1. Электрические сигналы и информационная электроника

Все сигналы можно разделить на 4 класса

- сигналы произвольные по величине и непрерывные по времени т.н. аналоговые сигналы.

- сигналы произвольные по величине и дискретные по времени

- сигналы, квантованные по величине и непрерывные по времени

- сигналы, квантованные по величине и дискретные по времени, называют цифровыми

Рис.1. Виды сигналов: а) аналоговый, б) дискретный, в) квантованный, г) цифровой

Как видно из схемы (рис.2), в случае цифровой обработки необходимо применять дополнительное преобразование аналог – цифра и цифра – аналог.

В свою очередь аналоговый сигнал несёт в себе информацию, количество которой зависит от его параметров ( длительности , мощности ... ).

При этом все сигналы целесообразно разделить на детерминированные и случайные.

Значение детерминированного сигнала можно предсказать для любого момента времени с вероятностью единица.

Значения случайного сигнала могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью.

Детерминированные сигналы можно подразделить на периодические

S(t)=S(t + kT), (1)

где к-целое, Т-конечный интервал времени,

и апериодические, для которых предыдущее условие не выполняется. Обычно непериодический сигнал ограничен во времени.

Периодические сигналы можно представить в виде суммы гармонических колебаний с частотами, кратными основной.

Среди периодических и непериодических сигналов выделяют в отдельную группу импульсные сигналы.

Электрическим импульсом называют напряжение или ток, имеющий значение отличное от нуля в интервале времени меньше или сравнимом с длительностью установления переходных процессов в электрической системе, подверженной воздействию этого импульса.

Импульс характеризуют следующими основными параметрами:

- Высотой (амплитудой) импульса –А

- Спадом вершины -А.

- Длительностью – t_u – на уровне 0,1А.

- Длительностью фронта – t_ф.

- Длительностью среза – t_с.

- Длительностью вершины – t_в.

- Выбросом импульса  - превышением над стационарным значением.

- Активной длительностью t_ua по уровню 0,5

Изучая электрические цепи, мы установили связи между параметрами переменных токов и напряжений и параметрами цепей. Определяя токи и напряжения, мы определяем энергетические характеристики .

Энергетические характеристики имеют решающее значение и для целого класса электронных устройств – устройств силовой электроники (выпрямители, стабилизаторы, инверторы). Однако для подавляющего большинства электронных устройств на первый план выходит информационная сторона явлений, т.е. переменные токи и напряжения рассматриваются как сигналы – носители информации.

2. Характеристики и параметры электронных устройств. Анализ и расчёт электронных устройств

- статические характеристики и параметры устройств

Статические характеристики систем

В узком смысле к статической характеристике системы можно отнести ее структуру. Однако нас чаще будут интересовать свойства системы по преобразованию ходов и выходов (т.е. функция системы) в установившемся режиме, когда отсутствуют изменения значений как входных, так и выходных переменных. Такие свойства определяются как статические характеристики.

Статическая характеристика - это зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме. Статическая характеристика может быть представлена:

- математической моделью вида Y = F(X)

- графической моделью.

• динамические характеристики и параметры устройств

Следующий шаг в исследовании систем состоит в том, чтобы понять и описать, как система «работает», что происходит с ней самой и с окружающей средой в ходе реализации поставленной цели. Для описаний функционирования системы используются динамические модели.

Динамическая характеристика - это реакция системы на возмущение (зависимость изменения выходных переменных входных и от времени).

Динамическая характеристика может быть представлена:

- математической моделью в виде дифференциального уравнения (или уравнений) вида.

- графической моделью, состоящей из двух графиков: графика изменения возмущения во времени и графика реакции выхода на это возмущение - графической зависимости изменения выхода во времени.

-

- эквивалентные схемы

Эквивале́нтная схе́ма (схема замещения, эквивалентная схема замещения) — электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов.

Одной из основных задач электроники является расчет электрических схем, то есть получение детальной количественной информации о процессах, происходящих в этой схеме. Однако рассчитать произвольную схему, состоящую из реальных электронных компонент, практически невозможно. Мешает расчету то обстоятельство, что попросту не существует методик математического описания поведения реальных электронных компонент (например, транзистора) как единого целого. Имеются значения отдельных параметров и экспериментально снятые зависимости, но связать их в единую точную формулу, полностью описывающую поведение компоненты, в большинстве случаев не представляется возможным.

В эквивалентных схемах используются перечисленные ниже идеальные элементы. Предполагается также, что геометрические размеры эквивалентной схемы настолько малы, что какие-либо эффекты длинных линий отсутствуют, то есть эквивалентная схема рассматривается как система с сосредоточенными параметрами.

• Резистор. Идеальный резистор характеризуется только сопротивлением. Индуктивность, емкость, а также сопротивление выводов равны нулю.

• Конденсатор. Идеальный конденсатор характеризуется только ёмкостью. Индуктивность, утечка, тангенс угла потерь, диэлектрическое поглощение а также сопротивление выводов равны нулю.

• Катушка индуктивности. Идеальная катушка индуктивности характеризуется только индуктивностью. Емкость, сопротивление потерь, а также сопротивление выводов равны нулю.

• Источник ЭДС. Идеальный источник ЭДС характеризуется только своим напряжением. Внутреннее сопротивление и сопротивление выводов равны нулю.

• Источник тока. Идеальный источник тока характеризуется только своим током. Утечка равна нулю.

• Проводники. Элементы эквивалентной схемы соединены идеальными проводниками, то есть индуктивность, емкость и сопротивление проводников равны нулю.

Эквивалентная схема является линейной системой, поэтому нелинейные эффекты реальных схем не могут быть смоделированы путем составления эквивалентных схем.

- моделирование электронных устройств

Общие правила моделирования достаточно просты. Необходимо четко осознать, что моделирование электронных устройств с использованием пакетов программ схемотехнического анализа включает в себя несколько этапов: