Особенность нелинейной системы в том, что она искажает форму проходящего через неё сигнала так, что в его спектре появляются новые составляющие. Поэтому такие процессы, как выпрямление, модуляция, детектирование, преобразование частоты и другие вообще невозможны без нелинейного элемента. Для выпрямления переменного тока, к примеру, нелинейный элемент должен изменить его спектр, причём так, чтобы в этом спектре появилась постоянная составляющая. В то же время при усилении ничем не скомпенсированная нелинейность недопустима, она приводит к искажениям, которые так и называют нелинейными. Они очень неприятны при воспроизведении звука, особенно музыки, так как слышны в виде новых и совершенно неуместных шумов и хрипов.
Т-205. Модулятор. Для радиосвязи, радиовещания, телевизионных передач используют токи высокой частоты (ВЧ). Только они эффективно создают радиоволны, которые переносят сообщения от передатчика к приёмнику. Вместе с тем сами эти сообщения записаны в токах низкой частоты (НЧ). Например, меняющийся ток, который переносит наш голос по телефонной линии, представляет собой электрическую копию звука и, следовательно, имеет тот же частотный спектр — от 200 Гц до 3 кГц. Отсюда задача: нужно сделать высокочастотный сигнал переносчиком низкочастотного. Для этого на передатчике в токе высокой частоты записывают все изменения низкочастотного тока, а в приёмнике извлекают эту запись. Такой процесс записи (в передатчике) — это модуляция, а извлечение записанного (в приёмнике) — детектирование, оба они процессы нелинейные.
Самая давняя и то же время самая простая — амплитудная модуляция (AM), когда меняется амплитуда высокочастотного тока, повторяя все изменения низкочастотного сигнала (Р-109). Существует много схем для амплитудной модуляции, одна из самых простых — усилитель высокой частоты, в котором низкочастотный ток меняет режим транзистора, меняет усиление сигнала. Возможна также и частотная модуляция (ЧМ), её широко используют для высококачественной передачи музыки. Как говорит само название, при ЧМ низкочастотный сигнал записывают в изменениях частоты передатчика. Модулируется для этого сам ВЧ-генератор — при изменении его режима меняются собственные ёмкости транзистора (каждый рп-переход — это своего рода конденсатор), какие-то из них входят в колебательный контур и влияют на частоту его собственных колебаний.
Т-206. Детектор. В модулированном по амплитуде высокочастотном токе, который радиоволны наводят в антенне приёмника, нет нужного нам низкочастотного сигнала. Но его можно воссоздать, если принятый модулированный по амплитуде ВЧ-сигнал пропустить через диод (через нелинейную систему, Р-103) и получить таким образом пульсирующий ВЧ-ток. Его среднее значение будет меняться, повторяя изменения амплитуды и формируя низкочастотную составляющую тока — копию того низкочастотного тока, который осуществлял амплитудную модуляцию на передатчике.
Т-207. Выпрямитель. Нередко из переменного напряжения нужно получить постоянное, например, для питания электродвигателей постоянного тока, зарядных устройств или электронных схем. Выпрямитель, который во многих предыдущих разделах мы вынуждены были рисовать в виде загадочной коробочки, уже можно представить в виде реальной и весьма простой схемы. Она очень похожа на детектор, но переменное напряжение к выпрямителю подводится не из антенны, а из сети, амплитуда его не меняется, и из получившегося пульсирующего тока фильтры выделяют постоянную составляющую тоже неизменной величины.
Электроника, как и электротехника, богата схемными хитростями, и трудно удержаться, чтобы не назвать здесь одну из них — двухполупериодное выпрямление. Трансформатор со средней точкой или хитрое включение четырёх диодов в мостовой схеме (Р-99) позволяют использовать в выпрямителе оба полупериода переменного тока, что практически вдвое увеличивает мощность выпрямленного тока и облегчает его очистку (Т-8) от переменных составляющих. Мостовые выпрямители используются и в трёхфазных системах.
Р-104. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ. Пришло время, и люди научились разговаривать, перекрывая огромные расстояния. Микрофон довольно точно делал своего рода электрическую копию звука (1), то есть делал очень похожий на звук (аналогичный ему) электрический сигнал (почему-то принято говорить аналоговый), который пробегал сотни и тысячи километров. А затем электромагнитный громкоговоритель из принятого аналогового электрического сигнала делал точно такой же звук, какой воздействовал на микрофон. Система передачи речи и музыки с помощью аналогичного звуку (аналогового) сигнала применялась и применяется в телефонии, радиовещании, телевидении, звукозаписи, но в 1838 году у неё появился серьёзный конкурент. Он, как и в книгах или юридических документах, отображал слова буквами с помощью несложного кода (азбука Морзе) превращали их в электрические сигналы — в известные всем заинтересованным лицам комбинации коротких («точки») и продолжительных («тире») импульсов тока (2). В наше время мир заполнен сложными электрическими и электронными системами и аппаратами, работающими с информацией в кодовом её представлении. Чаще всего информация кодируется двоичными числами, то есть состоящими из единиц и нулей, например, из импульсов тока (1) и пауз (0). Кодовое представление информации имеет много достоинств. В частности, закодированный цифрами сигнал можно математически обрабатывать, в телевидении, например, такая обработка позволяет в несколько раз уменьшить участок спектра, необходимый для передачи картинки.
Т-208. Преобразователь частоты и идея супергетеродинного приёмника. Промелькнувшие электронные блоки: генератор, модулятор, детектор, выпрямитель — всё это нелинейные системы (Р-103), и за счёт нелинейных рабочих характеристик диодов или транзисторов в них идут нелинейные процессы. Только такому блоку, как усилитель, нелинейность не нужна, она искажает усиливаемый сигнал. А все остальные блоки работают только за счёт своей нелинейности — создают в спектре сигнала новые составляющие, которые и выполняют какое-либо специальное задание: превращение переменного тока в постоянный, модуляцию высокочастотного сигнала, детектирование, а также преобразование частоты в супергетеродинном приёмнике (Р-111). Исследуя в этой нелинейной системе спектр двух переменных токов, например с частотами 50 и 60 кГц, мы кроме их гармоник обнаружим две очень странные составляющие спектра — одну с частотой 110 кГц, а другую с частотой 10 кГц. Откуда они появились? Ни в один ряд гармоник эти частоты не попадают. Кем же тогда рождены эти странные частоты? Оказывается, что это составляющие с суммарной частотой 50 кГц + 60 кГц = 110 кГц и разностной 60 кГц — 50 кГц = 10 кГц. Почему появились в спектре составляющие с этими странными частотами? Их предсказала математика, и их можно живьём обнаружить в спектре, настроив на них резонансный контур. Более того, получение разностной частоты используется во всех радиоприёмниках супергетеродинного типа, а это приёмники видеосигналов в телевизорах, домашние и походные приёмники, радиолы, приёмники сотовых телефонов, радиотелескопов, локаторов и множества других устройств.
С помощью такого преобразования очень высокие частоты, которые усиливать сложно, преобразуют в более низкую промежуточную частоту и уже на ней ведут усиление принятых сигналов. После преобразования сигнал промежуточной частоты fпр оказывается точно так же промодулированным, как и сам сигнал принимаемой станции с частотой fc. Поэтому продетектировав промежуточную частоту, вы услышите то же самое, что было бы при детектировании самого принимаемого сигнала с частотой fc.
Т-209. Строительные блоки для цифровых схем. Электрические импульсы цифровых сигналов усиливают в ламповых или транзисторных усилителях, в принципе похожих на аналоговые, модулятор, если нужно, нагружает импульсами высокочастотный ток, а детектор извлекает импульсы из модулированного сигнала. Вместе с тем у цифровых сигналов есть несколько своих особых схемных решений, есть несколько схем и блоков, которые можно встретить в цифровых аппаратах самого разного назначения.
Т-210. Ограничитель. Если на аналоговый сигнал в пути «налипнет» какая-нибудь помеха, какой-нибудь посторонний ток, то от него уже не избавишься, и вместо слова «красота» ваш телефонный собеседник вполне может услышать «кароста». С цифрового сигнала помеху можно просто срезать с помощью ограничителя, в простейшем случае он собран из диодов с запирающими постоянными напряжениями.
Ограничители применяют и в аналоговых устройствах с частотной модуляцией, поскольку в этом случае, в отличие от модуляции амплитудной, несколько срезать амплитуду сигнала не опасно. В значительной мере благодаря имеющимся в приёмнике ограничителям помех, радиопередачи с частотной модуляцией отличаются высоким качеством.
ВК-252. Все последующие этапы есть последовательное изготовление интегральной схемы в кристалле. Для начала его покрывают тонким светочувствительным слоем — фоторезистом (1). Затем через шаблон маски при сильном уменьшении на фоторезист направляют свет (2), и на нём появляются микроскопические освещённые точки. Именно в этих точках свет меняет вещество фоторезиста, и после проявки (3) в маске образуются отверстия, открывающие доступ к кристаллу.
Р-105. УСИЛИТЕЛЬ ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ГЕНЕРАТОР. Для начала возьмём типичный усилительный каскад, у которого во входную цепь включён колебательный контур LкCк (1). А в коллекторную цепь включена катушка Lос — обозначение «ос» означает «обратная связь». Катушки Lк и Loc находятся на одном каркасе и связаны общим магнитным полем, благодаря которому часть энергии из коллекторной цепи возвращается в базовую. Такая передача энергии как раз и есть обратная связь, прямая связь — это влияние базовой цепи на коллекторную через коллекторный ток в транзисторе. Если в контур