ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Лекция №11
Введение.
В цифровых устройствах используется представление информации в виде импульсных сигналов.
Импульсная форма сигналов имеет ряд особенностей.
Реальный импульсный сигнал описывается следующими параметрами (рис. 11.1).
Рис.11.1. Параметры импульсного напряжения.
T1 – начало последовательности импульсов, начало переднего фронта,
(T2 -T1)- длительность переднего фронта,
(T3 -T2)- длительность плоской вершины,
T3 – начало заднего фронта,
T4 – конец заднего фронта,
(T4 -T3)- длительность заднего фронта,
(T5 –T1)- период повторения последовательности,
U1 – максимальное напряжение,
U0 – минимальное напряжение,
(U1 –U0)- размах импульса.
Для описания свойств импульсов часто применяют идеализацию (рис.11.2), в которой форма импульсов приближается к прямоугольной (u 1), трапециидальной (u 2), экспоненциальной (u 3) или треугольной (u 4).
Рис.11.2. Идеальные импульсные последовательности формы прямоугольной (u 1), трапециидальной (u 2), экспоненциальной (u 3), треугольной (u 4).
|
|
Информация представлена в импульсной последовательности в определенном коде, использующем количество импульсов или период повторения. Такой принцип обладает высокой помехоустойчивостью.
Современные импульсные устройства позволяют оперировать импульсами с высокой частотой, что обеспечивает быстродействие при обработке информации.
Большое значение имеет возможность малого потребления энергии в импульсных устройствах. Низкое энергопотребление импульсными устройствами объясняется тем, что при импульсном сигнале мощности транзисторов и операционных усилителей, входящих в состав устройств, большие только в весьма короткие интервалы времени, когда их состояние изменяется из открытого (насыщенного) состояния в закрытое состояние и обратно.
Например, мощность потерь в биполярном транзисторе (нагревание коллектора) равна произведению напряжения U ЭК на ток коллектора I К
P = U ЭК I К.
Рис.11.3. К ключевому режиму транзистора.
Положим, что ток базы транзистора – импульсная прямоугольная последовательность и рабочая точка транзистора на плоской вершине импульса достигает точки A и при минимальном значении – точки B (рис.11.3). Ток коллектора будет также импульсной прямоугольной последовательностью.
На рис.11.3а. приведены снимки из демонстрации графиков зависимостей входного напряжения u ВХ(t) в узле 2 (синяя), напряжения на коллекторе в узле 2 (красная) и тока коллектора (узел 5, зеленая).
Рис.11.3а. Demo 11.1.
В первом полупериоде u ВХ(t), когда UВХ=0, транзистор закрыт, ток коллектора практически равен нулю (IК = 72 рА) и напряжение на коллекторе около UЭК = 12 В. Сопротивление транзистора между эмиттером и коллектором велико. В этом состоянии транзистор «закрыт». На рис.11.3 этому состоянию соответствует точка B.
|
|
Во втором полупериоде UВХ= 1 В, IК =24 мА, UЭК =18мВ - точка A на рис. 11.3. ток I К большой и напряжение U ЭК мало. Сопротивление транзистора между эмиттером и коллектором мало, поэтому это состояние транзистора называют «открытым».
Перемена состояния, т.е. переход из точки В в точку А достигается изменением тока базы. В этом случае транзистор выполняет функции переключателя («ключа») и режим транзистора называют ключевым.
Мгновенная мощность транзистора зависит от тока коллектора таким образом:
p = u ЭК i К=(E К – R К i К) i К= - R К i К2 + E К i К
Зависимости мощности и тока коллектора от времени приведены на рис.11.4 вместе с отметками рабочих точек A и B.
Рис.11.4. Зависимости мощности потерь P К и тока транзистора I К от времени в ключевом режиме.
Энергия потерь в транзисторе за период складывается из потерь на интервалах времени двух фронтов и двух плоских вершин ΔT В. Графически энергия потерь выражается площадью фигуры, ограниченной кривой p К (t):
.
Если ΔT Ф<< ΔT В, то энергия не большая, несмотря на то, что на интервалах фронтов мощность может достигать значительной величины. Если длительность фронтов значительно меньше периода повторения, то энергия потерь транзистора определяется главным образом потерями W В на интервалах плоских вершин, где мощность потерь небольшая.
При аналоговом сигнале (например, при гармоническом), даже при отсутствии сигнала, рабочая точка покоя транзистора (для достижения линейного режима) выбирается в середине отрезка AB линии нагрузки. В таком случае мощность потерь в течение длительного времени достигает P К, макс на рис.4.11. и очевидно, что энергия потерь значительно выше, чем в ключевом режиме.
Таким образом, импульсные сигналы и ключевые режимы работы устройств позволяют экономить энергию и существенно уменьшать требования к максимальной допустимой мощности устройств.
Есть и другие достоинства в представлении информации в импульсной форме, которые позволяют использовать унифицированные электронные устройства, применять программирование.
В настоящее время цифровая техника является основой для электронных вычислительных машин, связи, электрических измерений, электронных средств контроля и управления.