Классификация
Для целей передачи, преобразования, и хранения информации применяются электронные устройства. Их работа основана на взаимодействиях заряженных частиц с электромагнитными полями, посредством которых и происходит то или иное преобразование электроэнергии, служащее конкретным целям.
Эти устройства могут, например, генерировать или усиливать электромагнитные колебания, служить средством вычисления, или быть средством хранения информации (память).
Электронным прибором (ЭП) называют устройство, в котором в результате взаимодействия свободных или связанных носителей заряда с электрическим, магнитным и переменным электромагнитным полем обеспечивается преобразование информационного сигнала или преобразование вида энергии.
Область применения электронных устройств в современном мире поистине безгранична, и почти каждый современный электрический прибор имеет их в своей конструкции.
Электронные устройства делятся на два класса: аналоговые и цифровые. Аналоговые устройства работают с непрерывно изменяющимися сигналами, а цифровые устройства – с сигналами в цифровой форме, т.е. в форме дискретных импульсов, по сути, с информацией, представленной посредством двоичного кода.
Для аналоговых устройств характерно непрерывное изменение сигнала в соответствии с физическим процессом, который он описывает. По сути, такой сигнал является непрерывной функцией с неограниченным числом значений в различные моменты времени.
Например: температура воздуха меняется, и соответствующим образом меняется аналоговый сигнал в виде перепадов напряжения, или маятник меняет свое положение, совершая гармонические колебания, и снимаемый аналоговый сигнал будет иметь форму синусоиды. Здесь электрический сигнал несет полную информацию о процессе.
Аналоговые устройства просты, надежны и обладают высоким быстродействием, что и обеспечило им весьма широкое применение, невзирая на не самую высокую точность обработки сигналов. Тем не менее, к недостаткам аналоговых устройств относятся: низкая помехоустойчивость, сильная зависимость от внешних факторов (температура, старение элементов, внешние поля), а также искажения при передаче и низкая энергоэффективность.
К аналоговым устройствам относятся:
− источник питания,
− выпрямитель,
− усилитель,
− компаратор,
− фазоинвертор,
− генератор,
− смеситель,
− мультивибратор,
− магнитный усилитель,
− фильтр,
− аналоговый умножитель,
− аналоговый компьютер,
− согласователь импеданса и т.д.
Цифровые электронные устройства работают с дискретными сигналами. Как правило, такой цифровой сигнал состоит из последовательности импульсов, значений в которой всего два – «Ложь» или «Истина» (0 или 1). В целом цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементных базах: на электромагнитных реле, на транзисторах, на оптоэлектронных элементах, или на микросхемах.
Главным образом, современные цифровые схемы строятся из логических элементов, и могут быть связанны между собой посредством триггеров и счетчиков. Они нашли широкое применение в системах автоматизации и робототехнике, измерительных приборах, а также в системах радио и телекоммуникации.
Цифровой сигнал устойчив к помехам, его легко обрабатывать и записывать, а также передавать без искажений, что и дает электронным устройствам на этой основе неоспоримое преимущество перед аналоговыми устройствами.
К цифровым устройствам относятся:
− триггер,
− логический элемент,
− счетчик,
− компаратор,
− генератор тактовых импульсов,
− дешифратор,
− шифратор,
− мультиплексор,
− демультиплексор,
− сумматор,
− полусумматор,
− регистр,
− арифметическо-логическое устройство,
− микропроцессор,
− микрокомпьютер,
− микроконтроллер,
− память и т.д.
Режимы, характеристики и параметры электронных приборов
Совокупность условий, определяющих состояние или работу электронного прибора, принято называть режимом электронного прибора, а любую величину, характеризующую этот режим (к примеру, ток или напряжение), – параметрами режима. Эти понятия важны потому, что определяют свойства электронного прибора, связанные с выполнением определенных функций в радиоэлектронной аппаратуре. Говорят об усилительных, импульсных, частотных, шумовых, температурных и механических свойствах, о надежности и т.п. Количественные сведения об этих свойствах называют параметрами прибора (а не режима!). К ним, например, относят коэффициенты передачи токов, характеристические частоты, коэффициент шума, интенсивность отказов, ударную стойкость и др. Конечно, свойства прибора, а, следовательно, и параметры прибора зависят от его режима работы и параметров режима. Может быть поэтому, в справочниках они не разделяются, а даются вперемежку под общим названием «Параметры».
Вначале остановимся на понятиях статического и динамического режимов приборов.
Статическим называют режим, когда прибор работает при постоянных («статических») напряжениях на электродах. В этом режиме токи в цепях электродов не изменяются во времени и распределения зарядов и токов в приборе также постоянны во времени. Другими словами, в статическом режиме все параметры режима не изменяются во времени. Однако, если хотя бы один из параметров режима, например напряжение на каком-то электроде, изменяется во времени, режим называется динамическим.
В динамическом режиме поведение прибора существенно зависит от скорости или частоты изменения воздействия (например, напряжения).
У большинства приборов эта зависимость объясняется инерционностью физических процессов в приборе, например конечным временем пролета носителей заряда через рабочее пространство или конечным временем жизни носителей. Конечность времени пролета приводит к тому, что мгновенное значение тока электрода, к которому движутся носители, в выбранный момент времени будет определяться не только значением напряжения на электроде в этот момент, но, естественно, и предысторией, т.е. всеми значениями напряжения от момента начала движения в приборе до прихода носителя заряда к рассматриваемому электроду. Следовательно, связь мгновенных значений тока и напряжения в динамическом режиме должна отличаться от связи постоянных значений тока и напряжения в статическом режиме. Однако если время пролета значительно меньше периода изменения переменного напряжения, то это отличие во взаимосвязи будет несущественным, т.е. связь мгновенных значений будет практически такой же, как постоянных величин в статическом режиме. Указанная разновидность динамического режима называется квазистатическим режимом («квази» – означает «как бы» или «как будто»).
Обычно динамический режим получается в результате внешнего воздействия, например входного сигнала. Входной сигнал может быть синусоидальным или импульсным.
Проще всего рассмотреть крайние случаи: синусоидальный сигнал и периодический импульсный сигнал прямоугольной формы. Форма выходного сигнала (на нагрузке) может или совпадать с формой входного сигнала (нет искажения сигнала) или не совпадать (есть искажение сигнала).
Так как искажение сигнала зависит также от амплитуды входного сигнала, то и здесь рассматриваются два крайних случая: режим малого сигнала (малые амплитуды) и режим большого сигнала (большие амплитуды).
Малым называют такой сигнал, при котором наблюдается линейная связь (прямая пропорциональность) между амплитудами выходного и входного сигналов. При увеличении сигнала в приборах линейность связи нарушается, и это отклонение от линейности можно использовать в качестве критерия величины сигнала.
Линейная связь между амплитудами выходного и входного сигналов означает, что и параметры режима, зависящие от отношения этих величин, также остаются неизменными, например коэффициент усиления синусоидального сигнала. Поэтому условно амплитуду сигнала считают достаточно малой, если при уменьшении амплитуды входного сигнала в 2 раза значение измеряемого параметра (например, коэффициента усиления) изменяется менее чем на величину основной погрешности измерений (например, ±10 %).