Схемотехника электронных средств

и полупроводниковых приборов и устройств
Cхемотехника - раздел электроники, охватывающий исследова­ния

и разработку схемотехнических решений (электрических и структурных схем), используемых в электронной аппаратуре.

Аналоговая электроника охватывает элект­ронные средства, которые предназначены для преобразования и обработки информации, изменяющейся по закону непрерывной функции.
Цифровая элек­троника охватывает элект­ронные средства для преобразования и обработки информации, изменяю­щейся по закону дискретной функции.

Современную электронику можно разделить на три области:
радиоэлектроника - раздел электроники, связанный с передачей, приемом и обработкой радиосигналов;
энергетическая (промышленная или силовая), связанная с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнерге­тики, электротяги, металлургии и пр.;
информационная, к которой относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами, включая производство и научные исследования.

устройств выпускаются промышленностью в двух видах:
-в виде отдельных дискретных компонентов

(диодов, транзисторов, тиристоров и др.);
-в виде микросхем (интегральных схем), в которых в одном корпусе в один функциональный узел объединен ряд отдельных элементов, выполнен­ных, как правило, на одном кристалле полупроводника.

Дискретные элементы применяются преимущественно в силовых це­пях автоматики, которые менее сложны по схемотехнике, рассеивают боль­шее количество теплоты, имеют большие габаритные размеры. Используются они также в слаботочных цепях для согласования отдельных микросхем, корректировки характеристик некоторых устройств и в случаях, когда примене­ние микросхем по тем или иным причинам нецелесообразно.
Область использования интегральных схем непрерывно расширяет­ся. Они выполняют все более сложные функции, включают в себя все боль­шее число отдельных электронных элементов. Вершиной современного раз­вития электроники является создание в одном корпусе (на одном кристалле) программируемых электронных элементов - микропроцессорных наборов и микроЭВМ.

и дискретные.
Аналоговые сигналы представляют собой непрерывные во времени функции напряжения

или тока и делятся на постоянные и переменные.
Постоянные аналоговые сигналы представляют собой однополярные мед­ленно изменяющиеся во времени напряжения или токи.
Переменными аналоговыми сигналами называются функции напряжения или тока, изменяющиеся во времени как по амплитуде, так и по знаку. Частным случаем переменного сигнала является гармонический или синусоидальный.
Дискретными называются такие электрические сигналы, которые представ­ляют собой разрывные во времени функции напряжения или тока и могут при­нимать ограниченное число уровней. Наиболее часто использу­ются дискретные сигналы, которые имеют только два уровня - высокого напря­жения (тока) и низкого напряжения (тока). Такие сигналы называют импульс­ными или двоичными. Два дискретных значе­ния, которые принимают двоичные сигналы, обычно обозначают двумя цифро­выми символами - «1» и «0». Поэтому двоичные дискретные сигналы также называют цифровыми, а раздел электроники, изучающий формирование, пре­образование и передачу двоичных сигналов - цифровой техникой.

20lg (А2/А1)
дБВ - эффективное значение 1В;
дБВт - напряжение, соответствующее мощности

1 мВт на некоторой предполагаемой нагрузке, для радиочастот это обычно 50 Ом, для звуковых частот - 600 Ом (напряжение 0 дБВт на этих нагрузках имеет эффективное значение 0,22 В и 0,78 В);
дБп - небольшой шумовой сигнал, генерируемый резистором при комнатной температуре. Нужно обратить внимание на эталонную амплитуду 0 дБ: при использовании этого значения нужно не забывать его оговаривать, например «амплитуда 27 дБ относительно эффективного значения 1 В», или в сокращен ной форме «27 дБ относительно 1 Взфф» или пользоваться условным обозначением дБВ

на постоянную величину, чаще всего равную единице измерения
 
Единичный скачок в

момент t1 по отношению к моменту t0 аналитически записывается в виде 1(t1 - t0).

в качестве типовых возмущений используют:
1. Ступенчатое возмущение - мгновенное изменение

воздействия на постоянную величину, чаще всего равную единице измерения

 

Единичный скачок в момент t1 по отношению к моменту t0 аналитически записывается в виде 1(t1 - t0)

 

они описываются. К ним относятся: динамический диапазон, время установления и

ширина спектра сигнала.
Динамический диапазон - отношение наибольшей мгно­венной (пиковой) мощности к наименьшей (пороговой) мощности. Динамичес­кий диапазон - чисто физическая характеристика сигнала и не отражает смысла передаваемой с помощью этого сигнала информации. Однако его вы­бор определяется максимально допустимыми искажениями, которым может подвергаться сигнал в процессе формирования, передачи, обработки и приема без потери заключенной в нем информации. Наименьшая (пороговая) мощность сигнала определяется уровнем шумов и помех, Увеличение сигнала приво­дит к росту отношения сигнал-помеха, однако максимальное (пиковое) значе­ние сигнала ограничивается как ростом затрачиваемой мощности, так и пре­дельными характеристиками элементов и устройств, через которые происходит передача сигналов. Насыщение этих элементов приводит к искажению переда­ваемых сигналов, а значит и заключенной в них информации.
Время установления является динамической характеристикой сигнала и оп­ределяется временем, за которое сигнал достигнет своего установившегося зна­чения. Этот параметр непосредственно связан с временными характеристиками устройств, формирующих сигнал, и определяется их инерционностью. Время ус­тановления можно характеризовать либо функцией времени (временной харак­теристикой), описывающей реальный процесс, либо функцией частоты (спект­ром, или рядом гармонических колебаний). При этом оба представления равно­сильны и взаимно дополняют друг друга, а переход от одного к другому осуще­ствляется с помощью прямого и обратного преобразования Фурье или Лапласа.
Выбор того или иного способа описания (временного или частотного) определяется исключительно назначением устройства.
Кроме рассмотренных общих характеристик, различные виды сигналов характеризуются рядом дополнительных, параметров. У постоянного напряжения - это амплитуда, у переменного напряжения - ампли­туда, частота, фаза, среднее и действующее значения.
Переменный электрический сигнал в большинстве случаев представляет собой функцию времени u(t) с периодом
Т = 1/f, которую можно записать в виде ряда Фурье:
u(t) = U0+ U1maxcos(ω0t-ϕ1) + U2maxcos(2ω0t-ϕ2) + U3maxcos(3ω0t-ϕ3) +…;
где ω0 = 2πf0;
ϕ1,ϕ2, ϕ3 - начальные фазы отдельных гармоник;
U1max, U2max, U3max, .... - их амплитуды.

спектром фаз.
Чаще всего интересуются только спектром ампли­туд и называют его

для кратности просто спектром.
Длины вертикальных отрезков представляют собой амплитуды соответ­ствующих гармоник. Эти отрезки называют спектральными линиями, а сам спектр - линейчатым.

Форма сигналов и графическое изображение спектра:
а) - прямоугольных импульсов, б) - пилообразных импульсов

В общем случае сумма является бесконечным рядом, т. е. спектр сигнала бесконечен. Так как амплитуды гармоник по мере увеличения их номера (угловой частоты ω) убывают, начиная с некоторой гармоники, высокочастотными колебаниями пренебрегают, тем самым, ограничивая спектр сигнала.
Интервал частот, в котором размещается ограниченный спектр, назы­вается шириной спектра. Ограничение спектра производят исходя из допус­тимого искажения сигнала так, чтобы не потерять содержащуюся в нем ин­формацию.



На рис. показано, как формируются прямоугольные импульсы из гар­моник.

время, передаточная функция - комплексную переменную s, а амплитудно-фазовая частотная

характеристика - угловую частоту ω.
Прохождение сигналов через линейную цепь. Рассмотрим линейную цепь, на которую воздействует сигнал s(t). На выходе возникает реакция - выходной сигнал y(t) (рис.).
Известно, что при воздействии на линейную цепь гармонического сигнала s(t)=Smcos(ωt+ϕs), на выходе цепи устанавливается сигнал, форма которого тоже гармоническая: y(t) = Ymcos(ωt+ϕY). Гармонический сигнал - единственный сигнал, не изменяющий свою форму при прохождении через линейную электрическую цепь.

Пусть на линейную цепь воздействует сложный негармонический сигнал s(t). Форма сложного сигнала при прохождении через цепь будет искажаться. Для расчетов искажений выходного сигнала y(t) наиболее часто используются спектральные методы и их обобщения. Суть спектрального метода проста. Сложный сигнал с помощью рассмотренных выше спектральных разложений представляется в виде суммы гармонических колебаний. Затем находятся частичные реакции линейной цепи на каждый их гармонических входных сигна­лов. После этого, в соответствии с принципом суперпозиции результирующий выходной сигнал находится как сумма частичных реакций линейной цепи.
Спектральный метод анализа линейных цепей определяет два простых правила, которыми следует пользоваться при определении характера прохож­дения сигнала через эти цепи.
Во-первых, в зависимости от требований к форме выходного сигнала следует сравнить спектр входного сигнала и амплитудно-частотную характе­ристику цепи. Допустим, что требования к форме выходного сигнала доста­точно высоки, тогда форма АЧХ должна быть такой, чтобы без затухания пере­давать все значимые гармоники входного сигнала.
Во-вторых, в результате сравнения спектра сигнала и АЧХ линейной цепи можно оценить форму выходного сигнала.
В качестве примера рассмотрим прохождение прямоугольных импуль­сов через фильтр нижних частот. Прямоугольный импульс формируется набо­ром нечетных гармоник, однако за формирование фронта и среза отвечают высокие гармоники, а за формирование вершины импульса - нижние гармо­ники. При прохождении сигнала через фильтр высокие гармоники подавляют­ся, следовательно, в выходном сигнале уменьшится их амплитуда. Это приве­дет к тому, что фронты прямоугольных импульсов будут более пологими, а вершины не изменятся.

вход­ной сигнал в сигнал большей мощности (тока, напряжения) без существенного

искажения его формы. При усилении тока или напряжения одновременно происходит усиление мощности.

Структурная схема усиления электрических сигналов

Делитель напряжения

Регулируемый делитель напряжения