План лекции. «Нелинейные элементы и процессы

Лекция № 5

Тема лекции:

«Нелинейные элементы и процессы. Нелинейное преобразование гармонического сигнала. Выпрямление переменного напряжения. Детектирование сигналов»

Оптическое изображение и особенности восприятия 2

Литература

Е. А. Москатов Основы телевидения, 2005р. - 162 с

РАЗДЕЛ 3. НЕЛИНЕЙНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Г ла в а 10. НЕЛИНЕЙНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ

10.1. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ПРОЦЕССЫ

Общие сведения. В предыдущем разделе рассматривались физические процессы в линейных РТЦ, все элементы которых (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) имеют прямолинейные вольт-амперные характеристики (ВАХ). Физические процессы в них подчиняются закону Ома и принципу независимости действия сил.

В линейных РТЦ происходят только количественные преобразования сигналов. При гармоническом воздействии на линейную РТЦ отклик − сигнал на выходе − является также гармоническим той же частоты. Измениться могут только его амплитуда и фаза (рис. 10.1, а).

В данном разделе рассматриваются физические процессы в нелинейных и параметрических РТЦ.

Нелинейная РТЦ (НРТЦ) содержит хотя бы один элемент с нелинейной ВАХ. В ней происходят качественные преобразования сигналов. Как это видно из рис. 10.1, а, при гармоническом воздействии отклик НРТЦ имеет искаженную (не синусоидную) форму, а в его спектре появляются новые составляющие, которых нет в составе воздействия.

В параметрических РТЦ (ПРТЦ) также происходят качественные преобразования сигналов, но это связано с изменением параметров цепи, или и может не сопровождаться искажением преобразованного сигнала.

Такие важнейшие преобразования сигналов, как генерирование, выпрямление, детектирование, модуляция, сложение, вычитание, умножение и деление частоты и ряд других, осуществляются в результате нелинейных процессов. Первый в истории радиотехники нелинейный элемент − когерер − был использован А. С. Поповым в его грозоотметчике.

Нелинейные элементы. Нелинейные элементы (НЭ), используемые в радиоэлектронике, весьма разнообразны. К ним относятся все электронные (полупроводниковые, вакуумные и газонаполненные) приборы, а также реактивные нелинейные элементы: емкостные − варикапы, варакторы и индуктивные − катушки с насыщаемыми сердечниками. На рис. 10.1, б показаны схематические изображения и характеристики наиболее распространенных элементов: диода, варикапа, биполярного и полевого транзистора, триода, газового стабилитрона и катушки с насыщаемым сердечником.

Все резистивные элементы характеризуются их ВАХ, варикап − вольтфарадной, а катушка − кривой намагничивания и графиком, из которого видно, что в областях насыщения при увеличении намагничивающего тока уменьшается индуктивность L.

Нелинейные процессы. Нелинейные процессы реализованы в одноименных с ними каскадах РПДУ и РПУ. На структурных и функциональных схемах РЭО эти каскады символически представляют в виде условных обозначений. Обозначения каскадов, в которых производятся качественные преобразования, разделены диагональными линиями, слева обозначено воздействие, справа − отклик (рис. 10.1, б).

1. Выпрямление − преобразование переменного напряжения сети в постоянное.

2. Детектирование − преобразование радиосигнала в управляющий сигнал.

3. Нелинейное усиление − усиление мощности сигнала при использовании нелинейного режима активного элемента.

4. Умножение частоты − преобразование сигнала частоты в сигнал более высокой кратной частоты.

5. Деление частоты − преобразование сигнала частоты в сигнал более низкой кратной частоты.

6. Преобразование частоты − преобразование двух сигналов с частотами, и в сигнал частоты. Обычно или.

7. Модуляция − преобразование несущего колебания и управляющего сигнала в радиосигнал. Если это необходимо, вид сформированного PC символизируется его спектром со стрелкой, обозначенной буквой, или в зависимости от модулируемого параметра.

8. Генерирование − формирование колебания (в данном случае − гармонического, радиочастотного).

Режимы и параметры нелинейных элементов. На рис. 10.1, г показана нелинейная ВАХ с произвольно выбранной на ней точкой исходного режима − ТИР. Рассмотрим четыре характерных режима.

Исходный режим. В исходном режиме (режиме покоя) на НЭ действует постоянное напряжение и протекает ток покоя. Их значения являются координатами ТИР. Поскольку напряжение смещает ТИР относительно начала координат, его иногда называют напряжением смещения.

Сопротивление НЭ постоянному току в режиме покоя определяет нагрузку на источник питания. Особенность НЭ состоит в том, что не постоянно. Действительно, если переместить ТИР по ВАХ, то изменяется угол и.

Линейный режим. Линейный режим (режим слабого сигнала) возникает, если кроме напряжения смещения на НЭ действует переменное напряжение сигнала, амплитуда которого, − угол наклона касательной к ВАХ, a − производная. Поэтому параметры и называют также дифференциальными параметрами.

В линейном режиме работают малосигнальные УЗЧ и УРЧ. Параметры и, для полевых транзисторов и электронных ламп или аналогичные и для биполярных транзисторов приводятся в справочниках по электронным приборам. В этом режиме и нелинейных искажений не возникает, поэтому в данном разделе он не рассматривается.

Параметрический режим Если в линейном режиме переместить ТИР из точки А в точку В, то изменятся и амплитуда тока от велика и ее размах охватывает криволинейный участок характеристики. В этом режиме график тока искажен. Его форма, а также параметры НЭ существенно зависят от положения ТИР и амплитуды.

2. Строим точку с координатами и, соединяя ее с точкой 0, получаем НП.

3. Вточке А пересечения ВАХ с НП определяем ТИР. Ее координаты:.

4. Напряжение сток-корпус.

5. Напряжение сток-исток.

Стабилизация постоянного напряжения. Стабилизация осуществляется с помощью опорного диода (рис. 10.1, ж) и обеспечивается в режиме электрического пробоя диода обратным напряжением. Участок ВАХ, соответствующий этому режиму, крутой, почти вертикальный. Стабилизируемое напряжение, приложено к делителю, состоящему из балластного резистора и диода. При его изменении резко меняется ток диода и падение напряжения, а напряжение на диоде (и нагрузке) почти не меняется. Пусть, изменилось на,0) и (, 0) две НП и определим две ТИР на рабочем участке. Их проекции на ось напряжений отстоят на величину, равную нестабильности выходного напряжения. Коэффициент стабилизации напряжения показывает, во сколько раз стабильнее т. е. во сколько раз нестабильность меньше:.

Ограничение амплитуды переменного напряжения. Ограничение можно произвести при помощи двухстороннего стабилитрона, состоящего из двух опорных диодов, включенных последовательно и встречно в схему рис. 10.1, ж. Характеристику такой схемы можно получить путем вычитания ординат ВАХ диодов. Она состоит из двух симметричных ветвей, образованных обратными токами диодов, так как при последовательном включении прямые токи возникнуть не могут, поскольку, когда открывается один из диодов, другой практически закрыт. На рисунке оси координат характеристики повернуты на 90°. Амплитуде соответствует начало НП, а амплитуде ТИР. При изменении, так как рабочий участок ВАХ практически горизонтален. По той же причине график имеет трапециевидную, а при больших амплитудах − почти прямоугольную форму.