Классификация электронных схем
ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Санкт-Петербург
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
УДК 621.375
ББК 3 844:846:847
П 43
Погодин А. А.
П 43 Электроника: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. 96 с.
ISBN 5-7629-0970-0
Рассмотрены основные аналоговые электронные схемы: фильтры, линии задержки, усилители, электронные ключи, компараторы, генераторы. Основное внимание уделено схемам на операционных усилителях. Порядок изложения соответствует модульному принципу построения электронных устройств.
Предназначено для студентов дневного и вечернего отделений, обучающихся по программам подготовки бакалавров по направлениям 220200 «Автоматизация и управление» и 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
УДК 621.375
ББК 3 844:846:847
Рецензенты: кафедра морских информационных технологий РГГМУ; доц. И. Р. Рябухов (Торгово-экономический институт).
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ISBN 5-7629-0970-0 © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронная цепь (схема)
Исторически первыми применениями электричества на пользу человека были преобразования электроэнергии в световую (электрическое освещение) и в механическую (электродвигатели), использовалось также электрохимическое действие тока (электролиз). Для передачи информации электрический ток стал применяться несколько позже; вместе с тем, электрическая и тесно связанная с ней радиосвязь оказались намного эффективнее известных с давних времен звуковой и световой связи.
Электрический ток и связанное с ним (законом Ома) напряжение являются как носителями энергии, так и одновременно носителями информации. Однако в одних случаях главным параметром является энергетический (мощность тока и т. д.), в других – информационный (амплитуда, форма, частота, фаза электрического сигнала).
Источником информации может служить любой датчик, преобразующий неэлектрическую величину в электрический ток. Например, микрофон преобразует в электрический сигнал звук (звуковое давление), передающая телевизионная камера – свет (яркость), термопара – температуру, приемная антенна – напряженность электромагнитного поля, вращающийся трансформатор – угол поворота и т. д. Обратный процесс происходит во многих получателях информации, таких как динамик, телевизионный приемник, передающая антенна, сельсин-приемник, контакты реле и др. В ряде случаев получатель информации, на первый взгляд, сам является чисто электрическим устройством, например ЭВМ, однако при работе с дисплеем оператор получает с экрана уже не электрические сигналы, а оптические, полученные путем преобразования электрических.
Подавляющее большинство датчиков формирует электрические сигналы малой мощности. Многие получатели информации также выполняют свои функции при подаче на них токов и напряжений с небольшой энергией. Вместе с тем, для освещения, создания механического движения, электролиза требуются мощные токи, высокие напряжения. По силе используемого тока электрические схемы делятся на слаботочные и сильноточные: слаботочная схемотехника применяется, как правило, для передачи информации.
Сигналы, формируемые датчиками, обычно столь малы, что требуется их усиление, а зачастую – и фильтрация различных помех и шумов. В процессе передачи сигналов от датчиков к получателям обычно производится и их более сложная обработка – кодирование, запись в ячейки памяти, сравнение с эталонными сигналами и т. д. Все перечисленные функции выполняют электрические схемы, в большинстве случаев содержащие активные элементы, которые преобразуют энергию источника питания в энергию полезного сигнала. К активным элементам можно отнести, например, все типы транзисторов, интегральные микросхемы (ИМС); в более ранний период развития схемотехники основными активными элементами были электронные лампы. Наличие в схемах активных элементов является ещё одним отличительным признаком, объединяющим группу электронных схем.
Итак, электрические схемы малой мощности, содержащие активные элементы и предназначенные для передачи информации, образуют группу электронных схем. Границы этой группы размыты, так как, например, дифференцирующая пассивная цепь или резистивный делитель не содержат активных элементов, но часто являются необходимыми составляющими сложной электрической схемы, обеспечивающей обработку информации. С другой стороны, радиопередатчик формирует сигналы большой мощности, хотя тоже относится к электронным устройствам.
Раздел электротехники, посвященный синтезу и анализу электронных схем, принято называть электроникой (гораздо реже – слаботочной электротехникой). Название, происходящее от слова «электрон», является не совсем удачным, но общепринятым и устоявшимся (история названия восходит к ламповой схемотехнике, где электроны двигаются в вакууме, в отличие от проводников, где они движутся между узлами кристаллической решетки).
Электроника подразделяется на две большие части – аналоговую и цифровую. Основой классификации является вид представления информации. Если информационный сигнал может иметь два (очень редко три) фиксированных уровня, то электроника называется цифровой (реже дискретной), а электронные схемы – цифровыми. Название «цифровая» связано с тем, что двухуровневое представление информации хорошо описывается алгеброй двоичных чисел. К цифровым электронным устройствам относится подавляющее большинство ЭВМ. Аналоговое представление информации предполагает, что электрические сигналы могут иметь множество уровней. К аналоговым устройствам относятся усилители, генераторы, фильтры, существуют и аналоговые вычислительные машины (АВМ). Название «аналоговая» связано с тем, что контролируемые датчиками неэлектрические величины являются многоуровневыми и электрические сигналы представляют как бы их аналоги.
Электронная схема может быть целиком аналоговой или цифровой, а может содержать обе указанные части, соединяющиеся аналого-цифровым или цифроаналоговым преобразователем (АЦП или ЦАП). Иногда роль АЦП может исполнять датчик сигнала (порогового типа).
Классификация электронных схем
Разделение электронных схем на аналоговые и цифровые не исчерпывает классификацию, принятую в схемотехнике.
Электронные схемы называются активными, если энергия сигнала на выходе схемы W2 либо превосходит энергию входного сигнала W1, либо входной сигнал отсутствует вовсе. Сигнал получает энергию от источника питания. Примеры активных электронных схем приведены на рис. 1.1 и 1.2.
Рис. 1.1
Рис. 1.2
Если выходной сигнал имеет энергию, не превосходящую энергию входного сигнала, то электронная схема называется пассивной (рис. 1.3).
Кроме разделения на активные и пассивные, электронные схемы делятся на линейные, параметрические и нелинейные. Формальный критерий, по которому осуществляется этот тип классификации, – вид дифференциального уравнения, описывающего схему. В линейных схемах все параметры не зависят ни от уровня входного сигнала, ни от времени; в параметрических – по крайней мере, один элемент меняется во времени, под воздействием управляющего сигнала (рис. 1.4); в нелинейных – зависит от уровня входного сигнала. За кажущейся отвлеченностью рассматриваемого типа классификации стоит глубокий физический смысл, лучше всего объяснимый с помощью понятия спектра сигнала.
Рис. 1.3
Рис. 1.4
Детерминированные сигналы в большинстве своем имеют спектры, содержащие ограниченное количество гармоник. При прохождении через линейную схему сигнал претерпевает лишь такие преобразования, которые сопровождаются изменением амплитуд и фаз гармоник, но не появлением новых. При прохождении сигнала через параметрическую схему в спектре на выходе присутствуют гармоники спектра входного сигнала, спектра управляющего сигнала, вызывающего изменение параметров схемы, и их линейные комбинации. Спектр сигнала на выходе нелинейной схемы обогащен гармониками, кратными гармоникам спектра входного сигнала.
В качестве иллюстрации к сказанному рассмотрим пример: допустим, входной сигнал – гармонический и его спектр содержит всего одну гармонику частоты f. При прохождении через линейную схему сигнал изменит амплитуду и/или фазу, но в спектре выходного сигнала также будет лишь гармоника частоты f. Если допустить, что в параметрической схеме управляющий сигнал также является гармоническим, но с частотой F < f, то спектр сигнала на выходе схемы будет содержать четыре гармоники с частотами F, f – F, f, f + F. На выходе нелинейной схемы будет сигнал с гармониками f, 2f, 3f, 4f, ... (некоторые гармоники могут иметь нулевую амплитуду).
Другим важным различием между линейными, параметрическими и нелинейными схемами является соблюдение (или несоблюдение) принципа суперпозиции. Суть принципа заключается в следующем: если входному сигналу Uвх1 соответствует выходной Uвых1 = KUвх1, a Uвx2 соответствует Uвых2 = KUвx2, то справедливо соотношение Uвых1 ± Uвых2 = K(Uвх1 ± ± Uвx2).
Принцип суперпозиции соблюдается только для линейных и параметрических схем.
Примерами линейных схем являются пассивный фильтр и резистивный делитель, параметрических – амплитудный модулятор и электронный ключ, нелинейных – ограничитель, а также автогенератор.
Следует отметить, что многие схемы в зависимости от уровня входного сигнала могут быть как линейными, так и нелинейными: например, усилитель при малых сигналах – линейный, а при больших, прохождение которых сопровождается нелинейными искажениями, – нелинейный (усилитель-ограничитель).
Еще один тип классификации – назначение схемы. В этом плане схемы объединяются в функциональные группы, например:
– фильтры;
– усилители;
– компараторы (схемы сравнения);
– генераторы;
– электронные ключи;
– логические схемы;
– триггеры;
– АЦП;
– ЦАП.
В каждой крупной группе можно выделить более мелкие. Например, группу генераторов можно разделить на генераторы гармонических сигналов и генераторы импульсов; генераторы импульсов, в свою очередь, – на генераторы прямоугольных импульсов и генераторы пилообразных импульсов; генераторы прямоугольных импульсов – на автоколебательные и ждущие, и т. д.
Количество «элементарных» электронных схем ограничено несколькими сотнями. Эти схемы представляют собой своего рода «кирпичи», из которых можно построить более сложные электронные устройства (как любое здание строится из типовых блоков, балок). Изменение элементной базы существеннее всего сказывается на этих «кирпичах», чем на процессе их объединения в сложные электронные схемы. Например, ламповый, транзисторный и операционный (на интегральной микросхеме) усилители очень существенно различаются, но так как они выполняют одну и ту же функцию усиления сигналов, то находятся, например, в приемниках разных «поколений» в одном и том же месте в схеме.
Отметим, что объединять элементарные электронные схемы в более сложные следует, конечно, с учетом того влияния, которое оказывает соседняя схема на данную, т. е. осуществлять согласование схем.
Свойства электронных схем, образующих группы, описываются параметрами и характеристиками, общими для всех схем группы.
ФИЛЬТРЫ
Фильтры – это электронные схемы, назначением которых является избирательность: коэффициент передачи КU фильтров зависит от частоты f (под коэффициентом передачи подразумевают отношение амплитуды выходного сигнала Uвых к амплитуде входного Uвх). Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) схемы. Основной характеристикой фильтра является граничная частота fгр– такая, при которой КU = 0,7 от своего максимального значения. По форме АЧХ фильтры подразделяют на четыре вида (рис. 2.1): а – фильтр низких (нижних) частот (ФНЧ); б – фильтр высоких (верхних) частот (ФВЧ); в – полосовой фильтр (ПФ); г – режекторный фильтр (РФ). Кроме того, существуют так называемые гребенчатые фильтры, которые имеют несколько полос пропускания, разделенных полосами, в пределах которых сигнал не проходит через схему.
Рис. 2.1
Используют и другой классификационный признак, в соответствии с которым фильтры относят к электрическим (пассивным – состоящим только из элементов R, C, L, и активным – содержащим активные элементы, например, операционные усилители) и неэлектрическим.
В данной главе рассмотрены только пассивные и неэлектрические фильтры, так как для объяснения принципа действия активных фильтров требуется предварительное изучение операционных усилителей, с активными фильтрами можно познакомиться в гл. 5 настоящего пособия.