Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 1 из 102)
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
Кафедра Электронной техники и технологий
Дик С.К.
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине
ЭЛЕКТРОРАДИОЭЛЕМЕНТЫ, УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
Для студентов специальности
1-38 02 03 Техническое обеспечение безопасности
Часть 1
Минск 2006
1.0 ВВЕДЕНИЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ РЭС.
Элементная база РЭС – это электрорадиоэлементы (ЭРЭ), интегральные микросхемы (ИС) и устройства функциональной микроэлектроники (УФМЭ).
Электрорадиоэлементы (ЭРЭ) включают соединители, резисторы, конденсаторы, индуктивности и другие. Интегральные микросхемы (ИС) включают полупроводниковые и гибридные, устройства функциональной микроэлектроники (УФМЭ) – приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные приборы, оптоэлектронные приборы и другие.
Резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, интегральные микросхемы представляют собой металлургические конструкции, распределение химических элементов, в которых в процессе эксплуатации не должно изменяться (процессы эксплуатационного старения, деградации и т.
д. рассматриваются отдельно), т. е. они образуются на так называемых статистических неоднородностях и конструкторско-технологической интеграции.
Функциональная электроника – это новое перспективное направление в современной элементной базе РЭА. Устройства функциональной электроники основаны на использовании динамических неоднородностей и физических принципов интеграции. Это отличает их от транзисторов, диодов. ИС и других элементов РЭА.
В данном курсе рассматривают конструкции, принципы функционирования различных радиотехнических устройств, образующих элементную базу средств медицинской электроники.
1.1. РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА РЭС
1.1.1 РАДИОТЕХНИКА И РАДИОЭЛЕКТРОННАЯ АППАРАТУРА
Радиотехника - то область науки и техники, основанная на применении электромагнитных волн для передачи, преобразования, обработки и хранения информации. Информация играет все возрастающую роль в жизни человеческого общества
В зависимости от того, каков характер и назначение информации, передаваемой и извлекаемой с помощью радиотехнических средств, в радиотехнике принято рассматривать разные радиотехнические системы (РТС), например, радиолокационные, радионавигационные, медицинские и др.
Радиотехнические системы можно определить как управляемый оператором комплекс РЭА, размещаемой на объектах и подвергающейся воздействиям внешней среды и радиоволн (радиосигналов и помех) в пространстве.
Радиоэлектронная аппаратура предназначена для передачи, обработки и преобразования сигналов и информации, которая в них содержится, в соответствии с принципом действия РТС. Свойства РЭА описываются совокупностью параметров и характеристик: радиотехнических, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических. По функциональному признаку РЭА можно разделить на устройства: антеннофидерные, передающие, приемные, обработки информации и др.
Преобразование сигналов. Рассмотрим наиболее характерные преобразования сигналов в РЭА.
1. Излучение и прием сигнала на антенну.
2. Усиление сигнала. Для этого необходимо использование активных элементов: транзисторов, электровакуумных приборов и т. д.
3. Фильтрация сигнала (выделение его из помех).
4. Генерация колебаний разной формы.
5. Модуляция и демодуляция. Они необходимы для "наложения" сообщения на высокочастотный сигнал или выделения из него. Как правило, эти функции осуществляются с использованием нелинейных преобразователей.
6. Запоминание информации (сигналов и алгоритмов преобразований сигналов). Выполнение этих и алгоритмов обуславливается в основном внедрением в РЭА микропроцессорных устройств, функционирование которых определяется программой, записанной в запоминающей устройствах.
7. Вторичное преобразование информации, т.е. сигналов, отображающих информацию. Выполняется обычно специализированными ЭВМ, работающими совместно с РЭА.
8. Отображение информации. Если потребителем информации, выдаваемой радиотехнической системой, является какое-то устройство, например ЭВМ, то эта функция может отсутствовать в РЭА. Если потребитель информации – человек, то она должна быть представлена в виде, удобном для зрительного и слухового восприятия.
9. Коммутация и соединение цепей. Это функции связаны с необходимостью переключения режимов, подключения измерительных устройств, электрического соединения элементов, расположенных в разных конструктивах и пространственно разнесенных и т.п.
Основные функции, выполняемые на основе обработки сигналов различными устройствами
Важнейшие функции, выполняемые различными устройствами в РЭА, направлены на преобразование сигналов, запись и хранение информации, ее отображение, замыкание, размыкание цепей и т. д.
Все радиотехнические сигналы, за исключением случайных, регулярны и выражены определенной функцией времени. Регулярные сигналы разделяются на периодические и непериодические. Периодические сигналы несут информацию только в одном периоде.
Сигналы могут быть синусоидальными, несинусоидальными, прямоугольными, дискретными управляющими сигналами в виде периодической последовательности прямоугольных и трапецеидальных импульсов, случайными сигналами и сигналами, полученными амплитудной модуляцией колебаний несущей частоты.
Синусоидальный сигнал характеризуется амплитудой Um, периодом T или частотой ω =2π / T, начальной фазой – ψ. Если начало синусоиды смещено по оси на t0 , но начальная фаза ψ =ω t0 . Знак этой фазы отрицательный при сдвиге синусоиды вправо. Мгновенное значение синусоидального напряжения U=Um sin(ω t+ ψ).
Характеристики импульсных сигналов: длительность фронта τф; среза τс (заднего фронта); импульса τ; период следования Тс; частота следования Fс; отношение Тс / τ , называемое скважностью.
Анализ периодических сигналов производят не только временным способом, но и спектральным, который основан на разложении сигналов в тригонометрический ряд Фурье. Цель временного анализа определить – изменение формы сигнала по отклику цепи на оказываемое воздействие. Спектральный анализ позволяет выявить изменение сигнала по преобразованию спектра данной цепью.
Мгновенное значение сигналов можно записать в виде ряда Фурье:
∞ ∞
U=U0+∑U'nm sin nω t+ ∑U''nm cos nω t
n=1 n=1
где U0 – постоянная составляющая; Unm – амплитуда n – гармоники; U'nm= Unm cos ψn ; U''nm= Unm sin ψn .
Такая запись удобна для сигнала с четной или нечетной временными функциями. Спектральная функция "четного" сигнала содержит только постоянные и косинусовые составляющие, а "нечетного" – только постоянные и синусовые составляющие. Спектр периодических сигналов не сплошной, а линейчатый, т. е. между соседними линиями спектра имеются "просветы" шириной в частоту следования сигналов Fс = I / Тс (рис. 1.1.1).
Фильтрация – это такой вид преобразования сигналов, который предназначен для выделения ряда гармонических составляющих из спектра частот несинусоидальных колебаний. Фильтр должен пропустить колебания в определенном интервале частот, который называется полосой прозрачности, и максимально ослаблять их на других частотах, образующих полосу задерживания, или непрозрачности. Величину ωс, разделяющую эти полосы, называют частотой среза, или граничной частотой фильтра. Различают фильтры нижних частот (НЧ), ВЧ, полосовые пропускающие (полосовые) и полосовые задерживающие (заграждающие, режекторные) фильтры
U
U1m
U2m U3m F1 2F1 ψ3
0 0 0
t F1 2F1 3F1 f ψ1
ψ2 3F1 f
Тс
Рисунок 1.1.1 Форма периодического сигнала и его частотный и фазовый спектры
α α α α
ФНЧ ФВЧ0 ωс ω 0 ωс ω 0 ωс ω 0 ωс1 ω0 ωс2 ω
а) б) в) г)
Рисунок 1.1.2 Частотные характеристики идеального (а) и реального фильтров НЧ (б), ВЧ (в) и полосового фильтра (г)
Фильтры на дискретных электрорадиоэлементах (ЭРЭ) строятся в виде цепочки линейных четырехполюсников – Г-образные, Т– образные, П – образные.
Электромеханические фильтры – пьезоэлектрические, магнитострикционные и на поверхностных акустических волнах позволяют получить весьма узкую полосу пропускания, достигающую 0,1% ω0. В области высоких частот фильтрами могут служить цепи с распределенными параметрами – длинные волны, согласованные с нагрузкой. На высоких частотах фильтр НЧ приобретает свойства интегрирующей цепи.
Усиление сигналов. Усилителем называется четырехполюсник, предназначенный для увеличения за счет энергии источника питания интенсивности колебаний при неизменной, по возможности, их форме. Различают усилители напряжения, тока и мощности. В усилителях напряжения сигнал одновременно усиливается и по мощности. Тем самым усилитель принципиально отличается от трансформатора или колебательного контура, которые способны повышать интенсивность колебаний только по напряжению или току, но не по мощности.