И КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ В РЭА

В тот период, когда радиоэлектронная аппаратура строилась на базе ламп и дискретных транзисторов, о шовными пассив­ными элементами, с использованием которых формировались блоки РЭА, обладающие различными свойствами и осуществляю­щие сложные преобразования над сигналами, были дискретные конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы. В аппаратуре их было примерно в 10 раз больше, чем активных элементов - электровакуумных приборов и транзисторов. Другими словами, по количеству они были основными элементам г РЭА.

Выпуск конденсаторов и резисторов был сосредоточен на специализированных предприятиях и осуществлялся в условиях массового и крупносерийного производства. Эти элементы вы­пускались с широкими диапазонами емкостей — от единиц пикофарад до сотен микрофарад и сопротивлений — от единиц Ом до сотен мегом, были рассчитаны па разные рабочие напряже­ния, мощности и имели различные характеристики по стабиль­ности и точности. Катушки индуктивности конструировались и .выпускались непосредственно на аппаратостроительных заводах 8 основном для фильтров и контуров, где они применялись со­вместно с конденсаторами. Стоимость этих элементов была невысока.

Проблемы применения конденсаторов, катушек индуктивно­сти к резисторов РЭА были связаны с их креплением, установ­кой, электрическим соединением габаритами стабильностью, точностью и надежностью. Было создано и реализовано мно­жество вариантов их герметизации и защиты от внешних воздействий. Если 10 электрическим параметрам они удовлетворяли потребностям промышленности того времени, то трудоемкость производства аппаратуры, большая масса и низкая надежность являлись существенными недостатками этих элементов, так как их применение предусматривало значительное количество ручных сборочных операций. Усилия, направленные на автоматизацию сборочных работ и использование бескорпусных
элементов с последующей защитой от внешних воздействий сборочных единиц более высокого иерархического уровня, позволили несколько снизить трудоемкость изготовления и массогабаритные характеристики.

Как неоднократно подчеркивалось, революцию в элементной базе и в конструировании РЭА вызвала микроэлектроника. Полупроводниковая электроника пошла по пути совместного фор­мирования резистивных и активных элементов в одном кристал­ле, а также емкостных элементов, но с существенным ограниче­нием по емкости и сопротивлению, их стабильности и потерям.

Гибридные микросхемы позволили формировать пленочные ре­зисторы, конденсаторы и катушки индуктивности в широком диа­пазоне сопротивлений, емкостей и индуктивностей, что значительно уменьши; о потребность в дискретных электрорадиоэле­ментах (ЭРЭ). Однако анализ наиболее современных конструк­ций РЭА на основе БИС и устройств функциональной электро­ники показал, что в определенных условиях дискретные конден­саторы, катушки индуктивности и резисторы необходимы в ап­паратуре и ''не могут быть заменены. Из анализа производства этих элементов известно, что количество выпускаемых резисто­ров не уменьшается и по прогнозам сохранится на ближайшие 5—10 лет, а выпуск конденсаторов значительно возрастает: при­мерно в 2—3 раза за каждые 5 лет. Особенно будет увеличи­ваться выпуск микроконденсаторов, а также и электролитических алюминиевых конденсаторов. Следует отметить также и качест­венное развитие этих элементов. Их параметры и характери­стики существенно улучшаются, повышаются стабильность, точ­ность и надежность, уменьшаются масса, габариты и т. д. По изложенным причинам конструктор РЭА и в будущем будет сталкиваться с необходимостью применения дискретных конденса­торов, катушек индуктивности и резисторов. Следовательно, он должен иметь представление о свойствах и возможностях кон­денсаторов и резисторов и обеспечивать их правильный выбор в конструкциях РЭА, а в отношении катушек индуктивности — уметь их конструировать.

Применять дискретные конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы необходимо в следующих случаях:

1) при создании конденсаторов большой емкости, более 1000 пФ, что важно для цепей и фильтров питания;

2) при использовании конденсаторов и резисторов с высокой точностью, стабильностью параметров и малыми потерями, что необходимо для фильтров, контуров, а также усилителей, генераторов сигналов специальной формы и фильтров, построенных на операционных усилителях, когда основные их свойства опре­деляются качеством дискретных конденсаторов I резисторов (важ­ная роль конденсаторов и резисторов и требования к их пара­метрам в электрических и активных НС-фильтрах будут рас­смотрены в гл. 5);

3) при использовании конденсаторов переменной емкости с механическим и электрическим управлением емкости;

4) при применении резисторов на большие мощности, более 0,1 ... 0,25 Вт;

5) при создании электрических фильтров с фиксированной настройкой и электрических линий задержки, когда требуются малогабаритные катушки индуктивности в широком интервале значений индуктивности и при высоких требованиях к потерям (добротности) и стабильности;

6) при создании электрических высокочастотных перестраи­ваемых контуров, где требуются катушки индуктивности в ши­роком интервале значений индуктивности и с высокими требо­ваниями к стабильности;

7) при создании высокочастотных дросселей.

По характеру изменения емкости различают конденсаторы постоянной и переменной емкости, когда емкость должна суще­ственно изменяться в процессе функционирования РЭА. Разли­чают конденсаторы с механически и электрически управляемой емкостью. Существуют также подстроечные конденсаторы, у которых емкость изменяется при регулировке аппаратуры, и спе­циальные, у которых емкость изменяется по определенному за­кону при действии различных внешних воздействий (температуры, механических усилий и т. д.).

В зависимости от материала диэлектрика различают вакуум­ные, воздушные, с твердым неорганическим диэлектриком (слю­дяные, керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, пле­ночные), с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные) и электролитические (танталовые, алюминие­вые) конденсаторы. Основными электрическими параметрами конденсатора явля­ются емкость С и рабочее напряжение U_р. Конденсатор как за­конченное устройство обладает рядом паразитных параметров

К числу их следует отнести индуктивность L_С, сопротивление изоляции R_из, сопротивление потерь R_п, емкость между выводами конденсатора и корпусом С₃.

Схема замещения конденсатора, учитывающая основные и паразитные параметры, дана на рисунке. Паразитная индуктивность конденсатора L_С определяется конструкцией, размерами обкладок и ограничивает их применение на высокой частоте.

Сопротивление потерь R_п определяется тем, что под действием переменного поля происходит изменение состояния (поляризация) диэлектрика, на которое затрачивается мощность. Это сопротивление зависит от частоты. Для количественной оценки потерь используется понятие тангенса угла потерь:

, где - частота; С – емкость конденсатора.

Или применяют понятие добротности конденсатора:

Класс	0,01	0,02	0,05			I	II	III	IV	V	VI
Допуск %	±0,1	±0,2	±0,5	±1	±2	±5	±10	±20	-10..+20	-20..+30	-20..+50

Большое значение имеют такие параметры конденсаторов как точность и стабильность при наличии внешних воздействий. По точности или отклонению емкости от номинального значения конденсаторы разделяются на классы (см. таблицу).

В некоторых типах конденсаторах, например с керамическим диэлектриком, имеется возможность управлять стабильностью при действии температуры. Тогда конденсаторы классифицируются также по ТКЕ, который определяется по формуле:

, где С_0T – значение емкости при номинальной температуре; Т – температура.

Керамические конденсаторы разделяются на 16 групп по ТКЕ, имеющим значение от

до .

Стабильность конденсаторов во времени характеризуется коэффициентом старения:

, где t – время; С₀ – значение емкости непосредственно после изготовления.

Параметры конденсаторов приводятся в ТУ и ГОСТах. Выбор типа конденсатора в каждом конкретном случае должен осуществляться с учетом как его электрических параметров, так и конструктивных особенностей и стоимости.

Физические процессы, происходящие при длительном функционировании конденсаторов. Основным факторами, определяющими изменение параметров конденсаторов, а также их отказы, являются электрический режим, температура, влажность и время работы.

При номинальном рабочем напряжении U_р.ном конденсатор должен работать длительное время (до 5000 … 20000 ч);

Электрический пробой возникает при кратковременном приложении высокого напряжении, когда свободные электроны, имеющиеся в диэлектрике, приобретают больше скорости и число их лавинообразно растет.

Ионизационный пробой происходит из-за наличия остаточных воздушных включений в порах диэлектрика или в прослойках между диэлектриком и обкладками. Тепловой пробой наблюдается только при длительном действии электрического напряжения и связан с процессами выделения тепла в результате прохождения токов проводимости и потерь.

Электрохимический пробой определяется электрохимическими процессами в диэлектрике при действии постоянного напряжения и повышенной температуры.

Так как процессы при старении конденсаторов носят необратимый характер, то описание свойств конденсаторов при длительном функционировании, как и всех нагруженных элементов, должно осуществляться с использованием теории старения.

За последние годы получили широкое распространение монолитные многослойные керамические конденсаторы, в том числе в аппаратуре на ИС. Такие конденсаторы называются бескорпусными. Для использования совместно с ИС они могут выпускаться без проволочных выводов в виде таблеточной конструкции.

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрической подкладки используется тонкий слой оксидной пленки с высокими изоляционными свойствами. Пленки некоторых металлов, например алюминия, тантала, обладают необходимыми диэлектрическими свойствами для использования их в конденсаторах.

Основное преимущество электролитических конденсаторов состоит в возможности получение больших емкостей при малых габаритах. Конденсаторы изготавливаются как полярные, так и неполярные, их номинальная емкость 1…1000 мкФ, масса 0,6 … 25 г.

Конденсаторы переменной емкости. В РЭА часто необходимо подстраивать емкость в процессе регулировки.

Конструкция подстроечного конденсатора намного сложнее, чем постоянного. Наличие механических элементов скользящего контакта приводит к значительному изменению свойств конденсатора, понижение его надежности при работе в условиях внешних воздействий.

Напомним, что емкость конденсатора пропорциональна площади обкладок, диэлектрической проницаемости прокладки и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками электрическими методами емкость можно изменять, меняя либо диэлектрическую проницаемость, либо расстояние между обкладками. Существуют материалы, диэлектрическая проницаемость, которых существенно зависит от напряженности электрического поля. Это сегнетоэлектрики или сегнетокерамика. Конденсаторы на основе этих материалов называют варикондами, их конструкция аналогична конструкции керамических дисковых конденсаторов. Диаметр диска изменяется от 2 до 25 мм, максимальная емкость — от 650 пФ до 0,095 мкФ.

Конденсаторы нашли также широкое применение в радиоча­стотных фильтрах как активных (RC)—см. гл. 5, так и пассив­ных (LC).

Общие свойства конденсаторов, которые следует учитывать при их выборе, иллюстрируются рисунках. Приведены значения емкостей в зависимости от типа конденсатора. Показаны области частот, в которых ис­пользуются конденсаторы разных типов.

Тема 2.4 ПАССИВНЫЕ LC-ФИЛЬТРЫ И АКТИВНЫЕ RC-ФИЛЬТРЫ

Фильтры на ПЗС относятся к дискретно – аналоговым: в них входной сигнал сначала дискретизируется во времени, т.е. представляется совокупностью выборок (отсчетов), а затем выбором в аналоговой форме соответствующим образом обрабатывается. Фильтры подразделяются на трапеверсальне, рекурсивные, кроемфторы.

Транcверальные фильтры (ТФ) представляют собой ЛЗ с отводами, определенные весовые коэффициенты. Взвешенные сигналы всех отводов суммируются.

Структурная схема ТФ.

Совокупность весовых коэффициентов определяет импульсную характеристику фильтра, т.е. его входной сигнал при воздействии на вход единичного импульса. Если на вход поступает произвольный сигнал , то входной сигнал определяется как

(3)

которое представляет собой выражение функции свертки входного сигнала с совокупностью весовых коэффициентов. Здесь - дискретные значения входного сигнала: - полное время задержки всего фильтра; - весовой коэффициент. ТФ не имеет образных связей и его можно рассматривать как частный случай фильтра, имеющего обратные связи и характеризующиеся бесконечной (не ограниченной во времени) импульсной характеристикой. Погрешность весовых коэффициентов в первую очередь связаны с точностью формирования электродов с требуемыми геометрическими размерами, это определяется операцией фотолн. Увеличение размеров электродов, ведет к уменьшению погрешности их формирования и погрешности получаемых весовых коэффициентов. Шумы являются ограничивающим фактором для ТФ, причем определяющее значение играют не собственные шумы ПЗС, а шумы схемы выборки (хранения и выходного усилителя). Линейность является важной характеристикой, определяющей точность реализации фильтром заданной функции. Имеется принципиальный источник нелинейности, обусловленный нелинейной зависимостью заряда обеденного слоя от поверхностного потенциала и, следовательно от потенциала затвора. ТФ на ПЗС, используемые в качестве полосовых , предназначены для выделения в частотном спектре сигнала определенной полосы частот, в пределах которой осуществляется пропускание, а вне ее – подавление. Импульсная характеристика полосового фильтра, а значит и значение весовых коэффициентов отводов определяются с помощью применения преобразователя Фурье и заданной частотной характеристики. При разработке и применении ТФ на ПЗС необходимо учитывать влияние потерь передачи. На практике приемлемо неравенство

,

где N – число разрядов,

- потери на один разряд.

Учитывая, что и , данное неравенство можно переписать

,

здесь

Видно, что при заданном полоса ограничивается потерями . Фильтры на ПЗС реализующие преобразование Фурье, удовлетворяют широкому классу заданного спектрального анализа и находят применение в устройствах сжатия спектра TV амплитуда изображений, акустического анализа изображений, акустического анализа, доп. Обработки в радиолокаторах. Если в схему ТФ внести обратные связи, то получается рекурсивный фильтр. Рекурсивный фильтр (РФ) в отличии от ТФ имеет неограниченную во времени импульсную характеристику. Наличие обратных связей затрудняет реализацию такого фильтра на ПЗС, т.к. требуется специальные усилители со стабильным коэффициентом усиления и высокая сквозная линейность. РФ рекомендуется применять в тех случаях, когда требуется получить узкую полосу протекания и хорошее подавление вне этой полосы. Разработанные РФ содержит несколько ЛЗ на ПЗС и внешние обслуживающие электронные схемы.

Корреляторы предназначены для реализации свертки двух аналоговых сигналов. Структурная схема коррелятора на ПЗС содержит две ЛЗ с отводами, подключенными к умножителям. Выходы умножителей отдельных разрядов суммируются. Первый входной сигнал вводится в первую ЛЗ и хранится там. Затем во вторую ЛЗ вводится второй сигнал, сигналы соответствующих отводов перемножаются, суммируются и на выходе последовательно формируются выборки свертки двух сигналов. С функциональной точки зрения корреметор эквивалентен транфереальному фильтру (ТФ) с изменяемыми (программируемыми) весовыми коэффициентами. Наиболее просто осуществить программирование весовых коэффициентов, при котором они принимают два значения t1. В такой схеме входные сигналы параллельно вводятся в ПЗС – элементы и хранятся в них.

Дальнейшее развитие фильтров на ПЗС происходят в направлении расширения их функциональности и внутриприталической интеграции внешнего электронного обрамления, причем такие структуры являются, по существу аналоговыми процессорами.