2. Прохождение сигнала через линейные электрические цепи

Электрические цепи являются неотъемлемой составной частью электронных элементов автоматики, выполняющие большое количество различных специфических функций. Основное отличие электрических цепей от электронных состоит в том, что они представляют собой совокупность пассивных линейных элементов, т. е. таких, вольт-амперные характеристики которых подчиняются закону Ома, и они не усиливают входные сигналы. В силу этого электрические цепи электронных устройств чаще называют линейными устройствами преобразования и формирования электрических сигналов.

Электрические цепи применяют для связи отдельных каскадов электронных устройств, для преобразования электрических сигналов по длительности, амплитуде, преобразования фазы переменных сигналов. Накопительные времязадающие RC-, RL,- и RLC-цепи составляют основу всех типов генераторов импульсных сигналов. Эти же цепи в их различных комбинациях лежат в основе работы генераторов синусоидальных колебаний, избирательных и широкополосных усилителей, активных фильтров. Электрические цепи также приходится рассматривать при анализе схем замещения усилительных каскадов. При этом выясняется, что даже если в явном виде эти цепи и не входят в состав схемы, они образуются паразитными емкостями и индуктивностями переходов транзисторов, диодов, нагрузки, монтажа, внутренними сопротивлениями источников питания и пр. Для упрощения анализа нелинейные свойства таких цепей учитываться не будут.

Функционально линейные устройства формирования и преобразования электрических сигналов можно разделить на следующие основные группы:

- интегрирующие цепи, применяемые для интегрирования сигналов, и иногда для расширения (увеличения длительности) импульсов;

- дифференцирующие (укорачивающие) цепи, применяемые для дифференцирования сигналов, а также для укорочения импульсов (получения импульсов заданной длительности);

- резисторные и резисторно-емкостные делители, применяемые для изменения амплитуды электрических сигналов;

- импульсные трансформаторы, применяемые для изменения полярности и амплитуды импульсов, для гальванической развязки импульсных цепей, для формирования положительной обратной связи в генераторах и формирователях импульсов, для согласования цепей по нагрузке, для получения импульсов с нескольких выходных обмоток;

- электрические фильтры, предназначенные для выделения из сложного по форме электрического сигнала частотных составляющих, расположенных в заданной области, и для подавления частотных составляющих, расположенных во всех других областях частоты.

В зависимости от элементов, на которых выполняются линейные устройства, их можно разделить на RC-, RL- и RLC-цепи. При этом линейные устройства могут включать в себя линейный резистор R, линейный конденсатор С, линейную катушку индуктивности L, импульсный трансформатор без насыщения сердечника. Слово «линейный» подчеркивает, что имеются в виду только те разновидности элементов, которые имеют вольт-амперные характеристики линейного типа, или, иными словами, номинальное значение параметра (сопротивления, емкости и т. д.) у которых постоянно и не зависит от протекающего тока или приложенного напряжения. Например, обычный конденсатор со слюдяными диэлектрическими прокладками в широком диапазоне напряжений считается линейным, а значение емкости pn- перехода зависит от приложенного напряжения, и ее нельзя отнести к линейным элементам. Кроме того, всегда имеются ограничения по амплитуде или мощности сигнала, при которых элемент сохраняет линейные свойства. Например, допустимое напряжение на конденсаторе не должно превышать пробивного значения. Аналогичные ограничения имеются и у других элементов, и их приходится учитывать, относя элемент к тому или иному классу.

Важнейшее свойство линейных устройств заключается в их способности накапливать и отдавать энергию в емкостных и индуктивных элементах и этим преобразовывать входные сигналы во временное изменение интервалов на выходе. Это свойство лежит в основе работы генераторов, устройств подавления импульсных помех и «состязаний» в цифровых схемах, возникающих в процессе прохождения электрического сигнала через цепи с различной временной задержкой.

Следует отметить определенные трудности применения линейных электрических цепей в интегральной технологии. Это связано с наличием ряда технологических трудностей изготовления резисторов и конденсаторов, не говоря уже о катушках индуктивности, в интегральном исполнении.