Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования Нижегородской области
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Нижегородский радиотехнический колледж»
Дисциплина «Основы электротехники и электроники»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
(Основы электроники)
для студентов 1 курса
специальности 230401 Информационные системы (по отраслям)
г. Нижний Новгород
2014г.
1 Полупроводниковые диоды……………………………………………………1
1.1 Выпрямительный диод ..1
1.2 Стабилитрон 5
2 Биполярные транзисторы 7
2.1 Назначение областей транзистора 7
2.2 Принцип работы транзистора 88
2.3 Схемы включения транзисторов 8
2.4 Статические характеристики биполярного транзистора 9
3 Усилительные устройства 12
3.1 Структурная схема усилителя 12
3.2 Амплитудно-частотная характеристика. Полоса пропускания усилителя 12
3.3 Эмиттерная стабилизация режима работы усилителя 13
3.4 Анализ АЧХ широкополосного усилителя (ШПУ) 14
Литература 16
Полупроводниковый диод – это прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств p-n перехода.
Обозначение:
VD
Стрелка указывает направление прямого тока .
1.1 Выпрямительный диод
Назначение выпрямительного диода – преобразование переменного напряжения в постоянное.
Работа выпрямительного диода основана на его односторонней проводимости.
Схема однополупериодного выпрямителя
Трансформатор служит для понижения входного напряжения до значения . U2
0 + t
Т
IД
0 t
UВЫХ
заряд
разряд
0 t
При положительной полуволне напряжения диод находится под прямым напряжением, сопротивление диода мало, через него протекает ток , который создает на нагрузке падение напряжения (закон Ома). При отрицательной полуволне напряжения диод находится под обратным напряжением, его сопротивление велико, через диод протекает небольшой тепловой ток, которым можно пренебречь, т.е. считать его равным 0. При этом и падение напряжения на нагрузке будет .
Таким образом, через диод и нагрузку протекает пульсирующий ток (то он есть, то его нет), длительность импульсов которого равна половине периода входного сигнала (), поэтому схема называется однополупериодной. Этот ток является выпрямленным, т.к. не меняет знак – всегда положителен.
Для сглаживания пульсаций параллельно сопротивлению нагрузки подключают блокировочный конденсатор .
Механизм сглаживания пульсаций:
При положительной полуволне конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода.
При отрицательной полуволне конденсатор медленно разряжается через относительно большое сопротивление нагрузки.
В результате выходное напряжение приближается к постоянному напряжению.
Чем больше емкость блокировочного конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше пульсации.
Емкость блокировочного конденсатора выбирается из условия: реактивное сопротивление конденсатора должно быть много меньше сопротивления нагрузки, т.е. .
В электронной технике понятие «много» означает на порядок, поэтому данное неравенство можно переписать: .
Учитывая, что , получим: .
Отсюда выражаем или
, где
Таким образом, зная частоту входного сигнала и сопротивление нагрузки, легко определить емкость блокировочного конденсатора.
Конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный.
Докажем это. Для постоянного тока , следовательно, реактивное сопротивление конденсатора в этом случае будет стремиться к бесконечности (вытекает из выражения 5), а через бесконечно большое сопротивление ток протекать не может.
1.2 Стабилитрон
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого обратная ветвь ВАХ используется для стабилизации напряжения.
Рабочим участком стабилитрона является область электрического пробоя, а рабочим напряжением – напряжение пробоя.
В качестве стабилитронов используют кремниевые диоды, обладающие бо́льшей устойчивостью к тепловому пробою.
Обозначение: Пример: КС182А
ВАХ стабилитрона:
IПР
UОБР UСТ НОМ 0 1В UПР
IСТ НОМ
IОБР
Одним из характерных параметров стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации:
- напряжение стабилизации при температуре ;
- напряжение стабилизации при температуре ;
- разность температур.
показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1К.
бывают больше и меньше нуля. Обычно используют стабилитроны с , работающие на лавинном пробое.
Иногда в качестве рабочего участка стабилитрона используется прямая ветвь ВАХ, имеющая - такие стабилитроны называются стабисторами.
Для компенсации температурных изменений последовательно со стабилитроном включают 1 или несколько стабисторов:
- стабилитрон ()
- стабистор ()
Созданные по данному принципу стабилитроны называются прецизионными (например, КС191А). Прецизионные стабилитроны обладают высокой температурной стабильностью и высокой точностью стабилизации. Используются они в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в цифровых схемах.
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами.
Биполярным транзистор называется потому, что его работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).
Биполярные транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости. В транзисторах p-n-p проводимости стрелка направлена к базе, основными носителями заряда являются дырки. В транзисторах n-p-n проводимости стрелка направлена от базы, основными носителями заряда являются электроны. И в том, и в другом случае стрелка указывает направление эмиттерного тока.
Обозначение:
Если транзистор рассматривать как узловую точку, тогда справедлив 1-й закон Кирхгофа (сумма входящих токов равна сумме выходящих), т.е.:
– основное уравнение транзистора
Из этого выражения вытекает: - это максимальный ток транзистора.
Переход между эмиттером и базой получил название эмиттерного перехода (ЭП), переход между коллектором и базой называется «коллекторный переход» (КП).
2.1 Назначение областей транзистора
Эмиттер – осуществляет инжекцию ОНЗ в базу.
Инжекция – это введение основных носителей заряда в ту область, где они являются неосновными, при прямом включении перехода. Другими словами, инжекция - это интенсивная диффузия.
База – область, куда инжектируются эмиттером НЗ.
Коллектор – осуществляет экстракцию ННЗ.
Экстракция – это переброс ННЗ через переход ускоряющим полем.
2.2 Принцип работы транзистора
p ЭП n КП p
IЭР IКР
Э К
IЭ IЭn IРЕК IКБО IК
ЕВН
IЭ Б IК
IБ ЕВНЕШН
+ IБ +
UПР UОБР
Пусть транзистор находится в активном (рабочем) режиме, т.е. на ЭП подано прямое напряжение, а на КП – обратное.
При этом возникает инжекция дырок из эмиттера в базу, в обратном направлении будет происходить инжекция электронов. Ток, проходящий через ЭП, равен сумме дырочной и электронной составляющих: .
Т.к. концентрация ОНЗ в эмиттере много больше концентрации ОНЗ в базе, то инжекция дырок будет преобладать над инжекцией электронов, т.е. .
Пришедшие в базу дырки начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому бо́льшая часть дырок успевает пройти через тонкий слой базы и достигнуть КП. Суммарное поле КП () является ускоряющим для дырок, поэтому дырки перебрасываются этим полем через КП (происходит экстракция ННЗ) и участвуют в образовании дырочной составляющей коллекторного тока (управляемая часть коллекторного тока). Т.к. КП находится под обратным напряжением, через него протекает еще один ток – неуправляемый тепловой ток коллекторного перехода . Суммарный ток коллектора равен: . Т.к. тепловой ток мал, то .
Те дырки, которые всё же успевают прорекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока рекомбинации .
Таким образом, суммарный ток базы равен:
Все составляющие этого тока малы, следовательно, ток базы также мал.
2.3 Схемы включения транзисторов
В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов:
а) Общий эмиттер ( n-p-n)
Как расставляются знаки у источников питания?
n – p – n
Э Б К
ЭП (UПР)
КП (UОБР)
ЭП должен находиться под прямым напряжением. При прямом напряжении знаки клемм источника питания и ОНЗ соответствующих областей должны совпадать. Эмиттер – это n-область, основными носителями заряда являются электроны, поэтому на эмиттер должен быть подан «минус» источника питания Есм, а на базу, соответственно, - «плюс».
КП должен находиться под обратным напряжением. При обратном напряжении знаки клемм источника питания и ОНЗ соответствующих областей должны быть противоположны. Коллектор – это n-область, основными носителями заряда являются электроны, поэтому на коллектор должен быть подан «плюс» источника питания Еп.
б) Общая база (n-p-n) в) Общий коллектор (n-p-n)
2.4 Статические характеристики биполярного транзистора
Статические ВАХ транзистора ОБ
Входные характеристики транзистора ОБ - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. при , где f - это функция.
IЭ, mA
UКБ=5В UКБ=0
0 1 UЭБ,В
Если использовать выходное напряжение UКБ>5В, то входные характеристики незначительно сместятся влево, (пойдут кучно), поэтому чтобы не загромождать рисунок, ограничиваются двумя характеристиками: при UКБ=0 и при UКБ=5В. При этом погрешность будет незначительной, ею можно пренебречь.
Выходные характеристики транзистора ОБ - это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, т.е. при
насыщение
0
Статические ВАХ транзистора ОЭ
Входные характеристики транзистора ОЭ - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, т.е. при
IБ,m UКЭ =0 UКЭ=5В
0 1 UБЭ, В
Если использовать выходное напряжение >5В, то входные характеристики незначительно сместятся вправо, (пойдут кучно), поэтому чтобы не загромождать рисунок, ограничиваются двумя характеристиками: при и при . При этом погрешность будет незначительной, ею можно пренебречь.
Выходные характеристики транзистора ОЭ - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, т.е. при
IК, mA
IБ3
насыщение IБ2
IБ1 IБ3 > IБ2 > IБ1
IКЭО IБ=0
отсечка UКЭ, В
3.1 Структурная схема усилителя
Устройство, предназначенное для усиления мощности электрических сигналов, называется усилителем.
Т.к. мощность сигнала на выходе усилителя (по определению) больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилитель должен включать в себя источник энергии. Таким источником энергии является источник питания.
Энергия источника питания в усилителе преобразуется в энергию усиленных колебаний под действием небольшой энергии источника сигнала, в качестве которого могут выступать: генератор, микрофон, фотоэлемент, выходной сигнал предыдущего каскада и т.д.
Потребителем энергии усиленного сигнала является нагрузка (например, акустическая система, ЭЛТ, входное сопротивление следующего каскада).
В качестве усилительного элемента может выступать транзистор, лампа, некоторые виды диодов и т.д.
Таким образом, структурная схема усилителя имеет вид:
Источник
сигнала
Усилительный
элемент
Нагрузка
PВХ PВЫХ
Источник питания
РВЫХ>PВХ
Усиление – это нелинейное преобразование, при котором энергия источника питания преобразуется в энергию усиленных колебаний, закон изменения которых определяется законом изменения входного сигнала.
3.2 Амплитудно-частотная характеристика. Полоса пропускания усилителя
Введем понятие «Коэффициент усиления по напряжению (КU)» - это отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде входного .
Зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты входного сигнала называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ), которая выглядит следующим образом:
КU идеальная АЧХ
КU0
0,707КU0 реальная АЧХ
0 FН ПП FВ f
ПП – полоса пропускания;
FН- нижняя частота полосы пропускания;
FВ- верхняя частота полосы пропускания.
Реальная и идеальная АЧХ совпадают только на средних частотах. На нижних и верхних частотах реальная АЧХ имеет завалы (КU уменьшается). Считается допустимым, чтобы КU уменьшался не более, чем в раз относительно своего максимального значения КU0.
Уровень определяет диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления по напряжению уменьшается в допустимых пределах. Этот диапазон частот называется полосой пропускания усилителя (ПП).
ПП – диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления по напряжению уменьшается в допустимых пределах.
3.3 Эмиттерная стабилизация режима работы усилителя
Стабилизирующим элементом в этой схеме является резистор .
Принцип работы:
С ростом температуры все токи транзистора увеличиваются – режим работы усилителя нарушается. Нас будет интересовать ток эмиттера , с ростом которого растет падение напряжения на резисторе (), что приводит к уменьшению напряжения смещения . Это вытекает из 2-го закона Кирхгофа для участка цепи:
сonst (слабо зависит от температуры)
Уменьшение напряжения смещения сопровождается закрыванием транзистора, в результате чего все токи его уменьшаются, режим работы усилителя стабилизируется.
Через резистор протекает не только постоянный ток, стабилизирующий режим работы, но и переменный ток, приводящий к падению переменного (полезного) напряжения на этом резисторе, что ведет к уменьшению выходного напряжения, а, следовательно, и к уменьшению коэффициента усиления по напряжению .
Для устранения этого недостатка параллельно подключают конденсатор большой емкости, т.е. с малым реактивным сопротивлением. При этом постоянный ток будет протекать через резистор, а переменный – через конденсатор с малым сопротивлением, в результате чего потери полезного напряжения будут минимальны.
3.4 Анализ АЧХ широкополосного усилителя (ШПУ)
Рассмотрим ШПУ с эмиттерной стабилизацией:
- входное сопротивление следующего каскада
, где - паразитная емкость нагрузки; - выходная емкость данного каскада; - входная емкость следующего каскада.
АЧХ такого усилителя:
КU идеальная АЧХ
КU0
реальная АЧХ
0 f
На средних частотах АЧХ реального и идеального усилителя совпадают, на нижних и верхних частотах наблюдаются завалы АЧХ, говорящие о присутствии искажений. (Искажение – это отклонение формы выходного сигнала на выходе усилителя от формы входного сигнала.)
Рассмотрим область верхних частот
К искажениям на верхних частотах приводит наличие паразитной емкости нагрузки :
С ростом частоты входного сигнала реактивное сопротивление этой емкости уменьшается (), следовательно, бо́льшая часть выходного тока ответвляется через эту емкость, не попадая в нагрузку, что приводит к уменьшению , т.е. к завалу АЧХ в области верхних частот.
Избавиться от паразитной емкости нагрузки полностью невозможно, но уменьшить ее желательно. Для этого используют рациональный монтаж: применяют элементы с короткими и толстыми выводами, безвыводные элементы, используют транзисторы с четвертым (корпусным) выводом, т.е. ВЧ-транзисторы с малой паразитной емкостью.
Рассмотрим область нижних частот
К искажениям на нижних частотах приводит наличие разделительных и блокировочных конденсаторов.
а) влияние разделительных конденсаторов :
С понижением частоты входного сигнала реактивные сопротивления конденсаторов увеличиваются (;
), следовательно, увеличиваются падения полезного напряжения на них, т.е. растут потери полезного сигнала, что приводит к уменьшению коэффициента усиления (к возникновению завала АЧХ в области нижних частот).
б) влияние блокировочного конденсатора :
С понижением частоты входного сигнала реактивное сопротивление
блокировочного конденсатора растет (), в результате чего меньшая часть переменного тока ответвляется через этот конденсатор, на резисторе будет выделяться бо́льшая часть переменного (полезного) напряжения (растут потери полезного напряжения на нем), в результате чего выходное напряжение и коэффициент усиления уменьшаются (возникнет завал в области нижних частот).
Чтобы уменьшить искажения в области нижних частот необходимо, чтобы реактивные сопротивления разделительных и блокировочных конденсаторов были минимальны, т.е. чтобы были максимальны емкости этих конденсаторов.
1 Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы.
Справочное пособие.- М.: Салон-пресс, 2009. – 525с.
2 Берикашвили В.Ш., Черепанов А.К. Электронная техника. – М.: Академия,
2009. – 336с.
3 Гальперин М.В. Электронная техника. – М.: Инфра-М, 2010.- 352с.
5 Сиренький И.В., Рябинин В.В., Голощапов С.Н. Электронная техника. Из-во
Питер, 2009. – 416с.
6 В.И.Галкин, Е.В.Пелевин Промышленная электроника и микроэлектроника, М.: Высшая школа, 2010-350с.