 | В этой статье не процитировать какие - либо источники . ( март 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Моделирование слабых сигналов - это распространенный метод анализа в электронике, используемый для аппроксимации поведения электронных схем, содержащих нелинейные устройства, с помощью линейных уравнений . Это применимо к электронным схемам, в которых сигналы переменного тока (т. Е. Изменяющиеся во времени токи и напряжения в цепи) малы по сравнению с токами и напряжениями смещения постоянного тока. Модель слабого сигнала представляет собой эквивалентную схему переменного тока, в которой элементы нелинейной схемы заменены линейными элементами, значения которых задаются аппроксимацией первого порядка (линейной) их характеристической кривой вблизи точки смещения.
Обзор [ править ]
Многие электрические компоненты, используемые в простых электрических цепях, такие как резисторы , катушки индуктивности и конденсаторы, являются линейными . Цепи, состоящие из этих компонентов, называемые линейными цепями , управляются линейными дифференциальными уравнениями и могут быть легко решены с помощью мощных математических методов частотной области, таких как преобразование Лапласа .
Напротив, многие компоненты, составляющие электронные схемы, такие как диоды , транзисторы , интегральные схемы и электронные лампы, являются нелинейными ; то есть ток через них не пропорционален напряжению, а выход двухпортовых устройств, таких как транзисторы, не пропорционален их входу. Связь между током и напряжением в них представлена кривой линией на графике, их характеристической кривой ( ВАХ ). Как правило, у этих схем нет простых математических решений. Для расчета в них тока и напряжения обычно требуются либо графические методы.или моделирование на компьютерах с использованием программ моделирования электронных схем, таких как SPICE .
Однако в некоторых электронных схемах, таких как радиоприемники , средства связи, датчики, приборы и схемы обработки сигналов , сигналы переменного тока «малы» по сравнению с напряжениями и токами постоянного тока в цепи. В них теория возмущений может использоваться для получения приближенной эквивалентной схемы переменного тока, которая является линейной, что позволяет легко рассчитать поведение схемы на переменном токе. В этих схемах постоянный постоянный ток или напряжение от источника питания, называемое смещением , подается на каждый нелинейный компонент, такой как транзистор и вакуумная лампа, для установки его рабочей точки, а изменяющийся во времени переменный ток или напряжение, которое представляет собойк нему добавляется сигнал для обработки. Точка на графике, представляющая ток и напряжение смещения, называется точкой покоя (точка Q). В приведенных выше схемах сигнал переменного тока мал по сравнению со смещением, представляя небольшое возмущение постоянного напряжения или тока в цепи относительно точки Q. Если характеристическая кривая устройства достаточно плоская в области, занимаемой сигналом, с помощью разложения в ряд Тейлора нелинейная функция может быть аппроксимирована вблизи точки смещения ее частной производной первого порядка (это эквивалентно приближению характеристической кривой с помощью прямая касательной к ней в точке смещения). Эти частные производные представляют собой приращениеемкость , сопротивление , индуктивность и усиление, наблюдаемые сигналом, и могут использоваться для создания линейной эквивалентной схемы, дающей отклик реальной схемы на слабый сигнал переменного тока. Это называется «моделью слабого сигнала».
Модель слабого сигнала зависит от токов смещения постоянного тока и напряжений в цепи ( точка Q ). Изменение смещения перемещает рабочую точку вверх или вниз на кривых, тем самым изменяя эквивалентное сопротивление переменного тока слабого сигнала, коэффициент усиления и т. Д., Видимый сигналом.
Любой компонент нелинейной характеристики которого приведены на непрерывной , однозначной , гладкой ( дифференцируемой ) кривой может быть аппроксимирована линейной модели малого сигнала. Модели слабого сигнала существуют для электронных ламп , диодов , полевых транзисторов (FET) и биполярных транзисторов , в частности, модель гибридного пи и различных двухпортовых сетей . Производители часто указывают характеристики слабого сигнала таких компонентов как «типичные» значения смещения в своих технических паспортах.
Обозначение переменных [ править ]
- Величины постоянного тока (также известные как смещение ), постоянные значения относительно времени, обозначаются прописными буквами с прописными нижними индексами. Например, будет обозначено входное напряжение смещения постоянного тока транзистора . Например, так можно сказать .
- Величины слабого сигнала, которые имеют нулевое среднее значение, обозначаются строчными буквами с нижними индексами. Слабые сигналы, обычно используемые для моделирования, представляют собой синусоидальные или «переменные» сигналы. Например, входной сигнал транзистора будет обозначен как . Например, так можно сказать .
- Общие количества, объединяющие как слабые, так и большие сигналы, обозначаются строчными буквами и прописными нижними индексами. Например, полное входное напряжение вышеупомянутого транзистора будет обозначено как . Модель слабого сигнала полного сигнала тогда представляет собой сумму составляющей постоянного тока и составляющей слабого сигнала полного сигнала, или в алгебраической нотации . Например,
PN переходные диоды [ править ]
Уравнение (большой сигнал) Шокли для диода может быть линеаризовано относительно точки смещения или точки покоя (иногда называемой точкой Q ), чтобы найти проводимость , емкость и сопротивление для слабого сигнала диода. Эта процедура более подробно описана в разделе « Моделирование диодов # Small-signal_modelling» , где приводится пример процедуры линеаризации, применяемой в моделях полупроводниковых приборов с малым сигналом.
Различия между малым и большим сигналом [ править ]
Сильный сигнал - это любой сигнал, имеющий достаточную величину, чтобы выявить нелинейное поведение схемы. Сигнал может быть сигналом постоянного или переменного тока или любым сигналом. Насколько большим должен быть сигнал (по величине), прежде чем он будет считаться сильным, зависит от схемы и контекста, в которых используется сигнал. В некоторых сильно нелинейных схемах практически все сигналы следует рассматривать как большие сигналы.
Слабый сигнал - это сигнал переменного тока (более технически, сигнал, имеющий нулевое среднее значение), наложенный на сигнал смещения (или наложенный на постоянный сигнал постоянного тока). Такое разделение сигнала на две составляющие позволяет использовать технику наложения для упрощения дальнейшего анализа. (Если в контексте применяется суперпозиция.)
При анализе вклада слабого сигнала в схему нелинейные составляющие, которые могли бы быть составляющими постоянного тока, анализируются отдельно с учетом нелинейности.
См. Также [ править ]
- Диодное моделирование
- Гибрид-пи модель
- Ранний эффект
- SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, универсальный симулятор аналоговых электронных схем, способный решать модели малых сигналов.
Ссылки [ править ]
