книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

сигнала и его спектра. Степень нелинейности устройства в целом принято отображать с помощью амплитудной характеристики

30

Рассмотренные выше нелинейности вызываются безынерционными элементами электронных устройств: резисторами, лампами, транзи­ сторами, фоторезисторами и т. д. Наряду с безынерционными нели­ нейными элементами имеются электрически инерционные нелиней­ ные элементы —• конденсаторы с сегнетоэлектриками, катушки ин­ дуктивности с ферромагнитными сердечниками и тепловые инерцион­ ные элементы (например, терморезисторы), которые также приводят к существенному искажению спектров выходных сигналов.

В настоящее время нет общих методов анализа нелинейных уст­ ройств и универсальных обобщенных спектральных или временных характеристик, анализ в каждом отдельном случае приходится про­ водить с учетом конкретных сигналов и конкретных устройств.

Таким образом, особенностью нелинейных устройств является то, что в общем случае спектр выходного сигнала и его форма неод­ нозначно и нелинейно связаны со спектром и формой входного си­ гнала. При этом спектр выходного сигнала содержит не только вы­ сокочастотные гармоники основных частот входного сигнала, но и комбинационные частоты, что позволяет преобразовывать практи­ чески любым образом форму любых электрических колебаний. Однако во многих случаях нелинейность радиоэлектронных устройств крайне нежелательна и недопустима. В частности, усилители раз­ личных измерительных устройств должны работать в строго линей­ ном режиме. Поскольку все активные (усилительные) элементы нелинейны, возникает вопрос, как их нелинейность устранить или свести к допустимому минимальному значению. Устранить нели­ нейность полностью практически невозможно и весьма сложно ском­ пенсировать ее нелинейностью обратного знака, но относительно просто можно уменьшить ее влияние. Пусть имеется устройство

сквадратичной амплитудной характеристикой

UBta(t)--=aUl*{t).

Если входной сигнал представляется в виде полезной переменной составляющей с небольшой амплитудой АС/ sin (at и вспомогательной постоянной составляющей U0, то

быть легко отфильтрована (например, с помощью разделительного конденсатора).

31

если

4 С / 0 » Д С / .

Очевидно, чем больше постоянная составляющая С/0 и чем меньше

Подобный метод линеаризации нелинейных амплитудных характе­ ристик широко применяется в современной радиоэлектронике при построении различных усилительных устройств на существенно нелинейных усилительных элементах: электронных лампах, бипо­ лярных и униполярных транзисторах и т. д. Во всех этих элемен­ тах рабочий линейный режим обеспечивается подачей на управля­ ющие электроды напряжения усиливаемого входного сигнала и по­ стоянного напряжения.

§ 9. Параметрические устройства

Параметрическими принято называть устройства с переменными, меняющимися по заданному закону параметрами: коэффициентом передачи, входным или выходным сопротивлением, частотой на­ стройки и т. д.

Рассмотрим, например, устройство с коэффициентом передачи,

Таким образом, параметрическое устройство так же, как и нели­ нейное, производит изменение спектра сигнала. Однако, в отличие от нелинейного устройства, параметрическое не производит нелиней­ ного преобразования амплитуды: амплитуда выходного сигнала строго пропорциональна амплитуде входного. В общем случае по­ следнее не выполняется, так как любое параметрическое устройство выполняется с использованием нелинейных элементов.

32

Если входной сигнал является суммой двух синусоидальных: колебаний, то

на синусоидальную функцию коэффициента передачи. Это означает, что для параметрического устройства применим принцип суперпо­ зиции, как и для линейных систем.

Амплитудно-фазовая характеристика параметрического устрой­ ства, работающего в линейном режиме, зависит не только от частоты, но и от времени, вследствие чего нет общего аналитического метода

ееопределения.

Равным образом и переходная характеристика, и импульсная реакция параметрического устройства зависят не только от времени, но и от характера изменения коэффициента передачи во времени.

3 Заказ 458

Р А З Д ЕЛ ВТОРОЙ

ЭЛЕМЕНТЫ И ДЕТАЛИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Глава I I I

ПАССИВНЫЕ И АКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Радиоэлектронное устройство можно представить в виде сочета­ ния отдельных функциональных узлов, каждый из которых выпол­ няет заданную операцию. Каждый функциональный узел состоит из соединенных определенным образом пассивных и активных эле­ ментов. Активные элементы — электронные лампы, биполярные и униполярные транзисторы, туннельные диоды и т. д. — способны усиливать сигналы. Пассивные элементы способны накапливать или расходовать энергию сигналов. Такими элементами являются ре­ зисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы.

§ 10. Линейные пассивные элементы

Одним из наиболее широко применяемых в электронных устрой­ ствах пассивных элементов является резистор R. Если через рези­ стор протекает ток / , то на нем происходит падение напряжения UR —

=I R (закон Ома).

Индуктивность L является реактивным элементом, способным накапливать энергию магнитного поля. Если / — ток, протекающий через индуктивность, то на ней падает напряжение U L , определяемое как

Электрическая емкость С также является реактивным элементом, способным накапливать энергию электрического поля. Связь между током / и падением напряжения Uc на емкости выражается так

Условные обозначения R, L , С элементов, принятые в радио­ электронике, даются на рис. 7, о.

Реальные элементы R, L , С при строгом анализе обладают свой­ ствами всех трех элементов одновременно, но одно из них преобла-

34

Выходной сигнал определяется как

#вых(9 = Д/(*).

стики нет необходимости составлять и решать интегро-дифференциаль- ное уравнение цепи, для этого индуктивность и емкость должны

По полученной амплитудно-фазовой характеристике можно опре­ делить импульсную реакцию и переходную функцию, воспользо­ вавшись выражениями (60) и (62):

-СО

оо

36

§ 11. Активные элементы

Активные элементы радиоэлектронных устройств принято назы­ вать электронными приборами. Такие приборы основаны на электрон­ ных эффектах, возникающих в газах, жидкостях и твердых телах при воздействии на них электрических, магнитных, световых, радиа­ ционных, тепловых или механических полей. При этом в электрон­ ных приборах используются не только эффекты, возникающие при движении свободных и полусвободных электронов, но и эффекты, обусловленные электронами, прочно связанными в атомах и моле­ кулах.

Электрическое напряжение (ток)

Магнитное поле

Электромагнитное

излучение

Электронные приборы большей частью являются управляемыми преобразователями энергии одного вида в другой. Это позволяет использовать электронные приборы для усиления слабых сигналов путем преобразования энергии источника питания в энергию усили­ ваемого сигнала. Возможности электронных приборов практически неисчерпаемы, что видно из рис. 8. Электронные приборы могут питаться, по меньшей мере, от трех видов источников энергии, упра­ вляться сигналами любого из шести основных видов и выдавать усиленные сигналы в одном из шести возможных видов.

Внастоящее время имеется свыше пятисот видов электронных приборов.

Вэлектронных приборах используются свободные, полусвобод­ ные и связанные электроны. Потоки свободных электронов, движу­ щихся в вакууме, разреженном газе или идеальном диэлектрике,

37

используются при создании электронных ламп, плазменных и ди­ электрических приборов.

Полусвободными являются электроны проводимости, которые могут практически свободно перемещаться в металлах и полупро­ водниках. Управляемые потоки электронов проводимости, движу­ щиеся в полупроводниках, позволяют создавать полупроводниковые приборы. Происходящие в электролитах при прохождении тока обра­ тимые окислительно-восстановительные процессы позволяют со­ здавать химотронные приборы. Связанные электроны прочно удер­ живаются атомными ядрами, поэтому в обычных условиях переме­ щаться не могут, свойства связанных электронов используются в диэлектрических, магнитных и квантовых приборах. В последних под действием внешних электромагнитных, электрических и магнит­ ных полей возможно изменение энергетического уровня связанных электронов с последующим возвращением их на начальные уровни. Это сопровождается излучением электромагнитных волн и исполь­ зуется в лазерах, мазерах и иразерах.

Упражнения к главе I I I

Определите и постройте амплитудно-частотные характеристики RLC цени

Глава IV

ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

Принцип действия электронных ламп основан на управлении плотностью, скоростью или направлением движения потока электро­ нов, движущихся в вакууме. Если на управление затрачивается значительно меньшая энергия, чем переносится электронным пото­ ком, то имеет место усиление управляющего сигнала.

38

В любой усилительной электронной лампе имеются три основных элемента: источник потока — эмиттер или катод (излучатель сво­ бодных электронов); управляющее устройство — управляющий элект­ род (или система управляющих электродов), собиратель элек­ тронов — коллектор или анод

(рис. 9).

Нагрузка

Термоэлектронная эмиссия обычно получается за счет нагрева­ ния катода электрическим током. При повышении температуры увеличивается скорость движения электронов проводимости и все большее их число приобретает кинетическую энергию, превышающую работу выхода, и покидает катод. Вблизи его поверхности возни­ кает электронное облако, плотность которого пропорциональна температуре катода и обратно пропорциональна работе выхода.

помещенного в вакуум, в отсутствие внешнего электрического поля. Очевидно, что для увеличения эмиссионного тока следует увеличи­ вать температуру катода и применять металлы с малой работой выхода. Но при высоких температурах возрастает расход энергии на нагрев катода и резко увеличивается скорость испарения ме­ талла катода. Последнее уменьшает срок службы радиолампы вслед­ ствие разрушения поверхности катода и отложения токопроводящих пленок на управляющих электродах и межэлектродных изоляторах. Поэтому выбор чистых металлов, пригодных для изготовления

39