резонатора может также выступать поверхностная дифракционная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической обратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные светодиоды и электролюминофоры.

Во-первых, излучение появляется в результате рекомбинации дырок с инжектированными через p-n-переход электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный.

Для светодиодов характерны малые размеры (0,37¸00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быстродействие, низкие рабочие напряжения (1,6.¸3,5 В) и токи (10¸100 мкА).

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров (от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из них знакобуквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применений в оптоэлектронике.

Наиболее перспективными источниками излучения для оптоэлектроники являются светодиоды.

Они используются в качестве источника излучения для управления фотоприёмниками в оптронах, для представления цифро-буквенной информации в калькуляторах и дисплеях, для ввода информации в компьютерах и пр.

Светодиод представляет собой гомо- или гетеро- p-n-переход, прохождение тока через который в прямом направлении сопровождается генерацией в полупроводнике излучения. Излучение является следствием инжекционной люминесценции - рекомбинации инжектированных через p-n-переход эмиттером неосновных носителей тока (электронов) с основными носителями тока в базе (дырками) (люминесценция - испускание света веществом, не требующее для этого нагрева вещества; инжекционная электролюминесценция означает, что люминесценция стимулирована электрическим током).

Светодиод - миниатюрный твердотельный источник света. У него отсутствует отпаянная колба как у лампы накаливания. У него нет нити накала, а, значит, отсутствует время разогрева и микрофонный эффект. Он более стоек к механическим ударам и вибрациям. Излучение светодиода весьма близко к монохроматическому. Это снижает фоновые шумы источника по сравнению со случаем применения фильтров для монохроматизации излучения немонохроматического источника.

Вольтамперная характеристика светодиода аналогична вольтамперной характеристике кремниевого диода: она имеет круто возрастающую прямую ветвь. На этом участке динамическое сопротивление мало и не превышает нескольких Ом. Обратные напряжения невелики (3,5...7,5 В). Светодиод не рассчитан на значительные обратные напряжения и легко может быть пробит, если не принять соответствующих мер защиты.

4.7.1 Оптроны Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник  излучения (светоизлучатель и фотоприемник) с тем или иным  видом оптической и электрической связи между ними, конструктивно связанные друг с другом.

Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь оптроны, у которых имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара  представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприёмного элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа и выхода.

Достоинства этих приборов базируются на  общем оптоэлектронном принципе  использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации, основные из них следующие:

- возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;

- возможность реализации бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей;

- однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие  обратной реакции приемника на излучатель;

- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам); возможность  передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;

- возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков, а также разнообразных приборов для передачи информации;

- возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками, характеристики  которых  при  освещении изменяются  по сложному заданному закону;

- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей, что в случае «длинных» оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником) обусловливает их защищенность от помех и  утечки информации, а также исключает взаимные наводки;

- физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Оптронам присущи и определенные недостатки:

- значительная потребляемая мощность, обусловленная  необходимостью  двойного преобразования  энергии (электричество - свет - электричество) и невысокими КПД этих переходов;

- повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;

- более или менее заметная временная деградация (ухудшение) параметров;

-относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный, как и два предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;

- сложность реализации обратных связей, вызванная электрической  разобщенностью входной и выходной цепей;

- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с использованием гибридной  непланарной технологии, (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких отдельных кристаллов из различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).

Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но, тем не менее, еще длительное время  будут носить достаточно принципиальный характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают  отсутствие конкуренции оптронам со стороны других приборов микроэлектроники.

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_i , определяемым отношением выходного и входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t_нар(сп) или граничную частоту. Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением и сопротивлением развязки U_разв и  R_разв и проходной емкостью C_разв.

В структурой схеме рисунка 4.16 входное устройство служит для   оптимизации рабочего режима излучателя  (например, смещения светодиода на линейный участок ваттамперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала.

Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых  входных  токов (для  линейных систем), малым  значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надёжная передача информации по цепи.

Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции.

 

 

 

 

 

 

 

                                                         

 

 

 

 

Рисунок 4.16 - Обобщенная структурная схема оптрона

Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления. В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления.

В фотоприемнике происходит «восстановление» информационного сигнала из оптического в электрический сигнал.  При этом стремятся  иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие.

Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за  оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала,  так как потери после двойного преобразования очень значительны. Нередко функцию усиления  выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).

Общая структурная схема (рисунок 4.16) реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники:

- ранее названные оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприёмник;

- оптоэлектронные (оптронные) микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного устройства);

- специальные виды  оптронов - приборы, функционально и конструктивно  существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС.

Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рисунке 4.16. Каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а несколько одинаковых или подобных друг другу  элементов, связанных электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона.

Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления, разнообразие и уникальность многих других  функций являются причиной того, что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника, автоматика, связная и радиотехническая аппаратура, автоматизированные системы управления, измерительная техника, системы контроля и регулирования, медицинская электроника, устройства визуального отображения информации.

 

5 Источники электропитания

 

Радиоэлектронные устройства для выполнения своих функций требуют наличия источников электропитания. Стационарные радиоприемники и телевизоры питаются от электросети промышленной частоты. В странах Европы частота тока в сети 50 Гц, а в США - 60 Гц. Напряжение повсеместно стремятся устанавливать 220 В, хотя еще существуют сети с напряжением 127 и даже 240 В. Для питания портативных транзисторных радиоприемников используются батареи, напряжение которых составляет 4,5...9 В.

Источник электропитания - это устройство, обеспечивающее необходимое напряжение и ток при заданной нагрузке.

Существуют предприятия, которые производят серийный выпуск источников электропитания, поэтому потребитель может выбрать тот, который ему больше подходит. Если по эксплуатационным, конструктивным или другим соображениям серийно выпускаемые источники электропитания не удовлетворяют потребности потребителя, то разрабатываются источники питания частного применения с учетом всех правил и ограничений, свойственных этому виду электронных средств.

Источники электропитания подразделяются на первичные и вторичные.

5.1 Первичные источники электропитания

Первичным считают источник электропитания, в котором электрическая энергия получается в результате химической реакции (гальваническая батарея), поглощения световой энергии (солнечные батареи) или тепловой энергии (термоэлементы). К первичным источникам электропитания относятся электростанции, электромашинные генераторы, аккумуляторы, химические источники питания, солнечные и атомные батареи.

5.1.1 Химические источники электропитания В химических источниках электропитания энергия активных исходных материалов преобразуется непосредственно в электрическую энергию. К химическим источникам электропитания относятся гальванические элементы, активные материалы которых (электролиты и электроды) используются одноразово.

Гальванический элемент представляет собой источник постоянного электрического напряжения. Электрическая энергия, получаемая в гальваническом элементе, образуется в результате химической реакции внутри элемента при замкнутой электрической цепи.

Основными параметрами, характеризующими гальванические элементы и батареи, являются электродвижущая сила (ЭДС) (напряжение), ёмкость и сохранность элемента.

Электродвижущая сила (напряжение) зависит от химических свойств материалов электролита и электродов, применяемых в гальваническом элементе, и не зависит от их размера. ЭДС (напряжение) измеряют в вольтах (В). Для измерения ЭДС (напряжения) гальванического элемента вольтметр подключают к его зажимам при разомкнутой внешней цепи.

Емкость элемента (батареи) определяется количеством электричества, которое элемент может отдать при оговоренных условиях разряда (сопротивления нагрузки, температуры и напряжения в конце разряда). Емкость элемента измеряется в ампер-часах (А×ч). Батареи большой емкости обеспечивают более длительную работу, позволяют увеличивать выходную мощность (например, усилителя).

Сохранность элемента (батареи) характеризуется временем, в течение которого все показатели элемента или батареи соответствуют оговоренным техническими условиями (ТУ). Сохранность зависит от саморазряда, который происходит даже при отключенной нагрузке.

Гальванические элементы маркируют буквами и цифрами, которые характеризуют их эксплуатационные данные. Например, 13АМГ-У-0,5 — анодная с марганцево-цинковой электрохимической системой, универсальная, напряжением 13В, начальная ёмкость 0,5 А×ч. Наряду с указанной системой маркировки батареи широкого применения могут иметь словесное название (например, «Крона», «Сатурн» и др.) и цифровое обозначение - элементы 373 («Марс»), 332 (ФБС-0,25) и др. Элементы и батареи размещаются в изолированных кожухах (отсеках). Это предупреждает возможную коррозию металлических частей или замыкание монтажных проводов вследствие выделения элементами (батареями) при интенсивной нагрузке жидкости (электролита).

Наиболее распространенными сухими элементами являются марганцево-цинковые гальванические элементы. Они работают в широком диапазоне температур и имеют малое внутреннее сопротивление, которое в зависимости от степени разряда и объема находится в диапазоне 0,1... 10 Ом.

Ртутно-цинковые элементы имеют герметичную конструкцию в форме диска. Они отличаются высокой стабильностью электродвижущей силы, которая в течение года изменяется на 0,2 % . Внутреннее сопротивление ртутно-цинковых элементов значительно выше, чем у марганцево-цинковых. Ртутно-цинковые элементы отличаются от других источников тока наибольшей удельной емкостью на единицу объема. К их недостаткам относится низкая работоспособность при отрицательных температурах.

5.1.2 Автономные источники электроэнергии на солнечных батареях Солнечные батареи используются для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В тени или ночью солнечные батареи электрической энергии не производят. Для непрерывного обеспечения потребителей электроэнергией часть энергии, производимой солнечной батареей в период освещения, запасают и затем используют в темное время суток. Поэтому автономная система электроснабжения помимо солнечной батареи содержит также аккумуляторную батарею, которая заряжается в темное время суток.

Солнечные элементы представляют собой полупроводниковые приборы, выполненные на основе кристаллического или аморфного кремния. Солнечные элементы объединяются в модули, а модули - в панели. В качестве основы для размещения солнечных элементов используется листовое кварцевое стекло толщиной 2... 3 мм. Крепятся солнечные элементы к стеклу клеем, стойким к воздействию ультрафиолетовых лучей. Связь между солнечными элементами осуществляется с помощью токосъемных шин. Стекло с установленными солнечными элементами закрепляют на профильной металлической рамке и полученную конструкцию герметизируют климатоустойчивыми  полимерными термосплавами. Термосплавами заполняются также промежутки между кремниевыми пластинами и кварцевым стеклом (рисунок 5.1). Коэффициент полезного действия солнечных элементов составляет 12... 14%

Рисунок 5.1 - Схема солнечной батареи. 1 - металлическая рамка; 2 - кремниевая пластина; 3 - герметик; 4 - кварцевое стекло

5.2 Вторичные источники электропитания

Как средство, потребляющее электроэнергию, электронное средство в общем виде состоит из источника электропитания и нагрузки (потребителя). Для различных видов электронных средств требуются различные по схемотехническим и конструктивным решениям источники электропитания.

Питание радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном от источников постоянного тока, которые подключены к электрическим сетям переменного тока. Для некоторых радиоэлектронных устройств (ЭВМ, бытовая электронная техника и т. п.) можно подобрать источник или систему электропитания из серийно выпускаемых промышленностью, для качественной работы других требуются специально разработанные системы электропитания.

Неотъемлемой частью как усилительных устройств, так и любых других электронных узлов и систем являются вторичные источники электропитания, которые обеспечивают их электрической энергией требуемого качества и вида.

Источник электропитания называется вторичным, если в нем электрическое напряжение одного рода преобразуется в электрическое напряжение другого рода. Во вторичных источниках электропитания преобразуют переменный, постоянный и пульсирующий токи (рисунок 5.2).

 

Рисунок 5.2 - Графики изменения тока: а - переменного;  б - постоянного;  в - пульсирующего;   I₀ - постоянная составляющая тока;  t- текущее значение времени; I_mах - максимальная амплитуда тока; I_min - минимальная амплитуда тока; Т₀ – период

 

Переменным называется ток, который изменяется во времени по величине и знаку (см. рисунок 5.2, а). Переменный ток характеризуется амплитудой I_max, частотой w (или f), средним значением тока I_ср и действующим значением тока I. Постоянным называется ток, который не изменяется во времени (см. рисунок 5.2, б). Постоянный ток характеризуется постоянным значением тока I₀. Пульсирующим называют ток, который изменяет свою величину, но не меняет направления (см. рисунок 5.2, в).

Пульсирующий ток характеризуется средним значением, которое применительно к вторичным источникам электропитания чаще называют постоянной составляющей выпрямленного тока I₀, коэффициентом пульсации k_п и частотой пульсации. Значение коэффициента пульсации k_п выходного напряжения вторичного источника электропитания может изменяться в очень широких пределах.

Чаще всего во вторичных источниках питания происходит преобразование переменного напряжения в постоянное напряжение. Иногда требуется преобразовать постоянное напряжение одной величины в напряжение другой величины. Для этой операции также используются вторичные источники электропитания. Однако обычный делитель напряжения и трансформатор нельзя считать вторичными источниками электропитания, так как в этих устройствах происходит простое масштабирование напряжения без каких-либо промежуточных преобразований. В подавляющем большинстве случаев для вторичных источников электропитания источником энергии служит сеть переменного тока частотой 50 Гц. Вторичный источник электропитания может быть объединен в одном корпусе с устройством, которое питается от данного источника электропитания (например, в телевизорах), или выделен в отдельный стационарный или переносной блок.

Ко вторичным источникам электропитания относятся аккумуляторы и блоки питания.

5.2.1 Аккумуляторы   Аккумуляторы представляют собой устройства, состоящие из наполненного электролитом сосуда, в котором располагаются отдельно друг от друга положительные и отрицательные пластины. В отличие от гальванических элементов аккумулятор может использоваться многократно за счет восстановления химической энергии вещества путем пропускания электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде. Заряд аккумуляторов состоит в том, что его подключают к источнику постоянного напряжения. В результате процесса электролиза химическое состояние пластин аккумулятора меняется и устанавливается определенная разность потенциалов. При нормальной эксплуатации они допускают около 500 циклов заряд-разрядов.

Применение находят следующие типы аккумуляторов и составленных из них аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные (СК), никелево-кадмиевые (НК), никелево-железные (НЖ), серебряно-цинковые (СЦ), никелево-цинковые (НЦ), никелево-водородные (НВ).

Параметры некоторых типов аккумуляторов приведены в таблице 5.1.

Т а б л и ц а  5.1 - Типы  аккумуляторов

Тип акку-мулятора	ЭДС, В	Рабочее напряжение, В	Наработка, цикл	Срок службы, год	Само-разряд, % в мес.
СК	1,80	1,4…1,5	30…1000	0,5…2	2…4
НЦ	1,83	1,6…1,7	100…300	3…5	10…15
НК	1,36	1,0…1,2	300…700	8…10	30
СЦ	2,00	1,6…2,0	150…200	2…4	30

5.3 Блоки питания

В электронных устройствах используются источники напряжения или тока. Источник напряжения обеспечивает постоянство напряжения на своих выходных клеммах, независимо от величин подключенных к ним нагрузок. Реальный источник напряжения имеет отличное от нуля, но все же очень малое выходное (внутреннее) сопротивление. Источник тока призван поддерживать постоянный ток в нагрузке независимо от ее параметров.

В реальном источнике тока внутреннее сопротивление, хотя и не бесконечно большое, но все же велико. Практическая реализация таких источников осуществляется с помощью электронных цепей. Наиболее широко используются вторичные источники электропитания, преобразующие переменное напряжение промышленных и специальных сетей электропитания в постоянное. В источниках питания преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока осуществляют выпрямители, а преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока - инверторы.

По величине выходной мощности вторичные источники питания подразделяются на маломощные (до 100 Вт), средней (до 10 кВт) и большой (свыше 10 кВт) мощности.

В настоящее время вторичные источники электропитания независимо от их функции и назначения строятся по двум структурным схемам. Функциональная схема простейшего стабилизированного вторичного источника электропитания показана на рисунке 5.3.

 

 

 

 

 

Рисунок 5.3 - Функциональная схема вторичного источника питания

Основными элементами вторичного источника электропитания являются силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.

Трансформаторы используются в схеме вторичного источника электропитания для получения на его вторичной обмотке нужного напряжения. Трансформатор служит для увеличения или уменьшения величины выходного переменного напряжения, которое на выходе блока питания ограничено максимальным значением входного синусоидального напряжения. Когда требуются более высокие постоянные напряжения, используют повышающий трансформатор. Номенклатура трансформаторов, выпускаемых промышленностью, достаточно широка, и если нет каких-либо специфических требований, то нужно использовать трансформатор из имеющегося перечня.

Однако более высокие постоянные напряжения могут быть получены и без повышающего трансформатора. Цепи, способные создавать высокие постоянные напряжения без помощи трансформатора, называются умножителями напряжения. Чаще всего используются удвоители и утроители напряжения. Однополупериодный удвоитель напряжения показан на рисунке 5.4.

Он создает выходное постоянное напряжение, которое в два раза больше максимального значения входного переменного напряжения. Напряжение, полученное от однополупериодного удвоителя, трудно фильтруется, так как оно имеет частоту пульсаций 50 Гц. Другим недостатком этого удвоителя является то, что конденсатор С₂ должен быть рассчитан на напряжение, которое, по крайней мере, вдвое превышает максимальное значение входного переменного напряжения.

Двухполупериодный удвоитель напряжения свободен от некоторых недостатков однополупериодного удвоителя напряжения.

 

Рисунок 5.4 - Электрическая схема однополупериодного удвоителя напряжения:С₁ , С₂ - конденсаторы; VD₁, VD₂ - диоды; R_н - сопротивление нагрузки

Выпрямитель представляет собой устройство, в котором переменный ток преобразуется с помощью электронных преобразователей в пульсирующий с явно выраженной нелинейностью вольтамперных характеристик. В качестве электронных преобразователей чаще всего применяются силовые полупроводниковые диоды. Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение.

Наиболее распространены однополупериодная, двухполупериодная и мостовая схемы выпрямителей.

Однополупериодную схему очень редко используют в современных выпрямителях, поскольку вторичная обмотка трансформатора работает только половину периода. Кроме того, выпрямленное с помощью такой схемы напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций (k_п), что затрудняет его сглаживание.

На практике чаще используется двухполупериодная схема. В ней выпрямляемое напряжение снимается с половины вторичной обмотки трансформатора. Через каждый диод, включенный в такую схему, протекает вдвое меньший ток, чем в однополупериодной схеме. Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно ниже. Ее недостатком является необходимость отвода выпрямленного напряжения от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению.

Эти недостатки устранены в мостовой схеме. Её особенностью является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения (по сравнению с отводом от середины вторичной обмотки) в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Частота и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такие же, как и в схеме с отводом от середины вторичной обмотки.

Рассмотренные схемы выпрямления переменного тока позволяют получать выпрямленное, но пульсирующее напряжение. Для питания электронных приборов пульсирующее напряжение непригодно, оно создает фон переменного тока, вызывает искажение сигналов и приводит к неустойчивой работе приборов. Выпрямленное напряжение еще содержит переменные составляющие, которые называются пульсациями. От пульсаций избавляются с помощью сглаживающих фильтров.

Фильтр ставят после выпрямителя для снижения коэффициента пульсации К_п, так как непосредственно на выходе выпрямителя значение коэффициента пульсации недопустимо велико. Сглаживающие фильтры применяют для снижения переменной составляющей (пульсаций) выпрямленного напряжения. Они состоят из реактивных элементов: конденсаторов, катушек индуктивности (дросселей) (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 - Электрическая схема сглаживающего фильтра: С - конденсатор; Др - дроссель; R_н - сопротивление нагрузки; i(t) - пульсирующий ток; I₀ - постоянная составляющая тока; I_п - переменная составляющая тока

Постоянная составляющая выпрямленного тока I₀ направляется в нагрузку, а нежелательная переменная составляющая тока I. замыкается через конденсатор, минуя нагрузку. Физическая сущность работы конденсатора и дросселя в фильтре состоит в том, что конденсатор (обычно большой емкости), подключенный параллельно нагрузке, заряжается при нарастании импульсов выпрямленного напряжения и разряжается при их убывании, сглаживая тем самым его пульсации. Дроссель, наоборот, при нарастании импульсов выпрямленного тока в результате действия электродвижущей силы самоиндукции задерживает рост тока, а при убывании импульсов задерживает его убывание, сглаживая пульсации тока в цепи нагрузки. С другой стороны, конденсатор и дроссель являются как бы резервуарами энергии. Они запасают ее, когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают, когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения. Это приводит к сглаживанию пульсаций.

Наиболее распространенные электрические схемы сглаживающих фильтров показаны на рисунке 5.6.

В сглаживающих П-образных LC-фильтрах (см. рисунок 5.6, а) постоянная составляющая выпрямленного тока I₀, свободно проходящая через дроссель Др, попадает затем в нагрузку и замыкается через трансформатор. Переменные составляющие, замыкаясь через большие ёмкости С₁ и С₂, в нагрузку не проходят.

При небольших токах нагрузки успешно работают Г-образные фильтры (см. рисунок 5.6, б). При малых токах нагрузки в качестве сглаживающего фильтра достаточно включить конденсатор (RC-фильтры) (см. рисунок 5.6, в), что и делают в переносных радиоприемниках и магнитолах. Иногда дроссель заменяют резистором, что несколько снижает качество фильтрации, но значительно удешевляет фильтр (см. рисунок 5.6, г, д).

 

Рисунок 5.6 - Электрические схемы фильтров: а - П-образного LC-фильтра; б - Г-образного фильтра; в - сглаживающего фильтра с конденсатором; г, д — сглаживающих фильтров с использованием резисторов вместо дросселей; R_н - сопротивление нагрузки; R₁ - резистор, заменяющий дроссель; С, С₁, С₂ - конденсаторы; Др -дроссель

 

В наиболее ответственных случаях используются многозвенные сглаживающие фильтры, которые состоят из нескольких П-образных или Г-образных LC- и RС-фильтров.

Сглаживающие фильтры включают между выпрямителем и фильтром. В теории фильтров граничные частоты принято называть частотами среза, они обозначаются w_с. (см. рисунок 5.7)

Рисунок 5.7 - Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра: а - идеальная; б - реальная; w  - текущее значение частоты; w _min - минимальная частота; w _мах - максимальная частота; w _рез - резонансная частота; К_р - резонансный коэффициент передачи

Стабилизатор обеспечивает постоянство напряжения на нагрузке или тока в нагрузке при изменении напряжения питающей цепи или изменении нагрузки. Выходное напряжение цепи может изменяться из-за того, что может изменяться входное напряжение. Может меняться также сопротивление нагрузки, что приводит к изменению потребляемого электрического тока. Многие электрические цепи рассчитаны на работу при определенном напряжении. Изменения напряжения могут влиять на работу цепи, поэтому блок питания должен обеспечивать выходное напряжение постоянной величины независимо от изменения входного напряжения или нагрузки. Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения используют стабилизатор напряжения, который удерживает выходное напряжение на постоянном уровне.

Существуют два основных типа стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные.

Параллельный стабилизатор подключают к нагрузке параллельно (рисунок 5.8).

Рисунок 5.8 - Электрическая схема параллельного стабилизатора с использованием стабилитрона: R₁ - резистор; VD₁ – стабилитрон

Стабилитрон VD₁ соединен с резистором R₁ последовательно. Входное постоянное напряжение прикладывается к стабилитрону и резистору и смещает стабилитрон в обратном направлении. Входное напряжение должно быть выше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Резистор позволяет протекать малому току и поддерживать стабилитрон в области пробоя. Цепь на рисунке 5.8 обеспечивает постоянное выходное напряжение при; изменениях входного напряжения. Выходное напряжение может быть увеличено или уменьшено путем замены стабилитрона и последовательно включенного резистора R₁. Через последовательно включенный резистор R₁ протекает сумма тока нагрузки и тока стабилитрона. Этот резистор подбирают так, чтобы ток через стабилитрон удерживал его в области стабилизации. Когда ток через нагрузку увеличивается, ток через стабилитрон уменьшается, сумма этих токов поддерживает напряжение постоянным. Это позволяет поддерживать постоянное выходное напряжение при изменениях выходного тока так же, как и при изменениях входного напряжения.

Параллельная регулирующая цепь, в которой используют транзистор VT₁, показана на рисунке 5.9.

Рисунок 5.9 - Электрическая схема параллельного стабилизатора с использованием транзистора: R₁ - резистор; VD₁ - стабилитрон; VT₁ - транзистор

Транзистор VT₁ включен параллельно нагрузке. Это защищает стабилизатор в случае короткого замыкания в нагрузке. Существуют более сложные параллельные стабилизаторы, которые используют более одного транзистора.

Последовательные стабилизаторы находят более широкое применение, чем параллельные, так как они более эффективны и рассеивают меньшую мощность. Последовательный стабилизатор подключают к нагрузке последовательно. Последовательный стабилизатор также работает в качестве управляющего устройства, защищая источник электропитания от короткого замыкания в нагрузке. Простой последовательный стабилизатор показан на рисунке 5.10. На его вход подается нестабилизированное постоянное напряжение, а на выходе получается стабилизированное постоянное напряжение, меньшее по величине входного напряжения.

В последние годы вместо стабилизаторов на дискретных компонентах все чаще используют стабилизаторы на интегральных микросхемах.

Рисунок 5.10 - Электрическая схема последовательного стабилизатора: R, R₁, R₂ - резисторы; VD₁ - стабилитрон; VT₁ - транзистор

Они дёшевы и просты в применении. Большинство стабилизаторов на интегральных микросхемах имеют только три вывода (вход, выход и земля) и могут быть подсоединены непосредственно к выходу фильтра выпрямителя. Стабилизаторы на интегральных микросхемах обеспечивают широкий диапазон выходных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности.

Существуют также двухполярные стабилизаторы напряжения. Если стабилизатора с нужным напряжением нет среди стандартных микросхем, то можно использовать микросхему с регулируемым напряжением. Стабилизатор напряжения включают после фильтра.

Система вторичного электропитания обеспечивает радиоэлектронные устройства стабилизированными напряжениями переменного и постоянного токов, а также осуществляет фильтрацию сетевых и коммутационных помех, управление, контроль и защиту.

Для питания автономных объектов используются появившиеся силовые интегральные микросхемы в виде единого электронного прибора с рабочей мощностью от единиц до десятков ватт, определяющим видом которых являются интегральные стабилизаторы напряжения, что дало возможность располагать их в непосредственной близости к потребителям электроэнергии. Это открыло новые способы построения систем вторичного электропитания. Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) используют источники вторичного электропитания с импульсным регулированием напряжения.

В зависимости от качества выходного напряжения различаются источники электропитания стабилизирующие и нестабилизирующие.

Стабилизирующие источники электропитания обеспечивают постоянство выходного напряжения на заданном уровне при воздействии, например, изменений входного напряжения, выходного тока, температуры окружающей среды. Они имеют в своем составе функциональный узел, осуществляющий стабилизацию выходного напряжения. В нестабилизирующих источниках электропитания функциональный узел стабилизации напряжения отсутствует.

К основным электрическим показателям, характеризующим вторичные источники электропитания, относятся:

- величина постоянного напряжения на выходе вторичного источника электропитания - выпрямленное напряжение или напряжение на нагрузке, Е₀;

- постоянная составляющая выходного тока - номинальный средний выпрямленный ток, I₀; коэффициент пульсаций выходного напряжения (тока), k_п;

- выходное сопротивление вторичного источника электропитания для переменных токов, R_вых.                                                                                 

Коэффициентом пульсаций k_п называется отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения.

 

6 Информационный сигнал

 

Коммуникация - это процесс установления связи между двумя точками пространства и передачи информации между ними. Информация передается в виде сигнала. Сигналом может быть всё от компьютерных цифровых импульсов и до различных по форме электрических колебаний. Процесс передачи информации в радиосвязи состоит из трёх этапов: формирования посылки (кодирование), непосредственно передачи радиосигнала и декодирования.

6.1 Аналоговые и цифровые сигналы

Мы живем в мире аналоговых сигналов. Аналоговый сигнал характеризуется непрерывным изменением своих параметров. Голос является типичным примером аналогового сигнала. Электронное оборудование  использует аналоговые цепи для передачи непрерывных сигналов. Аналоговое электронное оборудование было распространено до появления компьютеров.

Рассмотрим электрический свет, яркость которого регулируется с помощью реостата. Движение ручки реостата для установления необходимой яркости света является аналоговой операцией. В системе нет каких-либо дискретных состояний, так что можно легко регулировать яркость, прибавляя или убавляя ее.

Напротив, цифровой сигнал подразумевает дискретность значений параметров системы, проявляющуюся, например, в высвечивании значений времени на электронных часах. В цифровых системах вся информация существует в виде набора импульсов.

В отличие от ламп с плавными регуляторами яркости, лампы с переключателем яркости являются цифровыми устройствами. Каждому положению переключателя этих ламп соответствует определенный уровень яркости. Никаких других промежуточных уровней яркости не существует.

В основе любой цифровой системы лежит понятие бита. Бит является основной единицей цифровой информации, принимающей одно из двух значений: 1 или 0.

При решении инженерных задач, связанных с цифровыми системами, необходимо учитывать реальную форму импульса. Рисунок 6.1 показывает различные характеристики импульса.

Амплитуда характеризует уровень энергии в импульсе.

Время нарастания - время, в течение которого импульс увеличивается от 10% до 90% уровня максимальной амплитуды.

Время спада, противоположное времени нарастания, соответствует интервалу уменьшения амплитуды от 90% до 10%. Время нарастания и спада t в ряде случаев может различаться.

Ширина импульса Dt соответствует временному интервалу, в течение которого амплитуда импульса превосходит уровень в 50% от максимальной амплитуды.

Длительность бита - временной интервал (Т), приходящийся на один импульс.

 

                                                

 

	Амплитуда  импульса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1 - Форма импульса

Системные часы (таймеры) генерируют короткие импульсы через промежутки времени постоянной длительности (тактовые импульсы) для определения длительности информационного бита. Длительность бита определяется одним или несколькими длительностями тактирующих импульсов. Тактирующие импульсы напоминают колебания метронома.

Время нарастания t  является очень важным параметром в электронике, поскольку оно ограничивает скорость работы системы. Действительно, скорость, с которой сигнал передачи может быть включен и выключен, будет определять максимальную частоту  импульсов. Наиболее простой путь увеличения скорости работы системы - это уменьшение времени нарастания и спада импульса. При этом через систему проходит большее количество импульсов в течение заданного интервала времени. Наоборот, при увеличении времени нарастания импульса снижается скорость работы системы.

Существует много способов представления бита. В электронике достаточно часто необходимо описывать факт наличия или отсутствия напряжения. При цифровом представлении наличие напряжения соответствует единице, а его отсутствие - нулю. Значение одного бита 1 или 0 может представлять только два состояния системы — «включено» или «выключено». Например, состояние лампы может быть представлено 0, если она выключена, и 1 во включенном состоянии:

Выключена                   0

Включена            1

Один бит информации, таким образом, имеет достаточно ограниченную емкость. Для описания состояний лампы с переключателем на три уровня яркости мы можем использовать 2 бита:

          Выключена                                              00

Малый уровень яркости                 01

Средний уровень яркости              10

Максимальный уровень яркости    11

В примере с лампой 2 бита позволяют различать четыре различных состояния лампы. Чем больше битов используется в одном блоке, тем больше его информационная емкость. В вычислительной технике обычно применяют блоки из 8 бит (либо с числами, кратными 8, такими как 16 или 32).

Восьмибитовый блок называется байтом. В одном байте можно с запасом хранить цифровую информацию обо всех буквах алфавита, числах и других символах печатной машинки или клавиатуры компьютера. Использование 8 бит допускает 256 различных вариантов перестановок 1 и 0. Число различных перестановок в цепочке длиной в n бит равно 2ⁿ. Например, 16 бит дают 65536 комбинаций. При добавлении одного бита число возможных комбинаций удваивается.

Схематическое изображение цепочки импульсов представлено на рисунке 6.2. Переход из одного состояния в другое вдоль цепочки импульсов происходит мгновенно. Подобного рода упрощенные диаграммы отражают характеристики цепочек импульсов и дают инженерам и техникам возможность сравнивать их между собой.

Цепочка импульсов соответствует последовательности 1 и 0 цифровой информации и может представлять собой чередование интервалов высокого и низкого уровней напряжения, либо его наличие и отсутствие. На языке электроники цифра 1 представляет наличие напряжения, либо его максимальное значение. Цифра 0 - отсутствие напряжения, либо его минимальное значение. Таким образом, о единице можно говорить, как о состоянии включено, или максимуме, а о нуле - как о состоянии выключено, или минимуме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.2 - Последовательность импульсов различной длины

В действительности изменение амплитуды импульса не происходит мгновенно,  как показано на рисунке 6.2. Электронные системы имеют конечное время срабатывания. Требуется определенное время для того, чтобы значение напряжения сигнала перевести из состояния включено в состояние выключено, либо осуществить переключение между максимальным (высокое) и минимальным (низкое) значениями.

На практике пакет информации использует набор байтов, количество которых определяется условиями распространения информации.

6.2 Модуляция

Для передачи сообщений звуковой и видеочастоты (речь, музыка, изображение) сигналы преобразовывают в электрическую форму. В такой форме эти сигналы не всегда пригодны для эффективного излучения с помощью антенн и распространения в свободном пространстве, так как представляют собой низкочастотные колебания, которые быстро затухают. Для передачи низкочастотных колебаний на большие расстояния используются высокочастотные колебания, которые обладают свойствами, необходимыми для передачи на большие расстояния. Содержащее сообщение низкочастотное колебание как бы накладывают на высокочастотное колебание, в результате чего оно изменяется по закону передаваемого сообщения. Высокочастотное колебание называется несущим, а передаваемое сообщение, содержащее низкочастотное колебание, называется управляющим (модулирующим) сигналом. Итак, перенесение передаваемой информации на несущую радиоволну и называется модуляцией.  Модуляция (от лат. modulatio - мерность, размеренность) - изменение какого-либо параметра периодических колебаний высокой частоты под воздействием других колебаний существенно более низкой (модулирующей) частоты.

Для того чтобы с помощью радиосигнала можно было передавать информацию, необходимо заставить изменяться во времени один или несколько его параметров (E, w или j). В зависимости от того, какой параметр радиосигнала изменяется в соответствии с передаваемой информацией, различают и типы модуляции между собой.

Самый простой способ передачи информации устроен по принципу «Да-Нет». Есть сигнал или нет его. Этот принцип используется и, по-видимому, будет использоваться еще долго всеми вычислительными системами и компьютерами.

Морзянка, азбука, изобретенная Самюэлем Морзе, тоже использовала этот принцип: точка-тире-пробел. Сигналы различались по длительности, но надежность передачи обеспечивалась все тем же фактором: сигнал то появляется, то исчезает. Амплитуда, зависящая, в том числе от погодных условий, при этом не имеет значения.

Более того, максимально упрощено и передающее устройство. Передатчик генерирует сигнал на определенной частоте. Радист, стуча ключом, который механически то замыкает, то размыкает контакт, передает сообщение в кодировке точек и тире. Вот и «поет морзянка».

Итак, сигнал постоянной амплитуды на определенной частоте просто прерывается на какие-то промежутки времени. То, что получается в результате, будет изображаться колебанием вида как на рисунке 6.3. Контакт замкнут – синусоида «пошла в эфир». Контакт разомкнут – синусоида обрывается. Заметим, что для кодировки точка-тире фаза синусоиды, с которой «начинается» колебание в момент замыкания контакта, не имеет значения. Информацию несет не сама синусоида, а ее огибающая, которая в данном случае представляет собой последовательность прямоугольных сигналов различной длительности. Представленный на рисунке 6.3 простой пример амплитудной модуляции иллюстрируется на примере передачи буквы «ф» в кодировке Морзе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.3 - Пример амплитудной манипуляции

В названии рисунка 6.3 не случайно стоит слово «манипуляция». Манипуляцией называют 100%-ную модуляцию несущей частоты дискретными (двоичными) сигналами.

В процессе декодирования на другом конце линии передачи приемник отделяет информационный сигнал от несущей частоты. Человеческое ухо анализирует колебания воздуха и воспринимает информацию.

Вне зависимости от типа модуляции (манипуляции) блок-схема любого передающего устройства может быть отображена в виде, приведенном на рисунке 6.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.4 - Блок-схема передающего устройства

Генератор несущей частоты (задающий генератор) формирует основной сигнал, который должен будет передавать информацию. Параллельно с этим информационный сигнал преобразуется в электрический сигнал в блоке, который назван на схеме генератором информационного сигнала. Сигналы с двух генераторов поступают в блок, называемый модулятором, в котором один (или несколько) параметров сигнала несущей частоты модифицируются в соответствии с информационным сигналом. Осуществляется «модуляция» сигнала. Полученный модулированный сигнал усиливается и направляется в антенну, в которой происходит преобразование энергии электрических сигналов в энергию электромагнитных волн.

Учитывая, что мгновенная частота w(t) связана с фазой сигнала j(t) соотношением

,

то и частотная, и фазовая модуляция взаимосвязаны, их даже иногда объединяют общим названием – угловая модуляция.

При частотной модуляции (ЧМ) мгновенная частота сигнала изменяется по закону модулирующего сигнала, а при фазовой (ФМ) – фаза. Поэтому при модуляции несущей частоты w синусоидальным сигналом с частотой W u_mod(t)=U_mod cos(Wt) при ЧМ и ФМ соответственно получим:

             w(t)=w₀+Dw_d U_mod      и        j(t)=w₀t +Dj_d cos(Wt)

где Dw_d =k U_mod  и

Dj_d k U_mod  – девиация (изменение) частоты и фазы соответственно.

Существует много способов модуляции несущей частоты радиоволны.

На рисунке 6.5 представлены два наиболее часто встречаемых на практике варианта модуляции сигнала несущей частоты u(t) аналоговым сигналом s(t). Верхний график соответствует несущей (высокой) частоте, переносящей информацию. Информационный сигнал представлен на втором сверху графике в виде косинусоиды с меньшей, чем у несущей частотой. Все значения аргументов (времени) и значений функций условны.

 

Рисунок 6.5 - Примеры амплитудной и частотной модуляции несущей частоты

6.2.1 Амплитудная модуляция (AM) Используется в длинноволновом, средневолновом и коротковолновом радиодиапазонах. Если переменной оказывается амплитуда сигнала U(t), а остальные два параметра круговая частота w и фаза j неизменны, то такая модуляция называется амплитудной модуляцией несущего колебания. Форма записи амплитудно-модулированного или АМ-сигнала, такова:

u_ам(t)=U(t) cos(w₀t+j₀).

При амплитудной модуляции связь между огибающей U(t) и модулирующим сигналом s(t) принято определять следующим образом:

                                U(t) = U_м[1+Мs(t)],

где U_м – постоянный коэффициент, равный амплитуде несущего колебания в отсутствии модуляции;

М – коэффициент амплитудной модуляции.

При этом амплитуда несущей волны варьируется в соответствии с амплитудой информационного сигнала. Вид амплитудно-модулированного сигнала представлен на третьем графике рисунка 6.5. На нем уровень модулирующего сигнала составляет 30% от амплитуды несущей частоты, а соотношение частот – 1:3.

Спектр управляющего сигнала содержит только низкочастотные составляющие (например, W₁, W₂, W₃) (рисунок 6.6, а). Спектр несущего сигнала содержит одну составляющую на несущей частоте w₀ (рисунок 6.6, б).

В модуляторе появляются боковые составляющие и подавляются низкочастотные составляющие. В спектре модулированного колебания нет низкочастотных составляющих, но появляются боковые составляющие на частотах, близких к несущей частоте (w₀± W₁; w₀± W₂; w₀± W₃), т.е. он значительно сложнее спектра несущего колебания (рисунок 6.7).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.6 - Спектры  управляющего (а) и несущего (б) сигналов; W₁, W₂, W₃ - низкочастотные составляющие; U_н - амплитуда несущего сигнала; w₀ -несущая частота

Сигнал звуковой частоты передается с помощью высокочастотного сигнала с некоторой несущей частотой w₀.  Благодаря этому возможна многоканальная передача сообщений одновременно по одной и той же линии. В этом случае для разных сообщений используются несущие колебания с разными частотами. На приёме сигналы разделяются с помощью фильтров, которые настроены каждый на свою частоту. На выходе каждого фильтра получается уже только один сигнал. Каждой радиостанции присваивается своя собственная несущая частота, настраивая на которую радиоприемник можно принимать нужный сигнал.

Рисунок 6.7 - Спектр амплитудно-модулированного колебания: w₀ - несущая частота; U - амплитуда сигнала; w₀- W₃... w₀+ W₃ - боковые составляющие  спектра

6.2.2 Частотная модуляция (ЧМ) В данном случае модулируется частота несущей волны в зависимости от изменения амплитуды передаваемого сигнала. При частотной модуляции сигнала (ЧМ) между величинами s(t) и w(t) имеется связь вида w(t) = w₀ +ks(t), поэтому

                         

где k – индекс модуляции.

Таким образом, сигнал модулирует несущую частоту, а не ее амплитуду. В ультракоротковолновом радиодиапазоне применяется именно этот способ модуляции. Вид частотно-модулированного сигнала представлен на четвёртом графике рисунка 6.5.

6.2.3 Фазовая модуляция (ФМ) Как уже было показано выше, фазовая манипуляция является разновидностью угловой модуляции. Математическое уравнение, описывающее фазовую модуляцию, практически не отличается от соответствующего выражения для частотной модуляции с той лишь разницей, что нет надобности в интегрировании.

 

                                     

                                    

Рисунок 6.8 - Эпюры биполярной фазовой модуляции

6.2.4 Импульсная модуляция (ИМ)  Импульсной модуляцией часто  называют стопроцентную амплитудную манипуляцию, при которой амплитуда несущей частоты изменяется от 0 до 100%. На ней, как уже упоминалось, основан способ передачи информации с помощью  кода Морзе (см. рисунок 6.3). На манипулированный несущий сигнал накладываются низкочастотные участки одинарной или тройной длительности, соответствующие точкам и тире кода Морзе. Импульсная модуляция используется в системах навигации, местоопределения и радиолокации. Основным условием импульсной модуляции является необходимость использования такой ширины импульса, чтобы в него помещалось не менее 10 колебаний несущей.

6.2.5 Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) Импульсно-кодовая модуляция представляется набором квазислучайной последовательности  одиночных импульсов. Обычно ИКМ имеет размеры байта. Использование ИКМ увеличивает защищённость информации от помех и от внешнего воздействия. Часто ИКМ преобразуется в бифазную модуляцию. При скачкообразном изменении амплитуды импульса фаза несущей радиоволны делает скачок на 180⁰.

 

7 Цифровая обработка сигналов

 

7.1 Линейные системы

Сигнал - зависимость одной величины от другой (функция). Например, зависимость давления воздуха в точке от времени можно рассматривать как звуковой сигнал. Зависимость напряжения в проводнике от времени тоже может представлять звуковой сигнал. Зависимость яркости от точки на плоскости можно рассматривать как черно-белое изображение.

Будем пока для определенности рассматривать одномерные сигналы, зависящие от времени, и обозначать их x(t). Почти весь материал допускает обобщение и на многомерный случай.

Система – это некоторое преобразование сигнала. Система переводит входной сигнал x(t) в выходной сигнал y(t). Будем это обозначать так: x(t)®y(t).

Обычно все рассматриваемые системы инвариантны к сдвигу, т.е. если, то x(t+T)® y(t+Т). Это означает, что форма выходного сигнала зависит только от входного сигнала, а не зависит от времени начала подачи входного сигнала. Далее мы будем рассматривать только такие системы.

Очень большое количество реальных систем можно считать инвариантными к сдвигу. Например, микрофон, переводящий сигнал «плотность воздуха» в сигнал «напряжение в проводе», удовлетворяет этому свойству, если пренебречь изменением качества микрофона во времени.

Линейная система – это система, в которой выполняется свойство: если x₁(t) ® y₁(t) и x₂(t) ® y₂(t), то a×x₁(t) +  b× x₂(t) ® a×y₁(t) +  b× y₂(t)    y(t). Здесь операции над сигналами следует понимать как операции над функциями от аргумента t.

Огромное количество реальных систем по преобразованию сигналов можно считать линейными. Например, микрофон является линейной системой (с достаточной степенью точности), так как если в него будут говорить одновременно 2 человека с разной громкостью, то электрический сигнал на выходе будет взвешенной суммой сигналов (от каждого человека в отдельности) на входе, а коэффициенты будут означать громкость разговора первого и второго человека.

7.2 Свойства линейных систем

1.       Постоянный (константный) сигнал переводится любой линейной системой в постоянный сигнал.

2.       При прохождении через линейную систему синусоида остается синусоидой. Могут измениться лишь её амплитуда и фаза (сдвиг во времени).

Второе свойство особенно важно, т.к. оно указывает на важнейший метод анализа линейных систем с помощью разложения входных и выходных сигналов на синусоиды (Фурье-анализ).

Что означает «прохождение синусоиды через линейную систему»? Это значит, что синусоида подается на вход системы бесконечно долго, т.е. от t=-¥ до t=+¥. Если же синусоиду начали подавать лишь в некоторый конкретный момент времени (а до этого подавалось что-то другое, например, - 0), то после начала подачи синусоиды на вход мы можем получить синусоиду на выходе не сразу. Выходной сигнал постепенно начнет приобретать синусоидальную форму. Скорость «стремления к верной синусоиде» на выходе зависит от конкретной линейной системы.

7.3 Многоканальная радиосвязь и многостанционный доступ

Постоянно возрастающий поток информации нуждается в увеличении пропускной способности существующих каналов связи. Одним из решений этой задачи стала разработка и реализация многоканальных систем. На передающей стороне осуществляется организация мультиканала с использованием мультиплексирования.

 

7.4 Мультиплексирование

Мультиплексированием называется процесс объединения нескольких независимых друг от друга информационных сигналов (каналов) в единый сигнал (канал).

На приёмной стороне организуется так называемый многостанционный доступ путём адекватного демультиплексирования принимаемого мультиканала.

Различают частотное, временное и кодовое разделение сигналов.

7.4.1 Частотное разделение информационных сигналов Частотное мультиплексирование передаваемых сигналов или трансляция каналов осуществляется достаточно просто и естественно. Выделенная оператору полоса частот F равномерно делится на участки, размеры которых равны сумме частот f_S , необходимых для обеспечения требуемой на информационный канал полосы частот Δf и необходимого интервала между каналами. Схема такого мультиплексирования приведена на рисунке 7.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.1 - Принцип частотного разделения информационных каналов

7.4.2 Временное разделение информационных сигналов Мультиплексирование с разделением по времени позволяет передавать по одной линии несколько информационных каналов.

Теория коммуникаций утверждает, что аналоговый сигнал, подобный голосу, может быть преобразован в цифровой, если частота выборки, по крайней мере, в два раза превосходит его максимальную частоту (теорема Котельникова). Верхняя частотная граница звукового сигнала в телефонии составляет не более 4000 Гц, что соответствует частоте выборок 8000 раз в секунду. Выборка представляет собой процесс определения амплитуды звукового сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в момент времени, соответствующий приходу сигнала синхронизации (синхросигнала). В память заносится число, соответствующее мгновенному значению уровня информационного сигнала. На рисунке 7.2 показан процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал, называемый иначе кодированием. В данном примере кодирование происходит с помощью 8-разрядного амплитудно-цифрового преобразователя - АЦП, максимальное значение сигнала соответствует значению 2⁸=256. При этом

нулевому уровню сигнала будет соответствовать комбинация   00000000

первому уровню сигнала будет соответствовать комбинация     00000001

второму уровню сигнала будет соответствовать комбинация     00000010

третьему уровню сигнала будет соответствовать комбинация    00000011

. . .

максимальному уровню сигнала будет соответствовать комбинация                       11111111

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.2 - Преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы

Поскольку каждое считывание записывается в данном примере в виде 8-битового числа и каждую секунду происходит 8000 считываний, то пропускная способность системы связи, необходимая для передачи одного телефонного сигнала составит 64000 бит/с (8000 считываний/с ´ 8 бит/считывание = 64000 бит/с). На приёмном конце аналогичные правила выполняются для обратного процесса декодирования и восстановления звукового сигнала.

Передача 64000 битов в секунду не представляет большой проблемы для проводной линии связи и радиолиний диапазона СВЧ. Современные линии связи способны передавать десятки и сотни мегабит в секунду. Для более полного использования пропускной способности линий связи было предложено передавать в едином информационном потоке сразу несколько информационных сигналов.

Действительно, если для передачи каждой выборки сигнала речи достаточно временного отрезка 1/8000 секунд = 125 микросекунд, а линия связи позволяет нам передавать информацию со скоростью 2048000 бит/с (стандартная скорость канала ИКМ30 или Е1), то в таком канале 8 бит выборки будут переданы всего за 8/2048000 секунды = 3,9 микросекунды. Не простаивать же каналу в ожидании следующей выборки.

Для того чтобы избежать этого и была придумана процедура мультиплексирования, при которой после окончания передачи выборки одного сигнала, если остаётся время до прихода следующей выборки, то начинается передача информации о другом сигнале, третьем и т.д., до тех пор, пока не настанет время передавать следующую выборку исходного сигнала.

Может возникнуть впечатление, что каналы используются одновременно, хотя это не так. Сначала передаётся элемент первого разговора, затем второго, третьего и так далее (см. рисунок 7.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.3  - Принцип временного мультиплексирования

Устройство, позволяющее комбинировать передачу различных сигналов по одной линии, называется мультиплексором. Демультиплексор производит обратную операцию и разделяет поступающие сигналы.

7.4.3 Кодовое разделение информационных сигналов Термин CDMA первоначально относился лишь к способу многоканального доступа, но затем в связи с широким применением эту аббревиатуру стали применять к системам связи.

С целью преодоления приведенных недостатков компаниям-произ-водителям пришлось обратиться к принципиально другим цифровым системам, выполненным по технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) или, как его называют во всем мире, CDMA (Code Division Multiple Access), которые используют шумоподобные сигналы с расширенным спектром. CDMA - это практически полностью цифровой стандарт. Принцип CDMA заключается в расширении спектра исходного информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое может производиться двумя различными методами: «скачки по частоте» и «прямая последовательность».

Так называемые «скачки по частоте» (или FH - Frequency Hopping) реализуются следующим образом: несущая частота в передатчике постоянно меняет своё значение в некоторых заданных пределах по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы времени. Приёмник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. С помощью FH сейчас производятся попытки улучшения технических характеристик узкополосных цифровых  систем сотовой связи, в частности, GSM.

Второй метод «прямой последовательности» (или DS - Direct Sequence)  основан на использовании шумоподобных сигналов и применяется в большинстве работающих и перспективных системах CDMA. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала каждого абонента единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным шумоподобным сигналом, который и расширяет спектр исходного информационного сигнала. Тут сразу следует отметить, что число вариантов таких кодов достигает нескольких миллиардов, что позволяет создать персональную связь в масштабах нашей планеты. В результате проведения описываемого процесса узкополосный информационный сигнал каждого пользователя расширяется на всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей сети (база сигнала при этом становится много больше 1). В приёмнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода, в результате чего восстанавливается исходный информационный сигнал. В то же самое время сигналы остальных пользователей для данного приёмника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им лишь как «белый шум», который является наиболее «мягкой» помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной работе приемника. Чтобы популярно пояснить принцип работы такой системы, воспользуемся одной очень удачной аллегорией. Представьте комнату, в которой одновременно разговаривает друг с другом много пар людей, причём на разных языках. Каждый из них хорошо понимает своего собеседника, а все посторонние разговоры воспринимаются как некий фон и не особенно мешают разговору. При этом обеспечивается высокая степень защиты от активных и пассивных помех, что позволяет работать при низких значениях отношения сигнал-шум (3-5 дБ) со значительно меньшей мощностью передаваемого сигнала. Таким образом, в одном и том же радиочастотном канале одновременно передаются информационные сигналы большой группы пользователей. Следует также сказать, что CDMA не зря широко используется в военных системах связи, поскольку расширение спектра сигналов позволяет противодействовать преднамеренным искусственным помехам. Если расширить базу радиосигнала до очень больших величин, то можно сделать его ниже уровня шумов, которые и сможет наблюдать потенциальный противник. На приёмной же стороне исходный сигнал будет восстановлен. Таким образом, подобные системы можно было бы использовать (и такие системы существуют), не мешая работе других радиосредств, использующих тот же диапазон радиочастот. Однако это не используется в существующих коммерческих сотовых системах CDMA.

7.4.4 Общая характеристика и принципы функционирования В стандарте CDMA передаваемая в эфире информация от базовой станции к мобильной или наоборот попадает ко всем абонентам сети, но каждый абонент понимает только ту информацию, которая предназначена для него, т.е. русский понимает только русского, немец только немца, а остальная информация отсеивается. Язык общения в данный момент является кодом. В CDMA это организовано за счет применения кодирования передаваемых данных, если точнее, то за это отвечает блок умножения на функцию Уолша. В отличие от стандарта GSM, который использует TDMA (Time Division Multiple Access - многостанционный доступ с кодовым разделением канала, т.е. несколько абонентом могут разговаривать на одной и той же частоте, как и в CDMA, но в отличие от CDMA, в разное время), стандарт IS-95 диапазон частот использует более экономично. CDMA называют широкополосной системой и сигналы идущие в эфире шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга (можно представить шум в ресторане, когда все одновременно говорят). Помехоустойчивая - потому, что при возникновении в широкой полосе частот (1,23 МГц) сигнала-помехи, узкого диапазона (<150кГц), сигнал примется почти неискаженный.

А в стандарте GSM такое не получится. Из-за того, что GSM изначально сам узкополосный. Ширина полосы, которая используется, равна 200 кГц.

Система CDMA фирмы Qualcom рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц. Система CDMA построена по методу прямого расширения спектра частот на основе  использования 64 видов последовательностей, сформированных по закону функций Уолша. Для передачи речевых сообщений выбрано речепреобразующее устройство с алгоритмом CELP со скоростью преобразования 8000 бит/с (9600 бит/с в канале). Возможны режимы работы на скоростях 4800, 2400, 1200 бит/с.

В каналах системы CDMA применяется свёрточное кодирование со скоростью 1/2 (в каналах от базовой станции) и 1/3 (в каналах от подвижной станции); декодер Витерби с мягким решением; перемежение передаваемых сообщений. Общая полоса канала связи составляет 1,25 МГц.

Протоколы установления связи в CDMA основаны на использовании логических каналов. В CDMA каналы для передачи  с базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией - обратными (Reverse).

7.5 Дискретные и непрерывные сигналы. Теорема Котельникова

Большинство реальных сигналов (например, звуковых) являются непрерывными функциями (если пренебречь квантовыми эффектами). Для обработки на компьютере требуется перевести сигналы в цифровую форму. Один из способов сделать это – равномерно по времени измерить значения сигнала на определенном промежутке времени и ввести полученные значения амплитуд в компьютер. Если делать измерения достаточно часто, то по полученному дискретному сигналу можно будет достаточно точно восстановить вид исходного непрерывного сигнала.

Процесс замера величины сигнала через равные промежутки времени называется равномерной (по времени) дискретизацией. Многие устройства для ввода данных в компьютер осуществляют дискретизацию. Например, звуковая карта дискретизирует сигнал с микрофона, сканер дискретизирует сигнал, поступающий с фотоэлемента. В результате дискретизации непрерывный (аналоговый) сигнал переводится в последовательность чисел. Устройство, выполняющее этот процесс, называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП, analogue-to-digital converter, ADC). Частота, с которой АЦП производит замеры аналогового сигнала и выдает его цифровые значения, называется частотой дискретизации.

При какой частоте дискретизации можно с необходимой степенью точности восстановить первоначальный вид исходного аналогового сигнала? Ответ на этот вопрос дает важная теорема Котельникова. Однако чтобы ее понять, необходимо познакомиться с понятием спектра непрерывного сигнала.

Как известно, любая непрерывная функция может быть разложена на конечном отрезке в ряд Фурье. Смысл этого разложения состоит в том, что функция представляется в виде суммы ряда синусоид с различными амплитудами и фазами и с кратными частотами. Коэффициенты (амплитуды) при синусоидах называются спектром функции. У относительно гладких функций спектр быстро убывает (с ростом номера коэффициенты быстро стремятся к нулю). Для относительно «изрезанных» функций спектр убывает медленно, т.к. для представления разрывов и «изломов» функции нужны синусоиды с большими частотами.

Говорят, что сигнал имеет ограниченный спектр, если после определенного номера все коэффициенты спектра равны нулю. Другими словами, на заданном отрезке сигнал представляется в виде конечной суммы ряда Фурье. В этом случае говорят, что спектр сигнала лежит ниже частоты F (ограничен частотой F), где F – частота синусоиды при последнем ненулевом коэффициенте ряда Фурье.

Теорема Котельникова-Найквиста-Шеннона: если сигнал таков, что его спектр ограничен верхней частотой F, то после дискретизации сигнала с частотой не менее 2F можно восстановить исходный непрерывный сигнал по полученному цифровому сигналу абсолютно точно. Для этого нужно проинтерполировать цифровой сигнал «между отсчетами» специального вида функциями.

На практике эта теорема имеет огромное значение. Например, известно, что большинство звуковых сигналов можно с некоторой степенью точности считать сигналами с ограниченным спектром. Их спектр, в основном, лежит ниже 20 кГц. Это значит, что при дискретизации с частотой не менее 40 кГц, мы можем потом более-менее точно восстановить исходный аналоговый звуковой сигнал по его цифровым отсчетам. Абсолютной точности достичь не удастся, так как в природе не бывает сигналов с идеально ограниченным спектром. В сотовой связи за верхний предел частот звукового спектра принята величина в 4 кГц, оцифровка такого сигнала осуществляется с частотой в 8 кГц.

Устройство, которое интерполирует дискретный сигнал до непрерывного, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП, digital-to-analogue converter, DAC). Эти устройства применяются, например, в проигрывателях компакт-дисков для восстановления звука по цифровому звуковому сигналу, записанному на компакт-диск. Частота дискретизации звукового сигнала при записи на компакт-диск составляет 44100 Гц. Таким образом, и ЦАП на CD-плеере  работает на частоте 44100 Гц.

7.6 Наложение спектров (элайсинг)

Что произойдет, если попытаться оцифровать сигнал с недостаточной для него частотой дискретизации (или если спектр сигнала не ограничен)? В этом случае по полученной цифровой выборке нельзя будет верно восстановить исходный сигнал. Восстановленный сигнал будет выглядеть таким образом, как если бы частоты, лежащие выше половины частоты дискретизации, отразились от половины частоты дискретизации, перешли в нижнюю часть спектра и наложились на частоты, уже присутствующие в нижней части спектра. Этот эффект называется наложением спектров или элайсингом (aliasing).

Предположим, что мы попытались оцифровать музыку, спектр которой ограничен частотой 20 кГц, но при записи какой-то электроприбор (например, дисплей) сгенерировал сильную помеху с ультразвуковой частотой 39 кГц, которая проникла в аналоговый звуковой сигнал. Мы производим оцифровку с частотой 44.1 кГц.

                              44,1 кГц : 2 = 22,05 кГц.

При этом мы предполагаем, что звук, лежащий ниже частоты, будет записан правильно (по теореме Котельникова). Но так как помеха лежит выше частоты 22.05 кГц, то возникнет элайсинг, и помеха «отразится» в нижнюю часть спектра, на частоту около 5 кГц. Если мы теперь попробуем пропустить полученный цифровой сигнал через ЦАП и прослушать результат, то мы услышим на фоне музыки помеху на частоте 5 кГц. Таким образом, помеха переместилась из неслышимой ультразвуковой области в слышимую область.

Таким образом, мы видим, что элайсинг – нежелательное явление при дискретизации сигнала. Например, при оцифровке изображения элайсинг может привести к дефектам в изображении, таким как «блочные», «пикселизованные» границы или муар.

Как избежать элайсинга? Первый способ – использовать более высокую частоту дискретизации, чтобы весь спектр записываемого сигнала уместился ниже половины частоты дискретизации. Второй способ – искусственно ограничить спектр сигнала перед оцифровкой.

Существуют устройства, называемые фильтрами, которые позволяют изменять спектр сигнала. Например, фильтры низких частот (НЧ-фильтры, low-pass filters) пропускают без изменения все частоты, ниже заданной, и удаляют из сигнала все частоты, выше заданной. Эта граничная частота называется частотой среза (cutoff frequency) фильтра. Одно из важных применений НЧ-фильтров заключается в искусственном ограничении спектра сигнала перед оцифровкой. В этом случае фильтры называются антиэлайсинговыми, т.к. они предотвращают возникновение элайсинга при оцифровке сигнала. Частота среза антиэлайсинговых фильтров устанавливается равной половине частоты дискретизации.

Рассмотрим, что произойдет, если в примере с записью музыки и помехи применить антиэлайсинговый фильтр перед оцифровкой сигнала. Так как частота дискретизации составляет 44.1 кГц, то частота среза фильтра устанавливается на 22 кГц. Таким образом, фильтр будет пропускать без изменения все сигналы, спектр которых лежит ниже 22 кГц (например, музыку), и подавлять все сигналы, со спектром выше 22 кГц (в том числе – и помеху). После применения фильтра из сигнала исчезнет помеха, и спектр полученного сигнала будет лежать ниже 22 кГц. Когда этот сигнал будет подан на АЦП, элайсинга не возникнет, и по полученной цифровой записи можно будет правильно воссоздать исходную музыку (без помехи).

В реальные АЦП почти всегда встраивается антиэлайсинговый фильтр. Обычно эффект от искусственного ограничения спектра вполне приемлем, в то время как элайсинг – недопустим. Однако не всегда искусственное ограничение спектра так благотворно влияет на записываемый сигнал. Например, при оцифровке музыки на низкой частоте дискретизации 11 кГц приходится отфильтровывать из спектра музыки все частоты выше 5.5 кГц. В результате этого музыка теряет в качестве (хотя обычно такие потери лучше, чем элайсинг). При оцифровке изображений необходимо аккуратно проектировать антиэлайсинговый фильтр, чтобы изменение спектра изображения не повлекло видимых артефактов.

7.7 Дискретное преобразование Фурье

Многие сигналы удобно анализировать, раскладывая их на синусоиды (гармоники). Тому есть несколько причин. Например, подобным образом работает человеческое ухо. Оно раскладывает звук на отдельные колебания различных частот. Кроме того, синусоиды являются «собственными функциями» линейных систем (т.к. они проходят через линейные системы, не изменяя формы, а изменяют лишь фазу и амплитуду). Еще одна причина в том, что теорема Котельникова формулируется в терминах спектра сигнала.

Преобразование Фурье (Fourier transform)– это разложение функций на синусоиды (далее косинусные функции мы тоже называем синусоидами, т.к. они отличаются от «настоящих» синусоид только фазой). Существует несколько видов преобразования Фурье.

              1. Непериодический непрерывный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

              2. Периодический непрерывный сигнал можно разложить в бесконечный ряд Фурье.

              3. Непериодический дискретный сигнал можно разложить в интеграл Фурье.

              4. Периодический дискретный сигнал можно разложить в конечный ряд Фурье.

Компьютер способен работать только с ограниченным объемом данных, следовательно, реально он способен вычислять только последний вид преобразования Фурье. Рассмотрим его подробнее.

Пусть дискретный сигнал x[n] имеет период N точек. В этом случае его можно представить в виде конечного ряда (т.е. линейной комбинации) дискретных синусоид:

Синусоиды имеют кратные частоты. Первый член ряда – это константа, называемая постоянной составляющей (DC offset) сигнала. Самая первая синусоида имеет такую частоту, что ее период совпадает с периодом самого исходного сигнала. Самая высокочастотная составляющая имеет такую частоту, что ее период равен двум отсчетам. Коэффициенты A_k и B_k называются спектром сигнала (spectrum). Они показывают амплитуды синусоид, из которых состоит сигнал. Шаг по частоте между двумя соседними синусоидами из разложения Фурье называется частотным разрешением спектра.

7.8 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналого-цифровыми преобразователями являются устройства, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов, которую реализуют с помощью АЦП, представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0, 1, 2,…, отнесённых к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две самостоятельные операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

В основе дискретизации непрерывных сигналов лежит принципиальная возможность представления их в виде взвешенных сумм

                                       

где a_j - некоторые коэффициенты или отсчеты, характеризующие исходный сигнал в дискретные моменты времени;

f_j(t) - набор элементарных функций, используемых при восстановлении сигнала по его отсчетам.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов. Согласно этой теореме в качестве коэффициентов a_j следует использовать мгновенные значения сигнала U(t_j) в дискретные моменты времени t_j=jD_t, а период дискретизации выбирать из условия  D_t=F_m /2, где F_m - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

Для уменьшения искажений необходимо либо увеличивать частоту дискретизации, либо использовать перед АЦП дополнительный фильтр нижних частот, ограничивающий спектр исходного сигнала перед его аналого-цифровым преобразованием.

Для достаточно узкополосных сигналов операцию дискретизации можно выполнять с помощью самих АЦП и совмещать, таким образом,  с операцией квантования. В общем случае от параметров входного сигнала, не удается получить однозначного соответствия между значениями отсчетов и моментами времени, к которым их следует отнести. В результате при работе с изменяющимися во времени сигналами возникают специфические погрешности, динамические по своей природе, для оценки которых вводят понятие апертурной неопределенности, характеризующейся обычно апертурным временем.

Апертурным временем t_a называют время, в течение которого сохраняется неопределённость между значением выборки и временем, к которому она относится.

Если использовать другую интерпретацию эффекта апертурной неопределенности, то ее наличие приводит к "дрожанию" истинных моментов времени, в которые берутся отсчеты сигнала, по отношению к равноотстоящим на оси времени моментам. В результате вместо равномерной дискретизации со строго постоянным периодом осуществляется дискретизация с флюктуирующим периодом повторения, что приводит к нарушению условий теоремы отсчетов и появлению уже рассмотренных апертурных погрешностей в системах цифровой обработки информации.

Для обеспечения дискретизации синусоидального сигнала частотой 100 кГц с погрешностью 1% время преобразования АЦП должно быть равно 25 нс. В то же время с помощью такого быстродействующего АЦП принципиально можно дискретизировать сигналы, имеющие ширину спектра порядка 20 МГц. Таким образом, дискретизация с помощью самого АЦП приводит к существенному расхождению требований между быстродействием АЦП и периодом дискретизации. Это расхождение достигает 2...3 порядков и сильно усложняет и удорожает процесс дискретизации, так как даже для сравнительно узкополосных сигналов требует весьма быстродействующих АЦП.

Для достаточно широкого класса быстро изменяющихся сигналов эту проблему решают с помощью устройств выборки-хранения, имеющих малое апертурное время.

 

 

 

Рисунок 7.4 - Классификация АЦП

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 7.4 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровой код. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

7.9 Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рисунке 7.5 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

- по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;

- по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

- по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;

- по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

 

 

Рисунок 7.5 - Классификация ЦАП

7.10 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, "иголок", в выходном сигнале при смене кода.

Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

7.11 ЦАП с последовательным интерфейсом входных данных

Такой преобразователь содержит на кристалле помимо собственно ЦАП дополнительно также последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения и управляющую логику (рисунок 7.6,а).

7.12 ЦАП с параллельным интерфейсом входных данных 

Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП подается все входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления (рисунок 7.7).

Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени.

 

Рисунок 7.6 - ЦАП с последовательным интерфейсом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.7 -  ЦАП с параллельным интерфейсом

7.13 Применение ЦАП

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Аналоговые генераторы сигналов - синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм - имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться ЭВМ. В последние годы получили развитие системы прямого цифрового синтеза сигналов, обеспечивающие высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспроизведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем.

Список литературы

 

1. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. –М.: Высш. шк., 2005. – 462 c.

2. Волгин Л.И. Линейные электрические преобразователи для измерительных приборов и систем. - М.: Сов. Радио, 1971. - 332 с.

3. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов. –М.: Радио и связь, 1994. - 481 с.

4. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. - М.: Высшая школа, 1988. - 280 с.

5. Игумнов Д.В., Королёв Г.В., Громов И.С. Основы микроэлектроники.- М.: Высш. шк., 1991. – 254 с.

6. Каганов В.И., Битюков В.К. Основы радиоэлектроники и связи: Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 542 с.

7. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.- М.: Радио и связь, 1990.

8. Нефедов В.И. Основы радиоэлектроники и связи. Учеб. для вузов –М.: Высш. шк., 2002.

9. Оппенгейм Э., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов // Пер. с англ. М.: Связь, 1979, 416 с.

10. Петров. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. СПб.: Питер, 2003, 512 с.

11. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2000.

12. Хотунцев Ю.Л., Лобарев А.С.  Основы радиоэлектроники. –М.: Агар, 2000. – 288 с.

13. Якубовский С.В. и др. Цифровые а аналоговые интегральные микросхемы. М.: Радио и связь, 1990, 495 с.