Что такое ах в схемотехнике

Амплитудная характеристика и динамический диапазон усилителей

Амплитудная характеристика (АХ) представляет собой зависимость амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на выходе усилителя от амплитудного (или действующего) значения напряжения сигнала на его входе при подаче на вход гармонического колебания неизменной частоты (обычно средней частоты полосы пропускания усилителя f_cp, которая, например, в УЗЧ принимается равной 1000 Гц).

На рисунке 3.2 показаны идеальная (пунктиром) и реальная (сплошной линией) амплитудные характеристики.

Идеальная АХ представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат под углом (3, определяемым коэффициентом усиления по напряжению tg(3 = и_Вых.ср.ч./и_Вх.ср.ч = К_ср._ч.

Реальная АХ отклоняется от идеальной как в области очень малых входных напряжений (вследствие наличия в усилителе собственных помех и_п._Вых, действующих на выходе усилителя, и при отсутствии сигнала), так и в области слишком больших входных напряжений (вследствие перегрузки УЭ, в основном выходных УЭ, выражающейся в том, что амплитуда сигнала при этом выходит за пределы линейного участка характеристики УЭ, в результате чего нарушается пропорциональность между и_вЫх и U_BX и возникают нелинейные искажения формы сигнала).

Из рисунка 3.2 видно, что для нормальной работы усилителя на его вход следует подавать сигнал с напряжением не ниже Uux.min, при котором минимальное выходное напряжение U_Bbix.mm должно превышать в несколько раз напряжение Собственных ПОМеХ Un._Bbix (обыЧНО ДОСТаТОЧНО Ueux.min = 3U_n .вых), И НС ВЫШС Н_Вх.max, при КОТОрОМ ВЫХОДНОе Напряжение ДОЛЖНО быть соответственно U_Bblx.max при едва заметных (точнее говоря, при допустимых) нелинейных искажениях сигнала.

Максимально допустимые напряжения U_BX.max и и_вЫх.тах называются номинальными напряжениями, а получающиеся при этом мощности сигнала Рох.тах и РБых.тах номинальными МОЩНОСТЯМИ.

Отношение U_Bx.max/U_Bx.mm (практически равное U_Bbix.max/U_Bbix.min) называется динамическим диапазоном усилителя:

Динамический диапазон усилителя часто выражают в децибелах:

Следует отметить, что иногда динамический диапазон усилителя в децибелах вычисляют через отношение мощностей:

Амплитудное (или действующее) значение ЭДС источника сигнала обычно изменяется от наименьшего значения Е_т._ИСт.тп (или Е_Ист.тт) до наибольшего значения Ет.ист.тах (или Еист.тт). Отношение Em .ист.тах/Em. ист.min — Еист.тах/Еисг.тт НДЗЫВаеТСЯ динамическим диапазоном сигнала:

Динамический диапазон сигнала зависит от типа источника сигнала. Так, например, динамический диапазон высококачественного студийного микрофона при передаче музыки симфонического оркестра состовляет 70 дБ. Это хороший динамический диапазон, хотя надо заметить, что даже этот динамический диапазон меньше динамического диапазона звучания самого симфонического оркестра, вычисляемого как отношение максимального значения звукового давления р max К МИНИМсШЬНОМу ЗН&ЧСНИЮ ЗВуКОВОГО ДВВЛСНИЯ pmin, Т. С. Дзв.орк. (ДБ) = = 20 lg(p макс /р.мин), который достигает 80 дБ. Заметим здесь попутно, что далеко не все звукопреобразующие и звуковоспроизводящие устройства обладают таким большим динамическим диапазоном, как высококачественный студийный микрофон.

Чтобы усиливать сигнал с допустимыми нелинейными искажениями и допустимым отношением Uebix.minAJ п.вых — LJBx.minAJn.Bx, неооходимо выполнять условие:

Для выполнения условия (3.23) приходится применять меры по увеличению Ду путем уменьшения уровня собственных помех усилителя (для чего в усилителе применяют малошумящие входные УЭ) и путем использования выходных УЭ с более линейными вольт-амперными характеристиками, а также более мощные УЭ с недоиспользованием их по мощности. Если этих мер недостаточно для выполнения условия (3.23), то динамический диапазон сигнала сжимают путем регулирования коэффициента усиления автоматически (АРУ) или вручную. При этом, конечно, качество звуковоспроизведения несколько ухудшается, но не в такой степени, как при перегрузке усилителя или при заглушении слабых сигналов помехами.

Следует отметить, что нередко АХ представляют в виде зависимости и_вЫх от входной ЭДС сигнала Еист (на рис. 3.2 Е»ст указано в скобках). Такая АХ называется сквозной, ее угол наклона [У (на рис. 3.2 [У указан в скобках) характеризует сквозной коэффициент усиления по напряжению К* (на рис. 3.2 К» указан в скобках), который будет меньше К (см. параграф о коэффициентах усиления). Сквозная АХ учитывает свойства не только выходной, но и входной цепи усилителя и, в частности, полнее учитывает нелинейные свойства усилителя.

В заключение следует подчеркнуть, что АХ является одной из важных характеристик усилителя, позволяющей с большой наглядностью оценить такие важные показатели усилителя, как коэффициент усиления по напряжению (или сквозной коэффициент усиления по напряжению), уровень собственных помех, допустимые минимальное и максимальное (номинальное) значения входных напряжений (или входных ЭДС) сигнала, допустимые минимальное и максимальное (номинальное) значения выходных напряжений сигнала, динамический диапазон и др.

К сожалению, АХ (в том числе и сквозная) не позволяет дать количественную оценку возникающих в усилителе нелинейных искажений сигнала.

Нелинейные искажения сигнала в усилителе могут быть количественно оценены лишь с помощью так называемой сквозной динамической характеристики усилителя, которая представляет собой зависимость мгновенных значений выходного напряжения от мгновенных значений входной ЭДС сигнала иных = f (е_Ист) (рис. 3.3а).

Она строится и для положительных, и для отрицательных мгновенных значений входной ЭДС и выходного напряжения сигнала и проходит через начало координат. Эту характеристику, по существу, можно считать сквозной амплитудной характеристикой усилителя, отдавая при этом отчет, что она построена для мгновенных значений входной ЭДС и выходного напряжения сигнала. Ее такой и считают в УПТ, которые кроме переменных составляющих усиливают как положительную, так и отрицательную постоянную составляющую сигнала. В УПТ и ОУ, которые являются типичными УПТ, эта характеристика является основной.

Поскольку входное сопротивление ОУ (или УПТ на полевых транзисторах) обычно на несколько порядков (на два и более) превышает внутреннее сопротивление источника сигнала, то в них вместо сквозной динамической характеристики можно использовать динамическую характеристику прямой передачи (проходную динамическую характеристику) и_вых = f(u_BX), в которой вместо входной ЭДС используют входное напряжение. Забегая вперед, можно отметить, что поскольку входные каскады ОУ (и УПТ) обычно выполняются по балансным схемам в виде дифференциальных каскадов, то реальная динамическая характеристика прямой передачи далеко не всегда проходит через начало координат: на практике она чаще всего смещена вправо или влево от начала координат (см. на рис. 3.36 пунктирные линии). В связи с этим для балансировки ОУ приходится подавать ЭДС смещения E_CMi или Е_СМ2 (см. рис. 3.36), чтобы динамическая характеристика прямой передачи проходила через начало координат (а это является непременным условием нормальной работы ОУ).

И, наконец, следует отметить, что в случае необходимости по оси ординат сквозной динамической характеристики и динамической характеристики прямой передачи вместо и_вых можно откладывать w, а по оси абсцисс при сквозной динамической характеристике вместо е_ИСт можно откладывать п,_ст.к.! = е_НСт/К.ист и при динамической характеристике прямой передачи вместо и_вх можно откладывать i_BX.

Самостоятельное изучение схемотехники. Основные понятия. Часть 1

Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов. В этой статье можно найти некоторые элементарные вещи, которые помогут не потеряться в дальнейших статьях. Я постарался сделать статью легкочитабельной и уверен, что неподготовленный читатель сможет в ней легко разобраться.

Сигнал — материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигнал, в отличие от сообщения, может генерироваться, но его приём не обязателен (сообщение должно быть принято принимающей стороной, иначе оно не является сообщением, а всего лишь сигналом).

В статье рассматривается цифровой дискретный сигнал. Это такой сигнал, который имеет несколько уровней. Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня — и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем — такая логика называется позитивной, иначе негативной.

Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.

В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми. Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, по этому такой сигнал обладает фронтом и срезом.
Если рисовать упрощенно то это выглядит так:

1 — низкий уровень сигнала, 2 — высокий уровень сигнала, 3 — нарастание сигнала (фронт), 4 — спад сигнала (срез)

Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции. Вот основные:

Отрицание — инвертирует сигнал.
На схемах обозначается так:

Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция)

Логическое И (логическое умножение, конъюнкция)

Последние два могут иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ). Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком.

Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:

Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики, основы которых изложены в прикрепленном файле. Так же там есть задания для самоконтроля и контрольные вопросы по теме.

Проектирование логических схем с помощью функций алгебры логики

Логической схемой называется совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой таким образом, чтобы выполнялся заданный закон функционирования схемы, иначе говоря, — выполнялась заданная логическая функция.
По зависимости выходного сигнала от входного все электронные логические схемы можно условно разбить на:

Схемы первого рода, т.е. комбинационные схемы, выходной сигнал которых зависит только от состояния входных сигналов в каждый момент времени;

Схемы второго рода или накапливающие схемы (схемы последовательностные), содержащие накапливающие схемы (элементы с памятью), выходной сигнал которых зависит как от входных сигналов, так и от состояния схемы в предыдущие моменты времени.

По количеству входов и выходов схемы бывают: с одним входом и одним выходом, с несколькими входами и одним выходом, с одним входом и несколькими выходами, с несколькими входами и выходами.

По способу осуществления синхронизации схемы бывают с внешней синхронизацией (синхронные автоматы), с внутренней синхронизацией (асинхронные автоматы являются их частным случаем).

Практически любой компьютер состоит из комбинации схем первого и второго рода разной сложности. Таким образом, основой любого цифрового автомата, обрабатывающего цифровую информацию, являются электронные элементы двух типов: логические или комбинационные и запоминающие. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией, а запоминающие служат для ее хранения. Как известно, логическая операция состоит в преобразовании по определенным правилам входной цифровой информации в выходную.

Можно считать, что элементарные логические функции являются логическими операторами упомянутых электронных элементов, т.е. схем. Каждая такая схема обозначается определенным графическим символом. (Они были представлены выше — Элементы И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ)

В качестве примера ниже представлена схема электрическая функциональная логического преобразователя (комбинационного автомата), реализующего логическую функцию в элементном базисе из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

Для закрепления предлагаю, самостоятельно синтезировать логическую схему, реализующую следующие логические функции:

Сделать это можно к примеру в Electronic workbench.

Вот для примера первое выполненное задание:

Hint: Для того чтобы включить условные обозначения в соответствии с отечественными ГОСТ-ами в файл настроек EWB.INI нужно добавить строку DIN = ON

На этом первая часть статьи заканчивается. Надеюсь, что она была не слишком утомительной. Все вышеописанное необходимо для понимания принципов работы с сигналами в электрических схемах. В следующей статье будут рассмотрены способы минимизации логических функций, понятие абстрактного автомата и пример синтеза RS-триггера.

Графическое обозначение радиодеталей на схемах

Эти детали предназначаются для регулирования силы тока в цепи. Постоянные резисторы обладают определенной и неизменной величиной сопротивления. У переменных сопротивление находится в интервале от нуля до установленного максимального значения. Названия и условные обозначения этих радиодеталей на схеме регламентируются ГОСТом 2.728-74 ЕСКД. В общем случае на чертеже они представляют собой прямоугольник с двумя выводами. Американские производители обозначают резисторы на схемах зигзагообразной линией. изображение резисторов на схемах изображение резисторов на принципиальных схемах

Постоянные резисторы

Переменные резисторы

• Последовательное. Конечный вывод одной детали соединяется с начальным выводом другой. По всем элементам цепи протекает общий ток. Подключение каждого последующего резистора увеличивает сопротивление.
• Параллельное. Начальные выводы всех сопротивлений соединяются в одной точке, конечные – в другой. Ток проходит по каждому резистору. Общее сопротивление в такой цепи всегда меньше, чем сопротивление отдельного резистора.
• Смешанное. Это наиболее популярный тип соединения деталей, объединяющий два описанных выше.

Конденсаторы

• Конденсаторы с постоянной емкостью. Около значка ставится буква «С», порядковый номер детали, значение номинальной емкости.
• С переменной емкостью. Около графического значка проставляются значения минимальной и максимальной емкости.

Диоды и стабилитроны

графическое изображение диодов и стабилитронов на схемах Диод – полупроводниковый прибор, предназначенный для пропускания электрического тока в одну сторону и создания препятствий для его протекания в противоположную. Этот радиоэлемент обозначается в виде треугольника (анода), вершина которого направлена в сторону протекания тока. Перед вершиной треугольника располагают черту (катод). Стабилитрон – разновидность полупроводникового диода. Стабилизирует приложенное к выводам напряжение обратной полярности. Стабистор – диод, к выводам которого прилагается напряжение прямой полярности.

Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы, используемые для генерации, усиления и преобразования электрических колебаний. С их помощью контролируют и регулируют напряжение в цепи. Отличаются разнообразием конструкций, диапазонов частот, форм и размеров. Наиболее популярны биполярные транзисторы, обозначаемые на схемах буквами VT. Для них характерна одинаковая электропроводность коллектора и эмиттера. графическое изображение транзисторов на схемах

Микросхемы

Микросхемы – это сложные по составу электронные компоненты. Представляют собой полупроводниковую подложку, в которую интегрируют резисторы, конденсаторы, диоды и другие радиодетали. Служат для преобразования электроимпульсов в цифровые, аналоговые, аналогово-цифровые сигналы. Изготавливаются в корпусе или без него. Правила условного графического обозначения (УГО) цифровых и микропроцессорных микросхем регламентируются ГОСТом 2.743-91 ЕСКД. Согласно им, УГО имеет форму прямоугольника. На схеме показывают линии подвода к нему. Прямоугольник состоит только из основного поля или основного и двух дополнительных. В основном поле в обязательном порядке указывают функции, выполняемые элементом. В дополнительных полях обычно расшифровывают назначения выводов. Основные и дополнительные поля могут разделяться или не разделяться сплошной линией. графическое изображение микросхем

Кнопки, реле, переключатели

• Кнопка представляет собой двухконтактный прибор, служащий для краткосрочного соединения частей электроцепи способом нажатия.
• Выключатель – двухконтактное устройство, предназначенное для соединения и размыкания электроцепи.
• Переключатель – трехконтактный прибор, служащий для переключения электроцепей. Один контакт может находиться в двух разных положениях. изображение элементов электрической цепи
• Реле – электроприбор, который служит для переключения электроцепей путем подачи напряжения на электрическую обмотку. Если в реле присутствует несколько групп контактов, то им присваивают порядковые номера. Контакты могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.

Основы цифровой схемотехники #0 ⁠ ⁠

Предисловие. Сижу я, значит, листаю пикабу, и понимаю, что завтра экзамен, а я мало того, что не готовился, так еще и всю ночь не спал. А уходить отсюда как-то и не хочется. Ну и вот решил я совместить приятное с полезным- написать пост по теме экзамена. На новизну и актуальность не претендую, пост этот скорее для меня, но вдруг кому-то будет интересно. Например, следующим поколениям в ночь перед экзаменом 🙂

Итак, сегодня речь пойдет о цифровой схемотехнике. Что вообще значит «цифровая»? Разберемся с базовыми понятиями.

Сигнал-это любая физическая величина, изменяющаяся во времени. Именно благодаря изменениям во времени сигнал несет в себе какую-либо информацию.

Электрический сигнал, соответственно,- электрическая величина(напряжение, ток, мощность), изменяющаяся во времени. Вся электроника работает именно с этими сигналами (хотя уже кое-где применяются световые сигналы, но это выходит за рамки поста)

Электрические сигналы, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал может принимать любое значение в определенных пределах, и это значение обычно меняется достаточно плавно. Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми.

Цифровой сигнал может принимать только несколько значений (обычно два- логический 0 и логическая 1). Причем для каждого из этих значений допустимо некоторое отклонение (ну неидеальный у нас мир).

Так в чем же преимущество цифровых сигналов? Давайте посмотрим на картинку.

А теперь пару слов о помехах. Они могут быть вызваны как внутри элементов (шумы являются внутренними хаотическими сигналами элементов, и полностью от них избавиться невозможно), так и извне (всякие наводки от трансформаторов, передатчиков..). Смотрим следующую картинку.

Теперь мы явно видим преимущества цифровых сигналов, да? Не видим? Ладно, поясню. Аналоговый сигнал очень сложно очистить от шумов- а значит, качество передаваемой информации падает (Помните, как слушали радио? А эти шипящие звуки? Вот они- и есть пример искажения сигнала).

В случае же с «цифрой» все проще- небольшие шумы вообще не играют роли, так как существуют допустимые отклонения сигналов от эталона. Но расплачиваться за это приходится количеством переданной информации в единицу времени. Ведь чтобы зарегистрировать изменение, скажем, «0» на «1», должно пройти какое-то время, тогда как непрерывный сигнал может изменяться в бесконечно малом промежутке. Опять же, у непрерывного сигнала бесконечность разных значений, а у цифрового- всего-то два. Не очень честно получается 🙂 Но ничего, мы этот минус скоро превратим в огромный плюс.

Теперь поговорим немного о цифровых микросхемах. Они определенным образом преобразуют последовательность входных логических сигналов в последовательность выходных. Давайте определимся точнее с логическими сигналами. Они имеют два разрешенных уровня напряжения- логическая единица(чаще всего соответствует высокому напряжению) и логический ноль(низкий уровень напряжения). В этом случае говорят о «положительной логике«. В случае же, когда логической единице соответствует низкое напряжение, а нулю-высокое, говорят об «отрицательной логике» (но этот случай встречается редко, и мы о нем много говорить не будем).

Все цифровые микросхемы имеют:

-выводы питания-общий(земля) и напряжения питания(обычно +3.3В или +5В)

-выводы для входных сигналов(«входы«)

-выводы для выходных сигналов(«выходы«)

Для простоты на схемах выводы питания иногда можно не указывать.

Существуют три уровня представления работы цифровых устройств:

1. Логическая модель

2. Модель с временными задержками

3. Электрическая модель(с учетом электрических эффектов)

Рассмотрим на примере инвертора.

Инвертор— простейший логический элемент, изменяющий логический уровень входного сигнала на противоположный.

На картинке мы видим сверху обозначение элемента на схеме, а также наблюдаем, что он делает с входным сигналом на разных уровнях представления. Немного поясню картинку.

1— чисто логически меняем все 1 на 0, а 0 на 1.

2— все из пункта 1, но с задержкой(т.к. на обработку сигнала микросхеме требуется время)

3— все из пункта 2, но с учетом того, что невозможно мгновенно поменять напряжение- в реальности у сигнала неизбежно появятся фронты (процесс перехода от одного напряжения к другому имеет длительность наносекунд, но иногда и этим временем пренебрегать не получается).

Сразу поясню, что tзад— это температура задницы время задержки 🙂

Думаю, настолько высокую математику объяснять не нужно. Пойдем дальше.

Порог срабатывания— напряжение на входе, выше которого сигнал расценивается как 1, а ниже- как 0. (Для ТТЛ микросхем эта цифра составляет порядка 1.3 В)

Помехозащищенность характеризует велинину напряжения помехи, которая не в состоянии изменить состояние выходных сигналов. (Разница напряжений любого логического уровня и порога срабатывания)

Нагрузочная способность— параметр, показывающий максимальную величину выходного тока, при котором микросхема все еще не сгорела работает без ошибок.

Все эти параметры зависят от технологии и внутренней схемотехники микросхем. Рассмотрим две самые популярные технологии.

ТТЛ — биполярная транзисторно-транзисторная логика (ТТЛШ— ТТЛ с диодами Шоттки);

КМОП — комплементарные МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторы.

О различиях биполярных и полевых транзисторов я тут писать не буду, это отдельная тема 🙂

Но стоит отметить, что КМОП микросхемы потребляют гораздо меньшие токи в статическом режиме или на невысоких частотах, чем ТТЛ.

Теперь о типах выводов. Сначала картинка:

2C (2S, TTL)- стандартный выход «2 состояния». Может быть подключен только с Ucc(питание) или GND(земля)

ОК (OC) — вывод с открытым коллектором (фактически, он или подключен к земле, или как бы отключен от схемы вообще, и чтоб использовать это состояние, как 1, нужно подтянуть вывод к питанию резистором R в несколько сотен Ом)

3С— это как 2С, но на этаж повыше с дополнительным высокоимпедансным Z-состоянием(когда вывод вообще полностью отключается от схемы). Для перевода в это состояние есть отдельный упраляющий вход Enable Z-state.

Зачем нам такой зоопарк типов выводов? А вот зачем.

Выводы 2С нескольких микросхем опасно объединять из-за возможного короткого замыкания. Зато при ОК «козы» быть в принципе не может. А вообще объединение выводов- штука удобная, и сейчас мы остановимся тут поподробнее. Сравните:

В первом случае у нас все линии связи независимы, но их дохрена довольно много, во втором же случае мы используем одни и те же линии (шину) для передачи сигналов с разных устройств (такой способ называется шинной организацией связи, и достигается временным мультиплексированием, т.е передачей сигналов с разных устройств в разные отрезки времени). Ну это как, например, когда звоните вы Лёхе чтоб позвать побухать, а трубку берет его девушка Катя. А вы ей сказали, что вам срочно нужно побухать поговорить с другом, и просите передать трубку. Она передает, и вы доносите свою мысль до Лёхи. И вот вроде телефонная линия одна, а поговорить вы можете все друг с другом по очереди. Ну так вот тут примерно та ж самая идея.

А на этом эту часть я, пожалуй, закончу 🙂 А то Лёха звонит, видать, что-то важное хочет сообщить 🙂