- •Лекции по электротехнике и электронике
- •Содержание
- •Предисловие
- •Лекция 1 основные понятия электротехники Электрические заряды
- •Электрический ток
- •Электрическая цепь
- •Источники электрической энергии
- •Потребители электрической энергии
- •Электрическая схема и её элементы
- •Закон Ома
- •Закон Ома для участка цепи
- •Закон Ома для активного участка цепи
- •Закон Ома в дифференциальной форме
- •Параллельное соединение резисторов
- •Соединение треугольником и звездой
- •Лекция 3 Законы токораспределения в электрических цепях Распределение тока в параллельных ветвях
- •Законы Кирхгофа в электротехнике
- •Первый закон Кирхгофа
- •Второй закон Кирхгофа
- •Применение законов Кирхгофа для расчета электрических цепей
- •Электрическая мощность и баланс мощностей
- •Баланс мощностей
- •Лекция 4 электрические цепи синусоидального тока Принцип получения гармонически изменяющегося тока
- •Представление гармонических колебаний вращением вектора на комплексной плоскости
- •Опережение и отставание гармонических колебаний
- •Понятие комплексных амплитуд
- •Принцип расчета цепей переменного тока
- •Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока
- •Закон Ома для цепей переменного тока
- •Переход от алгебраической формы к показательной для производства деления был рассмотрен в разделе «Представление гармонических колебаний вращением вектора на комплексной плоскости»
- •Векторная диаграмма напряжений
- •Мощности в цепи переменного тока
- •Активная мощность
- •Реактивная мощность
- •Полная мощность
- •Треугольник мощностей
- •Баланс мощностей
- •Заключение
- •Лекция 5 Основные понятия радиоэлектроники Диэлектрики, полупроводники и проводники
- •Энергетические состояния электронов в твёрдых телах
- •Электропроводность полупроводников
- •Полупроводниковый p-n- переход
- •Лекция 6 полупроводниковые диоды
- •Выпрямительные диоды
- •Стабилитроны
- •Туннельные диоды
- •Диоды Шоттки
- •Варикапы
- •Фотодиоды
- •Светодиоды
- •Другие типы диодов
- •Лекция 7 транзисторы
- •Биполярные транзисторы
- •Устройство и принцип действия биполярного транзистора
- •Схемы включения биполярного транзистора
- •Статические характеристики транзистора
- •Полевые транзисторы
- •Полевые транзисторы с управляющим р-n- переходом
- •Вольт-амперные характеристики полевого транзистора с р-п- переходом и каналом п- типа
- •Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •Статические характеристики мдп - транзисторов
- •Область применения
- •Основные схемы включения полевых транзисторов
- •Лекция 8 нелинейные цепи и их расчет
- •Расчет электрических цепей с полупроводниковыми диодами.
- •Лекция 9 Аналоговые устройства электроники
- •Источники питания электронных устройств. Выпрямители переменного тока и стабилизаторы
- •Двухполупериодная схема выпрямления.
- •Частотные электрические фильтры
- •Усилители электрических сигналов
- •Специальные виды усилителей
- •Генераторы сигналов Генераторы гармонических колебаний
- •Генераторы сигналов специальной формы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Закон коммутации
- •Характеристики переходного процесса
- •Интегрирующие и дифференцирующие цепи
- •Мультивибратор
- •Переходные процессы в цепи, содержащей rlc
- •Лекция 10 резонанс в электрических цепях и беспроводная связь
- •Принципы беспроводной связи
- •Лекция 11 Цифровая электроника
- •Электронные ключи
- •Логические схемы
- •Счётчики
- •Регистры
- •Делители числа входных импульсов
- •Генераторы и формирователи импульсов
- •Лекция 12 пакетная передача даных Структура пакета
- •Передача данных в сети интернет
- •Сотовая связь
- •Методы обнаружения ошибок
- •Проверка на четность/нечетность
- •Метод полиномиальных кодов
- •Заключение
- •Дополнительная литература
Лекция 11 Цифровая электроника
Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Для того, чтобы понять, как дискретизация по времени и квантование могут преобразовать аналоговый сигнал в последовательность чисел, давайте вначале рассмотрим характеристики этого сигнала.
Аналоговый сигнал — это напряжение, непрерывно изменяющееся во времени. Таким образом, аналоговый сигнал имеет два параметра — время и уровень (величину сигнала) — и для его правильной передачи эти параметры необходимо закодировать.
В цифровом сигнале также должна сохраняться временная и уровневая информация. Но вместо кодирования и записи этих параметров в аналоговой форме (как на грампластинке), в цифровой записи временные и уровневые параметры сохранены в дискретной форме.
Временная информация кодируется в цифровой форме путем периодического измерения мгновенных значений сигнала. Дискретное значение аналогового сигнала называют отсчетом. Уровень кодируется в результате представления значения каждого отсчета при помощи числа. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, дискретизация по времени и квантование по уровню являются основой цифрового преобразования
Дискретизацию можно проводить не только по времени, но и по количеству необходимых отсчетов.
Рисунок 62 Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б), ошибка квантования
На рисунке 62а сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 62б показан тот же сигнал после квантования с числом двоичных разрядов b = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. Размер шага квантования h = 0,1. Масштаб шкалы по вертикальной оси координат такой же, как на предыдущем рисунке.
На рисунке 62в показаны значения величины ошибки , вносимой в сигнал операцией квантования (переход от непрерывной записи к дискретной). Несмотря на то, что переход к цифровой записи вносит свою ошибку, тем не менее, преимущества цифровой записи очевидны – почти полная помехозащищенность и стабильность.
Электронные ключи
Электронный ключ - элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое
Рисунок 63 Функциональная схема ключа и диаграммы выходного напряжения при замыкании и размыкании; при равенстве входного напряжения пороговому (напряжение срабатывания) Uвх = Uпор.
Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.
Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа на биполярном транзисторе.
Выбираем транзистор n-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рисунке. 64.
Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений.
Рисунок 64 Принципиальная схема транзисторного ключа на транзисторе n-p-n типа и входные характеристики с нагрузочной прямой (UИП=ЕК)
Выходное напряжение (по закону Ома для активного участка цепи , транзистор).
Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний:
1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1);
2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2);
3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3).
1) Режим отсечки:
Режим отсечки создаётся путём подачи на базу транзистора запирающего отрицательного напряжения , транзистор закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Этот режим для электронного ключа не подходит, так как дальнейшее увеличение коллекторного тока переводит транзистор в активный режим.
2) Активный режим:
Активный режим создаётся путём подачи на базу транзистора положительного напряжения . При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. .
В активной области между входными и выходными токами существует жесткая связь, поэтому для реализации электронного ключа на транзисторе, этот режим также не подходит.
3) Режим насыщения. Такой режим наступает при , при этом транзистор открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении.
В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы, поэтому ток коллектора насыщения остаётся неизменным и определяется сопротивлением нагрузочного резистора : (ключ выключен, выходное напряжение около нуля))
Дальнейшее увеличение входного сигнала при приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы. Наступает так называемое насыщение транзистора.
С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда неосновных носителей (электронов) в базе транзистора.
С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе.
Чем больше избыточный заряд , тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность транзистора при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы.
Передаточная характеристика:
Рисунок 65 Передаточная характеристика транзистора
Ключ открыт при значении входного напряжения меньше Uпор (примерно 0,78В). Транзистор в это время закрыт (IК≈0), и выходное напряжение равно напряжению питания. Если Uпор>0,78В Ключ закрыт, и выходное напряжение около нуля.
Чем уже переходная область, тем быстрее происходит переключение и, следовательно, лучше передаточная характеристика транзисторного ключа. Обратите внимание на то, что быстрота переключения связана с переходными процессами в электронном ключе и, прежде всего, с ёмкостью p-n перехода.