Основы РЭА, Флёров А.Н, 2013

Лекция №1, тезисы

ВВЕДЕНИЕ

Еще 40-50 лет назад радиотехника состояла в основном из радио­передающей и радиоприемной техника.

Сегодня слово "радиотехника" уже за­менено более широким понятием „радиоэлектроника", которое включает в себя не только радиотехнику, но и ряд новых областей знания, как полупроводниковая электроника, импульсная техника, электронно-вычислительная техника, электрон­ная автоматика, телевидение и т. д.

Сначала радиотехника была связана с передачей информации беспроводным способом, сегодня радио­электроника глубоко вошла почти во все области человеческой деятельности.

Радиоэлектроника, термин, объединяющий обширный комплекс областей науки и техники.

Появился в 50-х гг. 20 в. и является в некоторой степени условным.

Радиоэлектроника охватывает радиотехнику и электронику, а также ряд новых областей.

РАДИОТЕХНИКА - область техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний для передачи информации, радиосвязи, радиолокации и радионавигации.

РАДИОТЕХНИКА распадается на ряд областей:

1. генерирование колебаний

2. усиление колебаний

3. преобразование колебаний

4. антенная техника

5. распространение радиоволн

6. воспроизведение принятых сигналов

7. техника управления, регулирования и контроля с использованием р.т методов (телеметрия)

ЭЛЕКТРОНИКА - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых)

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА – собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования радиочастотных электромагнитных колебаний или волн.

Новые области Радиоэлектроники, выделившихся в результате их развития и

дифференциации:

микроэлектроника,

полупроводниковая электроника,

оптоэлектроника,

акустоэлектроника,

квантовая электроника,

инфракрасная техника,

криоэлектроника,

хемотроника и др.

Микроэлектроника, направление электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Возникновение М. - 60-х гг. 20 в., вызвано непрерывным усложнением функций электронной аппаратуры и повышению требований к ее массогабаритным параметрам и надежности.

Полупроводниковая электроника, направление электроники, занимающаяся исследованием электронных процессов в полупроводниках и их использованием.

(пп компоненты аппаратуры: диоды транзисторы, ИМС).

Оптоэлектроника, направление электроники, занимающаяся вопросами использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.

(фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, светодиоды, оптоволокно, п.п лазеры)

Акустоэлектроника – это направление микроэлектроники, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта, а также явлений, связанных с взаимодействием электрических полей с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом полупроводниковом материале. Акустоэлектроника занимается преобазованием акустических сигналов в электрические и электрических в акустические.

(изделия пьезотроники - кварцевые резонаторы, пьезофильтры, устройства ПАВ)

Квантовая электроника, направление электроники изучающее методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения, а также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения.

(квантовые генераторам света (лазерам), квантовые усилители радиоволн)

Криоэлектроника, криогенная электроника, направление, охватывающее исследование взаимодействия электромагнитного поля с электронами в твёрдых телах при криогенных температурах (ниже 90К) и создание электронных приборов на их основе.

Инфракрасная техника,  направление, включающая разработку и применение приборов, действие которых основано на использовании инфракрасного излучения и его физических свойств. К и. т. относятся: приборы для обнаружения и измерения инфракрасного излучения (приёмники излучения, приборы для наблюдения)

Хемотроника – направление разработки и применения приборов, действие которых основано на электрохимических процессах и явлениях, имеющих место на границе электрод — электролит при пропускании электрического тока.

Простейший хемотронный прибор (электрохимическая ячейка) представляет собой миниатюрную герметичную стеклянную ампулу, заполненную электролитом, в которую помещают два электрода. Электролитами служат водные растворы кислот, солей и оснований; для придания им специфических свойств применяют различные в электролит добавляют органические растворители). Перспективно использование в хемотронных приборах твёрдых электролитов с аномально высокой ионной проводимостью, например RbAg₄l₅, Ag₃SI и др. Электроды выполняют из Pt, Ag, Al, Zn и др. металлов или их сплавов; часто электродами служит Hg.

(На базе хемотронных приборов создают миниатюрные усилители, выпрямители, реле времени, интеграторы, нелинейные функциональные преобразователи, датчики ускорения, скорости, температуры, измерители вибрации).

Радиоэлектроника тесно связана, с одной стороны, с радиофизикой, физикой твёрдого тела, оптикой и механикой, с другой — с электротехникой, автоматикой и технической кибернетикой.

Радиофизика, область физики, в которой изучаются физические процессы, связанные с электромагнитными колебаниями и волнами радиодиапазона: их возбуждение, распространение, приём и преобразование частоты, а также взаимодействия электрических и магнитных полей с зарядами в вакууме и веществе.

Радиофизика сформировалась в 20—30-е гг. 20 в., объединив разделы физики, развитые применительно к изучению задач радиотехники и электроники.

Твёрдое тело, одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от др. агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.

Кибернетика (от греч. kybernetike - искусство управления,), наука об управлении, связи и переработке информации.

Аппарат (от лат. apparātus — снаряжение, оборудование) — завершённая совокупность частей или элементов для выполнения какой-либо функции.

 Аппаратура  — это совокупность аппаратов, выполняющих общую функцию или работу.

Радиоэлектронная аппаратура - совокупность отдельных устройств, являющихся подсистемами радиотехнических систем ( РТС). Они предназначены для преобразования радиосигнала в соответствии с принципами работы и требованиями, предъявляемыми к РТС.

Общие сведения об аналоговых и цифровых электронных устройствах

Аналоговая техника – совокупность устройств, предназначенных для обработки, хранения и преобразования аналоговых сигналов. (Преобразователи спектров сигналов, усилители, генераторы)

Цифровая техника – совокупность устройств, предназначенных для обработки, хранения и преобразования цифровых сигналов. (лог. элементы, триггеры, счётчики, цифро- аналоговые устройства, элементы микропроцессорной техники

Все электронные устройства можно условно разделить на две группы:

• аналоговые;

• цифровые.

Аналоговые электронные устройства – устройства усиления, преобразования, обработки электрических сигналов, выполненных на базе электронных приборов.

Аналоговые сигналы (U или I) – те, которые изменяются по такому же закону, что и физические процессы их порождающие.

Пример:

Рис.1.1 Обобщенная модель преобразования аналоговой информации

Fa – опeратор преобразования U₁(t) в U₂(t)

Характеристики аналогового сигнала:

- аналоговый сигнал известен во все моменты времени

- описание аналитическое, график или осциллограмма

Виды аналоговых сигналов:

Аналоговый сигнал м.б непрерывным или дискретным

- непрерывный:

- дискретный

Рис. 1.2 Непрерывный и дискретный по времени сигналы

А₁, А₂, ….Аn в моменты времени t₁, t2…t_n

 t= t_n+1 - t_n

Аналоговый сигнал может иметь форму импульсов(разрывная функция времени) , в этом случае говорят о дискретном аналоговом сигнале, В отличие от непрерывного его значения могут представлять интерес только в отдельные моменты времени.

Цифровой сигнал: если числовое значение аналогового сигнала выразить группами импульсов, обозначающим определённые числа, то мы получим цифровой сигнал.

Представляется в двоичной системе счисления, как самой простой для отображения импульсом.

“n” разрядный код

Способ представления числа – способ кодирования. Кодовое число отражает величину сигнала.

Рис.1.3 Кодирование параметра А_i ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ ВИДЕОИМПУЛЬСОВ

{a} {k} (аналоговое значение кодовое слово) = Процесс оцифровки

Кодовое слово –есть определённой длины последовательность символов.

Так можно выразить любой параметр сигнала .

Информация цифровой техники, которая передаётся между отдельными узлами, сложного цифрового устройства, представляется в виде кодовых слов.

Формированием и обработкой сигналов кодовых слов занимается цифровая техника. Кодовые слова вводятся в виде последовательного или параллельного кода.

Рис.1.4 Преобразование цифрового сигнала, Обобщенная модель.

Fц – символ цифрового преобразования

Может быть много входовым и много выходовым.

Формированием и обработкой таких сигналов (кодовых слов) занимается цифровая техника.

Кодовые слова могут вводится и выводится в последовательном или в параллельном коде.

Цифровое устройство может быть выполнено :

- на основе «жёсткой логики;

- на основе программируемой логики;

- на основе аппаратно- программных устройств.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Из истории…ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОНИКА, как область техники, возникла в начале ХХ века, главным образом вакуумная, на ее основе были созданы электровакуумные приборы.

40-е гг. ХХ века получила развитие твердотельная электроника, главным образом полупроводниковая, на ее основе были созданы целый класс проводниковых приборов.

60-е гг. ХХ века – расцвет микроэлектроники.

Полупроводниковые приборы в виде точечных диодов, или, как их раньше называли, кристаллические детекторы, применяли еще в первых электронных установках.

Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми

соединениями были обнаружены еще в 1874 г.А. С. Поповым.

В 1895г. А. С. Поповым при изобретении радио был применен порошковый когерер, в

котором использовались нелинейные свойства зернистых систем.

В 1922г. О. В. Лосев использовал отрицательное дифференциальное сопротивление,

возникающее при определенных условиях на точечных контактах металла с

полупроводником, для генерации высокочастотных электрических колебаний. Кроме того,

им было обнаружено свечение кристаллов карбида кремния при прохождении тока через

точечные контакты.

С конца XIX в. и до середины XX в. успешно развивается техника электровакуумных приборов.

Из-за недостаточного знания строения полупроводников и происходивших в них электрофизических процессов полупроводниковые приборы не получили тогда существенного развития и применения.

Широкое и систематическое исследование свойств полупроводников было начато в 30-е годы XX в.

В этот период были разработаны основы физики полупроводников, открыты наиболее важные эффекты в полупроводниках, на основе которых работают современные полупроводниковые приборы.

При разработке теории выпрямления на границе двух полупроводников разного типа электропроводности (электронной и дырочной) Б. И. Давыдов в 1938 г. установил важную роль неосновных носителей заряда в   образовании тока.

В 1940—1941 гг. В. К. Лошкаревым и его сотрудниками  экспериментально была подтверждена диффузионная теория выпрямления на p-nпереходе.

B начале 40-х гг. были разработаны точечные диоды для промышленного применения.

Пример: в 1942г. в СССР был организован выпуск полупроводниковых термоэлектрических генераторов для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую. Термогенераторы использовались для питания переносных радиостанций в партизанских отрядах.

Создание и производство этих и многих других приборов в СССР стало возможным благодаря фундаментальным теоретическим и экспериментальным исследованиям свойств полупроводников, проведенным группой ученых под руководством академика А. Ф. Иоффе.

С 1948 г., американскими учеными Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли создан точечный транзистор, начался новый этап развития полупроводниковой электроники.

У. Шокли разработал теорию плоскостного транзистора. В 1952 г. были созданы первые промышленные образцы плоскостных транзисторов, получивших в дальнейшем широкое распространение.

Тогда же У. Шокли предложил полевой транзистор с управляющим p—n переходом.

В 50-х годах были разработаны различные типы биполярных транзисторов, тиристоров, мощных выпрямительных диодов, фотодиодов, фототранзисторов, кремниевых фотоэлементов — солнечных батарей, туннельных диодов и других полупроводниковых приборов.

Принцип действия полевых транзисторов с изолированным затвором был предложен еще в 1926 г. Ю. Лилиенфельдом, но до окончательной разработки этих транзисторов потребовалось почти 30 лет исследований электрофизических процессов на границе полупроводника с диэлек­триком и технологии получения необходимых структур.

Одновременно с разработкой приборов новых типов велись работы по совершенствованию технологических методов их изготовления.

В первой половине 50-х годов был разработан процесс диффузии примесей в полупроводниковые материалы, и в 1956 г. началось производство транзисторов с базой, полученной методом диффузии.

Важным достижением стало появление в начале 60-х годов планарного процесса. Выращивание изолирующего слоя диоксида кремния на поверхности кремниевой подложки и получение в нем топологического рисунка заданной конфигурации с применением процесса фотолитографии позволили осуществлять прецизионный контроль за размерами элементов полупроводниковой структуры.

В 1960 г. был разработан еще один из важнейших технологических процессов - эпитаксиальное наращивание слоев полупроводников требуемых толщины и электрических свойств на монокристаллической подложке.

Достижения полупроводниковой электр оники явились основой создания микроэлектроники.

В 1958—1959-годах появились интегральные микросхемы на кремнии, что означало появление нового направления полупроводниковой электроники — микроэлектроники.

В 1961—1962 гг. появились первые биполярные интегральные микросхемы, а

в 1964 г. — несложные интегральные микросхемы на полевых транзисторах.

С 1967 г. начался выпуск больших интегральных микросхем.

Удалось существенно уменьшить стоимость и повысить надежность устройств электронной техники, значительно уменьшить их массу и габариты путем формирования всех пассивных и активных элементов интегральных микросхем в едином технологическом процессе.

В 80-е годы прошлого столетия стремление к уменьшению размеров активных элементов электроники привело к зарождению еще одного направления — наноэлектроники. (или более правильно— наноразмерной электроника).

Уменьшение размеров активных элементов до нанометров вызвало появление новых физических явлений и, соответственно, возможностей использования этих явлений в новых приборах.

Развитие полупроводниковой электроники идет весьма интенсивно и в нашей стране, о чем свидетельствует присуждение в 2000 г. Нобелевской премии академику Ж. И.Алферову за исследование гетеропереходов, разработку технологий их формирования и за организацию производства полупроводниковых приборов на основе гетеропереходов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Из истории… РАДИОТЕХНИКИ

     

За первое десятилетие развития радиотехники (1895–1904 гг.) приемное устройство А. С. Попова было усовершенствовано введением в цепь антенны элементов ее настройки на частоту принимаемого сигнала, заменой когерера кристаллическим детектором с нелинейным сопротивлением контакта, а также переходом от автоматической записи телеграфных сигналов к их приему на слух.

Работа одиночного колебательного контура аналитически и экспериментально рассматривалась еще до изобретения радио; в этой области исходными были труды Томсона-Кельвина и Герца.

В начале прошлого века существенные теоретические результаты были достигнуты в анализе работы связанных колебательных цепей. Дальнейшее совершенствование радиоприемной техники базировалось на этих исследованиях. Были обоснованы выбор оптимальной связи между цепями антенны и детектора и резкое улучшение избирательности приемника путем введения промежуточного резонансного контура между этими цепями.

Детекторные приемники, имевшие такой промежуточный контур, по инициативе В. М. Шулейкина нашли применение на наиболее ответственных линиях радиосвязи русского флота.

Получили распространение искровые передатчики.

  

   На рубеже первого и второго десятилетий развития радиотехники произошли два события: изобретение вакуумных диода и трехэлектродной лампы (триода). Диод начал применяться в приемниках в качестве детектора. Применение триода повлекло за собой коренные изменения в радиоприемной технике (1905–1914 гг).

    

  Трехэлектродная лампа, изобретенная Форестом в 1906 году, первоначально предназначалась для усиления колебаний.

В 1907 г. Б. Л. Розинг получил «Привилегию за № 18076» на приемную трубку для «электрической телескопии»,  что  явилось  предтечей развития  телевидения.

       

В 1913 году Мейснер открыл возможность самовозбуждения электромагнитных колебаний в схеме, содержащей электронную лампу и колебательный контур.

Возможность усиления и генерации колебаний определила перспективу перехода радиотехники от радиостанций затухающих колебаний к радиостанциям незатухающих колебаний, от детекторных приемников к ламповым.

     

В 1913 году Э. Армстронг изобрел регенеративный радиоприемник (с обратной связью), а в 1918 году – супергетеродинный радиоприемник, схема которого используется и сегодня.

      Радиотехника, основанная на применении электродных ламп, завоевала главенствующее положение в третьем десятилетии (1915–1924гг.).

  Вакуумные триоды нашли также широкое применение в усилителях низкой частоты.  Также стали использовать гетеродины (маломощные генераторы) в качестве дополнительных устройств к детекторным приемникам для осуществления приема незатухающих радиотелеграфных сигналов, что позволило повысить их чувствительность.

Передатчиками незатухающих колебаний первоначально служили радиостанции с дуговыми генераторами.

    

  С 1918 года большим достижением радиоприемной техники оказался регенеративный приемник. В нем один каскад с применением обратной связи сочетал в себе функции детектора, усилителя и гетеродина и обеспечивал сравнительно высокую чувствительность. Ламповые приемники с использованием регенерации изготовлялись и эксплуатировались в течение двух десятилетий.

Конкурент регенеративного приемника – супергетеродинный приемник был изобретен Армстронгом в 1918 году. 

В 1919 году Шоттки изобрел тетрод, который нашел практическое применение лишь в 1924–1929 годах.

       В 1922 году О. В. Лосев начал опыты по применению кристаллических приборов для усиления и генерации колебаний.

В 20-е годы радиолюбителями открыто свойство коротких волн распространяться на большие расстояния благодаря преломлению и отражению в верхних слоях атмосферы.

      Следующее десятилетие характерно бурным количественным ростом производства радиовещательных  и началом практического освоения телевизионного приема сигналов.

В марте 1929 года начались первые регулярные телевизионные передачи в эфир.

Бурное развитие средств радиосвязи привело к появлению большого количества радиоизлучающих средств в достаточно узком диапазоне частот, что привело к появлению помех радиоприему.

Для борьбы с помехами необходимо было не только повышать избирательность и чувствительность приемников, но и осваивать новые более широкие по полосе пропускания диапазоны волн.

В 30-е годы прошлого столетия осваиваются метровые радиоволны, распространяющиеся в пределах прямой видимости, прямолинейно, не огибая земной поверхности. Начала создаваться наука о радиоприеме и радиоприемных устройствах.

     

 В 1934 году Э. Армстронг предложил частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука.

 В 1939 году Э. Армстронг построил первую радиостанцию, работающую в ЧМ диапазоне радиоволн.

       Теория цепей переменных токов, в том числе и токов высокой частоты уже в эти годы находилась на достаточно высоком уровне. Требовалось создание теории работы электронных ламп на базе теории цепей. В этом направлении активно работали Шулейкин и Берг( СССР) и Беркгаузен (Германия).

     

Появление в тридцатых годах тетродов, а затем и пентодов открыли новые перспективы в развитии радиоприемной аппаратуры. Приемники, выполненные на пентодах, имели хорошую чувствительность даже без применения регенерации.

Стрэтт в США, Сифоров в СССР создали теорию супергетеродина для приема длинных и коротких волн. Успешному применению супергетеродинных приемников содействовал выпуск специальных многосеточных ламп для преобразования частоты. Были внедрены электродинамические громкоговорители, которые резко повысили акустические качества радиоприема.

В середине тридцатых годов была изобретена автоматическая регулировка усиления, значительно улучшающая прием дальних коротковолновых радиостанций. Все эти достижения позволили супергетеродину занять главенствующее положение в технике радиоприема, которое он занимает и в настоящее время.

     

Также, в середине тридцатых годов, стали известны принципы электронного телевизионного приема и сформированы предпосылки для телевизионного вещания.

       С 1935 года расширились теоретические и экспериментальные исследования в области сверхвысоких частот, освоена кварцевая стабилизация частоты.

Разработана теория симметричных и коаксиальных линий. Существенный вклад в эту область внес советский ученый А. А. Пистолькорс. Были предложены конструкции и обосновано применение объемных резонаторов и волноводов.

В качестве электронного прибора для гетеродинов ультракоротких волн был создан клистрон.

Благодаря работам Армстронга, Кобси, Сифорова и других была внедрена частотная модуляция на ультракоротких волнах. Это положило основу для разработки приемников метрового, дециметрового, сантиметрового, а затем и миллиметрового диапазонов волн.

   

   Освоению ультракоротковолновой аппаратуры сопутствовало появление новых областей радиотехники: дальней радиорелейной связи и радиолокации.

      Радиолокация (в том числе и локационный прием) стала возможной с развитием техники сверхвысоких частот.

Потребовалась глубокая разработка еще одной отрасли науки, - «импульсная техника».

      В послевоенное время радиотехника начинает развиваться ускоренными темпами. 

Обобщение научных и практических достижений привело к тому, что эти достижения уже не охватывались старым понятием «радиотехника» – пришлось говорить о чрезвычайно обширной науке – радиоэлектронике, в которую с каждым годом входили и входят новые отрасли знаний и применений.

Отдельные отрасли радиоэлектроники, такие как радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, радионавигация, телеуправление, радиоастрономияи др., предъявляют свои специфические требования к радиоприемным устройствам.

   

  О. В. Лосев (СССР), который в 20-е годы прошлого века изобрел и с успехом применял радиоприемные устройства с кристаллическими (полупроводниковыми) гетеродинами.

Однако активное развитие электровакуумных приборов, а также ограниченность сведений о физике твердого тела не стимулировали дальнейших работ в области полупроводниковых приборов.

С 1915 вплоть до 1950-х гг. аппаратура для радиосвязи развивалась на основе электронных ламп, и только затем были внедрены транзисторы и другие полупроводниковые приборы.

     Во время второй мировой войны, в связи с необходимостью обеспечить преобразование частоты в супергетеродинных приемниках сантиметровых волн для радиолокации, были созданы и нашли широкое применение детекторы из полупроводникового элемента кремния.

После войны были разработаны полупроводниковые триоды (п/п) с применением кристаллического германия, и для их массового производства развивалась технологическая база. Полупроводниковые триоды позволяют осуществлять  в приемниках усиление, генерацию и детектирование колебаний, т. е. заменяют собой электронные лампы.

     

 В сочетании с антеннами и колебательными системами п/п явились основой для создания высокочувствительных приемников. Они применялись в радиолокации, радиоастрономии, линиях радиосвязи.

    

 Послевоенное развитие радиоэлектроники позволило поставить и решить задачу радиоприема без поиска  корреспондента и без подстройки на его частоту. Научными предпосылками для этого явились достижения в деле стабилизации частоты автогенераторов и автоматического регулирования.

Проблема стабилизации частоты стимулировали разработку теории автоматического регулирования, нашедшей в настоящее время применение в разнообразных областях механики, энергетики и радиоэлектроники.

     

      Задача теории передачи сообщений состоит в изыскании путей разработки экономичных и надежных способов передачи (приема) сообщений и построения аппаратуры связи.

       Начало общей теории связи было положено в работах Купфмюллера (Германия), Котельникова (СССР) и развиты Шенноном (США). \

Математической основой этих исследований служит теория вероятностей.   В настоящее время разработаны принципиально новые методы радиоприема, способные повысить эффективность и надежность воспроизведения сообщений.

     

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Истоки и начало развития (Википедия)

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE