Електрорадиоелементи на функционални микроелектронни устройства и технология на радиоелектрониката
Министерство на образованието на Република Беларус
Учебно заведение "Белобългарски държавен университет по информатика и радиоелектроника"
Катедра „Електронна техника и технологии“.
Електронен учебно-методически комплекс по дисциплини
ЕЛЕКТРО-РАДИОЕЛЕМЕНТИ, ФУНКЦИОНАЛНИ МИКРОЕЛЕКТРОННИ УСТРОЙСТВА И РАДИОЕЛЕКТРОННИ ТЕХНОЛОГИИ
За студентите от специалността
1-38 02 03 Техническа безопасност
Минск 2006 г
1.0 ВЪВЕДЕНИЕ. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ВЕИ ЕЛЕМЕНТНА БАЗА.
Елементната база на ВЕИ са електрорадиоелементи (ЕРЕ), интегрални схеми (ИС) и функционални микроелектронни устройства (УФМЕ).
Електрорадиоелементите (ЕРЕ) включват съединители, резистори, кондензатори, индуктивности и др. Интегралните схеми (ИС) включват полупроводникови и хибридни устройства, функционални микроелектронни устройства (ФМЕ) - устройства със зарядова връзка, акустоелектронни устройства, оптоелектронни устройства и др.
Резистори, кондензатори, диоди, транзистори, интегрални схеми са металургични структури, разпределението на химичните елементи в които не трябва да се променя по време на работа (процеси на оперативно стареене, деградация и др.).
се разглеждат поотделно), т.е. формират се върху така наречените статистически нееднородности и конструктивно-технологична интеграция.
Функционалната електроника е ново обещаващо направление в съвременната елементна база на REE. Функционалните електронни устройства се основават на използването на динамични нехомогенности и физически принципиинтеграция. Това ги отличава от транзисторите, диодите. IS и други REA елементи.
Този курс разглежда дизайна, принципите на работа на различни радиотехнически устройства, които формират елементната база на медицинската електроника.
1.1. РАДИОЕЛЕКТРОННО ОБОРУДВАНЕ И ЕЛЕМЕНТНА БАЗА RES
1.1.1 РАДИОТЕХНИКА И РАДИОЕЛЕКТРОННО ОБОРУДВАНЕ
Радиотехниката-е област на науката и технологиите, основана на използването на електромагнитни вълни за предаване, трансформиране, обработка и съхранение на информация. Информацията играе все по-голяма роля в живота на човешкото общество
В зависимост от естеството и предназначението на информацията, предавана и извличана с помощта на радиотехниката, в радиотехниката е обичайно да се разглеждат различни радиотехнически системи (RTS), например радар, радионавигация, медицински и др.
Радиотехническите системи могат да се дефинират като управляван от оператор комплекс РЕА, разположен върху обекти и изложен на въздействието на външната среда и радиовълните (радиосигнали и смущения) в пространството.
Радиоелектронното оборудване е предназначено за предаване, обработка и преобразуване на сигнали и информацията, която те съдържат, в съответствие с принципа на действие на РТС. Свойствата на РЕА се описват с набор от параметри и характеристики: радиотехнически, конструктивно-технологични, експлоатационни и икономически. Според функционалния признак РЕА могат да бъдат разделени на устройства: антенно-фидерни, предавателни, приемащи, за обработка на информация и др.
Преобразуване на сигнала. Нека разгледаме най-характерните трансформации на сигнали в REA.
1. Излъчване и приемане на сигнал към антената.
2. Усилване на сигнала. Това налага използването на активниелементи: транзистори, електровакуумни устройства и др.
3. Филтриране на сигнала (отделянето му от шума).
4. Генериране на трептения с различна форма.
5. Модулация и демодулация. Те са необходими за "наслагване" на съобщение върху високочестотен сигнал или за отделянето му от него. По правило тези функции се изпълняват с помощта на нелинейни преобразуватели.
6. Съхраняване на информация (сигнали и алгоритми за преобразуване на сигнали). Изпълнението на тези алгоритми се дължи главно на въвеждането на микропроцесорни устройства в електронното оборудване, чието функциониране се определя от програмата, записана в запаметяващите устройства.
7. Вторична трансформация на информацията, т.е. информационни дисплейни сигнали. Обикновено се извършва от специализирани компютри, които работят съвместно с REA.
8. Информационен дисплей. Ако потребителят на информация, издадена от радиотехническата система, е някакво устройство, например компютър, тогава тази функция може да не е налична в електронното оборудване. Ако потребителят на информация е човек, тогава тя трябва да бъде представена във форма, удобна за визуално и слухово възприемане.
9. Превключване и свързване на вериги. Тези функции са свързани с необходимостта от превключване на режими, свързване на измервателни устройства, електрическо свързване на елементи, разположени в различни дизайни и раздалечени един от друг и др.
Основните функции, изпълнявани на базата на обработка на сигнали от различни устройства
Най-важните функции, изпълнявани от различни устройства в REA, са насочени към преобразуване на сигнали, записване и съхраняване на информация, показване, затваряне, отваряне на вериги и др.
Всички радиосигнали, с изключение на случайните, са регулярни и се изразяват с определена функция на времето. Редовните сигнали са разделенина периодични и непериодични. Периодичните сигнали носят информация само в един период.
Сигналите могат да бъдат синусоидални, несинусоидални, правоъгълни, дискретни управляващи сигнали под формата на периодична последователност от правоъгълни и трапецовидни импулси, произволни сигнали и сигнали, получени чрез амплитудна модулация на трептенията на носещата честота.
Синусоидалният сигнал се характеризира с амплитудаUm, периодTили честотаω =2π / T, начална фаза -ψ. Ако началото на синусоидата е изместено по оста сt0, но началната фаза еψ =ω t0. Знакът на тази фаза е отрицателен, когато синусоидата е изместена надясно. Моментна стойност на синусоидалното напрежениеU=Um sin(ω t+ψ).
Характеристики на импулсните сигнали: продължителност на фронтаτf ; прекъсванеτс(заден ръб); импулсτ; периодТс; честота на повторениеFc; отношениеТс/τ, наречено работен цикъл.
Анализът на периодични сигнали се извършва не само по времевия метод, но и по спектралния метод, който се основава на разлагането на сигналите в тригонометрична серия на Фурие. Целта на временния анализ е да се определи промяната във формата на сигнала чрез реакцията на веригата към удара. Спектралният анализ дава възможност да се разкрие промяната в сигнала чрез трансформация на спектъра от дадена верига.
Моментната стойност на сигналите може да бъде записана като серия на Фурие:
Такава нотация е удобна за сигнал с функции за четно или нечетно време. Спектралната функция на "четния" сигнал съдържа само постоянни и косинусови компоненти, а "нечетният" сигнал съдържа само постоянни и синусови компоненти. Спектърът на периодичните сигнали не е непрекъснат, а линейно, т.есъседните линии на спектъра имат "пропуски" толкова широки, колкото честотата на повторение на сигналаFc=I/Tc(фиг. 1.1.1).
Филтрирането е вид преобразуване на сигнала, което е предназначено да изолира редица хармонични компоненти от честотния спектър на несинусоидални трептения. Филтърът трябва да пропуска трептенията в определен честотен диапазон, който се нарича лента на прозрачност, и да ги отслабва възможно най-много при други честоти, които образуват лентата на спиране или непрозрачността. Стойносттаωc, разделяща тези ленти, се нарича гранична честота или гранична честота на филтъра. Има нискочестотни филтри (LF), HF, лентови филтри за предаване (band-pass) и лентови филтри за забавяне (стоп, notch)
Фигура 1.1.1 Периодична форма на вълната и нейните честотни и фазови спектри
Фигура 1.1.2 Честотни характеристики на идеални (a) и реални нискочестотни (b), високочестотни (c) и лентови филтри (d)
Филтрите върху дискретни електрорадиоелементи (ЕРЕ) са изградени под формата на верига от линейни четириполюсници - Г-образни, Т-образни, П-образни.
Електромеханичните филтри - пиезоелектрични, магнитострикционни и на повърхностни акустични вълни позволяват да се получи много тясна честотна лента, достигаща 0,1%ω0.Във високочестотната област разпределените вериги могат да служат като филтри - дълги вълни, съгласувани с товара. При високи честоти нискочестотният филтър придобива свойствата на интегрираща верига.
Усилване на сигнала. Усилвател се нарича мрежа с четири терминала, предназначена да увеличи интензивността на трептенията за сметка на енергията на източника на захранване, като тяхната форма е непроменена, ако е възможно. Има усилватели на напрежение, ток и мощност. В усилвателите на напрежение сигналътедновременно увеличена мощност. По този начин усилвателят е фундаментално различен от трансформатор или осцилаторна верига, които са способни да увеличат интензивността на трептенията само на напрежение или ток, но не и на мощност.