Электронными называются приборы, работа которых основана на законах движения носителей электрического заряда в вакууме, газе или твердом теле. Характерной особенностью большинства электронных приборов (ЭП) является резко выраженная нелинейная связь между напряжением, приложенным к каким-либо электродам прибора, и током в цепи этих электродов. Графическая или аналитическая зависимость между напряжением и током называется статической или вольтамперной характеристикой (ВАХ). ВАХ является важнейшей характеристикой электронного прибора, поскольку она отражает некоторые физические явления, которые определяют работу прибора.

Разнообразие типов ЭП, известных на сегодняшний день, вызывает необходимость их классификации. Рассмотрим лишь две системы классификации. В первой системе классификационным признаком является среда, в которой происходит движение элек-трических зарядов. По этому признаку ЭП делятся на электровакуумные и полупроводниковые. Иногда группу электровакуумных приборов подразделяют на две подгруппы: собственно электровакуумные и газонаполненные. Во второй системе классификационным признаком является характер преобразования энергии. По этому признаку ЭП делятся на электропреобразовательные, фоточувствительные, электронно-световые и электронные преобразователи спектра. В электропреобразовательных ЭП энергия источников постоянного тока преобразуется в энергию колебаний какой-либо формы и частоты; в фоточувствительных ЭП энергия электромагнитных волн оптического диапазона преобразуется в электрический ток; в электронно-световых - энергия электрического тока преобразуется в энергию оптического потока; в электронных преобразователях спектра световой поток одного спектрального состава преобразуется в световой поток другого спектрального состава.

Любой электронный прибор, предназначенный для использования в радиоэлектронных схемах, независимо от физических принципов его работы характеризуется определенным набором ВАХ и параметров. Обычно связь токов и напряжений в ЭП дается несколькими взаимодополняющими ВАХ. Если конкретная ВАХ снята при изменении какого-либо дополнительного параметра, то образуется так называемое семейство ВАХ. Набор семейств ВАХ дает более полную информацию об ЭП по сравнению с набором одиночных ВАХ.

Вольт-амперная характеристика ЭП наглядно характеризует взаимосвязь токов и напряжений, изменяющихся в большом диапазоне. Однако в радиоэлектронных схемах ЭП часто работают в режиме, при котором напряжения и токи под действием какого-либо полезного сигнала изменяются в относительно небольших пределах в области рабочей точки, т.е. постоянных значений токов и напряжений, заданных тем или иным образом с помощью источников ЭДС и резисторов. В подобной ситуации информация о ходе ВАХ при изменении напряжений и токов в большом диапазоне оказывается избыточной, а наибольший интерес представляет поведение ВАХ в области рабочей точки, которое оценивают с помощью дифференциальных параметров ВАХ (или дифференциальных параметров ЭП). Чтобы определить численное значение дифференциального параметра, надо найти частную производную функции I= f(U) в рабочей точке (U = U0,I = I0).

Допустим, что имеется ЭП, у которого ВАХ описывается выражением I = AU², причем U> О (рис. 2, а). Зависимость производной dl/dU = 2AU от напряжения показана на рис. 2, б. Из приведенного частного примера можно сделать вывод, который оказывается справедливым для всех ЭП с нелинейной ВАХ: численное значение дифференциального параметра зависит от положения рабочей точки на ВАХ.



Рис. 2

Иногда производную dl/dU, измеряемую в амперах на вольт (А/В), называют проводимостью, а величину, ей обратную, - сопротивлением ЭП переменному току (R_ или Ri). В ряде случаев производную dl/dU называют крутизной ВАХ в рабочей точке и обозначают S. Использование разных названий для одной и той же величины объясняется тем, что при анализе конкретных радиоэлектронных схем для лучшего понимания сущности физических процессов целесообразнее в одном случае подчеркнуть, что dl/dU характеризует крутизну ВАХ в ее геометрическом смысле, а в другом - что dl/dU характеризует проводимость (сопротивление) по переменному току.

Если точное выражение для ВАХ неизвестно, то численное значение производной можно найти непосредственно по графику ВАХ как отношение приращения тока АI к вызвавшему его приращению напряжения ∆U в выбранной рабочей точке (рис. 3, а). Очевидно, что чем меньше ∆U, тем ближе значение параметра, полученного графоаналитическим путем, к истинному значению. Электронный прибор в рабочей точке может характеризоваться и сопротивлением постоянному току R₌. Для определения этого параметра достаточно найти отношение напряжения к току в выбранной точке ВАХ, т.е. R= = U₀/I₀.

Если амплитуда напряжения (тока) велика, то возможен следующий подход к использованию ВАХ для расчетов. Участок ВАХ, в пределах которого сигнал изменяется, заменяется прямой линией (рис. 3, 6). Этот прием получил название линеаризации ВАХ. На линеаризованном участке поведение ВАХ характеризуется усредненными Параметрами, Например Sср= (Imax - Imin)/(Umax - Umin). Читателю следует вспомнить, что с подобным приемом он уже сталкивался, например, при решении задачи о нахождении средней скорости какого-либо объекта, движущегося неравномерно.



Рис. 3

Статические ВАХ и дифференциальные параметры, найденные непосредственно по статическим ВАХ (аналитическим или графоаналитическим методом), целесообразно использовать для расчетов радиоэлектронных схем, работающих на частотах, на которых не сказываются реактивности ЭП и инерционность носителей заряда. Более общим является расчет радиоэлектронных схем с применением эквивалентных схем ЭП по переменному току. Иногда вместо термина «эквивалентная схема» используется термин «схема замещения». Смысл, вкладываемый в эти термины, идентичен. Эквивалентной принято называть схему, реакция которой на входное воздействие одинакова (с определенной степенью точности) с реакцией ЭП.

Можно выделить два подхода к построению эквивалентной схемы ЭП. Основываясь на знании физических процессов и свойств отдельных областей ЭП, эквивалентную схему можно представить в виде сопротивлений, емкостей, индуктивностей, источников тока или ЭДС, соединенных определенным образом между собой. Полученная таким образом эквивалентная схема называется физической. Однако эквивалентную схему можно получить, не обращаясь к внутренним процессам в ЭП, а установив лишь формальные соотношения между токами и напряжениями на внешних выводах ЭП. Такая эквивалентная схема называется формальной. Фактически формальная эквивалентная схема сводит анализируемый ЭП к активному четырехполюснику с соответствующими входными и выходными токами и напряжениями. Один входной и один выходной вывод могут быть соединены между собой.

Для расчета схем, в которых ЭП представлен активным четырехполюсником, существует хорошо разработанная в теории электрических цепей методика. Но для се использования с целью получения численных характеристик схемы необходимо знать значения коэффициентов, описывающих четырехполюсник.

В последующих разделах будет показано, как, взяв за основу формальную схему того или иного вида и зная физическую эквивалентную схему ЭП, можно выразить параметры формальной эквивалентной схемы через параметры физической. Подчеркнем, что эквивалентные схемы, о которых шла речь, рассматриваются для переменных токов и напряжений. При этом считается, что по постоянному току в ЭП обеспечен определенный режим. Изменение режима по постоянному току ведет к изменению в той или иной степени значений параметров эквивалентных схем.

До последнего времени расчет радиоэлектронных схем проводился в основном вручную с применением простейших математических приборов: логарифмической линейки, арифмометров, непрограммируемых калькуляторов и т.п. Малая скорость вычисления, большая доля чисто механических расчетов приводили к тому, что всю информацию об ЭП (ВАХ, эквивалентные схемы) стремились максимально упростить для сокращения времени расчета. В ряде случаев (особенно при разработке сложных радиоэлектронных схем) велись лишь прикидочные расчеты, а доводка схем осуществлялась экспериментально.

Появление компьютеров с соответствующим программным обеспечением, использование при расчетах интерактивного (диалогового) режима позволили в настоящее время перейти к машинному проектированию радиосхем. При машинном проектировании можно более точно учесть процессы в ЭП, что, естественно, приводит к усложнению и эквивалентных схем, и уравнений, их описывающих. При таких расчетах ЭП представляется математической моделью, под которой понимается система уравнений (или математическое описание другого вида), описывающая электрические процессы в приборе и позволяющая определить с требуемой точностью необходимые характеристики и параметры ЭП в различных условиях работы.

---

Выполнение контрольных на заказ по радиоэлектронике

---

Однако следует всегда иметь в виду, что использование компьютеров при расчётах электронных схем не освобождает разработчика от анализа полученных результатов, который может быть успешно осуществлен только в том случае, если инженер хорошо понимает физическую сущность процессов, происходящих в разрабатываемой схеме, и осознаёт технические ограничения её реализации.

Основы электроники, радиотехники и связи: Учебное пособие для ВУЗов / А.Д. Гуменюк, В.И. Журавлев, Ю.Ю. Мартюшев и др.; Пол ред. Г.Д. Петрухина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2008. – с. 6-8.