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
ДЕПАРТАМЕНТ ПО АВИАЦИИ
МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТА И КОММУНИКАЦИЙ
РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Минский государственный высший
авиационный колледж
АВИАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ЧАСТЬ 1
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Минск 2011
УДК 621.38
ББК 39.52-051-04
А20
С о с т а в и т е л ь
И. Л. ДУДНИКОВ,
кандидат технических наук, доцент
Р е ц е н з е н т :
А. Г. КЛЮЕВ
кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭРЭО
Одобрено и рекомендовано к изданию научно-методическим советом МГВАК (протокол от 18.01.2010г. № 2)
Учебно-методическое пособие по курсу «Авиационная электроника» предназначено для студентов (курсантов) специальности 1-37 04 02 «Техническая эксплуатация авиационного оборудования» (специализация 1-37 04 02-01). В нем содержатся теоретические сведения по элементной базе электроники и схемотехники, список рекомендуемой литературы.
© МГВАК, 2011
РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
Введение. Определение понятия «Электроника»
Электроника, это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц (электронов) в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.
Электроника, особо тесно связанная с радиотехникой получила название радиоэлектроники (радиосвязь и телевидение).
Радиоэлектроника относиться к числу чрезвычайно быстро развивающихся отраслей науки, техники, народного хозяйства. Сложность электронной аппаратуры каждые 5 лет возрастает в 10 раз. Происходит непрерывная замена одних приборов другими, более совершенными.
Раньше возможности электронных ламп казались совершенными, но
появились полупроводниковые приборы с еще большими возможностями.
То, что было недоступно электронным лампам (высокая механическая прочность, малогабаритность, долговечность) стало доступно полупроводниковым приборам.
Электроника находит все более широкое применение почти во
всех областях науки и техники, что обусловлено высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью и небольшими габаритами
электронных приборов.
1 Высокая чувствительность электронных устройств обеспечивается с помощью различных усилительных схем. Может быть достигнута чувствительность электронных устройств: по току 10-17 А, по напряжению
10-13 В и по мощности 10-24 Вт.
2 Быстродействие определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с микроминиатюризацией элементов и устройств в целом.
3 Универсальность обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой, световой, лучистой, звуковой, химической) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем.
Без электроники были бы невозможны применение авиации,
космических кораблей и кибернетических устройств, космические и астрономические исследования, автоматизация научных исследований и производственных процессов, компьютерная техника, радиосвязь и телевидение, системы записи и воспроизведения информации и многие другие достижения современной науки и техники.
Электронные устройства широко используются в технике
связи (радиовещание, телевидение); в измерительной технике; на транспорте (автомобильный, железнодорожный, водный транспорт); в медицине и биологии (исследовательская, диагностическая, лечебная аппаратура); в промышленности и сельском хозяйстве, т. е. почти во всех
областях деятельности человека весьма широко и успешно применяются электронные устройства.
Область электроники, занимающаяся применением в промышленности, на транспорте и сельском хозяйстве различных электронных устройств, позволяющих осуществлять контроль, регулирование и управление производственными процессами называется промышленной электроникой.
Промышленная электроника немыслима вне радиотехники и радиоэлектроники, которые явились для нее исходным началом.
В промышленную электронику входят:
В основе радиоэлектроники лежит величайшее открытие электромагнитного поля, связанное с именем выдающихся ученых:
М. Фарадеем, открывшим закон электромагнитной индукции (1831 г.),
Дж. Максвеллом, создавшим теорию электромагнитного поля (1865 г.),
Г. Герцем, впервые экспериментально получившим электромагнитные
волны (1887 г.).
В зависимости от применяемой элементной базы можно
выделить четыре основных поколения развития промышленной электроники и электронных устройств:
I поколение (1904 – 1950 гг.) – основную элементную базу электронных устройств составляли электровакуумные приборы.
II поколение (1950 – начало 60-х годов) – применение в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов.
III поколение электронных устройств (1960 – 1980 гг.) связано с развитием микроэлектроники. Основой элементной базы электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.
IV поколение (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется
дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на основе применения БИС и СБИС.
Критерием научно-технического прогресса считается в настоящее время степень использования в различных областях человеческой деятельности электронной аппаратуры, позволяющей резко повысить производительность физического и умственного труда, улучшить технико-экономические показатели производства и комплексно решать такие задачи, которые нельзя разрешить другими средствами.
Элементная база – это отдельные детали или модули,
представляющие собой предварительно собранные из отдельных
деталей схемы неразъемных соединений. Элементную базу делят на
три группы элементов:
Независимо от функционального назначения все электровакуумные приборы можно разделить на две группы: электронные и
газоразрядные (ионные).
Принцип действия вакуумных электронных приборов (ламп) основан на движении электронов в вакууме под действием электрического поля.
Эти приборы служат базой для построения большинства видов радиоэлектронной аппаратуры. В современной аппаратуре электровакуумные приборы заменяются полупроводниковыми, однако имеются области, где электровакуумные приборы или превосходят полупроводниковые или
являются незаменимыми.
С помощью электровакуумных приборов можно создать генераторы мегаваттной мощности (~ 106 Вт), а с помощью одного полупроводникового прибора удается получить примерно в 1000 раз меньшую мощность колебаний.
Электровакуумными приборами являются телевизионные передающие и приемные электронно-лучевые трубки. Кроме того, вся электронная аппаратура высшего класса выполняется на электронных лампах. Такого высокого качества звучания, как у усилителя на электронных лампах, невозможно
достичь в усилителе, выполненном на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах.
Электронные приборы отличаются от второй группы приборов этого класса – ионных приборов тем, что все процессы происходят в них
при очень высоком вакууме 1,33 (10-4…10-5) Па и влияние газов на эти процессы ничтожно.
Существуют следующие группы электронных приборов:
Их используют в генераторах переменного тока различной частоты, усилителях постоянного и переменного тока, усилителях мощности, выпрямителях переменного тока, стабилизаторах напряжения, преобразователях частоты, формирователях импульсов специальной формы и других устройствах.
Существуют и другие типы электронных приборов: электронно-оптические преобразователи, рентгеновские трубки.
Ионные (газоразрядные) приборы используют свойства электрического разряда в газах. Рабочий объем таких приборов после вакуумирования заполняются инертными газами, парами ртути, водородом до давления
0,133 – 1330 Па. Носителями зарядов в газоразрядных приборах являются электроны и ионы, образующиеся в результате ударной ионизации атомов газа.
Свойства электрона и электронная эмиссия
Электрон представляет собой материальную частицу, обладающую механическими, корпускулярными и волновыми свойствами. Он обладает самым малым отрицательным постоянным зарядом е примерно равным
еэ = – 1,601 · 10-19 Кулон.
Отношение заряда к массе электрона найдено экспериментально и равно = 1,759 · 108 .
Оттуда масса электрона равна mэ = 9,11· 10-28 г.
Диаметр электрона равен 10-13 см, большая величина отношения заряда электрона к его массе определяет его подвижность.
Под воздействием сил электрического поля электрон в течение очень коротких промежутков времени может приобрести значительные скорости, почти мгновенно прекращать движение, или изменять направление
движения. Подвижность электронов определяет практическую безынерционность электронных приборов. Принцип действия электронных приборов основан на физических процессах связанных с движением зарядов в вакууме, разряженном газе, полупроводнике.
Электроны, образующие поток зарядов в приборе, образуются в результате эмиссии (испускания). Электронная эмиссия – это испускание электронов твердыми телами (металлы, полупроводники).
Виды электронной эмиссии
Различают следующие виды эмиссии:
Явление электронной эмиссии при освещении поверхности твердых тел впервые исследовано А. Г. Столетовым 1888 году при этом виде эмиссии электроны получают энергию за счет облучения металла лучистым потоком (фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды). Выходу электронов из твердого тела препятствуют электрические силы взаимодействия. Наивысшая энергия, которой может обладать электрон в твердом теле, недостаточна для преодоления этих сил.
Если электрон выйдет за пределы твердого тела, то оно зарядится положительно. В результате возникает электрическое поле, которое стремиться вернуть электрон назад. Уровень энергии, которой обладает электрон в вакууме выше уровня его энергии в твердом теле (металле) на величину, которая называется работой выхода электрона.
Wo = Wα − Wβ = eэφ,
где Wα – энергия электрона в вакууме,
Wβ – максимальная энергия электрона в металле при низких температурах, eэ –заряд электрона,
φ – разность потенциалов.
Работа выхода может значительно изменяться, если на поверхность металла и полупроводника нанести тонкий слой другого вещества, атомы которого могут отбирать электроны у металла или отдавать их ему.
Устройство и принцип работы электровакуумных приборов
В зависимости от назначения к лампам предъявляются различные требования. Поэтому выпускается большое количество разных типов ламп, значительно отличающихся по своим свойствам и специально рассчитанных для тех или иных целей.
В зависимости от назначения лампы бывают: усилительные, выпрямительные, детекторные, частотопреобразовательные, и др.
По числу электродов различают следующие типы ламп: диоды (лампы без сеток, двухэлектродные); триоды – лампы с одной сеткой; тетроды (четырехэлектродные, лампы с двумя сетками); пентоды (пятиэлектродные); гексоды (шестиэлектродные, лампы с четырьмя сетками); гептоды (семиэлектродные, лампы с пятью сетками); октоды – восьмиэлектродые лампы с шестью сетками.
Выпускаются также комбинированные лампы, у которых в одном
баллоне размещается несколько ламп: двойной диод, двойной триод,
триод-пентод и т. д.
Устройство ламп
Электронные лампы отличаются не только по своим свойствам, но и по внешнему виду и конструкции. Все электронные лампы имеют оболочку (баллон), внутри которой размещаются соответствующие электроды.
В зависимости от материала баллона электронные лампы бывают металлические, стеклянные и керамические. Для подключения к электронной схеме лампы имеют металлические штырьки, соединенные с соответствующими электродами лампы. Металлические и стеклянные лампы снабжены цоколем, на котором укреплены штырьки. Цоколь изготавливается из пластмассы или литого стекла и соединяется с баллоном.
В электронных лампах для создания электронного потока
используют активированные катоды, которые выполняют из смеси металлов с высокой эмиссионной способностью.
Металлические лампы в настоящее время не применяются в
аппаратуре новых разработок.
Стеклянные лампы выпускаются в баллонах сравнительно большего диаметра (33 мм). В миниатюрных баллонах – «пальчиковые» лампы
(диаметр баллонов 19 и 25 мм). Эти лампы получили наибольшее применение. Стеклянные лампы еще меньших размеров (диаметр баллонов 6 – 10 мм), так называемые «сверхминиатюрные» и металлокерамические лампы (нувисторы). Два последних вида ламп используются в электронной аппаратуре специального назначения. Практически все электронные лампы имеют катод.
Катоды электронных ламп бывают прямого накала и подогревные.
В катодах прямого накала металлическая нить, по которой проходит нагревательный ток, служит одновременно и катодом (рисунок 1.1).
б
а
Рисунок 1.1 – Устройство катодов электронных ламп
а – прямого накала; б – подогревного
Подогревные катоды нагреваются с помощью специальных подогревателей, которые не являются электродами лампы. Эти катоды имеют полый металлический цилиндр – керн (диаметр 1 – 2 мм), на наружную поверхность которого нанесен слой вещества, эмитирующего электроны. Катоды прямого накала питаются постоянным током для того, чтобы не было пульсаций тока и не изменялись режимы работы лампы.
В качестве материала для керна обычно используется никель, а в качестве вещества, эмитирующего электроны – окислы некоторых металлов (бария, стронция и др.), имеющие свойства полупроводников. Такие катоды называют оксидными. Внутри керна помещается подогреватель, изготавливаемый из вольфрамовой проволоки в виде петли или спирали. Подогреватель изолируется от керна покрытием (окись аммония).
Для каждой лампы указывается предельно допустимое напряжение между катодом и подогревателем. По виду используемого вещества различают три вида катодов:
Двухэлектродная электронная лампа – диод
Диод является наиболее простой электронной лампой. Он содержит два электрода: катод и анод. Катод является излучателем электронов (эмиттером), а анод – их собирателем (коллектором), условное обозначение диодов приведено на рисунке 1.2.
б
а
Рисунок 1.2 – Условное обозначение диодов
а – диод; б – двойной диод с катодом
Анод диодов выполняется в виде цилиндра из тугоплавких металлов (никель, титан, тантал, молибден). Катод выполняется из никеля или платины, покрытых оксидным слоем щелочноземельных металлов. Работают они при температурах t° = 650 – 850 °C. Разогревается катод нитью накала. Напряжение цепи накала составляет 1…6 В. При разогреве катода на его поверхности возникает термоэлектронная эмиссия. Для работы этой лампы требуется два источника питания: накала и анода.
Схема включения диода приведена на рисунке 1.3.
VL
mA
V
V
Uа
SA2
PV2
PV1
SA1
R2
R1
Uн
Рисунок 1.3 – Схема включения диода
Принцип работы диода
Если к электродам лампы приложить напряжение Ua, то под действием возникшего в пространстве между анодом и катодом электрического поля, испускаемые раскаленным катодом, электроны будут двигаться к положительному аноду. Через лампу пройдет ток. При изменении полярности анода и катода электроны под действием электрического поля возвращаются назад на катод и ток через лампу протекать не будет. Свойство диода пропускать ток только в одном направлении называется односторонней проводимостью.
Условие работы диода: Ua > 0; Uн > 0.
Величина анодного тока зависит от температуры разогрева катода и величины анодного напряжения Ua. При возрастании температуры катода возрастает количество электронов, достигших анода. При небольших значениях анодного напряжения Ua не все электроны попадут на анод. Температура разогрева катода зависит от величины напряжения накала.
Используются диоды в настоящее время для выпрямления переменного тока в основном в высоковольтных выпрямителях и в схемах детектирования.
Характеристики и параметры диода
Свойства электронных ламп определяются их характеристиками и параметрами.
Характеристики ламп показывают графически зависимость тока, протекающего между электродами, от напряжений, приложенных к этим электродам.
Параметры ламп – это постоянные величины, дающие представление о том, как влияют на ток лампы напряжения на ее электродах.
Характеристики диода
Основные характеристики диода это:
ia
На рисунке 1.4 приведена анодная характеристика, которая имеет основное практическое значение, т. к. электронные устройства обычно работают при неизменном напряжении накала Uн.
Ua
is
0
B
A
Рисунок 1.4 – Анодная характеристика диода
При небольшом анодном напряжении Ua объемный заряд сохраняется, а при больших Ua рассасывается и сдвигается к катоду. При некотором напряжении Ua наступает режим насыщения, при котором все электроны достигают анода.
Режим пространственного заряда во всех лампах является основным рабочим режимом. Электронные лампы работают при Uн = const, и ток анода Ia в цепи диода пропорционален напряжению Ua в степени 3/2 (закон степени 3/2):
Ia = σUa3/2,
где, σ – постоянная для данного типа лампы.
В режиме насыщения ток Ia не должен зависеть от напряжения Ua.
Статические параметры диода
Основные параметры диода – это крутизна характеристики (S) и внутреннее сопротивление (Ri).
Свойства диода наиболее удобно оценить с помощью статических параметров.
1 Крутизна характеристики лампы характеризует степень изменения анодного тока Ia при изменении анодного напряжения. Ua на 1 В. Так как анодная характеристика нелинейна, то крутизна (S) для различных точек характеристики различная. Для выбранной точки характеристики крутизна может быть определена как отношение приращения анодного тока Ia к приращению анодного напряжения Ua
S = , мА/В, т. е. S= = = tgα1,
где α – угол наклона характеристики.
2 Внутреннее сопротивление лампы – величина, обратная крутизне ее характеристики.
Ri = =
Величина Ri позволяет рассматривать диод как некоторое сопротивление протекающему току.
При протекании через диод постоянного тока сопротивление лампы постоянному току выражают как отношение напряжения к току в некоторой точке характеристики.
R0 = , Ом
Чем больше крутизна S и меньше внутреннее сопротивление Ri, тем лучше работает лампа в качестве выпрямителя тока.
3 Допустимая мощность рассеяния на аноде – т. е. мощность, которую может рассеять поверхность анода при максимально допустимой рабочей температуре
Pa = Ia · Ua, Вт
Существуют нормы удельной мощности рассеяния (Вт / см2): никель
0,5 – 4,5; никель черный 2,3 – 6,2; медь с водяным охлаждением 25 – 30, для стеклянной колбы (0,25 – 0,5) Вт / см.
4 Междуэлектродная емкость диода.
Электроды диода в виде двух пластин, разделенных вакуумом, образуют конденсатор, Сак ~ несколько пФ на высоких частотах это влияние существенно.
Трехэлектродная лампа (триод)
Ламповый триод содержит три электрода: анод, катод, сетку. Для работы триода требуются три источника питания Uн, Ua, Uс схема включения триода приведена на рисунке 1.5.
Eа
+
+
-
-
Ec
Рисунок 1.5 – Схема включения триода
Принцип работы триода
Сетка триода находится вблизи поверхности катода, поэтому напряжение на ней оказывает непосредственное влияние на поле у его поверхности. Анод расположен на большом расстоянии от катода, поэтому действие его напряжения на пол поверхности катода значительно меньшее, чем действие сетки. При изменении напряжения анода Ua и сетки Uс поле у поверхности катода изменяется и изменяется количество электронов, движущихся к аноду. На сетку может быть положительное (+) или отрицательное (-) напряжения относительно катода.
а – при отрицательном напряжении (− Uс) поле сетки тормозит выходящие с поверхности катода электроны, что приводит к образованию у катода отрицательного пространственного заряда и к уменьшению количества электронов, проходящих через сетку к аноду.
б – положительное напряжение на сетке (+ Uс) вызывает уменьшение пространственного заряда у катода и увеличение количества электронов, поступающих на анод. Кроме того, немного электронов может попасть на сетку и далее по внешней цепи на катод, образуя сеточный ток Iс, т. е. поток электронов при положительном напряжении + Uс будет разделяться на два потока, создающих анодный и сеточный ток.
Характеристики триода
ia = f (Uc) при Ua = const;
ic = f (Uc) при Ua = const;
ia = f (Ua) при Uc = const;
ic = f (Ua) при Uc = const.
Покажем на графике семейство 1 и 2 групп характеристик (рисунок 1.6):
Uа2 = 0
Uc = const
Uc = const
ia, ic
U
Uа1 > Ua2 > U
Uа3 > Ua2 > Ua1
Рисунок 1.6 – Анодно-сеточные и сеточные характеристики триода
ia, ic
Чем выше Ua тем больше (ia) сдвигается влево АСХ характеристика ia = f (Uc), а характеристика для сеточного тока проходит ниже. Т. е. чем выше Ua тем больше Ua при данном сеточном напряжении. Зато сеточный ток ic становится меньше, т. к. усилившееся поле анода не дает многим e– притягиваться к сетке. Теперь рассмотрим 3 и 4 группы характеристик (рисунок 1.7).
-Uc4
-Uc3
-Uc2
-Uc1
Uc = 0
+Uc5
+Uc6
+Uc7
Uа
ic
ic max
Uа = 0
Рисунок 1.7 – Анодные и сеточно-анодные характеристики триода
Анодная характеристика при Uc = 0 идет из начала координат. Для более низких сеточных напряжений (Uc1 – Uc4). Анодные характеристики для положительных Uc (Uc5 – Uc6) идут из начала координат и имеют выпуклость влево, а не вправо (т. е. при большем «+» Uc, ia больше).
Сеточно-анодные характеристики (штриховые) даны только для положительных Uc, т. к. при отрицательных Uc тока сетки нет.
При Ua = 0, ic = max и тем больше, чем выше сеточное напряжение.
При увеличении Ua ток сетки сначала резко снижается
в следствии токораспределения между сеткой и анодом, а затем
уменьшается незначительно.
Применяются триоды как приемно-усилительные элементы
малой мощности для усиления низкой частоты и детектирования
(т. е. выделения сигналов низкой частоты из общего сигнала), а также применяются в генераторах, в усилителях радиочастоты, в электронных стабилизаторах напряжения.
Тетроды и пентоды
+
А
Тетроды – это четырехэлектродные лампы, имеют вторую сетку, которая называется экранирующей, и расположена между управляющей сеткой и анодом (рисунок 1.8). Экранирующая сетка предназначена для повышения коэффициента усиления µ и внутреннего сопротивления Ri. К экранирующей сетке, примем индекс C2, а к управляющей сетке – C1.
-
-
+
ЭС
УС
К
Рисунок 1.8 – Конструкция тетрода
Если экранирующая сетка соединена с катодом, то она экранирует катод и управляющую сетку от действия анода. Экранирующая сетка перехватывает большую часть электрического поля анода и сквозь экранирующую сетку проникает только небольшая часть силовых линий от анода. Ослабление поля анода экранирующей сеткой учитывается проницаемость этой сетки D2. Электрическое поле, проникающее через ЭС, далее перехватывается управляющей сеткой с проницаемостью D1. Проницаемость тетрода есть произведение проницаемостей УС и ЭС:
D = D1 D2
Величина D, показывает, какую долю воздействия напряжения управляющей сетки на катодный ток составляет, воздействие напряжения анода. Например, если D = 0,01, то означает, что анодное напряжение в 1 В влияет на катодный ток также как 0,01 B напряжения УС. Т. к. коэффициент усиления µ = = , то при = 0,01, µ = 100. Т. е. с помощью двух сеток достигается высокий коэффициент усиления µ и высокое внутренне сопротивление Ri (т. к. µ = SRi, т. е. Ri = ).
При этом если на экранирующую сетку подано значительное напряжение, то анодно-сеточные характеристики тетрода получаются «левыми», т. е. тетрод может работать в области отрицательных сеточных напряжений.
Недостатком тетрода является так называемый динатронный эффект. Электроны, ударяя в анод, выбивают из него вторичные электроны. Вторичная эмиссия анода существует во всех лампах, но в диодах и триодах она не вызывает последствий. В этих лампах вторичные электроны, вылетевшие из анода, возвращаются на него т. к. анод имеет наибольший положительный потенциал, и тока вторичных электронов не возникает.
В тетроде вторичная эмиссия анода не проявляет себя, если напряжение ЭС меньше напряжения A, если же тетрод работает с нагрузкой, то при увеличении анодного тока напряжение A может стать меньше напряжения на ЭС. Тогда вторичные электроны, вылетевшие с A, притягиваются к ЭС. Возникает ток вторичных электронов ia2, направленный противоположно току первичных электронов ia1. Общий анодный ток уменьшается, а ток ЭС увеличивается ia2. Это и есть динатронный эффект анода.
Динатронный эффект в тетроде вреден, т. к. возникает резкая нелинейность анодных и анодно-сеточных характеристик, что создает нелинейные искажения при усилении.
Пентодами называют пятиэлектродные лампы. В них еще сильнее выражены положительные свойства тетродов и устранен динатронный эффект.
+
А
В пентоде имеется еще одна сетка, расположенная между анодом и экранирующей сеткой. Ее называют защитной сеткой, т. к. она защищает лампу от динатронного эффекта. Защитная сетка обычно соединяется с катодом,
т. е. имеет нулевой потенциал относительно катода и отрицательный относительно анода (рисунок 1.9).
-
-
+
К
УС
ЗС
ЭС
Рисунок 1.9 – Конструкция пентода
Действие защитной сетки состоит в том, что между ней и анодом создается электрическое поле, которое тормозит, останавливает и возвращает на анод вторичные электроды, выбитые из анода. Они не проникают на экранирующую сетку и динатронный эффект полностью устраняется.
Пентоды отличаются от тетродов более высоким (µ) коэффициентом усиления, достигающим иногда нескольких тысяч. Это объясняется тем, что защитная сетка выполняет роль дополнительной экранирующей сетки. Возрастает и внутреннее сопротивление Ri. Крутизна S такая же, как у
триодов и тетродов, т. е. в пределах 1 – 50 мA / B. Параметры тетродов и пентодов определяются аналогично параметрам триодов. Анодно-сеточные характеристики у пентодов такие же, как у тетрода, т. е. «левые» или расположенные в области отрицательных напряжений. Рассмотрим более подробно эти характеристики (рисунок 1.10).
Uc1
Ua1
Ua1
Ua1
Ua2
Ua2
Ua2
Ua1
Ua2
U'c1
U'c2
U''c1
U''c2
ia2, ic2
Рисунок 1.10 – Анодно-сеточные характеристики пентода
На графике изображены анодно-сеточные характеристики пентода или тетрода при двух различных значениях напряжения на аноде, причем
Ua2 > Ua1. Каждая пара характеристик, расположенных близко одна
от другой, соответствует определенному напряжению характеризующей
сетке, где U"a2 > U'a1. Из графика видно, что наибольшее изменение
анодного тока наблюдается при изменении напряжения на экранирующей сетке, нежели при изменении Ua.
Характеристики для тока экранирующей сетки (---), показанные штриховыми линиями, идут ниже, т. к. ток экранирующей сетки ic2 меньше анодного. Начальные точки характеристик совпадают, т. е. лампа запирается одновременно и по анодному току ia и по току экранирующей сетки ic2.
Рассмотрим семейство анодных характеристик пентода (или тетрода) при Uc2 = const и при Uc3 = const (рисунок 1.11).
- 6 В
- 4 В
0
- 2 В
Uc1 = + 2 В
Ua
ia
Рисунок 1.11 – Анодные характеристики пентода (или тетрода)
Из графика видно, что чем больше отрицательное напряжение на управляющей сетке, тем меньше ia и тем ниже проходят характеристики.
C2
C1
К
А
Кроме пентодов были разработаны так называемые лучевые тетроды.
В них динатронный эффект устранен путем создания для вторичных электронов потенциального барьера, расположенного между экранирующей сеткой и анодом (рисунок 1.12).
А в лучевом тетроде, по сравнению с обычным, увеличено расстояние между экранирующей сеткой и анодом, а управляющая и экранирующая
сетки имеют одинаковое число витков, причем витки их расположены
точно друг напротив друга. Тогда электроны летят от K к A более плотными пучками или «лучами», т. е. возрастает плотность объемного заряда,
что вызывает понижение потенциального барьера в пространстве
между анодом и экранирующей сеткой. А если Ua ниже, чем Uc2, то в этом пространстве образуется потенциальный барьер для вторичных электронов.
Тетроды используются в качестве приемно-усилительных ламп,
мощных модуляторных ламп для импульсной работы (т. е. ламп, осуществляющих управление колебательным процессом по амплитуде, частоте, фазе), в генераторах и передатчиках.
1.2 ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРИБОРЫ
Электронно-лучевые трубки
К электронно-лучевым приборам относятся ЭЛТ (электронно-лучевые трубки) индикаторных устройств радиолокаторов, осциллографов, кинескопы – это приемные телевизионные ЭЛТ, электронные микроскопы и некоторые другие приборы. ЭЛТ делятся на трубки с электростатическими и с магнитным управлением.
ЭЛТ с электростатическим управлением
Пx
Пy
ПС
М
Рассмотрим принцип устройства ЭЛТ с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем (рисунок 1.13).
ЛЭ
К
+
-
Ea
A2
A1
R3
R2
R1
Рисунок 1.13 – ЭЛТ с электростатическим управлением
Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде корпуса. На внутреннюю поверхность расширенной части нанесен люминесцентный экран. ЛЭ – слой вещества, способного излучать свет под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды: (К) – катод, обычно косвенного накала, (М) – модулятор, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки.
Управление производится следующим образом. На модулятор подается отрицательное напряжение. С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается. Далее идут электроды также цилиндрической формы, это аноды. В простейшем случае их два. Под действием
ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Система, состоящая из К, М (модулятор) и А (анодов), называется
электронной пушкой. И служит для создания электронного луча,
т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану.
На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин Пх и Пу. Пластины Пу отклоняют луч по вертикали и называются пластинами вертикального отклонения, а пластины Пх являются пластинами горизонтального отклонения.
Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию
атомам вещества экрана, у которых одна из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту. При возвращении этого электрона выделяется
квант энергии (фотон) и наблюдается свечение. Это явление
называется катодолюминесценцией, а вещества, светящиеся под ударами электронов люминофорами.
На внутреннюю поверхность баллона наносят проводящий слой (ПС), чтобы отводить отрицательный заряд с экрана: т. к. в результате попадания электронов на экран, он может зарядиться отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее скорость электронов, а от этого уменьшится яркость свечения экрана. ПС обычно бывает графитовым и называется аквадагом.
Резисторы R1, R2 и R3 и источник питания Еа представляют собой цепь питания ЭЛТ. Потенциометр R1 регулирует потенциал модулятора М, который имеет отрицательный относительно катода потенциал. Чем больше отрицательный потенциал модулятора, тем меньше плотность электронного потока, прошедшего через отверстие модулятора и, следовательно, тем меньше яркость изображения на экране. При определенном значении потенциала модулятора электроны вообще не пройдут через модулятор и экран не будет светиться. R1 называют резистором яркости. Потенциометр R2 управляет фокусировкой луча за счет изменения напряжения подаваемого на первый анод А1, в результате чего изменяется разность потенциалов между анодами, т. е. напряженность поля. Если, например, понижать потенциал А1, то разность потенциалов между анодами возрастет, поле станет сильнее и фокусирующее действие увеличивается. R1 R2 R3 – делитель, через который осуществляется питание электронного прожектора. Их сопротивление обычно больше: составляют сотни кОм, чтобы делитель потребляя небольшой ток.
Основные параметры ЭЛТ
ЭЛТ с электростатическим управлением используются в осциллографах.
ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча
ПС (А)
М
Такие ЭЛТ получили широкое распространение в качестве приемных телевизионных трубок или кинескопов. Конструкция магнитных трубок проще, чем электростатических, т. к. фокусирующая и отклоняющая системы в виде катушек находятся снаружи трубок (рисунок 1.14).
Ly Lx
ФК
К
R3
R1
R2
Электронный прожектор состоит, так же как и в электростатической трубке, из катода, модулятора и анода. Но анодом иногда служит проводящий слой. Питание прожектора осуществляется так же, как в электростатической трубке, но при этом не требуется регулировки анодного напряжения
для цепей фокусировки.
Расходящийся поток электронов попадает из прожектора в
магнитное поле ФК. Для магнитного отклонения электронного луча
служит две пары отклоняющих катушек Ly, Lx, расположенные под
прямым углом друг к другу:
Lx – с вертикально направленным полем, отклоняет луч по горизонтали.
Ly – с горизонтально направленным полем, отклоняет луч по вертикали.
Кинескопы
Кинескопы входят в состав телевизоров и видеоконтрольных устройств (или дисплеев) ЭВМ. В настоящее время кинескопы делают с магнитным отклонением и с электростатической фокусировкой. Магнитные отклонения в кинескопах позволяет увеличить яркость изображения, так как возможно применение более высокого анодного напряжения, а достоинством электростатической фокусировки является экономичность, так как не требуется мощности на создание тока в фокусирующей катушке.
Кинескопы бывают:
В черно-белых кинескопах для получения нужной яркости, цвета свечения и длительности послесвечения к люминофору добавляет активаторы. Ими обычно служат серебро, марганец или медь.
Действие цветного кинескопа основано на свойстве человеческого глаза воспринимать цвета как результат смешивания в определенных соотношениях трех основных цветов: красного, зеленого и синего.
В современных черно-белых кинескопах используются электронные прожекторы тетродного типа, состоящие из катода, модулятора,
ускоряющего электрода, регулирующего электрода и анода.
Катод, модулятор и ускоряющий электрод образуют первую линзу; она регулирует электроны, эмитируемые катодом, и организует область скрещения. Ускоряющий электрод и анод образуют вторую линзу, которая уменьшает
угол расхождения луча за плоскостью скрещения. Анод имеет высокий потенциал. Он вместе с регулирующим электродом образует третью
главную проекционную линзу, которая отображает область скрещения
на экран кинескопа. Анод электрически соединен с экраном с помощью графитового электропроводящего покрытия.
Наличие ускоряющего электрода позволяет уменьшить угол расхождения луча, что очень важно для сохранения фокусировки при его отклонении.
Изменение напряжения на регулирующем электроде обеспечивает фокусировку луча.
Экран и маска кинескопа
Наиболее распространенным типом цветного кинескопа является кинескоп с теневой маской (масочный кинескоп). В современных кинескопах используется теневые маски двух основных типов: маски с круглыми отверстиями (апертурные) и мелкие с прямоугольными отверстиями (щелевые). Изображение красного, зеленого и синего цветов формируется независимым электронными прожекторами.
У кинескопа с апертурной теневой маской экран образован точками красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов свечения. Точка представляет собой участок поверхности экрана диаметром около 0,3 мм. Точки с различными цветами свечения располагаются в определенной последовательности. Три сложные точки образуют так называемую триаду. Образуется 200 – 400 тысяч таких групп. Прожекторы кинескопа расположены по окружности на угловом расстоянии 120° друг от друга. Оси электронных прожекторов находятся в вершинах равностороннего треугольника и такая система называется дельтообразной.
Теневая маска, изготовленная из стальной фольги толщиной 0,15 мм, располагается перед экраном и имеет около 500000 отверстий
диаметром 0,2 – 0,3 мм. Яркого свечения триод пропорциональна интенсивности электронного луча.
Электронные пушки размещены в горловине трубки симметрично. Выходящая из пушек электронные лучи движутся в строку экрана, пересекаясь в одной точке в плоскости расположения теневой маски. Экран имеет
1,5 млн. точек. После пересечения электронные лучи снова расходится и падают на свою точку, то есть на точку своего цвета (рисунок 1.15).
Таким образом, электронный луч из пушки, управляемый сигналом красного цвета, достигает, красной, точки и так далее.
Маска не позволяет электронным лучам попасть на чужие по цвету пятна, все три луча отклоняются одной отклоняющей системой (ОС). При движении лучей слева направо и сверху вниз по кадру электронные лучи могут попасть только на свои пятна по цветности. Каждый луч создает изображение в первичном цвете. В зависимости от соотношения синего, зеленого и красного цветов мы видим на экране цветное или черно-белое изображение.
G
R
B
Щелевая маска
Триада
G
G
G
G
G
R
R
R
R
R
R|G|B|R|G|B|R
B
B
B
B
B
Рисунок 1.15 – Расположение зерен на экране цветного кинескопа и схема кинескопа со щелевой маской
Система обозначений электронных и электронно – лучевых приборов
Первый элемент обозначения – число, указывающее напряжение накала в вольтах, например, для приема – усилительных ламп с подогревным катодом напряжение накала составляет 6,3 В, первый элемент обозначения 6.
Второй элемент – буква, характеризует группу ламп. Приняты следующие обозначения: А – гентод, Б – диод-пентод и световой диод-пентод, Г – диод с триодом, Д – диод, Е – элементно-световой индикатор настройки, Ж – пентод и лучевой тетрод с короткой отсечкой, И – триод гексод и триод-гентод,
К – пентод и лучевой тетрод с удлиненной характеристикой, Н – двойной триод, П – выходная лампа (пентод и лучевой тетрод), С – триод,
Ф – триод-пентод, Х – двойной диод, Ц – кенотрон.
Третий элемент обозначения – число, указывающее порядковый номер разработки типа лампы. Лампа с большими порядковыми номерами, то есть более новых разработок имеют лучшие параметры.
Четвертый элемент обозначения – буква, характеризующая конструктивную особенность лампы. Без обозначения – лампа с металлическим баллоном, П – пальчиковые лампы, Б – сверхминиатюрные. Примеры обозначения ламп: 6Ф5П, 1К2П, 6Ж9П, 6Н8С, 6К13П, 30Ц6С, 1Ц21П, 6Г3П, 6Х6С, 6Н24П, 6Б2П, 6П18П, 6И1П, 6Е1П.
Система обозначений электроннолучевых трубок
Первый элемент – размер экрана по диагонали или диаметр.
Второй элемент – обычно буква «Л» – люминесцентный.
Третий элемент – буква «К» – кинескоп или «О» – осциллографическая.
Четвертый элемент – номер разработки.
Пятый элемент – буква, указывающая тип материала экрана, Б – белый,
Ц – для цветного изображения .
Примеры: 61ЛК5Б, 59ЛК3Ц, 11ЛК1Б, 13Л037Б.
Свойства полупроводников, влияние примесей на проводимость
Большинство тел в природе являются полупроводниками.
К полупроводникам относятся такие вещества как кремний, германий,
селен, теллур, большинство оксидов металлов и все разнообразие руд и минералов, встречающихся в природе. Само название «полупроводники» говорит о том, что они по своим свойствам проводить ток, то есть по величине электропроводности, занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами (не проводниками). У металлов электропроводность
равна 104 − 105 Ом-1 · См-1, а у диэлектриков 10-14 – 10-18 Ом-1 См-1.
Помимо количественного имеются еще и качественное различие. Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства очень неустойчивы и в значительной мере зависят от внешних воздействий. Электропроводность полупроводников меняется под влиянием таких факторов, как наличие примесей, электрическое поле, температура, освещенность. Эти свойства и обусловили широкое
применение полупроводников.
Полупроводники отличаются от металлов не только меньшей электропроводностью, но и имеют зависимость от температуры: полупроводники с повышением температуры обычно уменьшают свою проводимость, а вблизи абсолютного нуля становятся изоляторами. Наряду с отличиями имеются и сходства: механизм растекания и диффузии электронов в полупроводниках не отличается от наведения зарядов в металлах.
Основными материалами для изготовления полупроводниковых приборов являются кремний (Ѕi) и германий (Je). Большая механическая прочность и химическая устойчивость этих материалов обеспечивают надежность работы изготавливаемых полупроводниковых приборов, а также большой срок их службы.
Наиболее разработана технология получения германия и кремния, поэтому их кристаллы широко применяются при производстве полупроводниковых приборов.
Если исходный материал тщательно очищен от посторонних примесей веществ, достаточно бывает ничтожно мало примесных атомов (тысячных или миллионных долей процента, чтобы изменить характер проводимости). Поэтому, чтобы получить полупроводник с определенной проводимостью, его необходимо вначале тщательно очистить от примесей. Содержание примесей в германии, например, может быть доведено до 10-6 – 10-7 %, при этом удельное сопротивление составляет около 100 Ом · См.
Разная величина проводимости веществ обусловлена разной величиной энергии, которую необходимо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки молекул вещества.
Энергия валентным электронам атомов вещества может быть сообщена за счет воздействия тепловых квантов (фононов), излучения при тепловых колебаниях решетки, световых квантов (фотонов), сильного электрического поля, γ – квантов или потоков атомарных частиц.
Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Такое вакантное энергетическое состояние носит название «дырка». Отсутствие электрона в валентной зоне равносильно наличию в данном месте положительного заряда, поэтому такой заряд принимают дырке. В технической литературе дырки обозначают буквой р, а электроны буквой n.
Валентные электроны соседних атомов в присутствии внешнего электрического поля могут переходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Таким образом, движение дырки является
лишь формальным результатом фактического перемещения электронов по валентным уровням.
Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов, называют электронной, а электропроводимость, обусловленную движением дырок – дырочной. Явление одновременного существования электронной и дырочной проводимости носит название собственной проводимости кристалла. В кристалле германия с собственной проводимостью концепции электронов и дырок равна n = p 2,5 1013 на 1 см3 (при комнатной температуре). При неравномерной концентрации электронов и дырок (наличие градиента концентрации) и при отсутствии внешнего поля они перемещаются по законам диффузии, переходя из области больших концентрации в область меньших концентрации. Это движение зарядов и образует диффузионный ток Iдиф.
Если в полупроводнике с помощью внешнего источника ЭДС создать электрическое поле, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, то есть дырки и электроны начнут двигаться в направлениях, совпадающих с направлениями электрического поля, а электроны в противоположном. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда. Такое движение зарядов называют дрейфом, а созданный их движением ток – дрейфовым током Iдр.
В зависимости от того, как создается ток, различают его электронную и дырочную составляющую.
Примесная проводимость полупроводника
Действие всех полупроводниковых приборов основано на примесной проводимости полупроводников, которая осуществляется путем введения в кристаллическую решетку полупроводника атомов других веществ – примесей. В зависимости от рода введенной примеси в таких полупроводниках преобладает либо электронная (электропроводность n-типа) либо дырочная (электропроводность p-типа).
В зависимости от сорта примесных атомов различают донорные и акцепторные примеси.
Примесный атом, отдающий электрон под действием тепловой
энергии решетки, называют – донорным. Донорные примеси образуются
при введении в кристаллическую решетку германия атомов мышьяка,
сурьмы или других веществ, которые имеют на внешней электронной оболочке по пять валентных электронов.
Он замещает один из атомов германия в кристаллической решетке образуя двухвалентные связи с соединенными четырьмя атомами германия.
Пятый валентный электрон атома мышьяка, оказывающийся «лишним», может оторваться от этого атома, превращая его в положительный ион, и перейти в зону проводимости.
Акцепторные примеси образуются введением в кристаллическую решетку полупроводника атомов индия, галлия или других трехвалентных элементов. Атом акцептора так же занимает место в кристаллической решетке, но обменивается с соседними четырьмя атомами только тремя электронами.
На образование двухэлектронной связи с одним из соседних атомов германия у атомов индия не хватает одного электрона, то есть между этими двумя атомами получается незаполненная валентная связь, или дырка.
Электрон одного из соседних атомов германия может занять незаполненную валентную связь, вызывая появление новой дырки. Таким образом, проходит непрерывное исчезновение и возникновение по соседству незаполненных связей. Процесс заполнения незаполненной валентной связи электроном называется рекомбинацией.
Основными носителями тока в полупроводнике являются дырки или электроны, но в каждом из них есть и носители противоположного знака – неосновные носители тока.
1.4 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ
Полупроводниковыми резисторами называют п-п приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения,
приложенного напряжения и других факторов. Они все имеют нелинейные ВАХ (из курса ТОЭ).
Терморезистор (термистор) – полупроводниковый прибор, сопротивление которого значительно изменяется при температуре. Имеет вид диска, цилиндра, стержня, шайбы, бусинки. Обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Типовая вольтамперная характеристика термистора показана на рисунке 1.16.
Начальный участок почти линеен, т. к. при малых токах мощность рассеяна терморезистора мала и не влияет на его температуру (ОА). С ростом тока растет температура, его сопротивление уменьшается, на участке ВС напряжение падает. Часто пользуются температурной характеристикой термистора R = f (t°).
Параметры:
1 Холодное сопротивление (при t = 20 °C).
2 Температурный коэффициент сопротивления (TKR), %.
3 T°max, τ, Pmax.
Применяют: для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации.
R = f (t)
U = f (I)
0
0
T °C
I
R
C
B
A
U
Рисунок 1.16 – ВАХ и температурная характеристика термистора
Маркировка: 1эл – СТ – резисторы (сопротивления) термочувствительные. Т и ТШ – резисторы измерительные,
ТП – стабилизирующие, ТКП – регулируемые бесконтактные. 2эл – цифра – тип полупроводника, 1 – кобальт-марганец, 2 – медно-марганцевые,
3 – медно-кобальт-марганцевые, 4 – кобальт-никель-марганцевые.
3эл – номер конструкторской разработки.
Например: СТ2-26, СТ4-15, ММТ-6, ТШ-2, ТКП – 450.
Позисторы – полупроводниковые термисторы с положительным температурным коэффициентом (титанат бария с примесями) – сопротивление увеличивается при увеличении температуры.
Основные характеристики – вольтамперная и температурная
(рисунок 1.17).
Включая позистор последовательно и параллельно с резистором
можно изменять форму характеристики. Параметры аналогичны
параметрам термистора.
Применяют: для АРУ и температуры, термокомпенсации, в
схемах ограничителей и стабилизаторов тока, для предохранительных приборов и устройств защиты от перегрева, в качестве бесконтактных переключающих элементов.
R,Ом
R = f (t)
t, °С
100
-50
0
50
103
104
105
Рисунок 1.17 – ВАХ и температурная характеристика позистора
Варисторы – полупроводниковые резисторы (из карбида Si), сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.
I, мА
I = f (U) – ВАХ варистора, нелинейная (рисунок 1.18).
U, В
0
I = f (U)
20
20
10
10
-10
-20
-20
-10
Рисунок 1.18 – ВАХ варистора
Параметры:
Применяют: для регулирования электрических величин, стабилизации токов и напряжений, для защиты элементов от перенапряжений.
Маркировка состоит из 4 элементов:
1эл – буква СН (сопротивление нелинейное);
2эл – цифра, тип п-п материала (1 – карбид Si);
3эл – цифра, тип конструктивного выполнения (1 – стержневой, 2 - 3 -);
4эл – цифра, соответствует длине токоведущего элемента.
Например: СН1 -1, СН -3.
Тензорезистор – пластина или стержень из полупроводника, с омическими контактами, при деформации которого происходит изменение его удельного сопротивления.
Чаще всего используют при двух видах деформации: 1 – всестороннем сжатии, 2 – одностороннем сжатии или растяжении.
При одноосной деформации – нарушается симметрия кристалла, что приводит к искажению формы активных зон и изменению эффективной массы носителей заряда и к изменению концентрации заряда.
Один конец пластины закрепляется неподвижно, а на другой действует сила F. Для характеристики изменения сопротивления при деформации – коэффициент тензочувствительности.
m = =
Для уменьшения влияния t° на величину сопротивления тензорезисторы изготавливают из примесных полупроводников.
m = 150 – 175 (для Te и Si)
Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока (обычно R резко уменьшается).
Конструкция: светочувствительный элемент – прямоугольная или круглая таблетка, спрессованная из полупроводникового материала или тонкая пленка на стеклянной подложке с электродами с малым переходным сопротивлением (рисунок 1.19). (Наиболее применяемы фоторезисторы на основе сернистого и селенистого свинца, или кадмия).
изолятор
электроды
светочувствительный элемент
Rн
E
+
-
Ф
Рисунок 1.19 – Конструкция фоторезистора
При отсутствии тока через фоторезистор течет темновой ток: IT = , где - темновое сопротивление фоторезистора.
При освещении – световой ток IC = , IФ = IC – IT – первичный фототок.
Основные характеристики (рисунок 1.20):
Принцип действия: при увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизирует их и создает дополнительный поток электронов (возникает фототок проводимости).
Вольтамперная – зависимость фототока (или темнового тока) от приложенного напряжения при постоянном световом потоке.
IФ (IT) = f (UФ) = const – близка к линейной.
Световая – зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава.
Спектральная – зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны светового излучения.
2
1
= f (λ)
λ, мкм
4
3
0
20
40
60
E
U
Iф
Iф = f (E)
U = const
Ф = const
Iф = f (U)
I
Рисунок 1.20 – Характеристики фоторезистора
Основные параметры:
Маркировка: ФСК -1, ФСК – 2, ФСА – 6, СФЗ – 1.
Применение: в промышленной электронике, позволяет заменить зрение человека автоматически действующим прибором. В телевидении, фототелеграфии, сигнализации и связи в диапазоне инфракрасных волн и в схемах электронной автоматики.
Магниторезисторы – полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых существенно изменяется под действием
магнитного поля.
1.5 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
p-n-переход и его свойства
Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным или p-n-переходом. На практике p-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, у полупроводника
p-типа вводится донорная примесь. При соприкосновении двух полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводников n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется запирающий слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий
высоким электрическим сопротивлением.
Кроме того, в n-области в приграничном слое образуется положительный объемный заряд, который создан положительными заряженными
атомами донорной примеси (т. к. электроны ушли в полупроводники р-типа),
а в p-области образуется отрицательный объемный заряд, который
создан отрицательными заряженными атомами акцепторной примеси
(т. к. дырки были заполнены электронами – из полупроводников n-типа).
Между образовавшимися объемными зарядами возникает
контактная разность потенциалов Uk = φn – φp, на диаграмме показано распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной границе раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят условно потенциал граничного слоя (рисунок 1.21).
Возникшая разность потенциалов Uk создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронам из
n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Т. е. возникает потенциальный барьер.
В то же время электроны из полупроводника p-типа могут свободно двигаться в полупроводник n-типа, так же как дырки из полупроводника n-типа могут двигаться в полупроводник p-типа. Т. е. контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. При движении
через p-n-переход неосновных носителей заряда возникает дрейфовый ток Iдр. Движение небольшого количества основных носителей приводит к появлению диффузионного тока Iдиф. Мы рассмотрим ситуацию при отсутствии внешнего напряжения.
0
Uk
φn
x
φp
+ φ
- φ
p
n
Рисунок 1.21 – Распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной границе раздела при отсутствии внешнего источника напряжения
Пусть теперь источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа и отрицательным полюсом к полупроводнику n-типа. Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым (рисунок 1.22).
В этом случае внешнее электрическое поле направлено навстречу
полю контактной разности потенциалов. В результате высота потенциального барьера понижается, возрастает Iдиф, который называют прямым
током, сопротивление p-n-перехода резко снижается, уменьшается
также ширина запирающего слоя. Когда d = 0, то потенциальный барьер
в p-n-переходе исчезает и сопротивление p-n-перехода определяется
только сопротивление полупроводника.
p
n
0
x
Uk - Uпр
Ek
Eпр
iпр
iпр
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+ φ
- φ
Рисунок 1.22 – Распределение потенциала при прямом включении источника
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, а отрицательным полюсом к p-области. Такое
включение называется обратным.
Поле, создаваемое обратным напряжением Uобр, складывается с
полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального
барьера увеличивается (рисунок 1.23), а так же расширяется толщина запирающего слоя, т. к. с увеличением Uобр основные носители заряда будут удаляться от p-n-перехода. При этом сопротивление p-n-перехода увеличивается, ток через p-n-переход становится очень малым. Такой
p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади, ширины и диэлектрической проницаемости запирающего слоя.
Такая емкость называется барьерной емкостью.
+
+
-
-
Uk + Uобр
0
x
p
n
Ek
Eобр
iобр
iобр
Uобр
Рисунок 1.23 – Распределение потенциала при обратном включении источника
C
При увеличении Uобр ширина p-n-перехода возрастает, а С уменьшается (рисунок 1.24). При этом Cбар = .
Uобр
Рисунок 1.24 – Зависимость C от Uобр
Выпрямительные диоды
Выпрямление – это преобразование переменного тока в постоянный.
А т. к. полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, то основным назначением большинства полупроводниковых диодов является выпрямление переменного тока.
Нарисуем простейшую схему для выпрямления переменного тока. В ней последовательно соединены генератор переменной э.д.с. (e), которым обычно служит трансформатор, диод VD и нагрузочный резистор Rн. Такая схема называется однополупериодной (рисунок 1.25).
~
+
-
e
b
a
VD
Rн
Рисунок 1.25 – Однополупериодная схема выпрямления
Работа этой схемы происходит так. Генератор (или трансформатор) вырабатывает синусоидальный сигнал e = Em sin wt. Во время
одного полупериода, когда потенциал точки a положительный, и
точки b отрицательный, через диод проходит прямой ток, создающий
на Rн-падение напряжения UR. В течение следующего полупериода, когда потенциал точки b положительный, а точки a отрицательный, диод закрыт, тока практически нет. Т. е. мы получаем ток в виде импульсов, длящихся полпериода и разделенных промежутками также в полпериода (рисунок 1.26). Этот ток называют выпрямленным током, и он создает на Rн выпрямленное напряжение (UR = iRн). Полезной частью такого напряжения является его среднее значение Uср.
Uср
i
i
UR
i, UR
Imax
t
e
Em
Рисунок 1.26 – Временная диаграмма Uвх и UR
Основные параметры:
Стабилитроны
Стабилитроны – это плоскостные диоды, изготовленные из Si с большой концентрацией примеси. ВАХ диода в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. На этом участке обратной ветви ВАХ при изменении тока в широких пределах, напряжение практически не меняется (рисунок 1.27).
0
5В
Uст
10В
Uобр
Iобр
Imax
Imin
20mA
5mA
Рисунок 1.27 – ВАХ стабилитрона
Стабилитроны называют еще опорными диодами, т. к. полученное от них стабильное напряжение иногда используется в качестве эталонного (например, в стабилизаторах напряжения).
Простейшая схема включения стабилитрона показана на рисунке 1.28.
Нагрузка Rн включена параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне остается почти постоянным, такое же напряжение будет и на нагрузке.
+
-
E
Uст
Rн
Rогр
Рисунок 1.28 – Схема включения стабилитрона
Если напряжение Е будет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, по напряжению на нем и на нагрузке останется постоянным. Все изменения напряжения источника питания Е почти полностью поглощаются ограничительным резистором.
Т. е. стабилизация осуществляется при соблюдении условия
∆Е ≤ (Imax ст. – Imin ст.) Rогр.
Основные параметры:
Варикапы
В этих приборах используется барьерная емкость p-n перехода, величиной которой можно управлять с помощью подаваемого напряжения. При подаче обратного напряжения p-n переход представляет собой конденсатор, диэлектриком которого служит высокоомный запирающий слой с низкой концентрацией носителей заряда, а обкладками – полупроводниковый материал по обе стороны от него, сохраняя высокую проводимость.
C
Емкость такого конденсатора, называемая барьерной, определяется обратным напряжением Uобр и уменьшается с его ростом, так как запирающий слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между электродами. Условное обозначение варикапа приведено на рисунке. Основная характеристика варикапа – вольт-фарадная U = f (С) (рисунок 1.29).
-Uобр
0
Рисунок 1.29 – Зависимость барьерной емкости от Uобр
Основными параметрами варикапа являются:
Применяются варикапы для генерации и усиления вплоть до
СВЧ в качестве конденсаторов переменной емкости. Работают варикапы при обратном смещении.
Туннельные диоды
К туннельным диодам относятся диоды, у которых за счет туннельного эффекта на прямой ветви вольт-амперной характеристики существует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Туннельные диоды изготавливают из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией примеси, называемых выращенными полупроводниками. Запирающий слой в них уже, чем в обычных
диодах (0,1…0,2 мкм), чем объясняется значительно большая
напряженность электрического поля, обусловленная контактной разностью потенциалов (до 106 В / см).
В тонких p-n переходах увеличивается вероятность туннельного прохождения электронов сквозь тонкий потенциальный барьер.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рисунке 1.30.
3
2
1
Uпр
Uрр
Uв
Uп
Iв
Iп
Рисунок 1.30 – ВАХ туннельного диода
Основными параметрами туннельных диодов являются:
Туннельные диоды применяют для усиления и генерирования электрических колебаний в диапазоне СВЧ, в импульсных схемах переключателей, в запоминающих устройствах.
Светодиоды
Светодиод – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию обычного некогерентного светового излучения. Явление свечения в светодиоде называется инжекционной электролюминесценцией. Основой светодиода является p-n переход, смещенный внешним источником напряжения в проводящем направлении.
При прямом смещении потенциальный барьер p-n перехода понижается и происходит инжекция электронов в p-область и дырок в n-область. В процессе рекомбинации неосновных носителей в p-n-переходе энергия выделяется в
виде фотонов, то есть процесс рекомбинации сопровождается световым излучением, частота которого пропорциональна ширине запрещенной зоны полупроводникового материала. Если ширина запрещенной зоны больше
1,8 эВ, то излучение невидимое и находится в инфракрасной зоне спектра.
Светодиодные индикаторы характеризуются:
Основные характеристики представлены на рисунке 1.31.
Основные параметры светодиодов:
Pд
баP
баAS
Iпр
Яркостная хар-ка
Спектральная хар-ка
Вольт-амперные хар-ки светодиодов
I
В
λ
баP
баAS
0
0
0
Uпр
Sic
Sic
баP
баAS
Рисунок 1.31 – Характеристики светодиодов
Недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры. Выпускаются светодиоды в виде точечных приборов, в виде матричных панелей и в виде знакосинтезирующих индикаторов.
Применяются светодиоды в устройствах визуального отображения информации, в фотореле, различных датчиках и при создании оптронов.
Фотодиоды
Конструкция фотодиода сходна с конструкцией плоскостного германиевого диода, Это пластинка полупроводника с областями р- и
n- проводимости, которые разделены р-n-переходом. Пластинка заключена в корпус из прозрачной пластмассы или в металлический корпус с окном, пропускающим световой поток. Конструкция ФД-1 показана на рисунке 1.32.
1 – кристалл германия с p-n переходом;
2 – кристаллодержатель;
3 – корпус;
4 – вывод;
5 – металлическая трубка;
6 – вольфрам;
7 – ножка;
8 – оловянное кольцо;
9 – стеклянное окно.
6
7
8
9
5
4
3
2
1
Рисунок 1.32 – Конструкция ФД-1
Фотодиоды могут работать в режиме фотогенератора (без внешнего источника питания) и в режиме фотопреобразователя (с внешним источником питания, включенным в обратном направлении).
В режиме фотогенератора (рисунок 1.33) при освещении n-области в ней образуется пары-электрон и дырка. Образовавшиеся заряды диффундируют к переходу, полем которого дырки втягиваются в р-область (Iф). При разомкнутом ключе в р-области накапливается избыточный положительный заряд, а в п-области отрицательный заряд. На электродах фотодиода возникает разность потенциалов (э.д.с. фотогенератора), понижающая потенциальный барьер. Это приводит к возникновению прямого тока (Iпр.) через р-п-переход, при этом на электродах фотоэлемента устанавливается э.д.с., величина, которой меньше высоты потенциального барьера до освещения.
Если электроды замкнуты накоротко, то разность потенциалов на них не возникает и высота потенциального барьера при освещении не изменится. При включении Rн протекающий через него ток нагрузки Iн = Iф – Iпр.. При уменьшений Rн возрастает Iн и на такую же величину уменьшается Iпр..
+ ++-
+ ++-
- - -
- - -
Ф
Ф
n
n
p
p
+
-
E
G1н
Rн
Rн
S1
Рисунок 1.33 – Включение фотодиода в режиме фотогенератора и в режиме фотопреобразователя
В режиме фотопреобразователя при приложении обратного напряжения его потенциальный барьер увеличивается. Так как приложенное напряжение значительно больше фото э.д.с., то при освещении р-п-перехода высота потенциального барьера практически не изменяется и все освобожденные светом и разделенные полем р-п-перехода заряды уходят во внешнюю цепь. Прямой ток через р-п-переход, который возникает при работе в режиме фотогенератора и уменьшает ток в нагрузочном сопротивлении, в данном случае равен нулю.
При отсутствии света через р-п-переход и Rн протекает обратный
ток р-п-перехода Iокр = Iт (где Iт темновой ток), при освещении фотодиода через Rн протекает ток Iобщ = Iф – Iт. Так как внутреннее сопротивление фотодиода в этом режиме велико, ток не зависит от величины Rн в широком диапазоне. Вторым преимуществом работы фотодиода в режиме фотопреобразователя является линейность энергетической характеристики фототока. В режиме фотогенератора энергетическая характеристика фототока линейна лишь при очень малых потоках излучения, падающих на фотодиод или малых Rн.
1.6 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три или более электрода, который служит для усиления и переключения электрических сигналов. Транзисторы используются в качестве активных элементов во многих схемах радиоэлектронной аппаратуры. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые.
В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны).
По сравнению с электронными лампами транзисторы имеют следующие преимущества:
Для изготовления транзисторов используются в основном германий (Ge) и кремний (Si), которые доводят до высокой степени чистоты.
Биполярный транзистор – это управляемый полупроводниковый прибор с двумя р-п-переходами и тремя выводами, работа которого основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку Gе или Si или другого полупроводника в которой созданы три области с различной электропроводимостью: п-р-п или р-п-р. В первом случае средняя область имеет дырочную проводимость и две крайние – электронную. Во втором случае наоборот. Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером, а другая – коллектором (рисунок 1.34).
p
p
p
n
n
n
К
К
К
К
Б
Б
Б
Б
Э
Э
Э
Э
Рисунок 1.34 – Структура транзистора n-p-n-типа и p-n-p-типа
Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода:
эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Функция эмиттерного перехода – инжектирование носителей заряда в базу (для транзистора п-р-п-типа это электроны, для транзистора
р-п-р-типа это дырки); функция коллекторного перехода – сбор носителей
заряда, прошедших через базу.
n
n
Э
К
Б
Рисунок 1.35
Чтобы носители заряда, инжектировались эмиттером и проходя через базу полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода. Область базы делают очень тонкой, не более единиц мкм (рисунок 1.35). Кроме того, концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере.
Физические принципы работы транзисторов
Рассмотрим работу транзистора р-n-р типа.
В цепь между базой и коллектором транзистора включено в проводящем (прямом) направлении напряжение Е (1…2 В). Вследствие этого потенциальный барьер эмиттерного перехода снизится на величину
Еэ: Uэб = φ − Еэ. Действие барьера ослабляется и «дырки», обладающие большими скоростями, могут переходить через p-n переход в базовую
область, создавая ток эмиттерного перехода iэ. Этот процесс
называется инжекцией дырок.
Одновременно происходит переход электронов из базы в эмиттер. Однако при выборе значительно меньшей концентрации носителей тока в базе, этот встречный поток электронов оказывается намного меньше потока дырок, и обратный ток эмиттера iобр мал..
Инжектирование в базу дырки в результате диффузии направляются к коллектору за счет перепада плотности дырок по длине базы. Диффузия происходит в течении конечного времени при отсутствии электрического поля.
За время диффузии часть дырок рекомбинирует с электронами, приходящими в базу через базовый вывод от источника Еэ, и образует базовый ток iБ. В цепь между базой и коллектором включено напряжение Ек, смещающее коллекторный переход в запирающем (непроводящем) направлении и увеличивающее потенциальный барьер коллекторного перехода. Величину напряжения Ек выбирают порядка 5…20 В.
Дырки, попавшие в базу из эмиттера и равномерно распределившиеся по объему базы, подхватываются полем коллекторного перехода, которое является для них ускоряющим, и втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракцией дырок (рисунок 1.36). Эти дырки образуют коллекторный ток iк.
В области контакта коллектора с внешней цепью дырки рекомбинируют с электронами, подходящими из внешней цепи от источника питания Ек. Цепь тока оказывается замкнутой.
Из рассмотрения процессов видно, что:
iэ = iб + iк.
p-n
p-n
Коллектор
База
Эмиттер
Для увеличения коллекторного тока iк величину базового тока iБ стремятся сделать как можно меньше. В современных транзисторах удается получить iБ ≈ (0,05…0,1) iэ путем снижения ширины области базы. Тогда iк ≈ (0,95…0,9)iэ.
к
х
Uэб = φ - Eэ
Uкб = φ + Eк
φ
б
а
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
iк
Б
К
Э
Eк
iБ
Eэ
iэ
Дырки
Диффузия дырок
Рекомбинация
Инжекция
Диффузия
Экстракция
Рисунок 1.36 – Физические процессы в p-n-р транзисторе:
а – структура транзистора; б – распределение потенциалов.
Отношение коллекторного тока к эмиттерному называется коэффициентом передачи тока транзистора:α = iк / iэ = 0,95...0,99.
Таким образом, токи в транзисторе связаны следующими соотношениями: Iк = α iэ; IБ = (1 − α)iэ;
Если в цепь между базой и коллектором ввести переменное напряжение Ег небольшой величины (Ег < Еэ), то количество инжектированных дырок, то есть ток iэ будет меняться вследствие изменения высоты потенциального барьера. Если в цепь между коллектором ввести еще сопротивление Rн (смотри рисунок), то изменение эмиттерного тока iэ приведет к изменению коллекторного тока iк приблизительно в тех же пределах.
Так как сопротивление коллекторной цепи велико (коллекторный переход смещен в обратном направлении), то протекание по этой цепи изменяющегося и значительного по величине тока iк позволяет получить в усилителе на транзисторе усиление по напряжению и мощности.
Работа транзистора n-p-n типа происходит аналогично работе транзистора p-n-p типа. В этом случае носителями тока являются электроны, и полярность внешних источников напряжений меняется на противоположную.
Схемы включения, характеристики и параметры транзистора
iк
iБ
Имеется три способа включения транзистора: схема с общей базой, схема с общим эмиттером и схема с общим коллектором (ОБ, ОЭ, ОК). Схемы включения транзистора приведены на рисунке (рисунок 1.37).
в
б
a
Eк
iэ
EБ
Uвх
Uвых
Ik0
iБ
iк
iэ
Uвх
Eг
EБ
Eк
Uвых
Ik0
Rн
Rн
iБ
+
+
+
+
+
+
~
~
~
EБ
Eк
Uвых
IR0
iк
Рисунок 1.37 – Схемы включения транзистора: а – ОБ; б – ОЭ; в – ОК.
1 Схема с общей базой
На примере этой схемы рассмотрим принцип работы транзистора.
Входной ток в схеме ОБ является током эмиттера iэ, а выходной – ток коллектора iк.
Коэффициент усиления (передачи) по переменному току α = ∆Iк / ∆Iэ представляет собой отношение приращений тока коллектора и эмиттера, имеет величину меньше единицы. При отсутствии тока эмиттера iэ (цепь эмиттера разомкнута) протекает тепловой ток Iк0. Этот ток аналогичен току насыщения полупроводникового диода и определяется концентрацией неосновных носителей в базе и коллекторе транзистор. При комнатной температуре этот ток составляет единицы мкА. С учетом Iк0: iк = αiэ + Iк0.
Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых значительно больше амплитуды напряжения Uвх.
Учитывая, что iвых iвх, следует ожидать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы iвх = iэ достаточно большой, а входное сопротивление малое.
2 Схема с общим эмиттером (ОЭ)
Входным током является ток базы iБ. Коэффициент передачи по току
β = ∆Iк / ∆IБ, где β = α / (1 − α), β >> 1 (β = 10…200)
При отсутствии тока база iБ (цепь базы разомкнута) протекает ток
Iк0 = I2к0 · (1 + β) / (1 − α), т. е. iк = βiБ + Iк0
Так как iвых >> iвх, а при достаточно большом сопротивлении Rк, амплитуда переменной составляющей напряжения Uвых значительно
больше амплитуды напряжения Uвх, следовательно схема обеспечивает усиление и тока и напряжения.
Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.
3 Схема с общим коллектором (ОК)
Входная цепь – цепь базы, выходная – цепь эмиттера.
Коэффициент передачи тока в этой схеме:
∆iэ / ∆iБ = Iэ / IБ = Iэ / (Iэ – Iк) = 1 / (1 – α) = βэ + 1, то есть он больше, чем в схеме ОЭ: βк > βэ. В этой схеме коллектор является общим для входной и выходной цепей по переменному току.
Само напряжение Uбэ, и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения Uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения
Uвых. Поэтому усилительные каскады с общим коллектором, называют эмиттерными повторителями, так как iвх << iвых. Схема усиливает ток,
но не усиливает напряжение.
Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения Uвх, так и напряжения Uвых.
На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.
Сравнительная таблица основных параметров трех схем включения
|
Параметр усилительного каскада |
Схема включения транзистора |
||
|
ОБ |
ОЭ |
ОК |
|
|
Входное сопротивление,Ом |
Низкое (≤ 100) |
Среднее ( ≤ 2К) |
Высокое (0,2...1мОм) |
|
Выходное сопротивление,Ом |
Высокое (0,5...1) |
Среднее (~ 20К) |
Низкое (50…500) |
|
Усиление по току |
< 1 |
≤ 200 |
10…200 |
|
Усиление по току |
≤ 500 |
≤ 500 |
≤ 1 |
|
Фазовый сдвиг между Uвых и Uвх |
00 |
1800 |
00 |
Обычно используют два вида вольтамперных характеристик:
Для схемы с общим эмиттером входной характеристикой называют зависимость входного тока или тока базы iб от напряжения базы – эмиттер Uб-э.
Выходной характеристикой называют зависимость iк от Uк-э при фиксированных значениях iб = const.
Для схемы с общей базой, входной характеристикой является зависимость iэ = f (Uэ-б), а выходной iк = f (Uк-б).
Для схемы с общим коллектором выходной характеристикой является
iэ = f (Uэ-к), а входной iб = f (Uк-б).
Часто транзистор рассматривают как четырехполюсник (рисунок 1.38), то есть линейный элемент, имеющий два входных и два выходных зажима.
И в этом случае используется вторичные параметры, которые справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами или
h – параметрами. Связь между входными (U1, I1) и выходными
(U2, I2) напряжениями и токами четырехполюсника выражается системой
двух уравнений. Выбрав два из входящих в эту систему параметров за независимые переменные, находят двое других.
∆U1 = h11 ∆I1 + h12 ∆U2
I1
∆I2 = h21 ∆I1 + h22 ∆U2
U2
U1
I2
Рисунок 1.38 – Транзистор как четырехполюсник
Параметры, входящие в эти уравнения, определяются, используя двумя режима:
Эти режимы или эти условия легко осуществить на практике при измерении h – параметров.
В систему h – параметров входят следующие величины:
1.7 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевым транзистором (ПТ) называют электро-преобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком, и который предназначен для усиления электрических колебаний. Полевые транзисторы называют еще униполярными, т. к. принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака.
Классификация и условное обозначение полевых транзисторов
Полевые транзисторы подразделяются на n-канальные и р-канальные; каждый тип транзистора в свою очередь бывает с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы или МОП-транзисторы) (рисунок 1.39). МДП (МОП)-транзисторы делятся на транзисторы со встроенным каналом и с индуцированным каналом.
и
и
и
и
и
и
з
з
з
з
з
з
с
с
с
с
с
с
с индуцированным каналом
со встроенным каналом
с изолированным затвором (мдп, моп)
с управляющим p-n-переходом
с p-каналом
с n-каналом
ПТ
Рисунок 1.39 – Классификация и условное обозначение полевых транзисторов
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Конструкция
Рассмотрим транзистор с управляющим p-n-переходом, n-канальный. Конструктивно такой транзистор представляет собой пластинку полупроводника n-типа с двумя p-n-переходами и тремя выводами
(рисунок 1.40). Электрод, от которого начинают движение носители заряда, называется истоком (И), а электрод, к которому они движутся – стоком (С).
Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют общий электрод, называемый затвором (З). Между p-n-переходами располагается канал, в данном случае n- типа. Управляющее (или входное) напряжение подается между З и И. Uзи является обратным для обоих p-n-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, подключается напряжение Ucи положительно полюсом к стоку.
Uси
Uзи
p
n
з
и
с
канал
p-n-переход
p
Рисунок 1.40 – Конструкция транзистора с управляющим p-n-переходом
Принцип работы
Принцип работы сводится к тому, что при изменении Uзи изменяется ширина p-n-переходов, которые представляют собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Т. к. p-слой имеет большую концентрацию примесей, чем n-слой, то изменение ширины переходов происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции ширины базы). Тем самым изменяется сечение токопроводящего канала и его проводимость, т. е. выходной ток Ic (рисунок 1.41).
с
з
и
Рисунок 1.41 – К пояснению принципа работы
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и
напряжение Ucи.
При Ucи > 0 через канал протекает Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Потенциалы точек
канала n-типа будут неодинаковы по его длине, возрастая в направлении стока от 0 до Ucи. Повышение Ucи вызывает дальнейшее увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, т. е. проводимости. При некотором Uси происходит смыкание границ p-n-переходов и сопротивление канала становится высоким.
Характеристики полевых транзисторов с p-n-переходом
Стока-затворные (или передаточные) (рисунок 1.42 б):
Ic = f (Uз-и) / Uc-и = const.
Стоковые (или выходные) (рисунок 1.42 а):
Ic, mA
Ic, mA
Ic = f (Uc-и) / Uз-и = const.
б
а
20 В
-Uз-и, В
15
-5
10
5
10
-15 В
-10 В
-5 В
Uс-и = 30 В
Uс-и, В
Uз-и = 0
0
5
10
Рисунок 1.41 – Характеристики полевых транзисторов с p-n- переходом
Выходная характеристика показывает, что с увеличением Ucи ток стока Ic начала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется, т. е. наступает насыщение. Именно в этой области насыщения, на пологих участках и происходит работа транзистора.
Явление насыщения объясняется тем, что при повышении Ucи ток Ic должен увеличиваться, но т. к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, а канал сужается, т. е. его сопротивление возрастает, и Ic должен уменьшаться. Т. е. имеют место два взаимно противоположных воздействия на ток, который в результате остается почти постоянным.
При подаче большего отрицательного Uз-и ток стока Ic уменьшается и характеристика проходит ниже.
Дальнейшее повышение Ucи приводит к электрическому пробою
p-n-перехода и Ic начинает лавинно возрастать.
Параметры.
M = S · Ri и имеет значения от сотни до тысячи на пологом участке.
5 Межэлектродные емкости:
Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП)
В отличие от полевых транзисторов с p-n-переходом, в которых затвор имеет непосредственный электрический контакт с областью токопроводящего канала, в МДП–транзисторах затвор изолирован от канала слоем диэлектрика.
МДП–транзисторы со встроенным каналом
Конструкция
-
с
з
и
Конструкция МДП – транзистора со встроенным каналом n-типа представляет собой кремневую пластинку с электропроводностью р-типа (рисунок 1.42).
n
p
n
n
n
+
+
-
(+)
Рисунок 1.42 – Конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа
В ней созданы 2 области с повышенной проводимостью n+-типа. Эти области являются стоком и истоком. Между ними имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала примерно на 2 порядка меньше его ширины.
Толщина диэлектрического слоя (обычно это SiO2) ≈ 0,1 – 0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки. В МДП–транзисторе обычно делают четвертый электрод, которым является подложка (т. е. пластина p-типа).
Принцип работы
Если при Uзи = 0 приложить напряжение между стоком и истоком Ucи, то через канал потечет ток, представляющий собой поток электрона.
При подаче Uзи > 0 в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области стока, истока и в кристалл. Канал объединяется электроном, сопротивление его увеличивается, Ic уменьшается.
Чем больше напряжение на затворе Uзи, тем меньше Ic. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.
Если Uзи < 0, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей стока, истока и кристалла в канал будут приходить электрона, проводимость канала увеличится и Ic возрастет. Этот режим называют
режимом обогащения.
Все эти физические процессы наглядно выражаются выходной (стоковой) характеристикой (рисунок 1.43 а).
По выходной характеристике можно построить стока-затворную (переходную) характеристику (рисунок 1.43 б). Как видно, выходные характеристики подобны таким же характеристикам транзистора с управляющим p-n-переходом.
Ic, mA
Ic, mA
Параметры МДП–транзисторов аналогичны параметрам полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. Если кристалл имеет электропроводность n-типа, канал должен быть p-типа, а полярность напряжений – обратной.
б
а
-4 В режим обеднения
-2 В
Uзи = 0
+2 В режим обогащения
+4 В
режим обеднения
режим обогащения
Ucи = const
+Uзи, В
0
-Uзи, В
Ucи, В
15
10
0
5
2,5
5
Рисунок 1.43 – Выходная и стока-затворная характеристики
МДП-транзистор с индуцированным (инверсным) каналом
Конструкция
От транзистора с встроенным каналом он отличается тем, что канал проводимости здесь специально не создается, а возникает (индуцируется) только при подаче на затвор напряжения определенной полярности (рисунок 1.44). При отсутствии этого напряжения канала нет, между истоком и стоком n+-типа только кристалл p-типа и на одном из p-n+-переходов получается обратное напряжение.
+
p
n
n
+
+
с
з
и
Рисунок 1.44 – Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа
Принцип работы
Сопротивление между И и C велико, транзистор заперт. Но если подать на затвор в данном случае положительное напряжение, то под влиянием поля затвора электронами проводимости будут перемещаться из областей стока, истока и кристалла к затвору. Когда Uзи превысит некоторое отпирающее или пороговое напряжение, то в приповерхностном слое концентрация электрона настолько увеличится, что превысит концентрацию дырок, произойдет инверсия типа электропроводности, т. е. образуется канал n-типа и транзистор начнет проводить ток.
Чем больше положительное напряжение Uзи, тем больше проводимость канала и ток стока. Т. е. такой транзистор может работать только в режиме обогащения, что показывают его выходные характеристики и переходная характеристика (рисунок 1.45).
Uси = const
Uзи = + 2 В
Uзи, В
Uси, В
Iс, mA
Iс, mA
0
+4
+6 В
+8 В
+10 В
15
10
5
0
5
10
Рисунок 1.45 – Выходная и стока-затворная характеристики
МДП–транзисторы имеют лучшие температурные, шумовые, радиационные свойства по сравнению с полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом, кроме того, они просты в изготовлении.
Маркировка транзисторов
КП302А
ГТ308В
особенность в данной группе (n-p по Uобр, коэф. передачи тока и т. д.)
номер разработки
диапазон осн. параметров (мощность, частоты и т. д.)
биполярный
материал
Схемы включения ПТ и их особенности
Полевые транзисторы по аналогии с биполярными имеют три
схемы включения: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС),
с общим затвором (ОЗ).
с
Схема с ОИ (рисунок 1.46).
E2
E1
Rн
~
+
+
-
-
и
з
Рисунок 1.46 – Схема с ОИ
Схема с ОИ аналогична схеме с ОЭ. Каскад с ОИ дает очень большое усиление по току и по мощности и так же как схема с ОЭ переворачивает фазу напряжения при усилении.
Схема с ОЗ (рисунок 1.47).
+
+
-
-
E2
E1
Rн
с
и
з
~
Рисунок 1.47 – Схема с ОЗ
Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не дает усиления по току, поэтому усиление по мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ.
Rвх.мало, т. к. входным током является ток стока. Фаза напряжения при усилении не переворачивается, так же как в схеме с ОБ.
с
Схема с ОС (рисунок 1.48).
-
-
+
+
E2
E1
Rн
и
з
~
Рисунок 1.48 – Схема с ОС
Каскад по схеме с ОС подобен схеме с ОК или эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем с Ки ≈ 1 вых. напряжение по значению и фазе повторяет выходное. Для такого каскада характерны небольшое выходное сопротивление и повышенное входное.
Преимущества полевых транзисторов перед биполярными
Недостатком ПТ является сравнительно невысокая крутизна, т. е. меньшее быстродействие, чем у БТ.
1.8 ТИРИСТОРЫ
Тиристор – это четырехслойный полупроводник переключающий прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: низкой проводимости (тиристор закрытый) и состоянием высокой проводимости (тиристор открытый). Основными типами являются диодные тиристоры и
триодные тиристоры.
Диодный тиристор
Он имеет три p-n-перехода, причем два из них П1 и П3 работают в
прямом направлении, а средний П2 в обратном направлении. Крайнюю область р- называют анодом, а крайнюю область n-катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов
Т1 n-p-n-типа, и Т2 p-n-p-типа, соединенных между собой. Получается, что переходы П1 и П3 являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П2 в обоих транзисторах работает как коллекторный переход.
Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 Т2, а база Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью К1 транзистора Т1 (рисунок 1.49). Соответственно этому коллекторный ток iк1 = iб2, а iк2 = iб1. Обычно тиристоры делают из Li, концентрация примеси в базовых областях (средних областях) значительно меньше, чем в эмиттерных (крайних областях).
i = iэ2
i = iэ2
ik0
Т1
К1
Б1
Т2
К2
Б2
Э2
Э2
Б2 (К1)
Б1 (К2)
Э1
Э1
К
П1
П1
П3
П2
П2
П2
П3
ik1 = iб2
iб1 = ik2
p
p
p
p
p
n
n
n
n
n
E
A
i = iэ1
i = iэ1
Rн
Rн
Рисунок 1.49 – Структура и эквивалентная схема тиристора
Iпр, mA
Рассмотрим ВАХ тиристора (рисунок 1.50).
В
А
Б
5
10
Uпр, В
Uвкл
Uоткр
Iвкл
Iуд
Imах
Рисунок 1.50 – ВАХ тиристора
При увеличении Uпр, ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление т. к. под влиянием обратного процесса основные носители уходят в разные стороны от границы, т. е. переход П2 все больше основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П1 и П3 усиливает инжекцию носителей, которые переходят к переходу П2, обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А при котором напряжение (десятки или сотни вольт), называемом напряжением включения Uвкл, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже очень малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом.
Ток резко возрастает (это участок АБ на характеристике), т. к. увеличивается напряжение на П1 и П3 уменьшает сопротивление на П2 и напряжение на нем, за счет чего еще больше возрастают напряжения на П1 и П2, а это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П2 и т. д. в результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора большой ток при малом напряжении (участок БВ). Ток в этом режиме, когда тиристор открыт, определяется главным образом сопротивлением нагрузки Rн, включенным последовательно с тиристором. За счет возникшего большого тока почти все напряжение источника питания падает на нагрузке Rн.
В открытом состоянии из-за накопления больших зарядов около П2 напряжение на нем прямое, что как известно, характерно для коллекторного перехода в режиме насыщения. Поэтому полное напряжение на тиристоре складывается из трех небольших прямых напряжений на переходе и четырех так же небольших падений напряжения в n- и р- областях. Т. к. каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт и, следовательно, тиристор в этом состоянии имеет малое сопротивление.
Диодный тиристор характеризуется следующими параметрами:
Триодный тиристор
Если от одной из базовых областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение напряжения включения Uвкл. Чем больше ток через такой управляющий переход Iy, тем ниже Uвкл. Рассмотрим ВАХ триодного тиристора для различных токов управляющего электрода Iy (рисунок 1.51).
Чем больше Iy, тем меньше инжекция носителей от соответствующего эмиттера к среднему коллекторному переходу П2, и тем меньше требуется напряжение на тиристоре для того, что бы начался процесс отпирания. Наиболее высокое значение Uвкл. Получается при отсутствии тока управления, когда триодный тиристор превращается в диодный. И наоборот, при значительном Iy характеристика триодного тиристора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.
Iу1 = 0
Iу2 > 0
Iу3 > 2у3
Uпр
Uвкл.1
Uвкл.2
Uвкл.3
Iпр
Iобр
Uобр
Рисунок 1.51 – ВАХ триодного тиристора
Простейшая схема включения триодного тиристора показана на
рисунке 1.52:
+
+
-
-
E
Rн
Iу
Uвх
Рисунок 1.52 – Схема включения триодного тиристора
Такой тиристор называют тиристором с управлением по катоду, т. к. управляющим электродом является базовая область, ближайшая к катоду n. При подаче импульса прямое напряжение через вывод управляющего электрода на эмиттерный переход этого триодного тиристора он отпирается.
Параметры у тиристоров так же как и динисторов, добавляются лишь величины, характеризующие управляющую цепь: Iy. Обычные триодные тиристоры только включаются с помощью управляющей цепи, но не могут запираться с помощью нее, т. к. для этого необходимо уменьшить ток в тиристоре до значения ниже Iуд. Однако разработаны так называемые запираемые триодные тиристоры, которые запираются при подаче на управляющий электрод короткого импульса обратного напряжения на эмиттерный переход.
Разработаны также симметричные тиристоры или симисторы, имеющие структуру n-p-n-p-n или p-n-p-n-p, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления. Рассмотрим структуру симистора (рисунок 1.53).
p
p
p
p
p
p
n
n
n
n
n
n
n
(-)
(-)
-
(+)
+
+
Рисунок 1.53 – Структура и схема замещения симистора
Iпр
При одной полярности «−» и «+» без скобок, работает левая половина прибора. При обратной полярности работает правая половина прибора. Роль симистора могут выполнять два диодных тиристора, включенных параллельно. ВАХ симистора будет выглядеть следующим образом (рисунок 1.54):
Uобр
Iобр
Uпр
Рисунок 1.54 – ВАХ симистора
Приведем условные графические изображения различных тиристоров (рисунок 1.55):
симистор
запираемые триодные тиристоры с выводом от p- и n- области
не запираемые триодные тиристоры с выводом от p- и n- области
диодный тиристор
Рисунок 1.55 – Условные графические изображения различных тиристоров
1.9 ЭЛЕКТРОННО - СВЕТОВЫЕ ЗНАКОВЫЕ ИНДИКАТОРЫ
Назначение
Использование многих систем электроники невозможно без участия человека оператора в управлении, который должен иметь сведения о работе систем и контролируемых параметров. Для этого служат устройства, для преобразования различных данных в видимое изображение. Техническими средствами отображения информации оснащаются КИП, счетно-решающая аппаратура, щиты управления, устройства для вывода изображений от ЦВМ. Устройства отображения информации выполняют на основе элементов индикации, в которых используются следующие физические явления:
Накальные индикаторные приборы
Лампы накаливания – это тепловые источники света, использующие излучение нагретого до t° = 2500 – 3000 °C Wf тела, помещенного в стеклянную колбу, наполненную инертным газом и вакуум.
Различают по мощности, напряжению, световому потоку, газовому наполнению, конструкции и т. д.
Вакуумные накальные индикаторные лампы (серии ИВ) при большой внешней освещенности находят широкое применение.
Конструкция: вакуумный стеклянный баллон с несколькими нитями накаливания (в виде спирали) из Wf и сплавов. Спираль крепиться между опорными штырями, все нити накала имеют общий и индивидуальный выводы.
t°нити = 1250 °С, t = 10 000 час.
Изображение в индикаторах образуется из отрезков спиралей накаливания в виде прямых линий.
Uв = 3,15 – 6,3 В; I = 19,5 – 36,0 мA
Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ)
Основаны на использовании явления электролюминесценции – свечении некоторых кристаллических веществ (электролюминофоров) при возбуждении их электрическим полем.
Свойства:
Конструкция и принцип действия: плоский конденсатор, у которого одна обкладка в виде стеклянной пластины или пленки с нанесенным на нее прозрачным электродом, а другая обкладка – в виде непрозрачного электрода. Прозрачный электрод выполняют методом напыления окиси Pb.
Принцип работы. Переменное напряжение, приложенное к электродам, создает необходимую для возникновения свечения напряженность электрического поля.
По виду и характеру изображения ЭЛИ:
Стекло, через которое проходит свечение, защищает от механического воздействия электролюминесцентный слой (рисунок 1.56).
~
ИЭЛ I – ИЭЛ XIII
непрозрачный электрод
защитный слой
диэлектрик
прозрачный электрод
стекло
Рисунок 1.56 – Конструкция ЭЛИ
Вакуумно-люминесцентные индикаторы
Состоят из:
Накаленный катод из нити из тугоплавкого металла (Wf, Mb) служит источником, эмитирующим электроны. Аноды выполняют в виде знакосинтезирующих металлических сегментов, покрытых люминофором. Каждый сегмент имеет отдельный вывод, к которому прикладывается положительное напряжение (+ U). Сетка расположена между анодом и катодом, она металлическая, служит для управления током индикатора (рисунок 1.57).
Рисунок 1.57 – Конструкция ВЛИ
При столкновении с поверхностью анодов электроны вызывают свечение люминофора (зеленые). Сочетание светящихся сегментов создает изображение.
Индикация производится через поверхность стеклянного баллона со стороны катода.
При Uc ≈ 0, проходящий через сетку поток электронов максимален, в связи с чем свечение анодов отсутствует.
Применяют: в портативной КИП, счетно-решающих устройствах; работают в непрерывном и импульсном режимах работы.
Газоразрядные знаковые индикаторы (ИН)
Позволяют не только высветить цифры 0 – 9, но имеют наиболее удобную конструкцию цифр.
Конструкция и принцип действия: это многокатодные приборы с одним или двумя анодами (сеткой). Катоды из тонкой проволоки в виде цифр, букв, знаков, располагаются один за другим и связаны с внешними выводами. Стеклянный баллон.
Принцип работы. При подаче Uн на анод и один из катодов между ними в газовой среде возникает разряд. Вид свечения тлеющего разряда внутри баллона имеет форму катода. Подавая напряжение на разные катоды можно получить смену цифр – до 10 знаков в баллоне. Цвет свечения знаков зависит от наполненного газа (неон, аргон, гелий). Анод – Ni, Ti. (ИН -11, ИН – 12,
ИН – 15. Uп = 170 – 220 В, Iр = 1,5 – 3 мA).
Ионные приборы (газоразрядные)
Отличаются от электронных тем, что в их работе принимают участие как свободные электроны, так и ионы газа или паров. Если к двухэлектродному ионному прибору (вакуумному) приложить некоторое напряжение, то в междуэлектродном промежутке возникнет электрический разряд, а во внешней цепи появиться анодный ток Iа.
Электрический разряд – это совокупность явлений, возникающих при прохождении электрического тока через ионный прибор.
Процессы в газовом разряде. Электроны, эмитируемые катодом, движутся в атмосфере газа. Сталкиваясь с атомами газа, электроны отдают свою энергию и производят возбуждение или ударную ионизацию атомов (образуются новые электроны и положительные ионы).
В процессе движения электронов и ионов под действием электрического поля возможно образование объемных зарядов, рекомбинация, вторичная эмиссия и другие явления. Например ионы, движущиеся к катоду, образуют у поверхности катода положительный объемный заряд, который компенсирует отрицательный заряд электронов, ↓ Ri прибора.
Разряды в газе несамостоятельные и самостоятельные.
Несамостоятельный разряд – который может длительно существовать при условии подведения энергии извне (внешние ионизаторы), например нагрев или облучение катода.
Самостоятельный разряд – электроны и ионы образуются за счет энергии поля и самого разряда – применяются наиболее широко.
Тиратрон с холодным катодом
+
Uа, В
Устройство и принцип действия: управляемый газоразрядный прибор. Имеет анод, катод и одну или две сетки. С помощью сеток обеспечивается момент открытия тиратрона, т. е. возникновение разряда анод – катод.
Анод – стержень (молибден), сетка в виде кольца (Ni). Внутренняя поверхность активирована цезием. Колба наполнена смесью Ar и Ne. Схема включения тиратрона (рисунок 1.58):
-
C
K
A
Iс, mA
Ua
Uс
Rа
Rс
Рисунок 1.58 – Схема включения тиратрона, ВАХ и конструкция
Сопротивление в цепи сетки (Rc) ~ дес. Мом, при таком сопротивлении потенциал сетки составляет ~ 70 – 90 В, а ток Ic ~ доли мкА. Между сеткой и катодом возникает начальный разряд. Ток анода Ia = 0. Если Uc ↑ увеличивается, то растет ток Ic и число электронов, прошедших через отверстие сетки в анодную область. При некотором значении сеточного тока Icз (тока зажигания), энергия электронов достаточна для развития разряда в
промежутке А – K режим тлеющего разряда обеспечивается выбором Ra. Эмиссия электронов из катода проходит за счет бомбардировки его поверхности ионами. После возникновения разряда между A – K сетка теряет свои управляющие свойства, т. к. заряженные частицы создают вокруг нее плотную оболочку, нейтрализующую поле сетки.
Характеристика зажигания тиратрона – зависимость напряжения на аноде от тока сетки, при котором возникает разряд. Ua = f (Uc). Характеристика зажигания имеет разброс (область зажигания). Более стабильные характеристики имеют двухсеточные тиратроны. Тиратроны с холодным катодом обладают высокой экономичностью, большой долговечностью
(5000 час). Применяются в схемах формирования импульсов.
Сигнальные неоновые лампы
Это прибор, предназначенный для световой индикации электрических сигналов.
Устройство: имеет два электрода, выполненных в виде дисков, цилиндров или стержней различной конфигурации, которые помещены в стеклянный баллон. В баллоне после откачки воздуха вводят газ-наполнитель (Ne) – красное свечение, или неона-гелиевую смесь с небольшой примесью аргона – оранжево-красное свечение.
В цепях переменного тока используют сигнальные лампы с симметричными электродами. Свечение газа наблюдается у обоих
электродов (рисунок 1.59).
K
A
Рисунок 1.59 – Конструкция сигнальной неоновой лампы
В цепях постоянного тока применяют сигнальные лампы, у которых катод имеет большую площадь, чем анод.
Неоновые лампы благодаря «релейному» эффекту – скачкообразное изменение тока при плавном изменении напряжения – можно использовать для генерирования колебаний НЧ, в реле времени и т. д.
1.10 ОПТРОНЫ
Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы.
Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой.
Конструкция оптронов
1 – измеритель;
2 – оптически прозрачный клей;
3 – фотоприемник.
3
2
1
Рисунок 1.60 – Оптрон с закрытым оптическим каналом
Излучатель и фотоприемник помещают в корпус и заливают оптически прозрачным клеем.
Рисунок 1.61 – Оптрон с воздушным зазором
U
Ф
Рисунок 1.62 – Оптрон с внешним объектом
Типы оптопар, параметры и характеристики
Резисторные оптопары. Они имеют в качестве излучателя сверхмощную лампочку накаливания или светодиод. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе.
Условное обозначение и схема включения резисторной оптопары показаны на рисунке 1.63.
E
Rн
Uупр
Рисунок 1.63 – Условное обозначение и схема включения резисторной оптопары
Выходная цепь питается от источника (=) или (~) напряжения Еи, имеет нагрузку Rн. Напряжение управления Uупр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке.
Параметры резисторных оптопар:
Характеристики:
Применяются: для коммутации, для автоматического регулирования усиления, для связи между каскадами, для управления бесконтактными делителями напряжения и т. д.
Диодные оптопары. Они содержат обычно кремниевый фотодиод и арсенид-галлиевый светодиод (рисунок 1.64).
Рисунок 1.64 – Условное обозначение и схема включения диодной оптопары
Параметры диодных оптопар:
Применение диодных оптопар очень разнообразно:
Транзисторные оптопары имеют в качестве излучателя Ga As-светодиод, а в качестве приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор (рисунок 1.65).
Рисунок 1.65 – Условное обозначение и схема включения транзисторной оптопары
В качестве приемника может также использоваться однопереходный и полевой транзисторы.
Основные параметры аналогичны параметрам резисторных
оптопар. Дополнительно указываются mах токи, напряжения и мощность, относящиеся к входной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и время выключения.
Оптопары этого типа работают обычно в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, в устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле.
Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника
кремниевый фототиристор и применяются исключительно в ключевых режимах (рисунок 1.66).
Рисунок 1.66 – Условное обозначение и схема включения тиристорной оптопары
Применение: схемы для формирования мощных импульсов, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.
Параметры:
Достоинства оптронов:
Недостатки:
РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
2.1 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Iвых
Iвх
Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (U, I, P). Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой сигнал снимается и подается в нагрузку (рисунок 2.1).
Uвх
Uвых
Рисунок 2.1 – К определению параметров усилителя
Параметры и характеристики усилителей
Основными параметрами усилителя являются:
Для усилителя возможны различные значения коэффициентов усиления, но необходимо, чтобы КP > 1, т. е. отсюда следует, что или Кu или КI должны быть > 1, иначе устройство потеряло бы смысл как усилитель.
При расчете или выборе усилителя для конкретного случая
предпочтение может отдаваться одному из параметров в зависимости от того, какой параметр на выходе усилителя является определяющим.
Обычно таким параметром является напряжение выходного сигнала.
Поэтому в справочниках по усилителям указывается Кu.
Основными характеристиками усилителя являются:
Многие усилители состоят из нескольких ступеней, которые осуществляют последовательное усиление сигнала и называются каскадами.
Классификация усилителей
Усилители
с нелинейным режимом
с линейным режимом
Усилитель с линейным режимом работы обеспечивает на выходе сигнал, близкий по форме к входному. Такие усилители подразделяются на несколько групп по различным признакам:
УПУ
ШПУ
УВЧ
УЗЧ
УПТ
10 Гц – 100 МГц
10 кГц – 100 МГц
103–108 Гц
fн
fн
fн
f0
fв
fв
fв
fв
Ku
Ku
Ku
Ku
Ku
В усилителях с нелинейным режимом работы отсутствует пропорциональность между мгновенными значениями входного и выходного тока I и напряжения U. После достижения некоторой величины напряжения входного сигнала напряжение на выходе остается неизменным, т. е. ограничивается на некотором уровне. Такие усилители нашли применение в устройствах для преобразования синусоидального сигнала в импульсный.
Принцип построения усилительных каскадов
Схемы усилительных каскадов очень разнообразны, но принцип построения у них один и тот же. Рассмотрим это на примере структурной схемы (рисунок 2.2).
Основными элементами каскада являются усилительный элемент УЭ, которым является биполярный или полевой транзистор, или лампа, резистор R и источник питания Е.
На вход подается синусоидальный сигнал, выходной сигнал снимается с выхода УЭ или с резистора R. Выходной сигнал создается в результате изменения сопротивления УЭ или R и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Т. е. процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.
УЭ
R
i
E
Uвых
Uвх
Рисунок 2.2 – Структурная схема
Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов является каскад с общим эмиттером ОЭ (рисунок 2.3).
~
Cр2
Cр1
VT
+
Uвых
Uвх
Rн
R2
Rк
R1
-Eк
Eг
Rг
Рисунок – 2.3 – Схема усилительного каскада с ОЭ
Основные элементы схемы:
Ек – источник питания (положительный Ек для n-p-n, отрицательный Eк для p-n-p);
VT – биполярный транзистор n-p-n типа;
Rк – сопротивление в цепи коллектора, с помощью которого создается выходное напряжение.
Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное напряжение на выходе схемы.
Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль:
Обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т. е. в отсутствие входного сигнала. Благодаря этим резисторам можно получить оптимальные значения Iб и Uб, соответствующие середине линейного участка входной характеристики, т. е. рабочей точке П, а также середине переходной характеристики и середине рабочего участка нагрузочной прямой на выходной характеристике (рисунок 2.4).
При подаче на вход усилительного каскада переменного напряжения Uвх, Iб будет изменяться в соответствии с входной характеристикой, т. е. кроме постоянной составляющей Iбп он будет иметь переменную составляющую iб. Одновременно с этим в транзисторе будут изменяться эмиттерный IЭ и коллекторный IК токи.
Переменная составляющая коллекторного напряжения представляет собой выходное напряжение усилительного каскада, которое численно равно и противоположно по фазе переменной составляющей падения напряжения на резисторе Rк:
Uвых = − Rк iк;
Uвх = Rвх iвх,
где Rвх – входное сопротивление усилительного каскада (УК), которое примерно равно входному сопротивлению транзистора;
iвх ≈ iб – входной ток, примерно равный току базы.
Iк
Iк
Т.к. Iк >> Iб, Rк >> Rвх, то Uвых каскада с ОЭ получается намного больше Uвх.
Uк
Uкп
Uвых
Uвх
Uб
iб
Iбп
Iб
Iб
П
0
0
0
П
П
Iкп
iк
Рисунок 2.4 – Входная, переходная и выходная характеристики УК с ОЭ
Характеристики усилителей
Рассмотрим более подробно характеристики усилителей.
Амплитудная (АХ), Uвых = f (Uвх) (рисунок 2.5).
Umin
Umax
Uвх
Uвых
Рисунок 2.5 – Амплитудная характеристика УК
По амплитудной характеристике судят о возможных пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя. АХ не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных шумов и помех. По величине Umin / Kuо оценивают уровень минимальных напряжений входного сигнала (или чувствительность) усилителя.
АХ условно можно разделить на два участка:
Ограничение выходного сигнала создается обычно при наибольшем входном сигнале, когда происходит смещение рабочей точки вдоль линии нагрузки по переменному току. Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения необходимо, чтобы точка покоя (или рабочая точка) выходного каскада размещалась посередине его линии нагрузки по переменному току.
Такие искажения выходного сигнала, которые возникают ввиду нелинейности входных и выходных ВАХ транзисторов, называют нелинейными и оцениваются коэффициентом нелинейных искажений:
K = · 100%,
где Р1 – мощность в нагрузке, обусловленная основной гармонической составляющей напряжения;
Р2, Р3, Р4… – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-ой,
3-ей, 4-ой и т. д. гармонических составляющих напряжения.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), КU = f (f) (рисунок 2.6).
Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров транзистора от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала Uвых изменяется как по амплитуде, так и по фазе.
Ku
Полоса пропускания
f
fв
fн
Ku. Ср
Рисунок 2.6 – Амплитудно-частотная характеристика УК
Сp
Рассмотрим эквивалентную схему усилительного каскада с ОЭ (рисунок 2.7).
Rк
Rвых
Скэ
1/h22
h21 Iвх
h11
Uвых
Uвх
Рисунок 2.7 – Эквивалентная схема УК с ОЭ
Кu принимает мах значение в области средних частот, т.к. в этой области сопротивление разделительного конденсатора мало и стремится к нулю:
Xср = → 0, т. к. емкость Cp велика, а X = значительно больше параллельно включенных ему сопротивлений (т. к. Cэк – мала). Т. е. в области средних частот КU мало зависит от частоты сигнала, т. к. влиянием Cp и Cэк можно пренебречь.
При очень низких частотах (fн → 0), КUн → 0, т. к. сопротивление разделительного конденсатора стремится к бесконечности ХСр = → ∞, падение напряжения на нем увеличивается, и, следовательно, Uвых уменьшается.
При очень высоких частотах (fв → ∞), КUв → 0, т. к. сопротивление емкости коллектор-эмиттер стремится к нулю ХCкэ = → 0, т. е. сопротивление емкости коллектор-эмиттер транзистора уменьшается и шунтирует Rвых. Поэтому Uвых снижается. Cр на высоких частотах не оказывает влияния на КU, т.к. ХСр – мало.
Такое снижение КU в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями, которые оценивают коэффициентами частотных искажений:
где КUо – коэффициент усиления на средних частотах;
τн, τв – постоянные времени для разделительных конденсаторов в области низких и высоких частот.
Обычно Мн = Мв ≈ .
Частоты fн и fв, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений М, называют нижний и верхний граничными частотами, а диапазон частот ∆ f = fв − fн, в котором М не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя.
φн
Фазо-частотная характеристика (ФЧХ), φ = f (f) (рисунок 2.8).
0
f
Рисунок 2.8 – Фазо-частотная характеристика УК
Наличие конденсаторов в схеме приводит к появлению и фаза-частотных искажений.
Фаза-частотная характеристика усилителя показывает, что в области нижних частот выходное напряжение Uвых опережает по фазе входное Uвх, а в области верхних частот отстает от него. В предельных случаях, при f → 0 и
f → ∞, угол сдвига фаз стремится к π / 2 и – π / 2. С понижением частоты входного сигнала появление фазового сдвига обусловлено тем, что ток в цепях с конденсаторами опережает по фазе напряжение. Т. е. напряжение, поступающее на вход каскада после Ср, будет иметь опережающий фазовый сдвиг относительно напряжения источника сигнала (для первого каскада) и относительно Uвых предыдущего каскада (для промежуточных каскадов).
В области высоких частот появление фазового сдвига обусловлено частотными параметрами транзистора, т. е. зависимостью коэффициента передачи тока β от частоты, и наличием емкости Ск-э (для каскадов ОЭ).
Амплитудные и фазовые искажения усилителя относятся к классу линейных, т. к. они не вызывают изменения формы усиливаемого синусоидального сигнала.
Особенности многокаскадных усилителей
В многокаскадных усилителях число каскадов зависит от требуемых значений коэффициентов усиления КU, КI, КP. Чем больше необходимо получить коэффициент усиления, тем больше количество каскадов последовательно соединенных между собой.
Rг
Структурная схема многокаскадного усилителя приведена на рисунке 2.9.
~
Uвх1
1
Uвых1=Uвх2
2
Uвых2Uвх2(N-1)
N-1
Uвых(N-1)=Uвх1
N
UвыхN
Eг
Рисунок 2.9 – Структурная схема многокаскадного усилителя
В многокаскадных усилителях выходной сигнал первого и любого промежуточного каскада служит входным сигналом последующего каскада.
Нагрузкой каскада является входное сопротивление последующего каскада. Первый каскад называется входным, каскад N-1 есть предоконечный каскад, N-оконечный или выходной каскад, которым обычно является усилитель мощности. Все остальные, расположенные между первым каскадом и каскадом N-1, называются промежуточными. Ег, Rг – входная цепь усилителя, в выходной цепи стоит Rн.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:
KU = = · … = KU1 · KU2 … KUN
С увеличением числа каскадов коэффициент частотных искажений увеличивается: М = М1 · М2 · М3 и т. д., следовательно, ∆f усилителя уменьшается.
Угол фазового сдвига в многокаскадном усилителе равен сумме углов фазовых сдвигов, создаваемых всеми конденсаторами
в схеме: φн = φнр1 + φнр2 +…
2.2 РЕЖИМЫ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
(КЛАССЫ УСИЛЕНИЯ)
В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на характеристиках транзисторов, а также значения усиливаемого напряжения различают 3 основных режима работы усилительных каскадов или
классов усиления: A, B, C.
Основными характеристиками этих режимов являются:
Режим А характеризуется тем, что рабочую точку П в режиме покоя выбирают на линейном участке (обычно посередине) входной и переходной характеристик и, соответственно, посередине линии нагрузки на семействе выходных характеристик. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будет min, т. е. при подаче на вход усилительного
каскада гармоничного напряжения форма выходного напряжения
будет практически синусоидальной. Благодаря этому режим А
широко применяют в усилителях напряжения. Однако он имеет и существенный недостаток – очень низкий к.п.д. усилителя.
К.П.Д. усилителя определяется отношением выходной мощности Рвых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Р0:
η = Рвых / Р0 ,
где Pвых = 0,5 Uкm Iкm, (Uкm, Iкm – замплитуды коллекторных
напряжений и токов);
Iк
Iк
P0 = U0 I0 – потребляемая мощность, которая частично преобразуется в выходную мощность, а частично переходит в теплоту, выделяемую на элементах усилительного каскада. Т. е. Р0 равна произведению постоянных составляющих коллекторных напряжения и тока транзистора.
Uвых
Uвх
0
0
0
П
П
П
Uб
iб
Iбп
Iб
Iб
Uк
Uкп
iк
Iкп
Рисунок 2.10 – Положение рабочей точки в режиме А на характеристиках УК
Из рисунке 2.10 видно, что амплитуды переменных составляющих коллекторных напряжения и тока в режиме А меньше соответствующих постоянных составляющих, т. е. Uкm < U0 и Iкm < I0. Следовательно,
к.п.д. усилительного каскада в режиме А всегда меньше 0,5, в
действительности он редко превышает 0,35. Поэтому, например, в
усилителях мощности, для которых к. п. д. имеет существенное значения, режим А используется очень редко.
-
Iк
Iк
Режим В характеризуется тем, что рабочую точку П1 выбирают в начале переходной характеристики. Это точка отсечки (рисунок 2.11).
П1
П1
0
Iб
Uвых
Uвх
Рисунок 2.11 – Положение рабочей точки в режиме В на характеристиках УК
В режиме В переменные составляющие I и U транзистора возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение УК при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, т. е. возникают очень большие нелинейные искажения. Режим В характеризуется значительно более высоким к.п.д. усилителя по сравнению с режимом А, т. к. ток покоя Iб0 практически равен 0, а постоянная составляющая тока I0 имеет очень маленькое значение, т. е. Iкm >> I0. К.п.д. усилителя в режиме В может достигать 80 %. Поэтому режим В используется обычно в усилителях мощности.
Иногда используется режим работы УК, промежуточный между
режимом А и В. Его называют режимом АВ. Рабочая точка при этом должна находится в интервале между положениями рабочей точки в режиме А и В. В этом случае к.п.д. усилителя больше, чем в режиме А, а нелинейные искажения меньше, чем в режиме В.
Iк
Iк
Режим С характеризуется тем, что рабочую точку П2 выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения (рисунок 2.12).
П2
П2
П1
Iб
Рисунок 2.12 – Положение рабочей точки в режиме С на характеристиках УК
Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения, но к.п.д. может быть очень высоким и приближаться к 1.
Режим С применяют в избирательных усилителях и автогенераторах, которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют лишь основную гармонику из несинусоидального напряжения, возникающего из-за больших нелинейных искажений.
Температурная стабилизация усилителей
Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. При повышении температуры транзистора увеличивается Iк за счет возрастания числа не основных носителей заряда в полупроводнике. Это приводит к изменению коллекторных характеристик транзистора. При увеличении Iк на ∆Iк коллекторное напряжения уменьшается на ∆Uк = Rк ∆Iк (рисунок 2.13).
П2
П1
ΔIк
ΔUк
Uк
Iк
Рисунок 2.13 – Зависимость характеристик транзистора от температуры
Это вызывает смещение рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках (из П1 вП2). В некоторых случаях повышение температуры может вывести рабочую точку за пределы линейного участка переходной характеристики и нормальная работа усилителя нарушается. Поэтому для температурной стабилизации усилителей используется специальные меры или способы. Их два:
Эмиттерная температурная стабилизация
Для уменьшения влияния температуры на характеристику усилительного каскада с ОЭ в цепь эмиттера включают резистор Rэ, шунтированный конденсатором. В цепи базы для создания начального напряжения смещения между базой и эмиттером ставится делитель R1 / R2 (рисунок 2.14).
Напряжение Uбэ зависит от сопротивления резисторов:
Uбэ = Eк R2 / (R1 + R2) − Rэ Iэ,
~
+
Uвых
Сэ
VT
Сp2
Сp1
-Eк
Rк
Rн
Rэ
R1
R2
Uвх
Eг
Rг
Рисунок 2.14 – Схема УК с эмиттерной температурной стабилизацией
Где первый член уравнения есть потенциал базы, а второй –
потенциал эмиттера.
При наличии Rэ увеличение эмиттерного тока Iэ = Iб + Iк из-за повышения температуры приводит к возрастанию падения напряжения на Rэ. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера, т. е. Uбэ уменьшается, а, следовательно, уменьшаются Iэ и Iк.
Конечно, уменьшение Iк за счет Rэ не может полностью скомпенсировать рост Iк за счет повышения температуры, но влияния температуры на Iк при этом во много раз снижается.
Однако введение Rэ изменяет работу усилительного каскада. Переменная составляющая эмиттерного тока iэ создает на резисторе дополнительное падение напряжения Uэ = Rэ iэ, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору:
Uбэ = Uвых − Rэ iэ
Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет уменьшаться. Это явления называется отрицательной обратной связью. Для ослабления ООС параллельного Rэ включают емкость Сэ, сопротивление которой намного меньше Rэ. При этом падение напряжения на участке Rэ − Сэ от переменной составляющей iэ будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжения практически равно входному:
Uбэ ≈ Uвх
Недостатком эмиттерной стабилизации является необходимость повышения напряжения питания коллекторной цепи, т. к. при включении Rэ Uк уменьшается за счет падения напряжения на Rэ.
Коллекторная температурная стабилизация
В этом случае напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов R1 и Rк, включенных между коллектором и базой транзистора (рисунок 2.15).
~
VT
+
-Eк
Cp2
Cp1
Rн
Uвых
Uвх
Eг
Rг
Rк
R1
Рисунок 2.15 – схема УК с коллекторной температурной стабилизацией
При повышении температуры Iк увеличивается, а Uк уменьшается. Это приводит к снижению потенциала базы, а, следовательно, к уменьшению Iк0 и Iк, который стремится к своему первоначальному значению. В результате Iкн, Uк изменяются незначительно. Т. е. введение резисторов R1 и Rк приводит к существенному ослаблению влияния температуры на характеристики УК.
Чтобы составляющая коллекторного напряжения не попадала в цепь базы, в УК используют фильтры.
Усилитель с коллекторной стабилизацией обладает меньшей стабильностью, чем усилитель с эмиттерной стабилизацией, но он не требует повышения напряжения питания коллекторной цепи.
2.3 ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ
Обратной связью (ОС) в усилителях называют подачу части (или всего) выходного сигнала усилителя на его вход.
Рассмотрим структурную схему усилителя с ОС, которая состоит из 2-х блоков: непосредственно усилителя и звена ОС, которое характеризуется коэффициентом передачи β.
Виды ОС
β
ЗОС
У
Rн
Uос
Uу
Uвых
Uвх
Рисунок 2.16 – Структурная схема УК с последовательной ОС
α
У
Rн
Uвых
Uвх
Рисунок 2.17 – Структурная схема УК с параллельной ОС
Наиболее часто в усилителях применяют отрицательную ОС (ООС).
Рассмотрим влияние ООС на коэффициент усиления усилителя. В соответствии со структурной схемой (рисунок 2.16) при ООС, последовательной по напряжению:
Uу = Uвх − Uос, (2.1)
т. к. Uос = β · Uвых, (2.2)
то Uвх = Uос + Uу = Uу + β · Uвх (2.3)
Для усилителя без ОС:
Uвх = Uу, а Кu = Uвых / Uу (2.4)
Для усилителя с ОС:
Кос = Uвых / Uвх = Uвых / (Uу + β · Uвых) (2.5)
Разделив числитель и знаменатель на Uу, получим
Кос = Кu / (1 + β · Кu). (2.6)
Несмотря на снижение Кu, ООС улучшает свойства усилителя:
Уменьшение нелинейных искажений можно объяснить следующим образом. В усилителе без ОС при большом Uвх за счет нелинейных искажений в Uвых появляются высшие гармонические составляющие, которые искажают форму Uвых. При введении ООС эти высшие гармонические составляющие через звено ОС подаются на вход усилителя и усиленными появляются на его выходе. Усиленные гармоники вычитаются из Uвых, т. к. благодаря действию ООС они будут поступать в противофазе с первоначальными высшими гармониками, которые возникли из-за нелинейных искажений.
Ku пс
Улучшение АЧХ усилителя при ООС по следующей причине. Как известно, в области низких и высоких частот Кu уменьшается. При ООС ее действие в этих областях будет ослаблено из-за меньших значений Кu, что приводит к расширению полосы пропускания ∆f (рисунок 2.18).
f
Δf
Δfос
Δfпс
Ku
Ku ос
Ku
Рисунок 2.18 – АЧХ УК с различными видами ОС
При ООС увеличивается Rвх и уменьшается Rвых.
Исходя из (ф. 2.3):
Rвхос = Rвх (1+ β · Кu),
Rвхос = Rвх (1 + β · Кu),
Таким образом, мы рассмотрели влияние ООС последовательной по напряжению.
Параллельная ООС приводит к увеличению входного тока Iвх, в связи с чем уменьшается Rвх.ос усилителя и Rвых.ос:
Rвх.ос = (Uвх − Uу) / Iвх,
Rвых.ос = Rвых / (1 + β · Кu).
Положительная ОС в усилителях обычно нежелательна, однако она может возникать непроизвольно через внутренние или внешние электрические цепи. Такая ОС называется паразитной, может возникать:
При слабой ПОС увеличиваются частотные и нелинейные искажения, при сильной ПОС усилитель может самовозбудиться, т. е. в отсутствии Uвх, на выходе может появиться переменное Uвых.
Наиболее серьезной паразитной ОС является связь между каскадами через цепи питания. Такая связь обычно возникает в многокаскадном усилителе, питающемся от одного источника. В этом случае токи всех каскадов замыкаются через источник питания. Для устранения такой паразитной связи применяют развязывающие Г-образные Rф Cф – фильтры (рисунок 2.19).
Емкостные и магнитные ОС возникают из-за нерационального монтажа, когда выходные цепи расположены вблизи входных. Такие виды ОС устраняются или рациональным монтажом или экранированием катушек и индуктивности, трансформаторов, соединительных приводов.
VT
Uвх
Cэ
Rэ
R2
Cp1
Cф
Rк
R1
-Eк
Rф
Рисунок 2.19 – Схема УК с Г-образным Rф Cф – фильтром
2.4 СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ (УК)
Мы рассмотрели усилительные каскады (УК) с ОЭ. Теперь рассмотрим некоторые особенности УК с ОК и ОБ.
В УК с ОК резистор, с которого снимается Uвых включен в эмиттерную цепь, а коллектор по переменной составляющей I и U соединен непосредственно с общей точкой усилителя. Uвх подается между базой (Б) и коллектором (К) через разделительный конденсатор Ср1, а Uвых, равное падению напряжения на Rэ от переменной составляющей эмиттерного тока, снимается между эмиттером (Э) и К через разделительный конденсаторСр2. Резистор Rб создает начальный ток смещения в цепи базы (рисунок 2.20).
УК с ОК имеет:
VT
Cp1
Cp2
Rэ
Rб
-Eк
Uвых
Uвх
Рисунок 2.20 – Схема УК с ОК
В УК с ОБ (рисунок 2.21) делитель Rб1 / Rб2 – служит для создания оптимального тока базы в режиме покоя Iбо. Cб – имеет сопротивление << Rб1 и падение напряжения на нем от переменной составляющей тока мало, поэтому можно считать, что по переменной составляющей тока база соединена с общей точкой усилителя. Uвх подается между К и Б через Ср.
Uвых
Uвх
Rб1
Rф
Cб
Cp
Rб2
Rк
+Eк
Рисунок 2.21 – схема УК с ОБ
УК с ОБ имеет:
Из-за этого УК с ОБ применяется очень редко. Однако применение каскада с ОБ будет оправдано, если необходимо получить повышенные значения Uвых, а каскад с ОЭ не может быть применен из-за невозможности использования транзисторов с ОЭ при высоком коллекторном напряжении или из-за недостаточной линейности характеристик. А схема с ОБ может быть использована при больших коллекторных напряжениях, чем схема с ОЭ,
кроме того, в схеме с ОБ выходные характеристики отличаются
большей линейностью.
Особенности УК на полевых транзисторах
Принцип построения УК на ПТ тот же, что и на биполярных транзисторах. Особенность заключается в том, что ПТ управляется по входной цепи напряжением, а не током. По этой причине задание режима покоя в каскадах на ПТ осуществляется подачей во входную цепь каскада постоянного напряжения составляющей величины и полярности.
Uвых
Cи
Cp1
Cp2
+Eс
Rс
Rи
Rз
Uвх
Рисунок 2.22 – УК на ПТ с ОИ
Различают каскады с общим стоком (ОС), общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ). Чаще всего применяются каскады с ОИ (рисунок 2.22). Особенностью и преимуществом каскадов на ПТ является то,
что Rвых ≈ Rс = 103 − 104 Ом, а Rвх = Rз ≈ 105 − 106 Ом, т. е. Rвых << Rвх.
2.5 УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ
В промышленной электронике очень часто возникает необходимость получения в нагрузочном устройстве max мощности (Pmax) усиленного сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие выполнение этого условия, называют усилителями мощности.
Обычно усилителями мощности (УМ) являются выходные (или оконечные каскады) многокаскадного усилителя.
Классификация усилителей мощности
Основными параметрами, характеризующими работу УМ, являются:
В режиме А усиление небольшое: к.п.д. = 0,35, но и малые нелинейные искажения; в режиме В к.п.д. достигает 0,8, но наблюдаются большие нелинейные искажения.
Расчет основных величин, характеризующих показатели работы УМ, проводят обычно графоаналитическим методом, с помощью характеристик транзистора. В УМ нашли применения три класса усиления А, АВ, В, отличающиеся положением точки покоя на линии нагрузки. Рассмотрим их на примере коллекторных характеристик транзистора с ОЭ (рисунок 2.23).
Пв
Па
Uк
Uк max
Pк max
Iк max
Iк
Рисунок 2.23 – Для расчета параметров УМ
В режиме класса А точка покоя Па будет находиться на нагрузочной прямой (Uк = Eк; Iк = Eк / Rк; Uк = 0) и соответствовать середине линейного участка переходной характеристики, где можно получить оптимальные значения тока базы и напряжение между базой и эмиттером.
Режим класса А используется в так называемых однотактных каскадах усиления мощности. Каскады усиления мощности класса А обеспечивают наименьшее искажение выходного сигнала, но обладают min к.п.д.
В режиме класса В точка покоя Пв располагается в крайней правой части линии нагрузки при Uбэ = 0. При наличии входного сигнала ток Iк транзистора протекает только в положительный полупериод. Т. к. чаще всего в УМ используют УК с общим эмиттером, то используем семейство коллекторных характеристик, на которые нанесем линии, соответствующими предельными режимами работы, которые, в свою очередь, определяются предельными эксплуатационными величинами (рисунок 2.24):
Q
N
M
Uк
Iк
Uк max
Pк max
Iк max
Рисунок 2.24 – Предельные режимы работы УМ
При этом линия Pк. max представляет собой гиперболу, а линии Uк-э max и Iк. max – это прямые линии, параллельные осям координат. Три этих линии или три величины определяют границу надежной работы прибора. Если провести линию нагрузки MN, то площадь треугольника MQN, образованного этой линией нагрузки и линиями, параллельными осям координат и проведенными из точек M и N, будет пропорциональна Pmax, которую можно получить от транзистора в заданных условиях.
Коэффициент усиления по мощности находят:
Кр = Рк / Рб,
где Рб – мощность цепи базы;
Рб = 0,5Uбm Iбm, где Uбm, Iбm находятся по входной характеристике;
Рк = 0,5 Umax Iк max.
Если в результате расчета окажется, что получаемая в нагрузочном резисторе мощность меньше требуемой, то необходимо использовать более мощный транзистор.
Однотактный усилитель мощности
+Eк
Однотактный УМ используется для получения небольших мощностей (рисунок 2.25).
Uвх
VT
R2
Rэ
Cэ
C1
R1
Rн
Tр
Uвых
Рисунок 2.25 – Однотактный УМ
Назначение элементов.
Т. к. Rвых усилительных каскадов с ОЭ составляет обычно
сотни Ом и ед. КОМ, а Rн обычно в несколько десятков раз меньше, то для согласования Rн и Rвых усилителя мощности ставят понижающие трансформаторы, с коэффициентом n = w1 / w2 = , где w1 и
w 2-число витков первичной и вторичной обмоток. Т. е. при \определенном
n можно добиться равенства Rвых = Rн, т. е. выполнить условие получения Pmax в нагрузочном устройстве.
Делитель Rб1 / Rб2 фиксирует по постоянному току потенциал базы.
Rэ – элемент эмиттерной температурной стабилизации.
Rэ шунтирован конденсатором Сэ, который позволяет исключить ООС по переменному току, снижающую Кр.
Cр – разделительный конденсатор, не пропускает постоянную составляющую тока, т. е. исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника питания по постоянному току.
Однотактный УМ работает в режиме А и усиление входного (например, синусоидального) сигнала происходит за один такт, т. е. положительная и отрицательная полуволны усиливаются одновременно.
Двухтактные трансформаторные усилители мощности
Двухтактный УМ состоит из двух симметричных плеч (рисунок 2.26). Транзисторы VТ1 и VТ2, которые подбирают с max близкими характеристиками, работают в одинаковом режиме. Единственным отличием в работе плеч УМ является противофазность I и U в цепях баз транзисторов и из этого следует противофазность I и U в коллекторных цепях.
+Eк
Tр вых
Uвх
ω12
ω21
ω22
ω11
R2
R1
VT2
Uвх2
Uвх1
VT1
Рисунок 2.26 – Двухтактный УМ
Назначение элементов двухтактного УМ аналогично назначению соответствующих элементов однократного УМ с учетом того, что они обслуживают два транзистора. Входной трансформатор Тр вх обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противофазных напряжений
Uвх1 и Uвх2. Выходной трансформатор Тр вых суммирует переменные выходные тока и напряжения транзисторов. К вторичной обмотке Тр вых подключен нагрузочный резистор.
Преимущества двухтактных усилителей наиболее ощутимы при использовании режима В. В отсутствии входного сигнала Uвх = 0, Uбэ обоих транзисторов равны нулю. Uн = 0, к коллектору каждого транзистора относительно эмиттера приложено постоянное напряжение + Ек.
Процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы. Первый такт сопровождается усилением одной полуволны с участием
1-го транзистора, а второй такт – усилением другой полуволны с участием другого транзистора.
Преимуществами двухтактного УМ, работающего в режиме В, являются:
К недостаткам двухтактного УМ можно отнести:
Бестрансформаторные усилители мощности
Двухтактные каскады усиления мощности выполняют и без использования трансформаторов, что обусловлено необходимостью уменьшения массы, габаритов и стоимости УМ.
Собирают такой УМ из транзисторов разных типов (рисунок 2.27):
VT1-типа р-n-р, VT2-типа n-р-n.
+
+
-
Uвх1
Uн
R2
Rн
Cp2
Cp1
VT2
VT1
R1
-Eк
Рисунок 2.27 – Бестрансформаторный УМ
Конденсатор Ср1 разделяет по постоянному току источник сигнала и входную цепь усилителя мощности. Конденсатор Ср2 разделяется по току нагрузочный резистор и эмиттерные цепи транзистора. На базы транзисторов действует одно и то же переменное напряжение Uвх. Однако, в силу различной структуры транзисторов токи в цепях противофазные. Нагрузочный резистор подключен к общей точке транзисторов, поэтому переменные токи в нем имеют одно и то же направление, а результирующий ток в два раза превышает переменный ток одного транзистора.
Существуют схемы бестрансформаторных усилителей мощности, где на входе используются два противофазных сигнала, которые создаются с помощью предвыходного фазоинверсного каскада. Эти схемы различаются двумя способами подключения нагрузки к выходу каскада и, соответственно, двумя способами осуществления питания схемы.
При первом способе каскад питают от двух источников Ек1 и Ек2, имеющих общую точку, а нагрузку подключают между точкой соединения эмиттера и коллектора транзисторов и общей точкой источников питания (рисунок 2.28).
iк2
+
+
-
-
Uвх2
Uвх1
VT2
VT1
Rн
Cр1
Cр2
Eк1
Eк2
iк1
R4
R3
R1
R2
Рисунок 2.28 – Бестрансформаторный УМ с двумя источниками питания
Транзисторы VT1 и VТ2 обычно работают в режиме класса АВ, который обеспечивается посредством резисторов R1, R2, R3, R4.
При втором способе питание каскада осуществляется от одного общего источника, а нагрузку подключают через конденсатор достаточно большой емкости (рисунок 2.29).
R4
-
+
+Eк
Rн
VT1
Uвх2
Uвх1
C
Cр1
Cр2
VT2
iк2
-Eк
R3
R1
R2
Рисунок 2.29 – Бестрансформаторный УМ с одним источником питания
В отсутствии сигналов на входе Uвх1 и Uвх2 конденсатор С заряжен до напряжение 0,5 Ек. В такте работы транзистора VT1, VT2 закрыт и конденсатор выполняет функцию источника питания нагрузки. В такте работы VT2 ток нагрузки протекает через источник питания Ек. При этом ток iк2, протекающий через конденсатор С, наполняет его энергией, компенсируя тем самым отданную в нагрузку энергию в предыдущем такте.
2.6 УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ku
Часто при проведении измерений в электронных устройствах необходимо усиливать сигналы очень низкой частот-порядка долей Гц. Для этого требуется усилители, имеющие равномерную амплитудно-частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоянного тока (УПТ). Приведем для сравнения АЧХ УПТ и усилителя с RC-связью (рисунок 2.30).
f, Гц
106
104 fв
fн 102
0
Ус RC
УПТ
Рисунок 2.30 – АЧХ УПТ
В области низких и средних частот АЧХ УПТ равномерна. В области высоких частот в УПТ, так же как и в усилителях с RC-связью, появляются фазовые сдвиги и частотные искажения на частотах, на которых начинают сказываться паразитные емкости самих усилительных каскадов.
В УПТ возникают трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих U и I, которые необходимы для работы транзисторов усилительных каскадов.
Как и в усилителях с RC-связью, характеристики УПТ должны отвечать ряду требований:
В УПТ отделение const составляющих U, производится обычно компенсационным методом и такие усилители можно условно подразделить на усилители с одним и двумя источниками питания.
УПТ с одним источником питания
Рассмотрим схему УПТ с одним источником питания (рисунок 2.31).
φ1
R2
I1
Uвх
Rб''
φ2
VT
Rэ
I2
Rн
iк
iн
+Eк
R4
R5
R3
Rк
Rб'
R1
Рисунок 2.31 – Схема УПТ с одним источником питания
Простейший УПТ с одним источником питания состоит из обычного усилительного каскада на биполярном транзисторе, включенным по схеме с ОЭ (выделен штриховыми линиями), у которого отсутствует конденсатор С в цепях эмиттера, что приводит к снижению коэффициента усилителя из-за возникновения отрицательной обратной связи, но обеспечивает большую полосу пропускания.
Нагрузочный резистор Rн включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R3 / R4, а входное напряжение Uвх приложено
между базой и средней точкой делителя R1 / R2. Для точной подстройки
режима в выходной цепи ставится переменный резистор R5. При
подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются
базовый и коллекторные токи, что приводит к изменению напряжения на коллекторе и появлению тока в нагрузке iн.
U, iк
Потенциальная диаграмма (рисунок 2.32) показывает, что при отсутствии входного напряжения Uвх = 0 (0 < = t < = t1), Uвых = 0, в интервале времени
t1 < t < t2 при Uвх < 0, Uвых > 0, а в интервале t > t2, Uвх > 0, Uвых < 0. Таким образом, компенсируется const составляющая коллекторного тока.
φк
iк
t2
t1
t
φ2
φ1
φб
Eк
Uвых
Uвх
φ, Eк
Рисунок 2.32 – Потенциальная диаграмма работы УПТ с одним источником питания
В УПТ с одним источником питания вместо усилительного каскада с коллекторной нагрузкой может применяться эмиттерный повторитель или усилительный каскад на полевом транзисторе.
Недостатки УПТ с одним источником питания:
УПТ с двумя источниками питания
U, Eк, φ
Рассмотрим схему такого однокаскадного усилителя (рисунок 2.33), в нем применены 2 источника питания + Е1 и – Е2, которые создают «+» и «−» напряжение относительно общей точки, имеющей нулевой потенциал («земля»). Входной сигнал подается непосредственно на базу транзистора.
φк
φб = Uвых
Uвых
-E
Eк
-15
0
10
20
-E2
ср. т.
I
Uвых
R2
R4
R3
VT
+E1
φк
R1
Рисунок - 2.33 – УПТ с двумя источниками питания и его потенциальная диаграмма
При Uвх = 0, потенциал базы φб = 0. Потенциалы других точек схемы (относительно общей точки) зависят от напряжений источников питания.
К делителю R3 / R4, в отсутствии входного сигнала, приложено напряжение
φR3 + φR4 = φк - (- E2) = φк + E2, при этом потенциал средней точки делителя должен быть равен нулю, т. е. напряжение на выходе равно 0, при этом падение напряжение на плечах делителя соответственно равны UR3 = φк, UR4 = E2. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше Iк:
I = (0,02 − 0,1) Iк.
Сопротивление резисторов делителя могут быть определены из соотношений:
R3 = UR3 / I
R4 = UR4 / I
При подаче входного напряжения (положительной полярности) возрастает ток базы транзистора Iб, что приводит к увеличению коллекторного тока Iк. При этом увеличивается падение напряжения на R1 и снижается потенциал верхнего вывода делителя R3 / R4, снижается потенциал средней точки делителя и на выходе появляется напряжение отрицательной полярности. Таким образом, делитель R3 / R4 компенсирует const составляющую напряжения и передает с некоторым уменьшением усиленное напряжение с коллектора транзистора на выход усилителя.
Коэффициент усиления такого усилительного каскада
при R3 >> R1 и R4 >> R1, когда шунтирующие действия делителя можно не учитывать, определяется выражением:
K = K0 · (R4 / (R3 + R4)),
где K0 – коэффициент усилителя с коллекторной нагрузкой без делителя;
R4 / (R3 + R4) – множитель, учитывающий снижение коэффициента усиления за счет включения делителя.
Дрейф в УПТ
УПТ имеют один недостаток, затрудняющий усиление очень малых постоянных напряжений и токов. В УПТ существует так называемый дрейф нуля, который определяет нижний предел усиливаемых напряжений. Дрейф нуля заключается в следующем. С течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей напряжения и на выходе усилителя появляется напряжение в отсутствие входного сигнала. Т. к. УПТ должен усиливать напряжения вплоть до самых низких частот, всякое изменение постоянных составляющих напряжения Uк0,Uб0 из-за:
Если вход УПТ замкнуть накоротко, а на входе подключить милливольтметр, то с течение времени даже при отсутствии входного напряжения из-за нестабильности величины Uк0 и Uб0 и неточной их компенсации появляется выходное напряжение.
Примерная временная зависимость Uвых показана на графике
(рисунок 2.34). Это напряжение, деленное на коэффициент усиления усилителя, называют дрейфом нуля, приведенным к входу усилителя:
Uвых
Uдр = Uвых / Ku (при Uвх = 0).
mV
t
УПТ
Uвх
Uвых
Рисунок 2.34 – Дрейф нуля в УПТ
УПТ может правильно воспроизводить на выходе только те сигналы, которые значительно превышают напряжение дрейфа, т. е. Uвх >> Uдр. Поэтому при проектировании чувствительного усилителя приходится принимать специальные меры к снижению дрейфа нуля.
Как видно из временной зависимости, Uвых состоит как бы из 2-х составляющих:
Для борьбы с дрейфом нуля принимают целый ряд мер:
Для борьбы с дрейфом в УПТ применяют специальные схемы усилителей, которые называются дифференциальными или балансными. Такие схемы построены по принципу четырехплечевого моста (рисунок 2.35).
+Eк
Rн
R2
R3
R1
R4
Рисунок 2.35 – Схема четырехплечевого моста
Если мост сбалансирован, т. е. R1 / R2 = R4 / R3, то при изменении напряжения источника питания + Ек баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн ток равен нулю. С другой стороны, при пропорциональном изменении сопротивлений резисторов R1, R2 или R3, R4 баланс моста тоже не нарушается. Если заменить резисторы R2, R3 транзисторами, то получим дифференциальную схему, часто применяемую в УПТ (рисунок 2.36).
-Eк2
+Eк1
Uвх2
Uвх1
VT2
VT1
Rн
Uн
R5
R2
R3
Rп
Рисунок 2.36 – Дифференциальная схема в УПТ
Назначение элементов схемы:
При изменении э.д.с. источника коллекторного питания Е1 или смещения Е2 изменяются токи обоих транзисторов и потенциалы их коллекторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления R2, R3 в точности равны, то тока в резисторе Rн за счет изменения э.д.с. Е1, Е2 не будет. Если транзисторы не совсем идентичны, то появляется ток в нагрузочном резисторе, однако он будет значительно меньше, чем в обычном, небалансном УПТ.
При подаче входного сигнала на базу транзистора VТ1, увеличивается ток базы транзистора VТ1 и уменьшится ток базы транзистора VТ2. При этом токи Iэ1, Iк1 увеличиваются, а токи Iэ2, Iк2 уменьшаются. Изменение токов происходит на одну и ту же величину. Напряжение Uк1 = Eк1 − Iк1 Rк1 100 уменьшается, что вызывает приращение напряжения – ∆Uк1, противоположное по знаку (т. е. проинвертированное) Uвх. Напряжение Uк2 = Eк1 − Iк2 Rк2 возрастает, что создает приращение напряжения того же знака + ∆Uk2 (т. е. непроинвертированное), что и напряжение входного сигнала. Т. е. в данном случае выход каскада со стороны коллектора транзистораVТ1 является инвертирующим, а со стороны коллектора транзистора VT2-неинвертирующим. Если подает сигнал на вход VТ2, то тогда коллектор транзистора VТ2 будет инвертирующим выходом, а коллектор VТ1-неинвертирующим.
Если напряжение подается на оба входа сразу, то инвертирующий и неинвертирующий выходы (или входы) определяются на сравнении по
формуле Uвых = K (Uвх1 − Uвх2).
2.7 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
В таблице классификации оперативных усилителей (ОУ) относится к усилителям постоянного тока (УПТ) с большим коэффициентом усиления, имеющим дифференциальный вход (два входных вывода) и один общий выход. В электронных схемах ОУ обозначается следующим образом (рисунок 2.37).
Название «операционный усилитель» связано с первоначальным их применением для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (суммирование, интегрирование, дифференцирование и другие). В настоящее время ОУ применяются в устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсной форм, в стабилизаторах напряжения. Идеальный ОУ имеет Ku, стремящийся к бесконечности (у реальных ОУ он обычно превышает 105), обладает большим входным (106 Ом) и малым выходным сопротивлением (доли Ом).
+
+
-
-
Uвых
Eк
Eк
Uвх. и.
Uвх. н.
Рисунок 2.37 – Условное изображение ОУ
Один вход ОУ (Uвх. н, «+») – называется не инвертирующим, а второй
(Uвх. и, «−») – инвертирующим. При подаче сигнала на не инвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак по сравнению с приращением входного сигнала. Инвертирующий вход часто используется для введения в ОУ внешний ООС.
Основу ОУ составляет дифференциальный каскад, который используется в качестве выходного каскада усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно является эмиттерный повторитель (ЭП), который 101 обеспечивает нагрузочную способность всей схемы. Т. к. Ku (ЭП) = 1, то необходимое значение Ku ОУ обеспечивается подключением дополнительных каскадов между дифференциальным каскадом и ЭП. В зависимости от количества используемых каскадов, ОУ подразделяются на двух- и трехкаскадные.
В трехкаскадных ОУ входной дифференциальный каскад обычно выполняют с резистивными нагрузками, а в 2-х каскадных – с динамическими нагрузками.
Для иллюстрации рассмотрим принципиальную схему простейшего трехкаскадного ОУ (микросхема 140УД1) (рисунок 2.38).
+Eк
R4
+
-
частотная коррекция
выход
вход
-Eк
VD1
VT9
VT7
VT6
VT3
VT2
VT1
VT4
VT5
VT8
R12
R11
R10
R9
R8
R3
R7
R6
R5
R2
R1
Рисунок 2.38 – Принципиальная схема трехкаскадного ОУ
Питание схемы осуществляется от двух источников + Eк1 и – Eк2 с одинаковым напряжением, имеющим общую точку, модуль Eк1 равен модулю Eк2. Входной каскад выполнен на транзисторах VТ1, VT2 по дифференциальной схеме, который связан со вторым каскадом (транзисторы VТ5, VТ6). Резистор в цепи коллектора VТ5 отсутствует, т. к. выходной сигнал 2-го каскада снимается только с коллектора VТ6. R5 = Rэ стабилизирует суммарный ток Iэ VТ5 и VТ6.
Т. о. падение напряжения на R5 от протекания тока Iэ обоих транзисторов повышает потенциал их эмиттеров, что необходимо для непосредственной связи баз транзисторов с выходами предыдущего каскада.
Третий усилительный каскад выполнен на VТ7, VТ8, который связан с ЭП на VТ9. Если 1 и 2 каскады были включены по дифференциальной схеме,
то 3 каскад представляет собой входной делитель ЭП.
Управление транзистором VТ7 производится по цепи базы выходным сигналом 2 каскада, а управление транзистором VТ8 - по цепи эмиттера напряжением на R12, которое создается при протекании через этот резистор Iэ VТ9. VТ8 входит в контур «+» обратной связи, позволяющей обеспечить 102 высокий коэффициент усиления 3-го каскада. Совместное действие VТ7, VТ8 направлено либо на увеличение, либо на уменьшение (в зависимости от сигнала на входе VТ6) входного напряжения эмиттерного повторителя, т. е. потенциала базы VТ9 относительного шины – Ек2. Повышение напряжения на базе VТ9 обусловлено уменьшением сопротивления постоянному току VТ7 и увеличением сопротивления VТ8, и наоборот.
Характеристики ОУ
+Uвых, В
Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные
(или передаточные) характеристики. Их представляют в виде двух кривых по инвертирующему и не инвертирующему входам, соответственно.
Эти характеристики снимаются при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом (рисунок 2.39).
Не инвертирующий вход
Инвертирующий вход
-Eк
+Eк
+Uвых, max
-Uвх, мВ
+Uвх, мВ
Рисунок 2.39 – Амплитудные (или передаточные) характеристики ОУ
Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму транзистора ЭП (транзистор полностью открыт).
При изменении напряжения входного сигнала на этих участках Uвых остается без изменения и определяется U+ вых. max и U-вых. max, которые близки к напряжению источников питания Ек.
Наклонному участку кривых соответствует пропорциональная зависимость Uвых от Uвх. Угол наклона определяется коэффициентом усиления Ku ОУ = ∆Uвых ∆Uвх Значение Ku ОУ зависит от типа ОУ и может принимать значение от нескольких сотен до сотен тысяч.
Когда кривые проходят через 0, это соответствует Uвых = 0 и Uвых = 0. Такое состояние называется балансом ОУ.
Параметры ОУ
Решающие схемы на ОУ
Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель (рисунок 2.40) изменяет знак выходного сигнала относительно входного, создается введением по инвертирующему входу ОУ с помощью резистора Rос отрицательной обратной связи по напряжению. Не инвертирующий вход заземляется. На инвертирующий вход через резистор R1 подается входной сигнал. Если принять Rвх ОУ = ∞ и входной ток ОУ IОУ = 0, то Iвх = Iос, и тогда Uвх − U0 / R1 = Uвых − U0 / Rос.
Rос
Iос
При КU ОУ → ∞ напряжение на входе ОУ U0 = Uвых / КU ОУ → 0, и тогда
Uвх / R1 = − Uвых / Rос.
+
+
+
-
-
-
~
Out1
U0
in
V
V2
V1
R3
R2
R1
IОУ
Iвх
Рисунок 2.40 – Инвертирующий усилитель
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с параллельной обратной связью КUи = Uвых / Uвх = − Rос / R1, т. е. определяется параметрами только пассивной части схемы. Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов входы делают симметричными, выбирая R2 = R1 // Rос.
Не инвертирующий усилитель
Не инвертирующий усилитель (рисунок 2.41) содержит последовательную отрицательную обратную связь по напряжению и не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Входной сигнал подается на не инвертирующий вход ОУ. Полагая U0 = 0, IОУ = 0
получим Uвых = Uвх [(R1 + Rос) / R1]. Тогда коэффициент усиления не инвертирующего усилителя КUн = 1 + Rос / R1.
+
+
+
-
-
-
~
in
Out1
U0
R2
R3
Rос
R1
V
V2
V1
Рисунок 2.41 – Не инвертирующий усилитель
Входное сопротивление не инвертирующего усилителя Rвх велико, а выходное сопротивление Rвых → 0.
Не инвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различного назначения.
Преобразователь тока в напряжение
Iос
Rос
Схема преобразователя тока в напряжение показана на рисунке 2.42, откуда видно, что Iвх = Iос = − Uвых / Rос и, следовательно, Uвых = − Iвх Rос. Преимуществами схемы являются малые входное и выходное сопротивления.
+
+
-
-
Out1
in
U0
V2
V1
V3
Iвх
Рисунок 2.42 – Преобразователь тока в напряжение
Сумматор
Rос
Сумматоры делятся на инвертирующие и не инвертирующие, они предназначены для сложения нескольких входных сигналов. Не инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 а) реализуется на основе схемы не инвертирующего усилителя (рисунок 2.41) путем добавления к входу параллельных ветвей, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
-
-
+
+
+
+
+
-
-
-
In
I2
I1
U1
U2
Un
Uн
Uвых
V1
V2
Uи
R1
R
R
R
U0
Рисунок 2.43 а – Не инвертирующий сумматор
При U0=0,Uн = Uи = [R1 / (R1 + Rос)] Uвых.
ТогдаU1–Uн /R+U2–Uн/R+…Un–Uн/R = 0.
Откуда, для не инвертирующего усилителя
Uвых=[(R1 + Rос) / nR1] (U1 +U2 +… Un).
Инвертирующий сумматор (рисунок 2.43 б) выполняется по типу инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) с числом параллельных
ветвей на входе, число которых равно количеству сигналов, предназначенных для сложения.
Для инвертирующего сумматора Rос = R1 = R2 = … = Rn.
При Iвх ОУ = 0 получаем Iос= I1+I2+…+ In.
Тогда Uвых = − (Rос / R1) U1 + (Rос / R2) U2 +… (Rос / Rn) Un.
Rос
I1
R1
I2
In
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
Uвых
V2
V1
U0
Un
U2
U1
Rn
R2
Рисунок 2.43 б – Инвертирующий сумматор
Интегратор
Iс
Интегратор создают заменой в схеме инвертирующего усилителя (рисунок 2.40) резистора Rос конденсатором С1 (рисунок 2.44).
C1
+
+
+
-
-
-
V1_mc3
Out2
V1
R3
R4
R1
V2
Рисунок 2.44 – Интегратор
Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как Iвх = Iс или Uвх / R1= − С1(dUвых / dt), то Uвых= − 1 / R1 С1 ∫ Uвх dt + Uвых0, где Uвых0 − выходное напряжение при t = 0. Если t = 0 и
Uвых0 = 0, то тогда Uвых = − 1 / τ ∫ Uвх dt, где τ = R1 С1 – постоянная времени.
1 / τ определяет масштаб интегрирования, так при R1 = 1Мом и
С1 = 0,1 мкФ τ = 0,1 с-1.
Интеграторы широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах.
Дифференциатор
R1
Если в схеме интегратора поменять местами сопротивление R1 и конденсатор С1, то получим схему дифференциатора (рисунок 2.45).
+
+
+
-
-
-
Out1
V1
V2
V4
C1
R4
R3
Рисунок 2.45 – Дифференциатор
Входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ и формула выполняемой операции определяется выражением
Uвых = − R1 С1 (dUвх / dt) = − τ (dUвх / dt).
Мультивибратор
Мультивибратор – это устройство, которое служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 2.46) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме
(на нелинейном участке амплитудной характеристики). Он сравнивает два сигнала: по не инвертирующему входу U1 и по инвертирующему входу Uс (напряжение конденсатора С1).
В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение
скачком изменяется от Uвых max до Uвых min = −Uвых max. При R3 = R4
длительность импульса tи ≈ 1,1 R2 С1, а период импульса T = 2tи ≈ 2,2 R2 С1. Изменяя величины R3 и R4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.
+
+
-
-
Out
R3
V1
U1
Uc
C1
in
V2
R2
R4
Рисунок 2.46 - Мультивибратор
2.8 ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Усилители, которые имеют широкую полосу пропускания применяют в промышленной электронике, когда нужно усиливать напряжения или токи, имеющие гармонические составляющие в широком диапазоне частот.
KU
Однако на практике часто необходимо осуществлять избирательное усиление, выделяя один «полезный» сигнал из целого ряда входных сигналов и одновременно ослабляя все остальные – «мешающие» сигналы (рисунок 2.47).
2 Δf
fн
fв
f0
f
KU max
Рисунок 2.47 – АЧХ ИУ
Для этой цели служат избирательные усилители (ИУ), т. е. усилители, предназначенные для усиления сигналов в некоторой узкой полосе частот.
Их АЧХ должны обеспечивать требуемое усиление в заданной полосе частот и достаточно крутой спад усиления вне этой полосы. Полоса пропускания ИУ 2∆f = fв – fн определяется на уровне KU max / √2,
где – коэффициент усиления при резонансной частоте f0. Селективность усилительных свойств оценивают добротностью Q = f0 / (2∆f).
Избирательные усилители широко распространены в радиоприемных и телевизионных устройствах, в многоканальных системах связи. Здесь они решают задачу настройки приемного устройства на фиксируемую
частоту принимаемой станции, не пропуская сигнала других устройств.
Резкая зависимость KU ИУ от f достигается, как правило, включением специальных фильтров в цепь усиления или в цепь обратной связи.
В связи с этим ИУ подразделяются на:
Высокочастотные избирательные усилители создают введением
LC-фильтра в цепь нагрузки усилительного каскада, это так называемые резонансные усилители (рисунок 2.48).
Uвх
K
LC
Uвых
Рисунок 2.48 – Структурная схема высокочастотного ИУ
Низкочастотные узкополосные усилители создают включением в цепь обратной связи RC-фильтров (рисунок 2.49).
Uвых
Uвх
RC
K
Рисунок 2.49 – Структурная схема низкочастотного ИУ
Высокочастотные ИУ
Рассмотрим схему резонансного усилителя. Она похожа на схему однокаскадного усилителя с ОЭ, но в цепь коллектора вместо Rк включен колебательный контур (рисунок 2.50).
Cp1
VT
Rн
Rэ
Rэ
R2
Cp2
R1
C
L
-Eк
Uвх
Рисунок 2.50 – Принципиальная электрическая схема высокочастотного ИУ
Назначение элементов:
На резонансной частоте fрез = сопротивление колебательного контура велико, в связи с чем коэффициент уменьшения max. При отклонении частоты влево или вправо от резонансной сопротивление контура уменьшается ввиду увеличения шунтирующего действия его индуктивности или емкости. Это вызывает уменьшение коэффициента усиления каскада. Рассмотрим
АЧХ резонансных усилителей при различной добротности резонансного контура (рисунок 2.51).
fрез
Q3
Q2
Q1
2Δ f
f
0,7Kрез3
Kрез
0,7Kрез2
Kрез
0,7Kрез1
Kрез
K
Рисунок 2.51 – АЧХ ИУ с различной Q
Как видим, при увеличении Q возрастает коэффициент усиления усилителя на резонансной частоте и уменьшается полоса его пропускания. Поэтому при проектировании усилителей с большой избирательностью необходимо применять контуры с высокой добротностью. На частотах от
50 кГц до 5 МГц легко могут быть выполнены контуры с Q = 50 / 200, при применении ферритовых сердечников в катушке с Q до 500.
На частотах выше 5 МГц Q снижается из-за увеличения потерь в конденсаторах и потерь на вихревые токи в проводах катушки.
На низких частотах, т. е. f > 50 кГц не удается получить большое индуктивное сопротивление катушки при ее малом активном сопротивлении.
Низкочастотные ИУ
В качестве RC-фильтров в избирательных усилителях могут использоваться различные RC-цепи, у которых коэффициент передачи
(β = UОС / Uвых) β ≈ 0 в диапазоне полосы пропускания от до fн до fв.
Широкое применение в этих усилителях нашел двойной Т-образный мост. Нарисуем схему избирательно усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи (рисунок 2.52).
2C
2C
C
C
C
C
R/2
R/2
R
R
R
R
UОС
Uвых
Uвых
Uвх
Рисунок 2.52 – Принципиальная электрическая схема низкочастотного ИУ.
На квазирезонансной частоте f0 = 1 / (RC); β = 0, т. к. на этой частоте каждый из одинарных Т-образных мостов имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи β и их выходные токи взаимно компенсируются, так что UOC = 0.
Коэффициент усиления избирательного контура с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи выражается через параметры усилителя и цепи обратной связи: KOC = . Используя предыдущие рассуждения можно сказать, что при f = 0 и f = ∞, когда: β → 1: KOC = ≈ 1, а на квазирезонансной частоте β = 0 KOC = K >> 1.
Избирательные усилители с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи хорошо работают на квазирезонансных частотах от единиц Гц до нескольких МГц. Их избирательные свойства зависят от коэффициента усиления KU: чем больше этот коэффициент, тем лучше усиливается полезный сигнал по сравнению с очень низкими и очень высокими частотами.
2.9 ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой
частоты и мощности.
ГГК являются одной из составных частей измерительных приборов и автоматических систем.
Электронные генераторы гармонических колебаний классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются частота и способ возбуждения.
В зависимости от частоты генераторы подразделяют на:
По способу возбуждения различают:
Рассмотрим структурную схему автогенератора, которая состоит из усилителя с коэффициентом усиления K и звена положительной обратной связи с коэффициентом передачи β (рисунок 2.53).
_
_
β
K
Uвх
Uвых
Рисунок 2.53 – Структурная схема автогенератора
Коэффициент усиления K и коэффициент передачи звена обратной связи β приняты комплексными, т. е. учитывается их зависимость от частоты.
В качестве усилителя в автогенераторах могут применяться различные усилители: на транзисторах, на интегральных микросхемах и т. д.
Звеном обратной связи являются частотно-зависимые цепи: LC-контуры и RC-четырехполюсники.
Входным сигналом для усиления является часть его выходного напряжения, передаваемое звеном положительной обратной связи.
Стационарный устойчивый режим в автогенераторе, при котором амплитуды входных и выходных напряжений имеют неизменные значения, будет возможен при выполнении условия, называемого условием самовозбуждения:
К · β = 1,
которое следует из соотношений
Uвх = β · Uвых,
Uвых = K · Uвх.
Тогда Uвых = β · K · Uвых.
Условие самовозбуждения можно представить в виде:
|K| · eiφ · |β| · eiψ = 1,
где |K|, |β| – модули коэффициентов усиления и передачи, соответственно;
φ , ψ – аргументы этих коэффициентов.
Это равенство выполняется при условиях:
где n = 0, 1, 2, 3, …;
φ – фазовый сдвиг выходного напряжения усилителя;
ψ – фазовый сдвиг выходного напряжения звена обратной связи.
Условие баланса фаз означает, что сумма фазовых сдвигов выходных напряжений усилителя и звена обратной связи в автогенераторе равна нулю или целому числу 2π, что свидетельствует о наличии в данном устройстве положительной обратной связи.
Условие баланса амплитуд соответствует тому, что потери энергии в автогенераторе восполняются звеном положительной обратной связи от источника питания автогенератора. Для получения стационарных
устойчивых колебаний условие баланса амплитуд должно удовлетворять соотношению: |К| · |β| ≥ 1.
LC-автогенератор
В этом автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком (рисунок 2.54).
M1
Lc
VT
с
з
и
+Eс
Rз
Cз
Cк
Lк
M2
Uвых
Рисунок 2.54 – LC-автогенератор
Звеном обратной связи является катушка Lc, включенная в стоковою цепь транзистора и индуктивно связанная с катушкой Lк резонансного контура Lк Cк. Первоначально колебания в автогенераторе возникают или из-за флуктуации тока в колебательном контуре, или при подаче напряжения питания.
По этим причинам при условии, что эквивалентное активное сопротивления контура Rэ < .
Uвых
Uз
Появляются слабые колебания с частотой ω0 = 1/ , которые при отсутствии положительной обратной связи прекратились бы из-за потерь энергии в контуре. Но при наличии положительной обратной связи этого не происходит. Т. к. появившееся напряжение на контуре усиливается транзистором. Эти колебания через катушку Lс индуктивно связанную с Lк, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно возрастает, что соответствует условию |К| · |β| > 1. По мере роста амплитуды напряжение в цепи затвора транзистора из-за нелинейности его амплитудной характеристики (участок ab) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение |К| · |β| = 1 (рисунок 2.55).
0
b
a
|К| · |β| = 1
|К| · |β| > 1
t
Uвх
Рисунок 2.55 – Временная диаграмма и АХ автогенератора
При этом появляются колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой на требуемом уровне амплитудой, что соответствует стационарному режиму работы автогенератора.
В автогенераторах широко применяется автоматическое смещение рабочей точки на характеристиках, которое позволяет выбрать необходимый режим усиления усилителя.
В данной схеме это осуществляется с помощью звена Rз Cз для создания положительного смещения Uз0 относительно истока.
При появлении положительные полуволны напряжения контура через затвор проходит ток iз, который заряжает Сз. В результате на затворе появляется отрицательный потенциал относительно истока.
В отрицательный полупериод напряжение контура iз и Cз разряжается через Rз, поддерживая на затворе отрицательный потенциал.
Если Rз Cз >> T (период автоколебаний), то Cз не будет успевать заметно разряжаться и напряжение смещения Uз0 будет постоянным. Выбрав Rз и Cз мы обеспечим работу автогенератора в требуемом режиме усиления.
Cp
Lp
Мы с вами рассмотрели схему, в которой LC-контур включен последовательно с транзистором. Этот тип автогенератора имеет существенное преимущество, заключающееся в том, что элементы LC-контура находятся под низким напряжением. Но такой генератор обладает небольшим КПД.
M
Lз
Lк
Rз
Cк
Cз
+Ec
Uвых
Cвых
Рисунок 2.56 – Генератор с параллельным питанием
Большим КПД и большей мощностью генерируемых колебаний обладает автогенератор, где LC-контур включен параллельно с транзистором по отношению к источнику питания (рисунок 2.56). При этом элементы
LC-контура находятся под более высоким напряжением, чем в рассмотренной схеме. Это приводит к тому, что конденсатор той же емкости надо выбирать большего размера. Чтобы избавиться от этого недостатка LC-контур включают через разделительный конденсатор Cр параллельно. Ср не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку Lк. Дроссель Lр предотвращает короткое замыкание контура по переменной составляющей через источник питания Eс. Такой генератор называется генератором с параллельным питанием.
В LC-генераторах, ввиду зависимости L и C колебательного контура и параметров транзистора от температуры наблюдается зависимость от t° и частоты f. В условиях постоянства t° нестабильность частоты вызвана изменениями дифференциальных параметров транзистора в зависимости от изменения положения рабочей точки покоя усилительного каскада, что обуславливает необходимость его стабилизации.
Нестабильность частоты генераторов оценивают коэффициентом относительной нестабильности:
δf = ∆f / f · 100 %,
где ∆f – абсолютное отклонение частоты от номинального значения f.
Меры, повышающие стабильность частоты:
Наибольшая стабильность частоты с коэффициентом δf = 10-3 / 10-5 % достигается при использовании в генераторах кварцевого резонатора. Высокая стабильность частоты обуславливается тем, что кварцевый резонатор обладает высокой добротностью Q.
Разновидностью такого генератора является трехточечный автогенератор, который бывает двух типов:
LC-контур в таких автогенераторах включается не двумя точками, как обычно, а тремя, что позволяет снимать сигнал обратной связи непосредственно с резонансного контура.
RC-автогенераторы
Для получения гармонических колебаний низкой частоты (от нескольких сотен КГц до долей Гц) применяют автогенераторы, у которых в качестве звеньев обратной связи используются RC-четырехполюсники.
Такие автогенераторы называются RC-автогенераторами. Применение
RC- четырехполюсников вызвано тем, что LC-контуры на таких частотах становятся громоздкими, а добротность их не удовлетворяет необходимым требованиям. RC-автогенераторы на низких частотах обладают более
высокой стабильностью, имеют меньшие габариты, массу и стоимость,
чем LC-автогенераторы.
RC-автогенератор содержит усилитель (одно- или двухкаскадный) и звено обратной связи в виде частотно-зависимой RC-цепи. Такими цепями являются (рисунок 2.57):
Rn
R1
Cn
C1
выход
Cn
выход
вход
вход
Rn
R1
C1
R1
C1
мост Вина;
выход
вход
R2
C2
C2
C1
двойной T-образный мост (симметричный и несимметричный);
выход
вход
R3
R2
R1
C3
Рисунок 2.57 – Виды звеньев обратной связи
+Ec
RC-автогенератор с T-образным RC-звеном обратной связи представляет собой однокаскадный усилитель, охваченный положительной обратной
связью (рисунок 2.58).
з
и
с
Uвых
R
R
R
R
Cвых
C
C
C
Рисунок 2.58 – RC-автогенератор с T-образным звеном обратной связи
Как известно, в однокаскадном усилителе без обратной связи Uвх и Uвых сдвинуты по фазе на 180°. Т. е. если Uвых усилителя подать на его вход, то получится 100 %-я ООС. Для соблюдения баланса фаз, т. е. для введения положительной обратной связи, Uвых, прежде чем подать его на вход, необходимо сдвинуть на 180°. Т. к. Rвх усилителя очень большое, а Rвых – очень малое, то фазовый сдвиг на 180° можно осуществить с помощью трех одинаковых RC-звеньев, каждое из которых изменяет фазу на 60°.
Недостатки RC-автогенератора:
ЛИТЕРАТУРА
1 Герасимов В. Г. и др. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1986, 336с., (с.91-174).
2 Забродин Ю. С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982, 496с., (с.87-175).
3 Ткаченко Ф. А. Техническая электроника. – Мн.: Дизайн-ПРО, 2000, 352с., (с.245-288).
4 Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – С.-Петербург: Крона-Принт, 2000, 416с., (с.80-115).
5 Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника. – М: Горячая линия - телеком, 1999, 768с., (с.135-179, 183-203, 272-280).
6 Лачин В. И., Савелов Н. С. Электроника. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000, 448с., (с.140-150, 157-228, 248-254).
7 Валенко В. С., Хандогин М. С. Электроника и микросхемотехника.
– Мн.: Беларусь, 2000, 320с., (с.180-190, 221-225).
8 Гусев В. Г., Гусев Ю. Н. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991, 622с., (с.215-283, 338-376, 585-609).
9 Ибрагим К. Ф. Основы электронной техники. Элементы, схемы, системы. Пер. с англ. М.: Мир, 2001, 398с., (с.176-199, 247-274).
СОДЕРЖАНИЕ
РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ..........................................3
Введение. Определение понятия «Электроника».................................................3
1.1 Электронные лампы и электровакуумные приборы…...............................6
Свойства электрона и электронная эмиссия ........................................................8
Виды электронной эмиссии....................................................................................8
Устройство и принцип работы электровакуумных приборов.............................9
Устройство ламп ...................................................................................................10
Двухэлектродная электронная лампа – диод .....................................................12
Принцип работы диода.........................................................................................13
Характеристики и параметры диода. ..................................................................14
Характеристики диода..........................................................................................14
Статические параметры диода. ...........................................................................15
Трехэлектродная лампа (триод) ..........................................................................16
Принцип работы триода .................................................................................17
Характеристики триода.........................................................................................17
Тетроды и пентоды................................................................................................19
1.2 Электронно-лучевые приборы.......................................................................24
Электронно-лучевые трубки................................................................................24
ЭЛТ с электростатическим управлением .....................................................24
Основные параметры ЭЛТ. ..................................................................................26
ЭЛТ с магнитной фокусировкой и магнитным отклонением луча….…...27
Кинескопы........................................................................................................27
Экран и маска кинескопа…………………………………………………....29
Система обозначений электронных и электронно – лучевых приборов ....................................................................................................................30
Система обозначений электроннолучевых трубок. ..........................................31
1.3 Полупроводниковые приборы......................................................................31
Свойства полупроводников, влияние примесей на проводимость……….....31
Примесная проводимость полупроводника ......................................................34
1.4 Полупроводниковые резисторы...................................................................35
1.5 Полупроводниковые диоды ..........................................................................41
p-n-переход и его свойства ..................................................................................41
Выпрямительные диоды.......................................................................................44
Стабилитроны .......................................................................................................46
Варикапы ...............................................................................................................47
Туннельные диоды................................................................................................48
Светодиоды............................................................................................................50
Фотодиоды.............................................................................................................51
1.6 Биполярные транзисторы..............................................................................54
Физические принципы работы транзисторов ....................................................56
Схемы включения, характеристики и параметры транзистора .......................58
1.7 Полевые транзисторы.....................................................................................62
Классификация и условные обозначения полевых транзисторов……...…....62
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. ...................................63
Характеристики полевых транзисторов с p-n-переходом……………...……..65
Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП)…….......................66
МДП–транзисторы со встроенным каналом. ..............................................67
МДП-транзистор с индуцированным (инверсным) каналом…………….68
Маркировка транзисторов....................................................................................70
Схемы включения ПТ и их особенности.............................................................70
1.8 Тиристоры..........................................................................................................72
Диодный тиристор.................................................................................................72
Триодный тиристор ..............................................................................................75
1.9 Электронно - световые знаковые индикаторы..........................................78
Накальные индикаторные приборы.....................................................................79
Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ)....................................................79
Вакуумно-люминисцентные индикаторы...........................................................81
Газоразрядные знаковые индикаторы (ИН) .......................................................82
Ионные приборы (газоразрядные) ......................................................................82
Тиратрон с холодным катодом.............................................................................83
Сигнальные неоновые лампы...............................................................................84
1.10 Оптроны...........................................................................................................85
Конструкция оптронов .........................................................................................85
Типы оптопар, параметры и характеристики ....................................................86
РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА....................................................90
2.1 Электронные усилители..................................................................................90
Параметры и характеристики усилителей .........................................................90
Классификация усилителей .................................................................................91
Принцип построения усилительных каскадов....................................................92
Характеристики усилителей ................................................................................95
Особенности многокаскадных усилителей.........................................................99
2.2 Режимы работы усилительных каскадов (классы усиления)….…….100
Температурная стабилизация усилителей.........................................................103
Эмиттерная температурная стабилизация..................................................104
Коллекторная температурная стабилизация ..............................................106
2.3 Обратные связи в усилителях......................................................................107
Виды ОС ..............................................................................................................107
2.4 Схемы включения усилительных каскадов (УК) ...................................111
Особенности УК на полевых транзисторах .....................................................113
2.5 Усилители мощности ....................................................................................114
Классификация усилителей мощности..............................................................114
Однотактный усилитель мощности ..................................................................117
Двухтактные трансформаторные усилители мощности…….........................118
Бестрансформаторные усилители мощности...................................................119
2.6 Усилители постоянного тока........................................................................122
УПТ с одним источником питания ...................................................................123
УПТ с двумя источниками питания...................................................................125
Дрейф в УПТ .......................................................................................................126
2.7 Операционные усилители.............................................................................130
Характеристики ОУ.............................................................................................133
Параметры ОУ.....................................................................................................134
Решающие схемы на ОУ.....................................................................................135
2.8 Избирательные усилители............................................................................140
Высокочастотные ИУ..........................................................................................142
Низкочастотные ИУ ...........................................................................................144
2.9 Генераторы гармонических колебаний .....................................................145
LC – автогенератор .............................................................................................147
RC – автогенераторы. .........................................................................................151
Литература…………………………………………………………….….…......154