Електрорадіоелементи пристрою функціональної мікроелектроніки та технологія радіоелектронних

Міністерство освіти Республіки Білорусь

Установа освіти «Білоукраїнський державний університет інформатики та радіоелектроніки»

Кафедра Електронної техніки та технологій

Електронний навчально-методичний комплекс з дисципліни

ЕЛЕКТРОРАДІОЕЛЕМЕНТИ, ПРИСТРОЇ ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ МІКРОЕЛЕКТРОНІКИ І ТЕХНОЛОГІЯ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ

Для студентів спеціальності

1-38 02 03 Технічне забезпечення безпеки

Мінськ 2006

1.0 ВСТУП. КЛАСИФІКАЦІЯ ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ РЕС.

Елементна база РЕМ – це електрорадіоелементи (ЕРЕ), інтегральні мікросхеми (ІС) та пристрої функціональної мікроелектроніки (УФМЕ).

Електрорадіоелементи (ЕРЕ) включають з'єднувачі, резистори, конденсатори, індуктивності та інші. Інтегральні мікросхеми (ІС) включають напівпровідникові та гібридні, пристрої функціональної мікроелектроніки (УФМЕ) – прилади із зарядовим зв'язком, акустоелектронні прилади, оптоелектронні прилади та інші.

Резистори, конденсатори, діоди, транзистори, інтегральні мікросхеми є металургійні конструкції, розподіл хімічних елементів, у яких процесі експлуатації має змінюватися (процеси експлуатаційного старіння, деградації тощо.).

д. розглядаються окремо), тобто вони утворюються на так званих статистичних неоднорідностях та конструкторсько-технологічної інтеграції.

Функціональна електроніка - це новий перспективний напрямок у сучасній елементній базі РЕА. Пристрої функціональної електроніки засновані на використанні динамічних неоднорідностей та фізичних принципівінтеграції. Це відрізняє їхню відмінність від транзисторів, діодів. ІВ та інших елементів РЕА.

У цьому курсі розглядають конструкції, принципи функціонування різних радіотехнічних пристроїв, що утворюють елементну базу засобів медичної електроніки.

1.1. РАДІОЕЛЕКТРОННА АПАРАТУРА ТА ЕЛЕМЕНТНА БАЗА РЕСУ

1.1.1 РАДІОТЕХНІКА ТА РАДІОЕЛЕКТРОННА АПАРАТУРА

Радіотехніка-то область науки і техніки, заснована на застосуванні електромагнітних хвиль для передачі, перетворення, обробки та зберігання інформації. Інформація відіграє все більшу роль у житті людського суспільства

Залежно від того, який характер і призначення інформації, що передається та вилучається за допомогою радіотехнічних засобів, у радіотехніці прийнято розглядати різні радіотехнічні системи (РТС), наприклад, радіолокаційні, радіонавігаційні, медичні та ін.

Радіотехнічні системи можна визначити як керований оператором комплекс РЕА, що розміщується на об'єктах і піддається впливам зовнішнього середовища та радіохвиль (радіосигналів та перешкод) у просторі.

Радіоелектронна апаратура призначена для передачі, обробки та перетворення сигналів та інформації, яка в них міститься, відповідно до принципу дії РТС. Властивості РЕА описуються сукупністю параметрів та характеристик: радіотехнічних, конструкторсько-технологічних, експлуатаційних та економічних. За функціональною ознакою РЕА можна розділити на пристрої: антеннофідерні, передавальні, приймальні, обробки інформації та ін.

Перетворення сигналів. Розглянемо найбільш характерні перетворення сигналів у РЕА.

1. Випромінювання та прийом сигналу на антену.

2. Посилення сигналу. Для цього необхідне використання активнихелементів: транзисторів, електровакуумних приладів тощо.

3. Фільтрування сигналу (виділення його із перешкод).

4. Генерація коливань різної форми.

5. Модуляція та демодуляція. Вони необхідні для накладання повідомлення на високочастотний сигнал або виділення з нього. Як правило, ці функції здійснюються з використанням нелінійних перетворювачів.

6. Запам'ятовування інформації (сигналів та алгоритмів перетворень сигналів). Виконання цих та алгоритмів обумовлюється в основному впровадженням у РЕА мікропроцесорних пристроїв, функціонування яких визначається програмою, записаною в пристроях, що запам'ятовують.

7. Вторинне перетворення інформації, тобто. сигналів, що відображають інформацію. Виконується зазвичай спеціалізованими ЕОМ, які працюють разом із РЕА.

8. Відображення інформації. Якщо споживачем інформації, що видається радіотехнічної системою, є якийсь пристрій, наприклад ЕОМ, то ця функція може бути відсутня в РЕА. Якщо споживач інформації – людина, вона повинна бути представлена у вигляді, зручному для зорового і слухового сприйняття.

9. Комутація та з'єднання ланцюгів. Це функції пов'язані з необхідністю перемикання режимів, підключення вимірювальних пристроїв, електричного з'єднання елементів, розташованих у різних конструктивах і рознесених просторово і т.п.

Основні функції, що виконуються на основі обробки сигналів різними пристроями

Найважливіші функції, що виконуються різними пристроями в РЕА, спрямовані на перетворення сигналів, запис та зберігання інформації, її відображення, замикання, розмикання ланцюгів і т.д.

Усі радіотехнічні сигнали, крім випадкових, регулярні і виражені певної функцією часу. Регулярні сигнали поділяютьсяна періодичні та неперіодичні. Періодичні сигнали несуть інформацію лише одному періоді.

Сигнали можуть бути синусоїдальними, несинусоїдальними, прямокутними, дискретними керуючими сигналами у вигляді періодичної послідовності прямокутних і трапецеїдальних імпульсів, випадковими сигналами та сигналами, отриманими амплітудною модуляцією коливань несучої частоти.

Синусоїдальний сигнал характеризується амплітудоюUm, періодомTабо частотоюω =2π / T, початковою фазою -ψ. Якщо початок синусоїди зміщено по осіt0, але початкова фазаψ =ω t0. Знак цієї фази негативний при зрушенні синусоїди праворуч. Миттєве значення синусоїдальної напругиU=Um sin(ωt+ψ).

Характеристики імпульсних сигналів: тривалість фронтуτф; зрізуτс(заднього фронту); імпульсуτ; період проходженняТс; частота проходженняFс; відношенняТс/τ, зване шпаруватістю.

Аналіз періодичних сигналів виробляють не тільки тимчасовим способом, а й спектральним, який заснований на розкладанні сигналів у тригонометричний ряд Фур'є. Мета тимчасового аналізу визначити – зміна форми сигналу по відгуку ланцюга на вплив. Спектральний аналіз дозволяє виявити зміну сигналу перетворення спектра даним ланцюгом.

Миттєве значення сигналів можна записати у вигляді ряду Фур'є:

Такий запис зручний для сигналу з парною або непарною тимчасовими функціями. Спектральна функція "парного" сигналу містить лише постійні та косинусові складові, а "непарного" – лише постійні та синусові складові. Спектр періодичних сигналів не суцільний, а лінійний, тобто міжсусідніми лініями спектра є "просвіти" шириною частоту проходження сигналівFс=I/Тс(рис. 1.1.1).

Фільтрація - це такий вид перетворення сигналів, який призначений для виділення ряду гармонійних складових із спектру частот несинусоїдальних коливань. Фільтр повинен пропустити коливання у певному інтервалі частот, який називається смугою прозорості, та максимально послаблювати їх на інших частотах, що утворюють смугу затримки або непрозорості. Величинуωс, що розділяє ці смуги, називають частотою зрізу, або граничною частотою фільтра. Розрізняють фільтри нижніх частот (НЧ), ВЧ, смугові пропускаючі (смугові) та смугові затримуючі (загороджувальні, режекторні) фільтри

Малюнок 1.1.1 Форма періодичного сигналу та його частотний та фазовий спектри

Малюнок 1.1.2 Частотні характеристики ідеального (а) та реального фільтрів НЧ (б), ВЧ (в) та смугового фільтра (г)

Фільтри на дискретних електрорадіоелементах (ЕРЕ) будуються у вигляді ланцюжка лінійних чотириполюсників - Г-подібні, Т-подібні, П-образні.

Електромеханічні фільтри – п'єзоелектричні, магнітострикційні та на поверхневих акустичних хвилях дозволяють отримати дуже вузьку смугу пропускання, що досягає 0,1%ω0.У сфері високих частот фільтрами можуть бути ланцюги з розподіленими параметрами – довгі хвилі, узгоджені з навантаженням. На високих частотах фільтр НЧ набуває властивостей інтегруючого ланцюга.

Посилення сигналів. Підсилювачем називається чотириполюсник, призначений для збільшення за рахунок енергії джерела живлення інтенсивності коливань при незмінній, по можливості, їх формі. Розрізняють підсилювачі напруги, струму та потужності. В підсилювачах напруги сигналодночасно посилюється і потужності. Тим самим підсилювач принципово відрізняється від трансформатора або коливального контуру, які здатні підвищувати інтенсивність коливань тільки за напругою або струмом, але не потужністю.