Часть 4. Элементная база

В этой главе приводятся краткие сведения о моделях компонентов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), имеющихся в программе ЕWВ. Дополнительные сведения по таким компонентам будут приводиться в других главах по мере их использования в конкретных схемах.

1. Источники тока

В общем случае источники тока могут быть представлены в виде генератора напряжения или генератора тока. Источники тока делятся на источники постоянного тока, переменного тока и управляемые (функциональные) источники. Кроме того, они подразделяются на измерительные источники и источники для электропитания.

Примером измерительного источника является рассмотренный в гл. 3 функциональный генератор. Из источников постоянного тока в качестве измерительного широко используется так называемый нормальный элемент (электрохимический источник), обладающий высокой стабильностью выходного напряжения и используемый в высокоточных образцовых установках для поверки вольтметров, амперметров и других измерительных приборов.

Источники для электропитания являются самыми массовыми устройствами. Их принято делить на первичные и вторичные. К первичным источникам относятся; электрогенераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, термоэлектрогенераторы, солнечные и атомные батареи, электрохимические источники. Во вторичных источниках тока производится преобразование тока первичного источника.

Источники постоянного тока в программе EWB представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1.Источники постоянного тока

Рис. 4.2. Окно задания ЭДС источника напряжения

Идеальный (с внутренним сопротивление Ri = 0) источник постоянного напряжения +5 В (рис. 4.1, а) предназначен, в основном, для логических схем. На рис. 4.1, б показан идеальный источник постоянного напряжения с задаваемой в диалоговом окне на рис. 4.2 ЭДС.

Значения параметров источника напряжения, характеризуемого ЭДС (Pull-Up Voltage) и внутренним сопротивлением (Resistance) (рис. 4.1, в), устанавливаются с помощью диалогового окна (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Окно установки параметров источника напряжений

Установка тока идеального источника тока (рис. 4.1, г) производится аналогично установке ЭДС.

Источники переменного тока в программе EWB подразделяются на источники немодулированных (рис. 4.4) и модулированных (рис. 4.8) сигналов.

Для идеального генератора переменного напряжения (рис. 4.4, в) напряжение Voltage), частота (Frequency) и начальная фаза (Phase) синусоидального сигнала задаются в окне на рис. 4.5.

Рис. 4.4. Источники переменного тока

Рис. 4.5. Окно установки параметров источника синусоидального напряжения

Рис. 4.6. Окно установки параметров источника импульсного напряжения прямоугольной формы

Установка тока, частоты и начальной фазы идеального генератора переменного тока (рис. 4.4. б) осуществляется аналогично источнику синусоидального напряжения.

Идеальный генератор импульсного напряжения (рис. 4.4, в) является источником однополярных импульсов с задаваемыми амплитудой, частотой следования и коэффициентом заполнения (Duty Cycle, отношение длительности импульса к периоду следования — величина, обратная скважности) (окно на рис. 4.6).

При указанном на рис. 4.6 значении коэффициента заполнения 50% (длительность импульса равна половине периода) периодическая импульсная последовательность называется меандром. Такой сигнал может быть представлен в виде суммы гармонических составляющих (простых синусоид) путем разложения в ряд Фурье [35]:

U(x) = U_m/2 + (2U_m/π)[cos(2πF) - 0,333 cos(6πF) + 0,2cos(10πF) -...]. (4.1)

Первое слагаемое выражения (4.1) — постоянная составляющая, равная половине амплитуды Um, первое слагаемое в квадратных скобках — первая гармоника, второе — третья гармоника и т.д. В графическом виде такое разложение обычно представляется в виде так называемого линейчатого спектра, когда по оси X откладывается частота (номер гармоники), а по оси Y в виде вертикальной линии — амплитуда гармоники. Для получения такого спектра средствами программы EWB 5.0 (см. гл. 1) необходимо составить цепь из источника (рис. 4.4, в), резистора, заземления и применить команду Analysis>Fourier. Полученное при этом спектральное распределение гармоник для рассматриваемой импульсной последовательности при U_m = 2 В показано на рис. 4.7. Из рис. 4.7 видно, что постоянная составляющая действительно равна Um/2 = 1 В, амплитуда первой гармоники 2Um/π = 1,27 В. Заметим, что для импульсной последовательности при скважности, не равной 2, выражение (4.1) несколько усложняется [51].

Рис. 4.7. Линейчатый спектр последовательности прямоугольных импульсов типа меандр

а	б

Рис. 4.8. Источники амплитудно-модулированных (а) и частотно-модулированных (б) сигналов

Источники модулированного напряжения в программе EWB представлены компонентами, показанными на рис. 4.8.

Источник на рис. 4.8, а — идеальный генератор амплитудно-модулированных колебаний (AM), параметры которого задаются в диалоговом окне (рис. 4.9), в котором обозначено: Carrier Amplitude — амплитуда несущей, Carrier Frequency — частота несущей, Modulation Index — коэффициент модуляции, Modulation Frequency — частота модулирующего колебания.

Осциллограмма АМ-сигнала при М = 0,5 и значениях остальных параметров, указанных в окне на рис. 4.9, показана на рис. 4.10. Коэффициент модуляции определяется как отношение амплитуды огибающей (на осциллограмме — 0,5 В) к ее среднему значению, т. е. к амплитуде несущей (1В). Коэффициент модуляции всегда меньше или равен единице.

Аналитическое выражение для AM-сигнала записывается в следующем виде [51]: U(t) = U_с[1 + Msin(2πF_m)t]sin(2πF_сt). Это выражение после тригонометрических преобразований может быть представлено в более наглядном виде [51]:

U(t)= U_c[cos(2πF_c)t+ 0,5Mcos2π(F_c + F_m)t + 0,5Mcos2π(F_c - F_m)t]. (4.2)

Первое слагаемое выражения (4.2) называется несущим колебанием, второе слагаемое — колебанием с верхней боковой, третье — колебанием с нижней боковой частотой.

Параметры источника частотно-модулированных колебаний (ЧМ) на (рис. 4.8, б задаются в диалоговом окне (рис. 4.11), аналогичном по набору параметров окну на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Окно установки параметров источника АМ-колебаний

Рис. 4.10. Осциллограмма АМ-колеваннй

Рис. 4.11. Окно установки параметров источника ЧМ-колебаний

Аналитическое выражение для ЧМ-сигнала имеет следующий вид [51]: U(t) = Ucsin[2πFc + М sin(2πFm)t]. Это выражение для удобства интерпретации преобразовывается к виду [51]:

, где J_о(z), J_n(z) - функции Бесселя нулевого и n-го порядка от аргумента z = М.

В приведенном выражении, как и в случае АМ-сигнала, первое слагаемое называется несущим колебанием, второе слагаемое — гармоническими составляющими верхней боковой полосы частот, третье — составляющими нижней боковой полосы частот. Количество верхних и нижних боковых частот теоретически бесконечно. Практически же при больших значениях М составляющие, начиная приблизительно с n = М + 1, можно не учитывать.

Осциллограмма ЧМ-колебания, полученная при индексе модуляции М = 5, приведена на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Осциллограмма ЧМ-колебания

Управляемые источники программы EWB показаны на рис. 4.13. Источник на рис. 4.13, а представляет собой источник напряжения, управляемый током (ИНУТ). В диалоговом окне этого источника задается единственный параметр — коэффициент передачи, равный отношению выходного напряжения к току управления; параметр имеет размерность сопротивления. Для источника тока, управляемого напряжением (ИТУН, рис. 4.13, б), этот параметр имеет размерность проводимости, поскольку коэффициент передачи равен отношению выходного тока к напряжению управления.

Источники на рис. 4.13, в, г представляют собой источники напряжения и тока, управляемые соответственно напряжением и током (ИНУН и ИТУТ). Коэффициент передачи этих устройств — величина безразмерная.

Рис. 4.13. Управляемые источники напряжения и тока

Рис. 4.14. Схемы включения полиномиального источника

Выходной сигнал управляемого источника на рис. 4.13, д определяется полиномиальной функцией. Для более, детального знакомства с таким источником рассмотрим некоторые схемы их включения (рис. 4.14). Первая (верхняя) схема выполняет суммирование напряжений V1 и V3, средняя схема — умножение одноименных напряжений, а нижняя возводит в кубическую степень напряжение V1.

Выходное напряжение рассматриваемого источника описывается полиномом следующего вида:

Y = А + В V1 + С V2+ D V3 + E(V1)² + F V1 V2 + G V1 V3 + H(V2)² + + I V2 V3 + J(V3)² + K V1 V2 V3 (4.3)

Коэффициенты полинома задаются с помощью окна (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Значение параметров полиномиального источника напряжения для возведения V1 во вторую степень