Prelucrarea electronica a semnalelor analogice

introducere

In curs se prezinta dispozitivele si circuitele electronice fundamentale ce intervin in prelucrarea electronica a semnalelor analogice. Termenul de 'electronic' este asociat mecanismului electronic de conductie electrica.

Prin componenta electronica se intelege realizarea fizica a unui element electric individual, intr-un corp fizic independent, care nu poate fi redus mai departe sau divizat, fara a distruge posibilitatea de a indeplini functia pentru care a fost realizat. Componentele electronice se impart in doua categorii: pasive si active. Componentele pasive sunt elemente disipative (consuma putere activa si o transforma in caldura) si nu pot controla fluxul de energie dintr-un circuit electric. Ex.: rezistoare, condensatoare, bobine de inductanta, transformatoare etc. Circuitele formate numai din componente pasive nu pot efectua cea mai importanta functie electronica: amplificarea. Aceasta poate fi realizata de componentele active, care sunt elemente care pot comanda sau modula fluxul de energie dintr-un circuit. Ex.: dioda semiconductoare, tranzistoare, tuburi cu vid sau cu gaz, dispozitive optoelectronice etc. Uzual, pentru componentele pasive se foloseste termenul de 'componente', iar pentru cele active, termenul de 'dispozitive'. Dispozitivele electronice se bazeaza pe controlul miscarii purtatorilor de sarcina in corpul solid (de regula in semiconductoare), in gaze sau in vid.

Circuitele electronice sunt acele circuite electrice care folosesc dispozitive electronice. Ele realizeaza diverse functii electronice: amplificarea, redresarea, stabilizarea tensiunii, generarea de oscilatii armonice, modularea, demodularea etc. Circuitele electronice se impart in doua categorii:

1) circuite digitale (numerice, logice): acele circuite care prelucreaza semnale binare, adica semnale care pot avea numai doua valori (0 sau 1);

2) circuite analogice: circuitele la care semnalul de iesire variaza continuu in timp, urmarind dupa o anumita lege variatia semnalului de intrare. Dupa natura functiei de transfer, adica a relatiei dintre marimea de intrare si cea de iesire, circuitele analogice se impart in circuite liniare si neliniare.

Dispozitivele electronice sunt in general neliniare, dar ele pot fi considerate suficient de liniare in domenii de functionare limitate.

Tubul electronic a fost primul dispozitiv folosit in electronica. Inca din anul 1883, Thomas Edison, a studiat si a construit o lampa cu filament de carbon, atragandu-i atentia innegrirea tubului de sticla dupa cateva ore de functionare. Cu intentia de a capta unele din particulele care innegreau sticla, a introdus in balonul de sticla o placa metalica si a fost surprins sa descopere ca daca facea placa pozitiva in raport cu filamentul, in circuit aparea un curent. Timp de douazeci de ani nimeni nu a stiut ca acest efect termoelectronic numit 'efect Edison', era datorat electronilor emisi de filamentul cald si captati de anodul (placa) incarcat pozitiv. Innegrirea lampii a fost studiata si de Ambrose Fleming, cercetand realizarea unui detector evoluat pentru undele radio ale lui Marconi. In 1904 el si-a patentat 'tubul oscilator' cu doi electrozi (dioda) care permitea trecerea curentului intr-o singura directie. Lee de Forest a construit in 1907 un tub electronic cu o grila (retea) metalica intre catod si anod, numit trioda. Urmeaza tetroda (Schottky, 1919), pentoda (Tellegen, 1928) etc.

In anii '30 au aparut redresoarele cu diode metal-semiconductor (cu seleniu, cu oxid cupros), apoi cu germaniu (Ge) si cu siliciu (Si). Primul tranzistor bipolar a fost cel cu contacte punctiforme, realizat de Bardeen si Brattain in 1948, dar nu s-a impus din cauza puterii foarte mici. Cel mai important dispozitiv electronic este, la ora actuala, tranzistorul bipolar cu jonctiuni, inventat de Shockley in 1949.

Cu exceptia unor aplicatii specializate (in emitatoarele radio, tuburile catodice), tuburile electronice au fost inlocuite dupa 1960 de dispozitivele semiconductoare discrete si integrate.

Un circuit integrat este o unitate constructiva inseparabila de microelemente interconectate electric, plasate in volumul sau pe suprafata unui substrat comun. D.p.d.v. tehnologic, ele pot fi realizate sub forma monolitica sau sub forma hibrida. Circuitele integrate monolitice se obtin integral pe aceeasi placuta ("cip") de material semiconductor. Cele hibride contin si unele elemente neintegrabile (condensatoare si inductante mari).

Pentru analiza circuitelor electronice se utilizeaza legile fundamentale ale circuitelor (legea lui Ohm, legile lui Kirchhoff), precum si o serie de teoreme (superpozitiei, Thvenin, Norton etc.).

Teorema superpozitiei poate fi enuntata in doua forme: una in termenii unei retele de impedante si alta in termenii unei retele de admitante. In orice retea liniara de impedante si generatoare, curentul dintr-o ramura este egal cu suma curentilor ce strabat acea ramura datorita fiecarui generator considerat separat, cu toate celelalte generatoare inlocuite prin impedantele lor interne.

Consideram bateria de 12V singura si inlocuim bateria de 6V lasand doar impedanta sa interna de 2. Pentru acest circuit avem:

Acum considerand bateria de 6V singura, inlocuim bateria de 12V lasand doar impedanta sa interna de 6. Rezulta:

Cu ajutorul teoremei superpozitiei avem:

A doua modalitate de exprimare a teoremei superpozitiei este: in orice retea de admitante si generatoare de curent, potentialul de-a lungul unei ramuri este egal cu suma potentialelor de-a lungul acestei ramuri datorate fiecarui generator considerat ca actionand separat, cu toate celelalte generatoare inlocuite prin admitantele lor interne.

Teorema lui Thvenin (teorema generatorului echivalent de tensiune, teorema lui Helmholz-Thvenin) arata ca orice retea de generatoare si impedante, cu doua terminale, poate fi inlocuita printr-un 'unic generator de tensiune in serie cu o singura impedanta'. In figura 1.2. reteaua este prezentata ca o 'cutie' cu doua terminale, in partea stanga, iar circuitul echivalent alcatuit din generatorul unic de tensiune V si impedanta Z_in in partea dreapta (tot cu doua terminale).

Componentele circuitului echivalent pot fi calculate dupa cum urmeaza:

- generatorul de tensiune V are valoarea egala cu tensiunea masurata la bornele retelei cand nu este conectata nici o sarcina (tensiune de mers in gol);

- impedanta Z_in este impedanta masurata intre terminale cand toate generatoarele interne sunt suprimate si inlocuite cu impedantele lor interne.

Teorema lui Norton (teorema generatorului echivalent de curent) este similara cu teorema lui Helmholz-Thvenin cu exceptia ca circuitul echivalent este exprimat ca un generator de curent in paralel cu o admitanta. In figura 1.3 reteaua este prezentata ca o cutie cu doua terminale avand in dreapta sa circuitul echivalent Norton.

Componentele circuitului echivalent pot fi calculate dupa cum urmeaza:

- I_sc este curentul care ar strabate un 'scurtcircuit' plasat intre terminale;

- Y_in este admitanta masurata intre terminale cu toate generatoarele suprimate (Y_in este bineinteles inversul impedantei Z_in echivalente din cazul teoremei lui Helmholz-Thvenin).