ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ И КОМПОНЕНТЫ

СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Проектирование электронных схем сводится к решению задач синтеза и анализа. Под синтезом понимают создание (интуитивное или формализованное) какого – то варианта схемы, не обязательно окончательного. В процессе проектирования синтез, как задача, может выполняться много раз, чередуясь с решением задач анализа.

В задачу анализа входит изучение свойств схемы по полученной в результате синтеза структуре, по характеру входящих в схему компонентов и их параметров. В процессе проектирования синтез и анализ могут выполняться много раз, перемежаясь (чередуясь) друг с другом.

Цель анализа – получение наиболее полной информации о свойствах схемы, установления соотношений между входными и выходными параметрами схемы.

Обычно анализ схемы сводится к решению следующих задач:

а) построение модели электронной схемы, адекватной заданной структуре;

б) определение с помощью модели функций и параметров схемы;

в) построение частотных, временных и др. характеристик схемы.

В процессе анализа производится:

а) исследование возможностей схемы по функциональному преобразованию сигналов, точности преобразования, формирования сигнала заданной формы и т.п.;

б) поиск путей совершенствования схемы в части расширения её функциональных возможностей, повышения точности, стабильности, быстродействия и проч.

СХЕМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

При проектировании электронных схем различают следующие схемные параметры: а)внутренние; б)внешние; в)выходные.

Внутренние параметры характеризуют отдельные компоненты проектируемой схемы. Их делят на первичные внутренние и вторичные внутренние параметры.

Первичные внутренние (или физико-технические) параметры отражают электрофизические и конструктивно – технологические свойства компонентов схем (геометрические размеры отдельных областей полупроводниковых приборов, электрические характеристики материалов и т.п.). Для проектировщиков электронных устройств эти параметры особого интереса не представляют.

Вторичные внутренние (или электрические) параметры характеризуют соотношения между токами и напряжениями на полюсах (выводах) компонентов схем. Это, например, сопротивления резисторов, ёмкости конденсаторов, и т.п.

Между вторичными и первичными внутренними параметрами существует связь, которая может иметь вид уравнений, таблиц, графиков, матриц и т.д.

Внешние параметры характеризуют условия, в которых эксплуатируется электронное устройство (характеристики входного воздействия; параметры и характер нагрузки; уровень помех; климатические условия и т.п.).

Выходные параметры (характеристики) отражают количественные значения технико-экономических показателей схемы и определяют её функциональное назначение. Выходные параметры тоже делят на первичные и вторичные.

К первичным выходным параметрам (характеристикам) относят токи и напряжения на полюсах компонентов схемы, входные и выходные напряжения и токи, узловые напряжения, контурные токи и т.д.

Вторичные выходные параметры (схемные функции) представляют собой зависимости относительно внутренних вторичных и выходных первичных параметров схемы. В анализе схем наиболее важными из них являются аналитические зависимости от выходных первичных параметров схемы и комплексной частоты. Схемные функции во временной области представляют в виде импульсной и переходной характеристик, в частотной области – АЧХ, ФЧХ, АФЧХ.

Ко вторичным выходным параметрам схемы относят также параметры (функционалы) названных зависимостей: входное и выходное сопротивление схемы в диапазоне частот или на фиксированной частоте; граничные частоты полосы пропускания; допустимая величина помехи по входному воздействию; мощность, рассеиваемая в элементах схемы; амплитуда входного сигнала и т.д.

ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ И КОМПОНЕНТЫ

ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Любая электронная цепь характеризуется двумя показателями:

а) набором элементов;

б) способом соединения элементов.

Свойства элементов цепей описываются соотношениями между токами и напряжениями на их выводах (полюсах). В зависимости от числа полюсов различают двухполюсные и многополюсные элементы.

При анализе цепей реальные элементы заменяют их схемными моделями (схемами замещения). Вид моделей зависит от:

а) режима работы цепи;

б) требуемой точности отображения процессов, протекающих в данном элементе, степени учёта влияния внешних условий и др.

В результате такого подхода появилась возможность свести огромное многообразие реальных элементов электронных цепей к сравнительно небольшому числу их идеальных моделей – схемных компонентов (или компонентов схем). Различные соединения компонентов отображают с необходимой точностью свойства элементов цепей и самих цепей. Таким образом, исследование электронных цепей заменяют по существу анализом соответствующих им электронных схем.

Схемные компоненты, как и элементы цепи, могут быть двухполюсными и многополюсными; причём, многополюсные могут представлять собой объединение более простых компонентов.

Если токи и напряжения компонентов схемы связаны между собой линейными зависимостями, то такие компоненты называют линейными. Постоянные коэффициенты в этих зависимостях называют параметрами компонентов (R, L, C, и т.п.)

Линейные компоненты, параметры которых являются функциями времени, получили название параметрических.

Если токи и напряжения компонентов связаны между собой зависимостями, отличающимися от линейных, то такие компоненты называют нелинейными. Нелинейные компоненты могут быть также параметрическими.

Схема является линейной, если все её компоненты линейны. Схема является параметрической или нелинейной, если в неё входит хотя бы один параметрический или нелинейный компонент.

Электронные цепи всегда нелинейны, но в ряде случаев они могут быть представлены линейными или параметрическими схемами, что заметно упрощает их анализ.

1.3 ВИДЫ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ЦЕПЕЙ

В процессе анализа электронных цепей их элементы заменяют схемными моделями (или схемами замещения). Как правило, модели состоят из пассивных двухполюсников и зависимых (управляемых) источников тока или напряжения. В соответствии с режимом работы анализируемой цепи и задачи анализа эти модели можно разделить на четыре группы:

1) низкочастотные линейные (малосигнальные) модели – для квазилинейного режима на низких частотах;

2) нелинейные модели постоянного тока – для статического режима и больших низкочастотных сигналов;

3) высокочастотные линейные (малосигнальные) модели – для квазилинейного режима на высоких частотах;

4) нелинейные универсальные модели – для переходных режимов при больших сигналах.

В процессе анализа вопрос о применении той или иной модели решают путём достижения наилучшего компромисса между двумя противоречивыми требованиями: с одной стороны – высокой степенью точности отображения реальных процессов, с другой – предельной простотой модели. Можно, конечно, повсеместно использовать универсальные модели, но эти модели сложны и при этом неоправданно усложняется решение сравнительно простых задач. Поэтому важно обеспечить рациональное представление элементов цепей их моделями на любом уровне.

Низкочастотные линейные модели. Для получения таких моделей электровакуумных и полупроводниковых приборов обычно применяют метод представления прибора в виде “чёрного ящика”. При этом не рассматривают физические процессы, происходящие в приборе; а соответствующие характеристики или параметры модели получают: а) на основании измерения напряжений и токов на внешних выводах прибора, б) или на основании статических в.а.х. прибора.

Нелинейные модели постоянного тока. Эти модели получают в основном на основе соответствующей аппроксимации статических в.а.х. прибора.

Зачастую можно рассчитывать цепь, содержащую нелинейные элементы, как линейную. Для этого заменяют нелинейную в.а.х. элемента эквивалентной, составленной из ряда отрезков прямых линий, заменяющих собой соответствующее число участков в.а.х. реального элемента. Т.е. нелинейный элемент заменяют эквивалентной цепью, составленной из линейных элементов. Иначе говоря, в основу построения модели элемента кладётся кусочно-линейная аппроксимация его нелинейной в.а.х..

Нелинейные универсальные модели, высокочастотные модели. При построении универсальных моделей следует учитывать физические процессы, происходящие в приборах. Так в полупроводниковых приборах это процессы накопления неосновных носителей в области p-n-переходов, процессы изменения общего заряда переходов и т.п. При составлении модели электровакуумных приборов на высоких частотах следует учитывать межэлектродные ёмкости, индуктивности, и взаимоиндуктивности выводов, время пролёта электронов, диэлектрические потери и т.д.

Высокочастотные линейные модели для малых сигналов обычно строят путём упрощения нелинейных универсальных моделей.