Вторинні джерела живлення
Особливості енергетичної електроніки
Основні типи випрямлячів
Згладжувальні фільтри
Пасивні фільтри
Активні фільтри
Стабілізатори напруги
Параметричні стабілізатори напруги
Компенсаційні стабілізатори напруги
Поточний самоконтроль
Завдання для моделювання та дослідження схем в MS
Контрольні запитання
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Залишити таким!
СПИСОК ЗАГАЛЬНИХ АБРЕВІАТУР
АІС – аналогові інтегральні схеми
АКМ – автоколивальний мультивібратор
АЧХ – амплітудно-частотна характеристика
БТ – біполярний транзистор
ВАХ – вольт-амперна характеристика
ВП – вибірковий підсилювач
ЗГМ – загальмований мультвібратор
ЗЗ – зворотний звязок
ЕДП – електронно-дірковий перехід
ЕП – електронний підсилювач
ЕС – електронна система
ЕРС – електрорушійна сила
ІМС – інтегральна мікросхема
ІЧ-діод – інфрачервоний випромінювальний діод
КМОН – комплементарні МОН-структури
ККД – коефіцієнт корисної дії
КСН – компенсаційний стабілізатор напруги
МДН – структура: метал – діелектрик – напівпровідник
МОН – структура: метал – оксид – напівпровідник
НД – напівпровідниковий діод
ОП – операційний підсилювач
ПП – підсилювач потужності
ППС – підсилювач постійного струму
ПСН – параметричний стабілізатор напруги
ПТ – польовий транзистор
ПХ – перехідна характеристика
РЕА – радіоелектронна аппаратура
РП – резонансний підсилювач
СБ – спільна база
СЕ – спільний емітер
СК – спільний колектор
ТКО – температурний коефіцієнт опору
ФД – фотодіод
ФЧХ- фазо-частотна характеристика
ЦІС – цифрові інтегральні мікросхеми
Передмова
Для кого цей посібник і про що
Реформування вищої освіти передбачає перехід від отримання студентами потрібного набору знань (заучування) до навчання методам і принципам використання знань для вирішення практичних та творчих завдань. На це спрямовані структура посібника, зміст та методика подання матеріалу з інтенсивним використанням технології корпорації National Instruments, зокрема , програми схемотехнічного моделювання версії «Multisim»(МS)
Посібник рекомендую:
1. Студентам радіоелектронних спеціальностей, які планують не тільки успішно здати заліки та екзамени, але, і це головне, оволодіти першими ґрунтовними знаннями схемотехніки: вивчити, зрозуміти і набути навики грамотного використання активних компонентів радіоелектронної апаратури (РЕА); оволодіти методиками створення (формування, «монтажу») схем, моделювати та налагоджувати елементарні функціональні вузли (випрямлячі, підсилювачі, генератори незатухаючих коливань та ін.). Посібник допоможе оптимально організувати самостійну роботу та підготуватись до подальшого вивчення ЕС вищих рівнів. Це дасть вам можливість підготуватись до творчої, інженерної праці на виробництві і в науково-дослідних інститутах, а крім того - витримати різноманітні складні конкурси та здобути право працювати в престижних організаціях. Цьому послугують освоєння та навики використання технології схемотехнічного моделювання - MS.
2. Випускникам шкіл, які планують навчання на факультетах радіоелектронного спрямовування. За допомогою згаданої програми та короткого опису, поданому в додатку, можете побудувати прості електронні схеми, включити моделювання, налаштувати пристрій та одержати задоволення, як від гри, коли на екрані віртуального осцилографа висвітиться вхідний та вихідний сигнали. А можливо це вас не захопить. Поміркуйте. Скористайтесь іншими варіантами перевірки правильності вибору.
3. Фахівцям електронної техніки, які спеціалізуються в галузі проектування, виготовлення, дослідження та експлуатації електронних пристроїв та систем.
4. Радіоаматорам, які захоплюються розробкою та налаштовуванням різноманітних радіоелектронних пристроїв. Оволодійте навиками моделювання в середовищі MS і ви підніметесь на більш високий рівень ваших захоплень. При використанні цієї програми ви одержуєте майже необмежений доступ до пасивних, активних компонентів та віртуальних вимірювальних приладів. За рахунок досконалості програми при моделюванні пристроїв забувається про те, що перебуваєш у віртуальному середовищі.
Про що цей посібник:
З дисциплін радіоелектронного напряму написано і є в достатній кількості підручники, навчальні посібники, лабораторні практикуми, конспекти лекцій та ін.
Особливості запропонованого посібник.
1. Перша частина – це скорочений курс радіоелектроніки, в якому описані основні положення, принципи підсилення та генерації електричних сигналів, особливості лінійних та нелінійних компонентів, методики аналізу пристроїв та ЕС за постійним струмом, в частотній та часовій областях, наведені спрощені структури типових систем формування та передачі інформації. Цей матеріал необхідно ретельно опрацювати, терміни та визначення розуміти, запам`ятати так, щоб при вивчені наступних розділів та і в подальшій роботі вільно користуватись ними (без натужного згадування) як ефективним інструментом. Досвід підтверджує, що попереднє засвоєння такого матеріалу дозволяє студентам з більшим розумінням сприймати та вивчати активні компоненти та елементарні функціональні пристрої, а в подальшому й ЕС.
2. В другій частині розглядаються структури, характеристики, параметри та основні схеми використання активних компонентів РЕА. Викладення матеріалу супроводжується демонстрацією діючих віртуальних моделей випрямлячів, обмежувачів амплітуди, схем зі спільним емітером, базою, колектором, ключових схем на біполярних і польових транзисторах, на оптоелектронних приладах та на аналогових інтегральних мікросхемах (ІМС). Для оволодіння такими схемами пропонується інтенсивна самостійна робота студентів з використанням технології MS/.
3. В третій частині описані основні характеристики, параметри, особливості побудови та принципові електричні схеми підсилювачів, генераторів незгасаючих електричних коливань, формувачів імпульсів. Вивчення елементарних функціональних пристроїв відбувається шляхом побудови схем та моделюванням в середовищі MS .
Для того, щоб посібник був зрозумілим для студентів першого курсу, структури активних елементів, принципи їх дії та функціонування пристроїв описуються без застосування складного математичного апарату, на рівні, достатньому для сприйняття особливостей схемотехніки.
Оволодіння матеріалом, поданим в трьох частинах, це подолання перших, але дуже важливих сходинок в радіоелектроніку, база для подальшого ґрунтовного вивчення спеціальних курсів («Матеріали, радіокомпоненти та мікроелектроніка», «Твердотіла електроніка», «Проектування та технологія ІМС», «Аналогова та цифрова схемотехніка», «Конструювання та виробництво РЕА» та ін.).
Використання діючих віртуальних схем, поданих в посібнику, при викладенні лекційного матеріалу для демонстрації динамічних процесів перетворення електричних інформаційних сигналів дозволяє формувати та аналізувати осцилограми та екранах осцилографів, оцінювати амплітудно-частотні характеристики та ін. При цьому можливо проілюструвати вплив компонентів схеми на вихідні сигнали, підкреслити можливі помилки, скоригувати форму вихідних сигналів. На лекціях повністю виключається режим колективного читання підручника.
Впровадження MS суттєво впливає на організацію та проведення лабораторних робіт. Традиційні дослідження електронних пристроїв за допомогою лабораторних стендів (з генераторами та осцилографами) доповнюються «монтажем», налагодженням та дослідженням моделей аналогічних пристроїв в середовищі « Multisim ».
В ході курсового проектування за допомогою програми схемотех- нічного моделювання розраховуються, формуються в середовищі MS (« монтуються », налагоджуються та досліджуються) типові функціональні вузли радіоелектронної апаратури. На захист курсової роботи подаються діючі віртуальні моделі заданих вузлів та працююча модель всього мікроелектронного пристрою.
Моделювання в середовищі MS суттєво змінює ставлення студентів до навчання: з`являються елементи гри, коли студенти одержують задоволення від того, що вміють безпомилково сформувати віртуальну схему і можуть добитись її функціонування.
Таким чином, комп`ютеризація та інтенсивне використання технології MS дозволяють: поліпшити керованість пізнавальною діяльністю, зробивши її значно гнучкішою; відкрити фактично необмежені можливості для інтенсивної самостійної роботи студентів та перекласти на них відповідальність за формування конкурентоздатного фахівця.
Спеціалісти радіоелектронного профілю з великим досвідом роботи по створенню та налагодженню апаратури при користуванні технологією MS захоплюються процесом і не помічають того, що працюють у віртуальному середовищі. Студенти, опанувавши таку технологію, використовують її впродовж всього навчання і таким чином набувають практичного досвіду та професійних навиків.
Удосконалення організації навчального процесу, чому сприяє матеріал посібника, дозволить вирішувати задачі формування соціально цінної творчої особистості.
ЧАСТИНА І. БАЗОВІ ВИЗНАЧЕННЯ, ПАРАМЕТРИ ТА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕКТРОННИХСИСТЕМ
Розділ 1. Електричні інформаційні сигнали та
типові системи їх обробки
Узагальнена структура електронних інформаційних систем
Електроніка – це галузь науки та техніки, що охоплює теорію, моделювання, автоматизоване проектування, технологію виготовлення, тестування, ідентифікацію, а також вивчення та використання взаємодії носіїв заряду та енергії в різних полях і явищах у вакуумі, плазмі та твердому тілі з можливим об`єднанням фізичних, хімічних та біологічних процесів. Нові матеріали, елементи та прилади обумовили виникнення та впровадження нанотехнології, а перехід до нанорозмірів якісно змінює принципи функціонування електронних приладів та систем в цілому. Прилади електроніки використовуються як базові компоненти для побудови електронних приладів, пристроїв та систем.
Електронні системи (ЕС) займають вищий рівень у ієрархії система – пристрій – електронний прилад, використовуються у всіх сферах діяльності людини і розрізняють за функціональними ознаками ( ви- мірювальні, регулювальні, діагностичні, розпізнавальні), направленістю у застосуванні ( інформаційні, обчислювальні, технологічні, енергетичні та інші), структурами, рівнем автоматизації та універсальності, технічними характеристиками та параметрами, а також сигналами, що відрізняються за фізичною природою ( електричні, акустичні,радіо, оптичні, рентгенівські) і формою подання – аналогові та цифрові.
В основі функціонування ЕС, виявлення, обробки та відображення інформації лежить запрограмоване майже без інерційне керування потоками носії заряду. Це дозволяє, наприклад, на екрані телевізора миттєво, в необхідний момент висвітити елемент зображення з необхідною інтенсивністю та відтворювати динамічне зображення з частотою, що виключає миготіння, а в обчислювальних системах – обробляти величезні масиви даних.
Бажаний результат досягається за допомогою використання пасивних та активних компонентів, провідність яких змінюється під дією керуючих факторів – різних видів фізичних процесів на прилад. Найбільш широко використовується електрична дія, коли на прилад або спеціальний керуючий електрод подається напруга чи струм відповідного значення та полярності ( діоди, біполярні, польові транзистори, інтегральні мікросхеми - ІМС ). Керуючим фактором можуть бути також різні фізичні дії неелектричної природи, наприклад випромінювання, акустичні коливання, освітлення, механічна дія і т. і. (фото-прилади, мікрофон, реостати та ін.).В згаданих випадках в результаті впливу на прилад змінюється його електричний опір, внаслідок чого змінюється електричний струм, який протікає в електричному колі, чим досягається майже безінерційне запрограмоване керування потоком зарядів в просторі та часі. У загальному випадку опір компоненту має комплексний характер, проте у більшості практичних випадків він є активним. Так будемо розглядати його в подальшому.
В залежності від алгоритму обробки інформації та принципу побудови ЕС виділяють два різновиди керування опором. В аналогових системах, які обробляють електричні інформаційні сигнали, що плавно змінюються в часі,керування потоками носіїв досягається плавною зміною опору компонентів від Rmin=0 до Rmax=∞. Такі ЕС називають лінійними (радіоприймачі, підсилювачі потужності електричних сигналів і т. ін.).
Принципово відрізняється керування опором компонентів в імпульсних та цифрових ЕС, де інформаційні сигнали фіксуються тільки двома рівнями напруги або струму: 1 або 0. Це досягають ключовим режимом компонентів, який забезпечує два стани:замкнутий або розімкнутий
Наукові, експериментальні дослідження, а також управління технологічними процесами реалізуються шляхом виявлення та ідентифікації різноманітних фізичних процесів, явищ або фіксації станів об`єктів. При цьому виділяються та фіксуються лише ті фізичні величини, значення яких або ж їх зміна в часі містять інформацію, тобто забезпечують формування нових знань в результаті експериментів чи фіксують параметри технологічних процесів та їх зміну. Таким чином формується сукупність інформаційних сигналів.
Найбільш досконалими та поширеними являються інформаційно-вимірювальні системи (ІВС), побудовані на базі електронних пристроїв та комплексів обробки наукової та технологічної інформації. Сюди відносяться як найпростіші електронні мультиметри, аналогові та цифрові осцилографи, так і багатофункціональні комп`ютеризовані комплекси з досконалими програмними забезпеченнями. При цьому фізичні параметри різноманітних процесів фіксуються відповідними електричними параметрами, що дозволяє отримувати необхідну інформацію, тобто – відомості, які визначають знання щодо процесів чи об’єктів дослідження. Перехід до електричних інформаційних сигналів (ЕІС) дозволяє відносно просто, в мінімальних фізичних об’ємах, за високої швидкодії та надійності функціонування реалізувати необхідний алгоритм обробки інформації в системах виміру, контролю та керування процесами і явищами.
В структурній схемі ІВС в загальному випадку можна виділити три складові: 1) електровимірювальні перетворювачі (датчики); 2) багатокаскадні електронні системи передачі та обробки інформації; 3) кінцеві електронні пристрої фіксації або відображення інформації.
Датчик – це первинний перетворювач фізичної величини, який перетворює реальний стан процесу чи об’єкта у відповідний параметр електричного сигналу. Під дією фізичної вимірювальної величини датчики видають (формують) еквівалентний (адекватний) електричний інформаційний сигнал шляхом зміни струму, напруги, заряду, ємності, імпедансу (рис. 1.1).
Я
к
приклад на рис.1.2 показано формування
ЕІС за допомогою електронного перетворювача
температура - електрична напруга.
Рис. 1.1. Формування ЕІС. |
Рис. 1.2. Датчик температури. |
Багатокаскадна електронна система підсилює та перетворює ЕІС у відповідності із заданим алгоритмом. Такі системи пройшли шлях від найпростіших електричних телеграфів з кодуванням інформації за допомогою абетки Морзе (крапка, тире, і таке інше) до сучасної Всесвітньої комп’ютерної мережі Internet.
Системою обробки сигналів називається сукупність сполучених між собою компонентів і приладів, яка може приймати вхідний сигнал (або групу вхідних сигналів), впливати на сигнали певним чином для одержання інформації або поліпшення її якості і представляти інформацію на виході у відповідній формі і в необхідний час. В сучасних ЕС використовуються методи та пристрої обробки як аналогової так і цифрової інформації.
Кінцеві електронні інформаційні пристрої призначаються для оперативного подання або відображення інформації у вигляді найбільш відповідному для оптимального сприймання оператором, автоматичного документування або керування технологічними процесами.
Електричні інформаційні сигнали, які формуються датчиками, є зазвичай малопотужними. Для забезпечення оптимального функціонування кінцевих пристроїв потужність цих сигналів повинна значно збільшитись. Для цього використовують багатокаскадні підсилювачі та різноманітні перетворювачі.
Відбір сигналів на виході системи може бути здійснений в різних формах залежно від того, як використовуватиметься інформація, що міститься у вхідних сигналах. Можна відображати інформацію чи в аналоговій формі (використовуючи, наприклад, прилад, в якому положення стрілки фіксує величину змінної, що цікавить нас), чи в цифровій формі, використовуючи елементи, прилади чи систему цифрової індикації.
В радіоприймачах вихідні потужні електричні сигнали перетворюються в звукову енергію за допомогою гучномовців.
Для відображення інформації використовують точкові індикатори (світловоди), табло, дисплеї, растрові панелі та великі телевізійні екрани. Для налагодження та дослідження радіоелектронної апаратури, як кінцеві пристрої широко використовують осцилографи (зокрема цифрові), аналізатори, частотоміри та ін.
В основі функціонування ЕС, виявлення, обробки та відображення інформації лежить запрограмоване майже без інерційне керування потоками носії заряду. Це дозволяє, наприклад, на екрані телевізора миттєво, в необхідний момент висвітити елемент зображення з необхідною інтенсивністю та відтворювати динамічне зображення з частотою, що виключає миготіння, а в обчислювальних системах – обробляти величезні масиви даних.
Бажаний результат досягається за допомогою використання пасивних та активних компонентів, провідність яких змінюється під дією керуючих факторів – різних видів фізичних процесів на прилад. Найбільш широко використовується електрична дія, коли на прилад або спеціальний керуючий електрод подається напруга чи струм відповідного значення та полярності ( діоди, біполярні, польові транзистори, інтегральні мікросхеми - ІМС ). Керуючим фактором можуть бути також різні фізичні дії неелектричної природи, наприклад випромінювання, акустичні коливання, освітлення, механічна дія і т. і. (фото-прилади, мікрофон, реостати та ін.).В згаданих випадках в результаті впливу на прилад змінюється його електричний опір, внаслідок чого змінюється електричний струм, який протікає в електричному колі, чим досягається майже безінерційне запрограмоване керування потоком зарядів в просторі та часі. У загальному випадку опір компоненту має комплексний характер, проте у більшості практичних випадків він є активним. Так будемо розглядати його в подальшому.
В залежності від алгоритму обробки інформації та принципу побудови ЕС виділяють два різновиди керування опором. В аналогових системах, які обробляють електричні інформаційні сигнали, що плавно змінюються в часі,керування потоками носіїв досягається плавною зміною опору компонентів від Rmin=0 до Rmax=∞. Такі ЕС називають лінійними (радіоприймачі, підсилювачі потужності електричних сигналів і т. ін.).
Принципово відрізняється керування опором компонентів в імпульсних та цифрових ЕС, де інформаційні сигнали фіксуються тільки двома рівнями напруги або струму: 1 або 0. Це досягають ключовим режимом компонентів, який забезпечує два стани:замкнутий або розімкнутий
На всіх описаних етапах створення та передачі ЕІС процеси відбуваються за рахунок керування електронними потоками, для чого використовують електрично з`єднані між собою пасивні та активні компоненти.