Что такое каскад в электронике

II.5. Типы усилительных каскадов

Схемы усилительных каскадов, содержащие один или несколько параллельно включённых УЭ, на вход которых подают одно входное напряжение сигнала, и с выхода которых снимают одно выходное напряжение, называют однотактными каскадами.

Транзистор и электронная лампа – трёхполюсные устройства, у которых один из проводов входной цепи объединён с проводом выходной цепи в так называемый общий провод. Потенциал сигнала на общем проводе относительно «земли» (поверхности нулевого потенциала) считают равным нулю, так как этот провод обычно соединяют с шасси (металлическим корпусом) прибора, имеющим относительно земли большую электрическую ёмкость. Поэтому входная и выходная цепи однотактных усилительных каскадов несимметричны относительно поверхности нулевого потенциала, т.е. однотактные каскады имеют несимметричные вход и выход.

Если необходимо сделать вход однотактного каскада симметричным, можно включить во входную цепь симметрирующий трансформатор с первичной обмоткой, имеющей две одинаковые половины (рис.2.15а), точка соединения которых не имеет потенциала сигнала относительно общего провода.

Рис.2.15. Симметрирование цепей:

а) симметрирование входной цепи трансформатором;

б) симметрирование выходной цепи трансформатором.

Этого можно добиться, соединив её с общим проводом. Точно так же можно сделать симметричным выход однотактного каскада, включив в его выходную цепь трансформатор с симметричной вторичной обмоткой (рис.2.15б). Однако симметрирование цепей трансформатором из-за сравнительно узкой полосы пропускаемых им частот невозможно в широкополосном усилителе.

Симметричные (двухтактные) каскады.

Каскады, содержащие два УЭ или две группы параллельно включённых УЭ, работающих на общую нагрузку, называются двухтактными каскадами.

Токи сигнала в выходной цепи двухтактного каскада имеют противоположное направление, т.е. при синусоидальном сигнале токи сдвинуты на 180.

Простейшие двухтактные каскады представляют собой как бы два одинаковых однотактных каскада, работающих в противофазе. Объединяют эти два каскада общий провод и единый источник питания. Эти однотактные каскады образуют плечи двухтактной схемы, симметричные относительно общего провода (рис.2.16а, б).

Рис. 2.16. Двухтактные каскады:

а) резисторный с транзисторами в режиме А с общим эмиттером

и эмиттерной стабилизацией;

б) трансформаторный с транзисторами в режиме В с общей базой

и смещением фиксированным напряжением.

Такие двухтактные каскады при использовании в них гальванической или резисторной связи позволяют осуществить малогабаритные и недорогие схемы с симметричным входом и выходом, имеющие очень широкую полосу рабочих частот. Наличие одинаковых деталей в плечах двухтактной схемы позволяет многие из них объединить, а некоторые даже исключить. Кроме симметричности входа и выхода, двухтактные каскады обладают другими полезными качествами; в них компенсируются:

1. Чётные гармоники, вносимые усилительными элементами;
2. Помехи (в том числе и фон), поступающие на каскад от источника питания и других источников помех;
3. Нечётные гармоники тока сигнала в источнике питания и идущих от него к каскаду проводах;
4. Постоянное подмагничивание сердечника выходного трансформатора.

Эти преимущества настолько существенны для мощных усилителей, что, несмотря на применение двух усилительных элементов и усложнение схемы, транзисторные каскады мощного усиления с выходной мощностью более 2  3 Вт почти всегда делают двухтактными.

Двухтактные схемы также применяют в каскадах мощного усиления широкополосных усилителей и в широкополосных выходных каскадах, работающих на симметричную нагрузку, когда использование трансформаторов невозможно из-за их ограниченной полосы пропускания.

Так как выходное напряжение двухтактного каскада представляет собой разность выходных напряжений его плечей, всевозможные наводки на цепи схемы, а также фон и помехи от источников питания, попадая синфазно в оба плеча, компенсируются.

На практике все двухтактные схемы никогда не обладают идеальной симметрией (разброс параметров УЭ, радиокомпонентов, и др.). Поэтому чётные гармоники, фон и помехи в двухтактных схемах не уничтожаются, а лишь уменьшаются. Простейшие меры обеспечения симметрии плечей, фон, наводки и чётные гармоники в выходной цепи двухтактной схемы снижаются в 3  5 раз, а при специальном симметрировании плечей – в 10  20 раз по сравнению с однотактной схемой.

Инверсные каскады.

Двухтактные схемы требуют подачи на вход двух одинаковых по величине напряжений сигнала противоположной полярности, т.е. симметричного напряжения. С другой стороны, однотактные схемы имеют несимметричное выходное напряжение, так как у них одним из выходных проводов является провод нулевого потенциала (общий провод). Поэтому для передачи сигнала от однотактных схем к двухтактным применяют специальные каскады, имеющие несимметричный вход и симметричный выход и называемые инверсными каскадами. Инверсные каскады также используют в качестве выходных каскадов в усилителях, работающих на симметричную нагрузку. Простейшим способом передачи сигнала с выхода однотактного каскада на вход двухтактного является включение между ними трансформатора с симметричной вторичной обмоткой. Однако в микроэлектронной схемотехнике трансформаторы практически не применяются. Поэтому в современной усилительной технике применяют бестрансформаторные инверсные каскады. Чаще всего применяются каскады с разделённой нагрузкой (рис.2.17).

Рис. 2.17. Инверсный каскад с разделённой нагрузкой.

В этом каскаде нагрузка разделена на две части, включаемые в цепи коллектора и эмиттера. При равенстве токов сигнала в коллекторной и эмиттерной цепях и равенстве сопротивлений нагрузки R_К и R_Э напряжение на резисторах нагрузки будет одинаковым. Подключив через разделительные конденсаторы С₂ и С₃ (рис.2.18) симметричную нагрузку, получим на ней симметричное относительно общего провода выходное напряжение, складывающееся из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку напряжений U_ВЫХ.1 и U_ВЫХ.2.

Рис.2.18. Получение симметричных сигналов в каскаде с разделённой

Достоинства инверсного каскада с разделённой нагрузкой:

• Использование лишь одного усилительного элемента;
• Очень хорошие частотная, фазовая и переходная характеристики на верхних частотах из-за глубокой отрицательной обратной связи;
• Малый коэффициент гармоник.

Недостатки инверсного каскада с разделённой нагрузкой:

• Отсутствие усиления напряжения сигнала, так как нижнее плечо схемы представляет собой эмиттерный повторитель;
• Вдвое меньшее максимальное выходное напряжение по сравнению с обычным резистивным каскадом, так как развиваемое транзистором напряжение сигнала здесь делится пополам.
• Большое различие выходных сопротивлений плечей схемы.

Инверсный каскад с разделённой нагрузкой применяют в широкополосных усилителях гармонических и импульсных сигналов, а также в усилителях звуковых частот как переходный каскад между однотактной и двухтактной схемами.

В транзисторном инверсном каскаде с разделённой нагрузкой в нижнее плечо, имеющее очень низкое выходное сопротивление, иногда включают последовательно добавочное сопротивление R_Д для выравнивания выходных сопротивлений плечей (рис.2.17), так как их неравенство при работе каскада на нелинейную нагрузку может сильно увеличить нелинейные искажения. При наличии резистора R_Д для получения симметричного входного напряжения на транзисторах оконечного каскада сопротивление резистора R_Э берут больше R_К.

Существуют и другие схемы инверсных каскадов.

Каскад (динамическая система)

Каскадная система — это последовательность элементов, реализующих независимые или зависимые операции над входными объектами.

В радиотехнике под объектом понимается сигнал ( аддитивная смесь) подвергающийся обработке в каскадной системе. Сигнал вида Y(t) = S(t) + P(t) + N(t), где: Y(t) — аддитивная смесь S(t) — полезный сигнала, P(t) — помехи и N(t) — шума может поступать на вход каскадной системы, в результате обработки на выходе извлекается полезный сигнал S(t). Каскадное соединение элементов в системе применяется для распределения нагрузки и устранения остаточных эффектов. Элементы системы, как правило объеденные последовательно, обладают различными межэлементными связями. Система может обладать свойством устойчивости (сохранения состояния) к входным изменяющим воздействиям. Такая система может считаться динамической или адаптивной. Можно сказать, что динамическая система противодействует изменению под действием внешних влияющих факторов, воздействий.

Связанные понятия

Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор — устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе — интеграл сигнала рассогласования.

Адаптивное управление — совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Подобные системы управления называются адаптивными. Адаптивное управление широко используется во многих приложениях теории управления.

Интермодуляция — это процесс взаимодействия нескольких различных сигналов в нелинейных каскадах радиоприёмного тракта. В результате возникают новые составляющие спектра, зашумляющие принимаемый сигнал (либо проявляющиеся в качестве зеркального сигнала).

Кориолисовы расходомеры — приборы, использующие эффект Кориолиса для измерения массового расхода жидкостей, газов. Принцип действия основан на изменениях фаз механических колебаний U-образных трубок, по которым движется среда. Сдвиг фаз пропорционален величине массового расхода. Поток с определенной массой, движущийся через входные ветви расходомерных трубок, создает кориолисову силу, которая сопротивляется колебаниям расходомерных трубок. Наглядно это сопротивление чувствуется, когда гибкий шланг.

Систе́ма управле́ния — систематизированный (строго определённый) набор средств сбора сведений о подконтрольном объекте и средств воздействия на его поведение, предназначенный для достижения определённых целей. Объектом системы управления могут быть как технические объекты, так и люди. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоянную структуру взаимосвязей.

Упоминания в литературе

Для стабилизации величины выходного напряжения используются методы регулирования количества энергии, поступающей во вторичную цепь. Основными среди них являются: ШИМ, ЧИМ и релейная стабилизация напряжения. Эти методы отличаются способами воздействия на силовой (усилительный) каскад высокочастотного преобразователя, активные элементы которого работают в ключевом режиме. Как правило, система управления выполняется на маломощных компонентах, представляющих собой комбинацию аналоговых и цифровых элементов. Согласно рис. 1.2 узел регулирования состоит из:

В схемотехнике узлов защиты производится разделение каскадов, отвечающих за контроль работы основных вторичных каналов и маломощных цепей. Во внутренней структуре микросхемы TL494 введено несколько функциональных узлов, через которые можно оказывать воздействие на основной тракт формирования ШИМ-последовательностей от принудительного ограничения длительности выходных импульсов до полной блокировки схемы.

В процессе преобразования акустического сигнала в электрический сигнал в отдельных функциональных узлах микрофона происходят определенные физические процессы, в соответствии с которыми практически любой современный микрофон можно представить как совокупность функциональных каскадов или звеньев. Первым из них является приемник звуковых или акустических колебаний, обеспечивающий прохождение звуковых волн, поступающих с определенного направления, на последующие узлы микрофона. Этот узел определяет характеристику направленности микрофона. Далее звуковые волны проходят на специальный каскад, часто называемый акустико-механическим звеном, от параметров которого в значительной степени зависит частотная характеристика чувствительности микрофона. Непосредственное преобразование механических колебаний в электрические волны происходит в так называемом электромеханическом преобразователе, от параметров которого зависит чувствительность микрофона. Согласование выходных характеристик этого преобразователя с входными характеристиками последующего усилительного каскада обеспечивает специальный выходной электрический каскад, который в некоторых моделях микрофонов может использоваться для корректировки амплитудно-частотной характеристики.

Воспроизведение цифрового звука – процесс, обратный оцифровке. Устройство, входящее в состав звуковой карты компьютера, – цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) получает от программы-проигрывателя последовательность записей моментального уровня сигнала и выдает на выходе последовательность электрических импульсов соответствующей величины. Данный процесс также иллюстрирует рис. 1.5, но теперь из отдельных дискретных величин строится непрерывный аналоговый сигнал. Строго говоря, сначала сигнал, выдаваемый ЦАП, обладает выраженными «ступеньками». Благодаря устройству выходных каскадов звуковой карты и инерционности динамиков эта неравномерность сигнала сглаживается и приближается по форме к тому сигналу, который ранее оцифровывался. Таким образом, из цифрового образа достаточно точно восстанавливается исходный аналоговый звук.

Таким образом, нейрофизиологические и психофизиологические механизмы tDCS и ТКМП достаточно многообразны, даже при приложении стандартизированных параметров тока и площади электродов (при tDCS). Нам представляется маловероятным сведение механизмов поляризаций к делоляризации или гиперполяризации мембраны нейронов. Если для пирамидных нейронов с их пространственной ориентацией в коре можно себе представить, что, например, при анодной поляризации входящий (гиперполяризующий) ток протекает преимущественно через дендрита, а выходящий (деполяризующий) ток – через начальный сегмент аксона (где генерируются спайки), вызывая его деполяризацию и увеличение возбудимости моторной коры, то это допущение плохо приложимо к другим областям коры, где ориентация нейронов не столь очевидна. Кроме того, возбуждающие или тормозные потенциалы длятся не более 10 мсек. Пассивная деполяризация мембраны еще короче. Установленные эффекты tDCS длятся десятки минут, а то и дольше. Следовательно, де– или гиперполяризация, если и играют существенную роль в возникновении эффектов, то она сводится к пусковой роли, запускающей каскад синаптических и метаболических реакций которые и лежат в основе более длительных эффектов поляризаций.

Связанные понятия (продолжение)

Положи́тельная обра́тная связь (ПОС) — тип обратной связи, при котором изменение выходного сигнала системы приводит к такому изменению входного сигнала, которое способствует дальнейшему отклонению выходного сигнала от первоначального значения, то есть знак изменения сигнала обратной связи совпадает со знаком изменения входного сигнала.

Анализа́тор спе́ктра — прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.

Прямохаотические системы связи — цифровые системы связи на хаотических сигналах, в которых формирование хаотической несущей и модуляция информационным сигналом происходят непосредственно в полосе частот связи, а извлечение информации производится без промежуточного преобразования частоты.

Электронная схема — это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и интегральные микросхемы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т. д.

Шумопонижение — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его субъективного качества или для уменьшения уровня ошибок в каналах передачи и системах хранения цифровых данных. Методы шумоподавления концептуально очень похожи независимо от обрабатываемого сигнала, однако предварительное знание характеристик передаваемого сигнала может значительно повлиять на реализацию этих методов в зависимости от типа сигнала.

Свя́зывающий нейро́н (СН) — концепция обработки сигналов в нейроне общего типа или математическая модель, реализующая эту концепцию.

Блочно-ориентированные модели — это представление нелинейных систем в виде различных комбинаций инерционных звеньев и нелинейных безынерционных математических элементов. Такое представление моделей позволяет связать в явном виде входные и выходные переменные объектов с различной структурой и степенью нелинейности. К таким системам относятся системы типа Гаммерштейна, Винера, Винера-Гаммерштейна, фильтра Заде, обобщенной модели Винера и Sm-системы.

Моде́ль биологи́ческого нейро́на — математическое описание свойств нейронов, целью которого является точное моделирование процессов, протекающих в таких нервных клетках. В отличие от подобного точного моделирования, при создании сетей из искусственных нейронов обычно преследуются цели повышения эффективности вычислений.

Гибридный компьютер, гибридная вычислительная машина, аналого-цифровая система — вид гибридной вычислительной системы (ГВС), сочетающий в себе свойства аналоговых и цифровых вычислительных устройств.

Амплиту́дно-часто́тная характери́стика (АЧХ) — зависимость амплитуды выходного сигнала некоторой системы от частоты её входного гармонического сигнала. Иногда эту характеристику называют «частотным откликом системы» (frequency response).

Динамическая логика (или тактированная логика) — методология разработки комбинационных схем, при которой проектируемая схема работает по тактам. Реализуется, в частности, по технологии КМОП. Применяется при проектировании интегральных схем.

Импульсная нейронная сеть (ИмНС, англ. Pulsed neural networks, PNN) или Спайковая нейронная сеть (СНН, англ. Spiking neural network, SNN) — третье поколение искусственных нейронных сетей (ИНС), которое отличается от бинарных (первое поколение) и частотных/скоростных (второе поколение) ИНС тем, что в нем нейроны обмениваются короткими (у биологических нейронов — около 1-2 мс) импульсами одинаковой амплитуды (у биологических нейронов — около 100 мВ). Является самой реалистичной, с точки зрения физиологии.

Роба́стное управле́ние — совокупность методов теории управления, целью которых является синтез такого регулятора, который обеспечивал бы хорошее качество управления (к примеру, запасы устойчивости), если объект управления отличается от расчётного или его математическая модель неизвестна. Таким образом, робастность означает малое изменение выхода замкнутой системы управления при малом изменении параметров объекта управления. Системы, обладающие свойством робастности, называются робастными (грубыми.

Радиационно стойкая интегральная схема — интегральная схема, к которой предъявлены повышенные требования устойчивости к сбоям, вызванным воздействием радиации. Основная область применения подобных схем — это космические аппараты, военная техника и медицинская электроника.

Теория автоматического управления (ТАУ) — научная дисциплина, которая изучает процессы автоматического управления объектами разной физической природы. При этом при помощи математических средств выявляются свойства систем автоматического управления и разрабатываются рекомендации по их проектированию.

Расширение спектра — способ повышения эффективности передачи информации с помощью модулированных сигналов через канал с сильными линейными искажениями (замираниями), приводящий к увеличению базы сигнала.

Адаптивный фильтр — система с линейным фильтром, имеющим передаточную функцию, контролируемую переменными параметрами и средствами для установки этих параметров согласно оптимизационному алгоритму. Ввиду сложности оптимизационных алгоритмов почти все адаптивные фильтры являются цифровыми фильтрами. Адаптивные фильтры требуются для некоторых приложений, поскольку некоторые параметры желательной операции обработки (например, местоположение отражающих поверхностей в реверберирующем пространстве) заранее.

Нейроуправление (англ. Neurocontrol) — частный случай интеллектуального управления, использующий искусственные нейронные сети для решения задач управления динамическими объектами. Нейроуправление находится на стыке таких дисциплин, как искусственный интеллект, нейрофизиология, теория автоматического управления, робототехника. Нейронные сети обладают рядом уникальных свойств, которые делают их мощным инструментом для создания систем управления: способностью к обучению на примерах и обобщению данных.

Адаптивная антенная решётка (ААР) — тип антенны, в которой динамическое изменение параметров и характеристик антенн меняется адаптивно к воздействиям внешних или внутренних факторов . Возможность адаптации повышает качество приёма сигнала. В зарубежной литературе адаптивная антенная решётка называется adaptive antenna array.

Линейно-квадратичное гауссовское управление (англ. Linear quadratic Gaussian control, LQG control) — набор методов и математического аппарата теории управления для синтеза систем управления с отрицательной обратной связью для линейных систем с аддитивным гауссовским шумом. Синтез проводится путём минимизации заданного квадратичного функционала.

Асинхро́нная ло́гика — разновидность взаимодействия логических элементов цифровых устройств. Отличается от синхронной тем, что её элементы действуют асинхронно, не подчиняясь глобальному генератору тактовых импульсов.

Аттенюа́тор (фр. attenuer — смягчить, ослабить) — устройство для плавного, ступенчатого или фиксированного понижения интенсивности электрических или электромагнитных колебаний, как средство измерений является мерой ослабления электромагнитного сигнала, но также его можно рассматривать и как измерительный преобразователь. ГОСТ 28324-89 определяет аттенюатор как элемент для снижения уровня сигналов, обеспечивающий фиксированное или регулируемое затухание.

Аналоговое устройство, аналоговая аппаратура — аппаратура, предназначенная для работы с аналоговыми сигналами.Аналоговые электронные устройства (АЭУ) — это устройства усиления и обработки Аналоговых электрических сигналов, выполненные на основе электронных приборов.

Чувстви́тельность — способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие, а также количественная характеристика этой способности.

Аппара́тный генера́тор случа́йных чи́сел (генератор истинно случайных чисел) — устройство, которое генерирует последовательность случайных чисел на основе измеряемых, хаотически изменяющихся параметров протекающего физического процесса. Работа таких устройств часто основана на использовании надёжных источников энтропии, таких, как тепловой шум, дробовой шум, фотоэлектрический эффект, квантовые явления и т. д. Эти процессы в теории абсолютно непредсказуемы, на практике же получаемые из них случайные.

В нейробиологии, синхронизацией (от греч. συνχρόνος — одновременный) называют динамический режим, который характеризуется периодической одновременной активацией определенной популяции нейронов, или синхронизацию между локальными колебаниями двух или нескольких популяций нейронов.

Обработка сигналов — область радиотехники, в которой осуществляется восстановление, разделение информационных потоков, подавление шумов, сжатие данных, фильтрация, усиление сигналов.

Теория линейных стационарных систем — раздел теории динамических систем, изучающий поведение и динамические свойства линейных стационарных систем (ЛСС). Используется для изучения процессов управления техническими системами, для цифровой обработки сигналов и в других областях науки и техники.

Статическая система — это такая система автоматического регулирования, в которой ошибка регулирования стремится к постоянному значению при входном воздействии, стремящемся к некоторому постоянному значению. Иными словами статическая система не может обеспечить постоянства управляемого параметра при переменной нагрузке.

Диссипативная система (или диссипативная структура, от лат. dissipatio — «рассеиваю, разрушаю») — это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия. Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

Проектирование на основе стандартных ячеек (англ. standard cell) — метод проектирования интегральных схем с преобладанием цифровых элементов. В данном методе наиболее низкий уровень проектирования СБИС скрыт от проектировщика абстрактными логическими элементами (например, узел NAND). Методология проектирования на базе ячеек позволяет одним разработчикам сфокусироваться на высокоуровневом аспекте цифрового дизайна, когда другие разработчики работают над физическими реализациями ячеек. Вместе с достижениями.

Винеровское оценивание — задача нахождения импульсной характеристики линейной стационарной системы, дающей на выходе оптимальную в смысле минимума математического ожидания средней квадратической ошибки оценку значений полезного сигнала, поступающего на вход в аддитивной смеси с шумом.

Неразруша́ющий контро́ль (НК) — контроль надёжности основных рабочих свойств и параметров объекта или отдельных его элементов/узлов, не требующий выведения объекта из работы либо его демонтажа.

Антенная решётка (АР) — сложная антенна, состоящая из совокупности отдельных антенн (излучающих элементов), расположенных в пространстве особым образом. Антенные решётки применяются для повышения коэффициента направленного действия антенны как системы излучающих элементов по сравнению с одиночным элементом и для получения возможности управления формой диаграммы направленности (в том числе, ориентации в пространстве) с помощью электрических сигналов (электрическое сканирование луча в противовес механическому.

Синтезатор частот — устройство для генерации электрических гармонических колебаний с помощью линейных повторений (умножением, суммированием, разностью) на основе одного или нескольких опорных генераторов. Синтезаторы частот служат источниками стабильных (по частоте) колебаний в радиоприёмниках, радиопередатчиках, частотомерах, испытательных генераторах сигналов и других устройствах, в которых требуется настройка на разные частоты в широком диапазоне и высокая стабильность выбранной частоты. Стабильность.

Спектральное уплотнение каналов (англ. wavelength-division multiplexing, сокр. WDM — мультиплексирование с разделением по длине волны) — технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

Компара́тор — это техническое средство, естественные или специально создаваемые среды, позволяющие сличать друг с другом меры однородных величин или показания измерительных приборов, а также сравнивать участки (точки) шкал измерений.

Цифровая связь — область техники, связанная с передачей цифровых данных на расстояние.

Задача характеризации элементов микросхем заключается в получении зависимостей функциональных параметров библиотечного элемента или блока от длительности фронтов сигналов на входе и от величины нагрузочных емкостей для заданных наборов этих величин. В коммерческих системах характеризации (SiliconSmart , Virtuoso Liberate Characterization Solution , Virtuoso Variety Statistical Characterization Solution , Virtuoso Liberate MX Memory Characterization Solution , Kronos Characterizer Plus ) такие зависимости.

Бы́страя одноква́нтовая ло́гика (БОК-логика, англ. Rapid Single Flux Quantum, RSFQ) — это технология создания электроники, основанная на квантовых эффектах (эффекте Джозефсона) в сверхпроводящих устройствах, один из вариантов сверхпроводящей логики. Джозефсоновские контакты играют в электронике на основе БОК-логики ту же роль, что и транзисторы в полупроводниковой.

Цифровой фильтр — в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие от цифрового, аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства недискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Линейный фильтр — динамическая система, применяющая некий линейный оператор ко входному сигналу для выделения или подавления определённых частот сигнала и других функций по обработке входного сигнала. Линейные фильтры широко применяются в электронике, цифровой обработке сигналов и изображений, в оптике, теории управления и других областях.

Нелинейная система — динамическая система, в которой протекают процессы, описываемые нелинейными дифференциальными уравнениями.

Амплитудно-фазовая частотная характеристика (АФЧХ) — удобное представление частотного отклика линейной стационарной динамической системы в виде графика в комплексных координатах. На таком графике частота выступает в качестве параметра кривой, фаза и амплитуда системы на заданной частоте представляется углом и длиной радиус-вектора каждой точки характеристики. По сути такой график объединяет на одной плоскости амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики.

Вычислительная гидродинамика (также CFD от англ. computational fluid dynamics) — подраздел механики сплошных сред, включающий совокупность физических, математических и численных методов, предназначенных для вычисления характеристик потоковых процессов.

Усилительные каскады.

При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т.е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. В усилителях обычно используют биполярные и полевые транзисторы и интегральные микросхемы.

Простейшим усилителем является усилительный каскад.

Состав простейшего усилительного каскада:

• УЭ – нелинейный управляемый элемент (биполярный или полевой транзистор);
• R – резистор;
• E – источник электрической энергии.

Усиление основано на преобразовании электрической энергии источника постоянной э.д.с. E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Основные параметры усилительного каскада:

• Коэффициент усиления по напряжению
• Коэффициент усиления по току
• Коэффициент усиления по мощности . Чаще всего

Для многокаскадных усилителей В зависимости от диапазона усиливаемых частот входных сигналов усилители подразделяют:

• УПТ (усилители постоянного тока) — для усиления медленно изменяющихся сигналов;
• УНЧ (усилители низкой частоты) — для усиления сигналов в диапазоне звуковых частот (20-20000 Гц);
• УВЧ (усилители высокой частоты) — для усиления сигналов в диапазоне частот от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц;
• Импульсные/широкополосные — для усиления импульсных сигналов, имеющих спектр частот от десятков герц до сотен мегагерц;
• Узкополосные/избирательные — для усиления сигналов в узком диапазоне частот.

По способу включения усилительного элемента разделяют: В случае применения биполярного транзистора в качестве усилительного элемента:

• С общей базой
• С общим эмиттером
• С общим коллектором

В случае использовании полевого транзистора:

• С общим истоком
• С общим стоком
• С общей базой

Усилительный каскад с общим эмиттером. Усилительный каскад с ОЭ является одним из наиболее распро­страненных усилительных каскадов, в котором эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Схема усилительного каскада с ОЭ для бипо­лярного транзистора структуры п-р-п.

• R_кэ– резистор, включенный в коллекторную цепь транзистора VT, с помощью которого создается вы­ходное напряжение U_вх.
• R₆, — резистор, включенный в цепь базы, за­дает положение рабочей точки биполярного транзистора, обеспечи­вает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутст­вие входного сигнала.
• С₁— конденсатор, служащий для подключения к входу усилительного каскада источника переменного напряжения U_вх и предохраняющий ис­точник переменного напряжения от постоянной составляющей тока базы, таким образом не нарушая режимов работы источника входно­го сигнала.
• С₂ — конденсатор на выходе усилителя, обеспечивает выделение из напряжения на коллекторе транзистора VT переменной составляю­щей выходного напряжения U_вых, которое может являться входным напряжением следующего усилительного каскада или же поступать на некоторое нагрузочное устройство сопротивлением R_н.

Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния: ВАХ коллекторного резистора Rк является линейной, а ВАХ транзистора нелинейна и представляет собой семейство выходных (коллекторных) характеристик эмиттера, включенных по схеме с ОЭ. Расчет нелинейной цепи, т.е. определение I_к,, и U_кдля различных токов базы I_би сопротивлений резистора R_к, можно провести графически. Для этого на семействе выходных характеристик транзистора необходимо провести прямую из точки E_к на оси абсцисс ВАХ резистора Rк, удовлетворяющую уравнению . Точки пересечения нагрузочной прямой с линиями выходных характеристик дают графическое решение уравнения для данного R_б и различных I_б. По этим точкам можно определить ток в коллекторной цепи, напряжения U_кэ и . Сопротивление резистора R_квыбирают исходя из требований усиления входного сигнала. При этом необходимо учитывать, чтобы нагрузочная прямая проходила левее и ниже допустимых значений U_кmax, I_кmax, P_кmax и обеспечивала достаточно протяженный линейный участок переходной характеристики. Эквивалентная схема замещения усилительного каскада с ОЭ и его параметры.Считая , можно записать эти уравнения в виде Решая совместно эти уравнения, получим Знак минус означает, что выходное напряжение находится в противофазе с входным. Получим формулу для коэффициента усиления по напряжению ненагруженного усилительного каскада с общим эмиттером : Так как . Поэтому Входное сопротивление усилительного каскада с ОЭ на низких частотах: Выходное сопротивление усилительного каскада с ОЭ определяется выражением Температурная стабилизация усилительного каскада с ОЭ Существенным недостатком транзисторов является их зависимость от температуры. С повышением температуры за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике увеличивается коллекторный ток транзистора. Это приводит к изменению выходных характеристик транзистора. При увеличении коллекторного тока наΔI_k, коллекторное напряжение уменьшается на.Это вызывает смещение рабочей точки транзистора, что может вывести ее за пределы линейного участка характеристик транзистора, и нормальная работа усилителя нарушается. Для уменьшения влияния температуры на работу усилительного каскада с общим выпрямителем, в его эмиттерную цепь включают резистор R_э, шунтированный конденсаторомСэ. В цепь базы для создания начального напряжения включают делитель напряжения. Увеличение тока эмиттера из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на сопротивлении R_э, что вызывает снижение напряжения, а это вызывает уменьшение тока базы. Ток эмиттера и коллектора сохраняют положение рабочей точки на линейном участке характеристики. Влияние изменения тока коллектора в выходной цепи на входное напряжение транзистора называют отрицательной обратной связью по постоянному току. При отсутствии конденсатора работа усилительного каскада изменяется не только по постоянному току, но и по переменной составляющей. Усилительный каскад с ОК Коллектор транзистора через источник питания соединен непосредственно с общей точкой усилителя, т.к. падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника незначительно. Можно считать, что входное напряжение подается на базу транзистора относительно коллектора через конденсаторС1, а выходное напряжение равно падению напряжения наR_э, которое снимается с эмиттера относительно коллектора. Резистор задает начальный ток смещения цепи базы транзистора, который определяет положение рабочей точки в режиме покоя. При наличииUвхв цепи появляется переменная составляющая, которая создает падение напряжения наR_э() Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с ОК меньше единицы, поэтому его правильнее называть коэффициентом передачи напряжения. (т.к.Так как входное значение K_uблизко к единице, входное сопротивление эмиттерного повторителя много больше входного сопротивленияh₁₁транзистора и достигает нескольких сотен килоом. Выходное сопротивление эмиттерного повторителя имеет значение порядка десятков ом. Таким образом, эмиттерный повторитель обладает очень большим входным и малым выходным сопротивлением, следовательно, его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Усилительный каскад на полевом транзисторе Усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большим входным сопротивлением. В этом каскаде резистор R_c, с по­мощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. В цепь истока включен резистор R_и,создающий необходимое паде­ние напряжения в режиме покояU₃₀,являющееся напряжением сме­щения между затвором и истоком. Резистор в цепи затвора R₃обе­спечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки усилительного каскада. Следователь­но, потенциал затвора ниже потен­циала истока на величину падения напряжения на резисторе R_и от по­стоянной составляющей токаI_и0.Таким образом, потенциал затвора является отрицательным относитель­но потенциала истока. Входное напряжение подается на резистор R₃через раздели­тельный конденсатор С.При подаче переменного входного напряже­ния в канале полевого транзистора появляются переменные состав­ляющие тока истокаi_ии тока стокаi_с, причемi_иi_с. За счет паде­ния напряжения на резисторе R_иот переменной составляющей тока i_и,переменная составляющая напряжения между затвором и истоком, усиливаемая полевым транзистором, может быть значи­тельно меньше входного напряжения: Это явление, называемое отрицательной обратной связью, при­водит к уменьшению коэффициента усиления усилительного кас­када. Для его устранения параллельно резистору R_ивключают конденсатор С_и, сопротивление которого на самой низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше со­противления резистора R_н.При этом условии падение напряжения от тока истокаi_ина цепочке R_и—С_и, называемой звеном автомати­ческого смещения, очень небольшое, так что по переменной состав­ляющей тока исток можно считать соединенным с общей точкой усилительного каскада. Выходное напряжение снимается через конденсатор связи С_с между стоком и общей точкой каскада, т. е. оно равно переменной составляющей напряжения между стоком и истоком. Обратные связи в усилителях Обратной связью в усилителях называют подачу части (или всего) выход­ного сигнала усилителя на его вход. Обратные связи в усилителях обычно создают специально. Од­нако иногда они возникают самопроизвольно. Самопроизвольные обратные связи называют пара­зитными. Если при наличии обратной связи входное напряжение u_вх складывается с напряжением об­ратной связи u_ос,в результате чего на усилитель подается уве­личенное напряжение u_1,то такую обратную связь называют поло­жительной. Если после введения обратной связи напряжения u₁на входе иu_выхна выходе усилителя уменьшаются, что вызывается вычита­нием напряжения обратной связи из входного напряженияu_вх, то такую обратную связь называют отрицательной. Все обратные связи делятся на обратные связи по напряжению и по току.В обратной связи по напряжениюu_oc=βu_вых, где β — коэффициент передачи четырехполюсника обратной связи. В об­ратной связи по токуu_ос = R_осi_вых, гдеR_ос— взаимное сопротив­ление выходной цепи и цепи обратной связи. Кроме того, все об­ратные связи подразделяют на последовательные, при которых цепи обратной связи включают последовательно с входными цепями уси­лителя, и параллельные, когда цепи обратной связи включают параллельно входным цепям усилителя. Влияние отрицательной обратной связи на коэффициент усиления. Для усилителя без обратной связи Вывод: введение отрицательной обратной связи уменьшает коэффициент усиления усилителя в 1+βК раз. Введение положительной обратной связи по­вышает коэффициент усиления усилителя. Однако положительная обратная связь в электронных усилителях практически не применяется, так как при этом, как будет показано далее, стабильность коэффициента усиления значительно ухуд­шается. Несмотря на снижение коэффициента усиления, отрицательную обратную связь в усилителях применяют очень часто. В результате введения отрицательной обратной связи существенно улучшаются свойства усилителя: а) повышается стабильность коэффициента усиления усилителя при изменениях параметров транзисторов; б) снижается уровень нелинейных искажений; в) увеличивается входное и уменьшается выходное сопротивле­ния усилителя, и т. д. Для оценки стабильности коэффициента усиления усилителя с обратной связью следует определить его относительное изменение: Вывод: всякое изменение коэффициента усиления ослабляется действием отрицательной обратной связи в 1+βК раз. Если значение βК много больше единицы, что представляет собой глубокую отрицательную обратную связь, то В случае положительной обратной связи стабильность коэффициента усиления ухудшается: Введение последовательной обратной связи по напряжению увеличивает входное сопротивление. Схема усилителя с параллельной обратной связью: При глубокой отрицательной обратной связи Виды паразитных обратных связей: 1) паразитная связь между каскадами через цепи питания; 2) емкостная (электростатическая) связь, обусловленная паразитными емкостями между выходом и входом усилителя; 3) магнитная связь, появляющаяся при близком расположении входных и выходных трансформаторов усилителя. Усилители постоянного тока Устройства, предназначенные для усиления сигнала очень низких частот (порядка долей Гц), имеющие амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот называются усилителями постоянного тока (УПТ). Требования к характеристикам УПТ:

1. в отсутствие входного сигнала должен отсутствовать выходной сигнал;
2. при изменении знака входного сигнала должен изменять знак и выходной сигнал;
3. напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному напряжению.

Наилучшим образом данным требованиям удовлетворяют УПТ, построенные на дифференциальных балансных каскадах. Они так же обеспечивают эффективную борьбу с так называемым дрейфом нуля УПТ. Построены по принципу четырехплечевого моста. Уравнение баланса моста: При изменении Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе R_нток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R₁, R₂или R₃, R_4,баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R₂, R₃транзисторами, то получим дифференциальную схему, очень часто применяемую в УПТ. Вдифференциальном усилителе сопротивления резисторов R₂, R₃в коллекторных цепях транзисторов выбирают равными, режимы обоих транзисторов устанавливают одинаковыми. В таких усилителях подбирают пары транзисторов со строго идентичными характеристиками. На стабильность электрических режимов существенное влияние оказывает сопротивление резистора R₁, который стабилизирует ток транзисторов. Чтобы можно было использовать резистор с большим сопротивлением R_l, увеличивают напряжение источника питания Ек до значения Е₂Е₁, а в интегральных микросхемах часто вместо резистора R₁применяют стабилизатор постоянного тока, который выполняют на 2—4 транзисторах. Переменный резистор R_пслужит для балансировки каскада (для установки нуля). Это необходимо в связи с тем, что не удается подобрать два абсолютно идентичных транзистора и резисторы с равными сопротивлениямиR₂, R₃. При изменении положения движка потенциометра R_пизменяются сопротивления резисторов, включенных в коллекторные цепи транзисторов, и, следовательно, потенциалы на коллекторах. Перемещением движка потенциометраR_пдобиваются нулевого тока в нагрузочном резисторе R_нв отсутствие входного сигнала. При изменении э. д. с. источника коллекторного питания Е₁или смещения Е₂изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления резисторов R₂, R₃в точности равны, то тока в резисторе R_Hза счет изменения э. д. с. E_l, Е₂не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появится ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ. Аналогично изменения характеристик транзисторов вследствие изменения температуры окружающей среды практически не будут вызывать тока в нагрузочном резисторе. В то же время при подаче входного напряжения на базу транзистора Т₁изменятся его коллекторный ток и напряжение на его коллекторе, что вызовет появление напряжения на нагрузочном резисторе R_н. При тщательном подборе транзисторов и резисторов, при стабилизации напряжений источников питания дрейф удается снизить до 1—20 мкВ/°С или при работе в температурном диапазоне от —50 до +50°С составит 0,1—2 мВ, т. е. в сравнении с небалансным УПТ он может быть уменьшен в 20—100 раз. По таким же схемам можно выполнять усилители на полевых транзисторах. Аналогичные балансные схемы могут быть построены на основе эмиттерных и истоковых повторителей. Операционные усилители Операционный усилитель – дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе в схемах с отрицательной обратной связью. ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов. Схема и условное графическое обозначение интегральной микросхемы К140УД8: Первый каскад на полевых транзисторах VТ₁VТ₁₁иVT₂,VT₉, с каналом р-типа является симметричным дифференциальным каскадом с нагрузочными транзисторамиVТ₃,VT₁₀. ТранзисторыVТ₄,VТ₅образуют стабилизатор тока в истоковой цепи первого каскада. Второй каскад — несимметричный дифференциальный каскад на двух эмиттерных повторителях — выполнен на транзисторах VT₇,VТ₁₂. Связь между первым и вторым каскадами непосредственная. На составном транзистореVТ₁₅, выполнен усилитель напряжения, нагрузкой которого служит полевой транзисторVT₁₇. На выходе микросхем применен бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторахVТ₂₀,VТ₂₂иVТ₂₃,VТ₂₄. Микросхема К140УД8 имеет два входа (4— неинвертирующий, 3 — инвертирующий) и один выход (вывод 7), общий вывод 1 и выводы подсоединения питающих напряжений: 8 — для +E₁и5— для —Е₂. Выводы 2и 6используют для балансировки микро­схемы с помощью переменного резистора сопротивлением 10 кОм. УПТ с преобразованием напряжения Способ снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряже­ния. Структурная схема: Модулятор предназначен для преобразования медленно изменяю­щегося входного напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, причем при из­менении знака входного напряжения изменяется фаза переменного напряжения. Uвх преобразуется с частотой от 50 Гц до 20 МГц. Существует много различных схем модуляторов. Наиболее рас­пространенными из них являются:

1. модулятор с вибропреобразователем;
2. модулятор на транзисторах.

Модулятор с вибропреобразователем пред­ставляет собой маломощный электромагнитный контактор, периодически (с частотой тока, питающего катушку электромагнита) подключающий входное напряжение то к верхней, то к нижней (по схеме) половине первичной обмотки трансформатора. При этом ток в первичной обмотке изменяет направление. Во вторичной обмотке трансфор­матора возникает переменное напряжение. Обычно применяется повышающий трансфор­матор с коэффициентом трансформации до 10, поэтому амплитуда напряжения в не­сколько раз больше входного напряжения. Достоинство вибропреобразователя — не­большой дрейф, который определяется в основном термо-э. д. с. контактной пары и мо­жет быть снижен до 0,01—0,1 мкВ/ч (0,1— 0,5 мкВ/сут). Входное сопротивление равно 1—10 кОм. Д – демодулятор – предназначен для преобразования переменного напряжения на входе, медленно изменяющегося постоянного напряжения на выходе. Преимущества: — низкий дрейф нуля; Недостатки: — плохая АЧХ в области высоких частот. Модулятор, стоящий на входе усилителя, хорошо преобразует постоянные и медленно изменяющиеся напряжения. При увели­чении частоты входного напряжения работа модулятора ухудша­ется. В то же время на выходе демодулятора применяется сглаживающий фильтр. При частоте сигнала, приближающейся к частоте опорного напряжения u_оп, фильтр не может отделить сигнал от опорного напряжения. Для расширения диапазона частот применяют высокочастотные преобразователи, которые позволяют повысить частоту f_опдо 0,5— 10 МГц. Комбинированные усилители сочетают в себе преимущества усилителей без преобразователя напряжения и с ним. Структурная схема комбинированного УПТ: Комбинированный усилитель имеет дрейф на уровне УПТ с преобразованием спектра сигнала, а амплитудно-частотную ха­рактеристику не хуже, чем усилитель без преобразования спектра сигнала. Некоторая неравномерность амплитудно-частотной харак­теристики в области средних частот легко выравнивается за счет отрицательной обратной связи. (КД140УД13). Операционные усилителиявляются основой большого класса усилителей со специальными частотными характеристиками. Это достигается применением различных цепей обратной связи. В операционных усилителях обратная связь отрицательная, если она подается с выхода усилителя на инвертирующий вход. Действительно, при этом напряжение U_oc, находящееся в фазе сU_вых, будет в противофазе с входным напряжением на инверти­рующем входе. И наоборот, обратная связь является положитель­ной, если она подается на неинвертирующий вход. При последо­вательной обратной связи входной сигналu_вхи сигнал обратной связи подаются на разные входы микросхемы, при параллельной — на один.

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад