по направлению 511500 - радиофизика
Предисловие.
Радиоэлектроника рассматривается как научная область, объектами исследования которой являются устройства, обеспечивающие передачу и обработку электрических сигналов как носителей информации. В связи с этим целью курса "Основы радиоэлектроники" является изучение процессов и законов преобразования сигналов в цепях и системах, формирование навыков расчета, разработки и измерения параметров и характеристик аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств. Предполагается, что студенты предварительно прослушали курсы дискретной математики, математического анализа, дифференциальных уравнений, методов математической физики, раздел "Электричество и магнетизм" курса общей физики.
1. Введение.
Радиоэлектроника как наука о передаче, преобразовании и приеме информации с помощью электрических и электромагнитных процессов, протекающих в радиоэлектронных устройствах и в пространстве; задачи радиоэлектроники. Понятия - информация, сообщение, сигнал. Канал связи, преобразования сигналов в каналах проводной и радиосвязи. Диапазоны радиоволн и особенности их распространения. Цель и содержание курса.
2. Сигналы и их характеристики.
2.1. Классификация и представление сигналов. Детерминированные, случайные; управляющие, радиосигналы. Аналоговое, дискретно-непрерывное, цифровое представление.
2.2. Временное описание сигналов. Понятие, примеры: гармонический, прямоугольный, ступенчатый (единичная функция включения), короткий импульс - d -функции Дирака, ее связь с сигналом включения, фильтрующие свойства d -функции. Динамическое описание непрерывного сигнала с помощью d -функции и 1(t)-единичной ступенчатой функции.
2.3. Спектральное описание сигналов. Управляющие сигналы. Периодические сигналы: математическое и физическое понятия периодического сигнала, представление суммой гармонических колебаний, ряд Фурье в действительной и комплексной форме, понятие спектра сигнала, возможность физической реализации. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов (длительность импульса, скважность, спектр амплитуд и фаз, дискретность спектра). Распределение энергии в спектре сигнала, практическая ширина спектра. Непериодические сигналы: понятие детерминированного непериодического сигнала, интегральные преобразования Фурье, физический смысл спектральной плотности и условия абсолютной интегрируемости, непрерывность спектра; спектр сигнала включения, прямоугольного импульса, d -функции. Теоремы запаздывания, смещения, спектр произведения сигналов (свертка). Распределение энергии в спектре непериодического сигнала. Модулированные колебания, виды модулированных сигналов. Амплитудно-модулированные колебания: энергетика, спектр АМ-колебания при сложном модулирующем сигнале, ширина спектра; АМ-колебания с подавлением несущей, однополосные АМ-колебания. ЧМ и ФМ колебания, их связь, девиация и индекс модуляции, спектр при малом и большом индексе модуляции, зависимость практической ширины спектра от частоты модулирующего сигнала. Импульсно модулированные колебания, проблема выбора шага дискретизации, теорема Котельникова. Частотное и временное разделение каналов. Помехоустойчивость АМ, ЧМ, ФМ и ИМ -колебаний.
3. Линейные цепи и системы преобразования сигналов.
3.1. Определения и понятия. Цепь и система. Предмет исследования (процессы, характеристики, связь выходного и входного сигналов). Типы и элементы цепей, источники явной и неявной ЭДС, понятия источника ЭДС и источника тока. Общее уравнение цепи, свободное и вынужденное движение, задачи исследования. Методы анализа линейных цепей (временной и спектральный или частотный).
3.2. Исследование свободных движений в линейных цепях с сосредоточенными параметрами временным методом. Временные характеристики цепей. Испытательные сигналы, понятия переходных характеристик цепей. Заряд конденсатора через резистор: принципиальная схема, процессы, правило Мандельштама, уравнение движения, решение, постоянная времени, переходной процесс, время установления, диаграммы напряжений и тока, переходная и импульсная переходная характеристики цепи. Дифференцирующая и интегрирующая цепи. Интеграл Дюамеля. Свободные движения в последовательном RLC контуре: процессы, уравнение движения, начальные условия. Апериодический разряд: характер движения, диаграммы тока и напряжений; колебательный разряд: условие колебательного разряда, диаграммы; характеристическое сопротивление; затухание, добротность и ее физический смысл, частота свободных колебаний, переходная характеристика контура.
3.3. Исследование линейных цепей частотным (спектральным) методом. Частотные характеристики цепей. Возбуждение RC-цепи гармонической ЭДС: переходной и установившийся процессы, график тока, переход к обобщенной гармонической функции. Понятия активного, реактивного и комплексного сопротивлений (на примере RLC цепи). Понятие комплексного коэффициента передачи в общем случае, его амплитудно-частотная (АЧХ) и фазово-частотная (ФЧХ) характеристики. Частотные характеристики дифференцирующей (фильтр верхних частот) и интегрирующей (фильтр нижних частот) цепей, полоса пропускания, частоты среза. Определение спектра сигнала на выходе линейной цепи. Условие неискаженной передачи сигнала линейной цепью. Соотношение неопределенностей. Связь частотных и временных характеристик линейных цепей. Частотные свойства последовательного колебательного контура: схема, уравнения для тока, понятие резонанса, резонансная и фазовая кривые (АЧХ и ФЧХ), резонансная частота (ее отличие от частоты свободных колебаний), полоса пропускания, время установления; резонанс напряжений, резонансное сопротивление. Частотные характеристики параллельного колебательного контура: сопротивление контура, резонансная частота, резонанс токов, резонансное сопротивление, сравнение с последовательным контуром. Фильтры на основе связанных колебательных систем, виды связи, коэффициент связи. Уравнения индуктивно связанных контуров, внесенные сопротивления, эквивалентный контур, резонансные частоты эквивалентного контура, график Вина; коэффициент передачи связанной системы, его АЧХ и ФЧХ, полоса пропускания при различных значениях коэффициента связи. Свойства резистивно связанных колебательных систем.
3.4. Цепи с распределенными параметрами. Понятие цепей с распределенными параметрами, телеграфное уравнение, волновое уравнение, падающая и отраженная волны, скорость распространения и длина волны в линии, волновое сопротивление, входное сопротивление линии, условие отсутствия отраженных волн. Свойства и применения короткозамкнутой и разомкнутой линий без потерь. Условия получения максимальной мощности в нагрузке, связанной с генератором, с помощью длинной линии. Распределение волны в линии - форма огибающей при коротком замыкании, холостом ходе. Коэффициент отражения (Г), зависимость формы волны от Г; коэффициент стоячей волны (КСВ), связь КСВ и Г. Измерения с помощью длинной линии. Примеры линий передачи сигналов: радиоволновые, волноводные, волоконнооптические. Информационные каналы, многоканальные системы, уплотнение и разделение каналов.
3.5.Основы метода четырехполюсников. Понятие четырехполюсника, уравнения, матричная форма, системы параметров - классические и волновые. Свойства пассивных четырехполюсников, соединения четырехполюсников, характеристики четырехполюсников.и
4. Активные элементы радиоэлектроники.
Некоторые сведения из физики полупроводников, р-п переход. Полупроводниковые диоды: вольтамперные характеристики диода, стабилитрона; варикап; эквивалентная схема диода. Накопление и рассасывание заряда, искажения импульса. Диод с барьером Шоттки. Туннельный диод, обращенный туннельный диод. Транзисторы. Биполярные транзисторы: структура, токи, вольтамперные характеристики (ВАХ) в схеме с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ); режимы - активный, насыщения и отсечки тока, инверсный. Транзитор с нагрузкой. Понятие о рабочей точке, нагрузочной прямой, механизм усиления. Уравнение линейной части ВАХ, эквивалентная схема транзистора, частотная зависимость коэффициента передачи тока, искажение прямоугольного импульса при прохождении через транзистор. Полевые транзисторы: механизм работы транзисторов с р-п затвором, с изолированным затвором, вольтамперные характеристики, рабочая точка, нагрузочная прямая, уравнение линейной части ВАХ, эквивалентные схемы.
5. Усилители электрических сигналов.
5.1.Функциональная схема усилителя (источник энергии; элемент, регулирующий поток энергии, нагрузка). Классификация усилителей по типу усиливаемого сигнала (усилитель постоянного тока, звуковых частот, резонансный, полосовой и т.д.); по энергетике (усилитель мощности, тока, напряжения); по типу управляющего элемента. Нелинейные усилители, режимы работы классов А, В, С.
5.2.Линейные усилители на биполярных транзисторах. Практические схемы усилителей с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором (эмиттерный повторитель), фазовые соотношения между выходным и входным сигналами, эквивалентные схемы усилителей, расчет и количественное сравнение характеристик усилителей на конкретном транзисторе.
5.3.Линейные усилители на полевых транзисторах. Реальные принципиальные схемы усилителей с общим истоком и общим стоком (истоковый повторитель), диаграммы напряжений на входе и выходе, эквивалентные схемы, расчет и сравнение характеристик усилителей на конкретном транзисторе.
5.4.Общие характеристики усилителей. Понятия амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик усилителей, полосы пропускания, коэффициента частотных (линейных) искажений, влияние цепей связи, входных проводимостей транзисторов, частотных свойств коэффициентов передачи тока (для БПТ) на частотные характеристики схемы в целом. Понятие амплитудной характеристики, коэффициента нелинейных искажений, динамического диапазона. Коэффициент шума усилителей. Шумы радиоцепей: тепловой, дробовой, генерационно-рекомбинационный, токораспределения, фликкер-шум.
5.6.Усилители с обратной связью. Положительная и отрицательная обратная связь, линейные и нелинейные искажения сигнала, стабильность и устойчивость усилителей с обратной связью. Устойчивость линейных систем - понятие устойчивости покоя по Ляпунову, условие устойчивости и асимптотической устойчивости.
Усилители с запаздывающей обратной связью. Способы подачи обратной связи по току и по напряжению. Балансные схемы усилителей; фазовращатель, двухтактные усилители дифференциальный усилитель. Схема усилителя постоянного тока (с двумя источниками питания), стабилизация тока, уменьшение дрейфа нуля; компаратор. Схемы на полевых транзисторах. Операционные усилители: общее определение, основные показатели (коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления), внутренняя структура интегральной схемы. Схемы включения: инвертирующая схема - расчет коэффициента усиления, входного сопротивления; инвертирующий усилитель, суммирующий усилитель. Неинвертирующая схема - коэффициент усиления, входное сопротивление; неинвертирующий усилитель, идеальный повторитель, генератор, интегратор, дифференциатор. Логарифмический усилитель. Цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи. Активные фильтры.
6.Преобразования электрических колебаний нелинейными и параметрическими цепями.
Виды преобразований сигналов, нелинейные элементы и их характеристики, понятия о сопротивлении постоянному току, дифференциальном и среднем за период сопротивлениях. Аппроксимация характеристик: полиномиальная, графическое выделение четной и нечетной части; трансцендентными функциями; кусочно-линейная. Модуляция амплитуды: операция перемножения НЧ и ВЧ сигналов, модуляция в нелинейной и параметрической цепях; модулятор на диоде - схема, эпюры тока, необходимость нагрузки, расчет, спектр. Схема модулятора на транзисторе (выделение цепи нагрузки). Балансные схемы. Параметрический модулятор - принцип, использование нелинейной схемы для параметрической модуляции. Модуляция частоты - модуляция С или L контура автогенератора; схема с варикапом, нелинейные искажения. Модуляция фазы - с помощью фазовращателя, линии переменной задержки; модуляция фазы с помощью изменения резонансной частоты нагрузки резонансного усилителя. Квадратурный способ Детектирование амплитудно-модулированных колебаний: детектирование нелинейной цепью, схема с диодом, механизм работы детектора (диаграммы тока, напряжения), выбор нагрузки, квадратичный и линейные детекторы. Детектирование частотно - и фазово-модулированных колебаний: необходимость преобразования их в АМ колебание, дальнейшее детектирование амплитудным детектором. Частотный дискриминатор. Преобразование частоты, нелинейное преобразование - перенос сигнала по оси частот с сохранением закона модуляции, понятие об обращающем и необращающем преобразователе, зеркальная помеха, входной контур, внутренние и внешние интерференнционные свисты. Супергетеродинный прием. Преобразование сигналов параметрической цепью: перенос спектра сигнала по оси частот - вверх (модуляция амплитуды, преобразование частоты), вниз (синхронное детектирование колебаний с амплитудной и угловой модуляцией). Параметрическое усиление. Принцип усиления при питании схемы от источника переменной ЭДС, параметрическое возбуждение контура, анализ схемы двухконтурного параметрического усилителя с нелинейной емкостью. Соотношения Мэнли-Роу - постановка задачи, вывод соотношений, их применение - усилитель-преобразователь вверх, регенеративный усилитель, умножитель.
7. Генерирование электрических колебаний
Типы генераторов - релаксационные и томсоновские. Состав автоколебательной системы (АКС). АКС как усилитель с положительной обратной связью. Томсоновский автогенератор на полевом транзисторе с индуктивной обратной связью - схема, роль элементов, механизм возбуждения и ограничения колебаний. Дифференциальное уравнение, понятие об отрицательном затухании и затухании регенерированной системы, условие самовозбуждения и стационарности колебаний. Применение двухполюсников с падающим участком ВАХ для генерации колебаний. Баланс фаз и амплитуд: понятие о колебательной характеристике и прямой обратной связи, условие стационарности амплитуды, роль контура в балансировке фазы. Мягкий и жесткий режимы возбуждения. Автосмещение. Трехточечные схемы. Стабилизация частоты кварцевым резонатором.
8. Элементы импульсной и цифровой техники.
Транзистор в ключевом режиме, его статические характеристики, динамический режим, задержка, повышение быстродействия. Переключатели тока. Триггеры на БПТ, триггер Шмитта на операционных усилителях. Мультивибраторы на БПТ и ПТ, схемы, расчет периода повторения и длительностей, быстродействие. Генераторы линейно меняющегося напряжения. Регистры, счетчики, сумматоры.
9. Некоторые вопросы помехоустойчивого приема.
Выделение полезного сигнала с помощью линейных частотных фильтров. Отношение сигнал/шум. Согласованный линейный фильтр. Реализация согласованных фильтров для некоторых сигналов.
10. Принципы цифровой фильтрации.
Дискретизация сигналов. Принципы цифровой фильтрации. Трансверсальные фильтры. Рекурсивные фильтры.
Примерный перечень тем практических занятий.
1.Временное описание сигналов. Сигналы в виде линейно-ступенчатой функции, отрезков косинусоиды, двойной экспоненты, периодической последовательности остроконечных (экспоненциальных), треугольных, пилообразных, прямоугольных импульсов.
2.Спектральный анализ сигналов. Расчет и построение спектров амплитуд и начальных фаз периодических сигналов, временное описание которых получено в предыдущем разделе. Расчет и построение модуля и фазы спектральной плотности одиночных сигналов типа ступенчатой функции, колоколообразного импульса, прямоугольного импульса, дельта-функции и т.д. Расчет и построение спектра амплитуд амплитудно-импульсно-модулированного сигнала, ЛЧМ-сигнала. Расчет практической ширины спектра АМ и ЧМ сигналов, числа размещаемых станций в заданном интервале радиодиапазона.
3.Уравнения движения и временные характеристики цепей. Примеры цепей - RL, RC, RLC, двойная RC-цепочка Вина, связанные цепи. Определение сигналов на выходе простейших цепей с помощью интеграла Дюамеля.
4.Спектральный метод анализа и частотные характеристики цепей. Определение комплексного коэффициента передачи и построение АЧХ и ФЧХ различных цепей - RL и RC фильтров нижних и верхних частот, цепочки Вина и т.п. Расчет спектра сигнала на выходе цепи при заданном входном сигнале (периодическая последовательность прямоугольных импульсов, экспоненциальный импульс и т.д.). Сравнение формы входного и выходного сигналов и их спектров.
Примерный перечень лабораторных работ
Литература
Программу составил А.С. Майдановский, доцент (Томский университет).