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
1. Классификация аналоговых электронных устройств.
2. Основные параметры усилительных устройств.
3. Основные характеристики усилительных устройств.
4. Режимы работы усилительных каскадов: А, В, АВ.
5. Задание рабочей точки биполярного транзистора (БТ) в схеме с фиксированным током базы. Основные расчетные соотношения.
6. Задание рабочей точки БТ в схеме с фиксированным напряжением база-эмиттер. Основные расчетные соотношения.
7. Стабилизация рабочей точки БТ в схеме с коллекторной стабилизацией. Основные расчетные соотношения.
8. Стабилизация рабочей точки БТ в схеме с эмиттерной стабилизацией. Основные расчетные соотношения.
9. Эквивалентные представления усилительного каскада в виде управляемого источника напряжения и управляемого источника тока.
10. Усилительный каскад (УК) на БТ с ОЭ в области средних частот: эквивалентная схема, входное и выходное сопротивление, коэффициенты усиления по току и напряжению.
11. УК на БТ с ОБ в области средних частот: эквивалентная схема, входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления по току и напряжению.
12. УК на БТ с ОК (эмиттерный повторитель) в области средних частот: эквивалентная схема, входное и выходное сопротивление, коэффициент усиления по току и напряжению.
13. Обратные связи в усилительных устройствах: основные понятия, классификация.
14. Коэффициент передачи усилителя охваченного ОС. Влияние обратных связей на параметры и характеристики усилителя.
15. Сравнительная характеристика параметров УК на БТ с ОЭ, ОК и ОБ: коэффициенты усиления по току и напряжению, входное и выходное сопротивление, полоса пропускания.
16. Усилительные каскады на ПТ с общим истоком.
17. Усилители постоянного тока (УПТ) на БТ: способы устранения дрейфа нуля, согласование уровней постоянного напряжения между каскадами УПТ.
18. Двухтактный бестрансформаторный оконечный каскад в режиме класса B. Переходные искажения.
19. Двухтактный бестрансформаторный оконечный каскад в режиме класса AB.
20. Дифференциальный усилительный каскад: принцип действия, дифференциальные и синфазные сигналы.
21. Дифференциальный усилительный каскад: входное и выходное сопротивление, коэффициенты усиления синфазного и дифференциального сигналов, коэффициент ослабления синфазного сигнала.
22. Способы улучшения параметров дифференциальных усилительных каскадов.
23. Классификация и параметры операционных усилителей (ОУ).
24. Инвертирующий усилитель на ОУ.
25. Неинвертирующий усилитель на ОУ.
26. Схема сумматора на ОУ.
27. Дифференцирующий усилитель на ОУ.
28. Интегрирующий усилитель на ОУ.
29. Логарифмирующий усилитель на ОУ.
30. Антилогарифмирующий усилитель на ОУ.
31. Ключ на БТ: принципиальная схема, передаточная характеристика, статический режим работы.
32. Ключ на БТ: принципиальная схема, динамический режим работы.
33. Способы повышения быстродействия ключей на БТ.
34. Ключи на МДП-транзисторах.
35. Ключ на комплементарных МДП-транзисторах.
36. Логические элементы, логические функции, основные законы алгебры логики.
37. Принцип построения логических элементов на основе полупроводниковых диодов.
38. Базовый логический элемент транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).
39. Базовый логический элемент эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ).
40. Интегральная-инжекционная логика.
41. Параметры логических элементов.
42. RS-триггер.
43. Синхронный RS-триггер.
44. D-триггер.
45. T-триггер.
46. JK-триггер.
47. Мультивибратор на логических элементах.
48. Особенности диапазона СВЧ. Деление СВЧ диапазона на поддиапазоны. Классификация электронных приборов СВЧ и квантовых приборов.
49. Особенности электронных приборов СВЧ с динамическим управлением электронным потоком. Общий принцип действия и характеристики электронных приборов СВЧ.
50. Конструкция, принцип действия и параметры двухрезонаторного пролетного клистрона.
51. Устройство и принцип действия лампы бегущей волны типа "О".
52. Конструкция, принцип действия и условия самовозбуждения лампы обратной волны типа "О".
53. Движение электронов в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях.
54. Конструкция, принцип действия, амплитудное и фазовое условия самовозбуждения многорезонаторного магнетрона. Парабола критического режима.
55. Диоды Ганна. Эффект Ганна. Особенности многодолинных полупроводников. Механизм образования отрицательной дифференциальной проводимости. Домены сильного поля и механизм их образования.
56. Автогенераторы на диодах Ганна. Конструкции, эквивалентная схема. Режимы работы. Параметры генераторов, области применения.
57. Лавинно-пролетный диод (ЛПД). Структура диода, физические процессы в ЛПД, статический и динамический режимы работы ЛПД. Генераторный режим работы ЛЦД. Основные характеристики и параметры. Области применения ЛПД.
58. Оптические квантовые генераторы (лазеры) на твердом теле: конструкция, принцип действия, параметры, области применения.
АУ наз-ся такие устр-ва, кот. предназнач. для формир-я аналоговых сигналов. Аналог. сигналы – непрер. измен. электрич. колебания, кот. однозначно м.б. определены в любой момент времени.
Усилителем электрических сигналов называется устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала, усиление осуществляется активными элементами (биполярными, полевыми транзисторами) за счет потребления энергии от источника питания под действием входного сигнала.
Простейшее усил. устр-во м.б. предст. след. схемой:
Активный элемент и резистор R являются основой любого усилителя, а совместно с источником питания образуют выходную цепь усилителя. Под действием входного сигнала изменяется сопротивление активного элемента и изменяется ток в последовательной цепи, состоящей из источника питания, резистора, активного элемента. В результате этого изменяется падение напряжения на резисторе, а также выходное напряжение Uвых. Таким образом, процесс усиления основан на преобразовании активным элементом энергии источника питания Uип в энергию переменного напряжения в выходной цепи при изменении сопротивления активного элемента под действием входного сигнала.
Классификация аналоговых устройств
По типу с-лов, усил. акт. эл-ом усилители бывают:
- гармонич. колебаний
- импульсных с-лов
По диапазону частот усил. с-ла усилители бывают:
-пост. тока (ус-ют как пост. так и перем. сост. вх с-ла)
-перем. тока (ус-ют только переем. сост. от полосы пропускания – разности м/у нижней и верхней ч-той)
По величине полосы пропускания (диапазона усиливаемых частот):
-ус-ли НЧ – диап. единицы Гц-десятки кГц. Особенностью усилителей низкой частоты является большое отношение fв/ fн – десятки, десятки тысяч раз
-ус-ли ВЧ – от 1кГц-100мГц (имеют узкую пол. проп). Они характеризуются небольшой величиной отношения верхней частоты к нижней fв /fн <1,1
-широкополосные – 10кГц-1гГц
Для получ. нужного коэф. усиления на практике исп. многокаскадные ус-ли.
По связи каскадов бывают:
-с гальванической связью
-резистивно-ёмкостной
-трансформаторной
-обторные
Непосредственная или гальваническая связь используется в усилителях постоянного тока, где вход последующего каскада соединяют с выходу предыдущего каскада непосредственно или с помощью резисторов. В усилителях переменного сигнала для связи каскадов используют конденсаторы, резисторы и трансформаторы. В усилителях мощности для связи каскадов между собой и с нагрузкой иногда используют трансформаторы. Конденсаторы и трансформаторы в усилителях переменного сигнала, служат для разделения переменной составляющей напряжения и постоянной составляющей.
По типу исп-емых акт. эл-тов ус-ли бывают:
- на БТ
- на ПТ
По схеме включения акт. эл-та:
- с ОЭ (ОИ) – обл-ет маx Kр, изм-ет фазу на 1800
- с ОК (ОС) – Ku<1, не изм-ет фазу вх. с-ла
- с ОБ (ОЗ) – низкое вх. сопр-е, не изм. фазу
По конструкт. исполнению:
-на дискретных эл-ах
-интегральных микросхемах
-комбинир-е
По усилению эл-х величин ус-ли бывают:
- ус-ли U; - ус-ли I; - ус-ли P.
Если Rн >>Rвых , то усилитель является источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН), и предназначен для усиления входного напряжения с оп-оределенным коэффициентом усиления Кu.
Если Rвх >>Rг , а Rвых >>Rн , т.е. в выходной цепи действует источник тока. Такой усилитель представляет собой источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).
Если Rвх <<Rг и Rвых >>Rн .Считается, что усилитель управляется током и значение входного тока определяется Усилитель является
источником тока, управляемым током (ИТУТ).
Если Rвх <<Rг и Rн >>Rвых . Он представляет собой источник напряжения,
управляемый током (ИНУТ).
АУ опис-ся след. пар-ми:
1) Коэф. усиления по U: Ku=Uвых/Uвх
2) Коэф. усиления по I: Ku=Iвых/Iвх
3) Коэф. усиления по P: Kp=Pвых/Pвх
Для многокаскадных усилителей
Коэффициент усиления, выраженный в логарифмических единицах, равен
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя, выраженный в децибелах
4) Вх. и вых. сопр-е: Zвх=Uвх/Iвх; Zвых=Uвых/Iвых
5)Выходная мощность Pвых=U2мвых/2Rн
6)Потр-ая мощность – P, кот. потр. усил. каск. от ИП
7)КПД – (Рвых/Рпотр)*100%
8)Чувств-ть-мин. вх. с-л, кот. м.б. различим на вых. ус-ля на фоне действ-их помех.
9)Динамич. диап. усиления: D=Uвх маx/Uвх мin
10)Искажение с-ла – изм-е формы каскада на вых. ус-ля от формы вх. с-ла. Бывают: нилин-е и лин-е.
Уровень нелин. искажений хар-ся коэф. нелин. искаж. ус-ля.(коэф. Гармоник)
Кг= , где Р1,P2, P3, Pn – мощности, выделяемые в нагрузке под воздействием 2-й, 3-й, n-й гармонических составляющих напряжения (U2, U3, Un) Нелин. искаж. зависят от амплитуды вх. с-ла и не связаны с ч-той. Источником нелинейных искажений является нелинейность вольтамперных характеристик элементов усилителя.
Лин. искаж. опред-ся завис-ю пар-ров тр-ров от ч-ты и реакт-ми эл-ми ус-ых устройств. Бывают: част-е(АЧХ), фаз-е(ФЧХ) и перех-е.
Частотные искажения связаны с несовпадением реальных и идеальных характеристик в рабочем диапазоне частот. Эти искажения зависят лишь от частоты усиливаемого сигнала. Степень искажения на отдельных частотах выражается коэффициентом
частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте К0 к коэффициенту усиления на данной частоте. Наибольшие частотные искажения возникают на границах рабочего диапазона частот fн и fв.
Коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя определяется так :
Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала К=F(f) принято называть амплитудно-частотной (частотной) характеристикой (АЧХ). Она изображена на рис. 10.5,а. Идеальная АЧХ параллельна оси частот.
Реально, гармонические составляющие входного сигнала усиливаются усилителем неодинаково, поскольку реактивные сопротивления элементов схемы по разному зависят от частоты. Частоты усиления, на которых
коэффициент усиления уменьшается в раз или на 3 дБ по сравнению со средней частотой, называют граничными частотами: нижняя fн и верхняя fв; разность частот
fв −fн =∆f называют полосой пропускания.
Частотные искажения в усилителе всегда сопровождаются наличием сдвига фаз между входным и выходным сигналами, что вызывает появление фазовых искажений. Под фазовыми искажениями подразумевают сдвиги фаз, вызванные реактивными элементами усилителя, а поворот фазы усилительным каскадом не учитывается.
Фазовые искажения усилителя оцениваются его фазочастотной характеристикой ϕ=F(f). График фазочастотной характеристики представляет собой зависимость угла сдвига фазы между входным и выходным напряжениями усилителя от частоты (рис. 10.5,б). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной фазочастотной характеристикой является прямая линия, начинающаяся в начале координат (рис. 10.5,б пунктирная линия).
Амплитудная характеристика отражает зависимость амплитудного значения первой гармоники выходного напряжения от амплитуды синусоидального входного напряжения Uвых = f(Uвх) (рис. 10.6). Амплитудная характеристика не проходит через начало координат ввиду наличия на выходе напряжения собственных помех и шумов усилителя. Участок характеристики ниже точки А не используется, ибо полезный сигнал трудно отличить от напряжения собственных помех и шумов. На участке АВ коэффициент усиления – величина постоянная, и этим участком амплитудной характеристики определяется динамический диапазон усилителя. Кроме того, с помощью линейного участка характеристики можно определить коэффициент усиления по напряжению. Выше точки В линейность зависимости выходного напряжения от входного сигнала нарушается, в выходном напряжении появляются дополнительные частотные составляющие, возникают нелинейные искажения. Причиной является ограничение максимального напряжения одной или обеих полуволн выходного сигнала. Эти
ограничения обычно наступают в оконечных каскадах усилителя, работающих при
наибольшем входном сигнале. Амплитудная характеристика обладает хорошей наглядностью и позволяет качественно определить: коэффициент усиления; динамический диапазон; минимальные и максимальные допустимые значения входного сигнала; уровень собственных шумов.
Переходная характеристика выражает зависимость от времени выходного напряжения усилителя, на вход которого подан мгновенный скачок напряжения (рис. 10.7). Эта характеристика определяет процесс перехода усилителя из одного состояния в другое. Скачкообразное изменение входного напряжения позволяет выяснить реакцию усилителя на это воздействие сразу в двух режимах: переходном и стационарном. Характер переходного процесса в усилителе во многом зависит от наличия реактивных элементов L, C, которые препятствуют мгновенному изменению тока в индуктивности и напряжения на емкости. Напряжение на выходе не может измениться скачкообразно при подаче на вход импульса. Время, в течение которого фронт нормированной переходной характеристики нарастает от уровня 0,1 до уровня 0,9, называется временем нарастания tнар. Превышение мгновенного значения
напряжения над установившимся называют выбросом δ и выражают в процентах.
Существует так называемое критическое значение выброса, при котором δ не зависит от числа каскадов усилителя.
Неравномерность вершины нормированной переходной характеристики обозначается через ∆, измеряется как и выброс в процентах от стационарного значения и не должна превышать 10 % для усилителей высококачественного воспроизведения.
В режиме класса А положение рабочей точки выбирается таким образом, чтобы при движении по линии нагрузки она не заходила в нелинейную начальную область коллекторных характеристик и в область отсечки коллекторного тока. На входной характеристике (рис. 10.17,а) рабочая точка выбирается так, чтобы входной сигнал полностью помещался на линейном участке, а значение тока покоя Iбо располагалось на середине этого линейного участка. Амплитуды переменных составляющих входного Iбm и выходного Iкm токов, появившихся вследствие входного сигнала (рис. 10.17,б), в режиме А не могут превышать токи покоя Iбо и Iко соответственно. Режим класса А характеризуется работой транзистора на почти линейных участках своих вольтамперных характеристик. Это обуславливает минимальные нелинейные искажения сигнала (Kг≤1%). Режим класса А является наименее экономичным, в виду того, что полезной является мощность, выделяемая в выходной цепи за счет переменной составляющей выходного тока. Потребляемая мощность определяется значительно большими величинами постоянных составляющих I ко , U кэо . В связи с этим КПД усилительного каскада в режиме А невелик, всегда меньше 40 %. Режим класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения, а полезная мощность и КПД не являются решающими, это каскады предварительного усиления и маломощные выходные каскады.
Режим класса В – это режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода входного сигнала. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю (рис. 10.18). В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки θ=90°. Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которой транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность, потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя в пределах 60…70 %. Режим класса В применяется в двухтактных каскадах, где прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы был линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризуется большими нелинейными искажениями сигнала ( K г ≤10%) и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его используют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.
Режим класса АВ используется для уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала, которые возникают из-за нелинейных начальных участков ВАХ транзисторов (рис. 10.19). При отсутствии входного усиливаемого сигнала в режиме покоя транзистор немного приоткрыт и через него протекает ток, равный 5…15 % максимального тока при заданном входном сигнале. Угол отсечки в режиме класса АВ несколько больше 2 π и достигает 120…130°.
При работе двухтактных каскадов в режиме АВ происходит перекрытие положительной и отрицательной полуволн тока плеч двухтактного каскада, что приводит к компенсации искажений ( K г ≤3% ), полученных за счет нелинейности начальных участков ВАХ транзистора. КПД каскадов, работающих в режиме АВ, выше, чем каскадов в классе А, но меньше чем в классе В за счет наличия малого входного тока покоя I бо .
Схема с фиксированным током базы.
Режим по постоянному току задается с помощью резисторов Rб, Rк и источника питания Uип (рис. 3.7). Уравнение для входной цепи согласно второму закону Кирхгофа имеет вид
где UБЭ≈(0,6…0,8) В (напряжение на открытом эмиттерном переходе кремниевого БТ), т.е. UБЭ << UИП, поэтому ток в цепи базы IБ≈UИП/RБ не зависит от параметров транзистора, а определяется параметрами входной цепи. Для выходной цепи уравнение по второму закону Кирхгофа имеет вид
С учетом связи IК≈h21Э IБ видно, что внешние элементы, задавая ток покоя базы IБ, тем самым определяют ток покоя коллектора IК.
Рассмотрим принцип работы усилителя на примере простейшей схемы (рис. 3.7). Усиливаемый сигнал U вх подается на базу транзистора через конденсатор C1 большой емкости. Выходной сигнал через конденсатор C2 большой емкости подается на нагрузку с сопротивлением Rн , которой может служить следующий усилительный каскад. На рис.3.8, а представлено семейство выходных ВАХ транзистора, на котором показано положение рабочей точки, соответствующей активному режиму работы БТ. Она лежит на пересечении характеристики, соответствующей току базы IБ=IБО≈ Uип/ RБ, и нагрузочной прямой, которая задается уравнением Iк=( Uип-Uкэ)/Rк . Данная прямая
строится по двум точкам, одна из которых лежит на оси абсцисс (Uкэ=Uип ),
а другая – на оси ординат (Iк=Uип/Rк). Точка А определяет постоянные составляющие коллекторного тока Iко и напряжения Uкэо . На семействе входных характеристик (рис.3.8, б) соответствующая рабочая точка находится на
пересечении прямой IБ= IБО и характеристики, соответствующей напряжению Uкэ= Uкэо.
Пусть на входе действует переменное гармоническое напряжение с низкой частотой и малой амплитудой U вх m. Тогда рабочая точка будет перемещаться вдоль отрезка ВАС, лежащего на одной входной характеристике (рис. 3.8, б), поскольку положение входных характеристик в активном режиме слабо зависит от напряжения Uкэ . На семействе выходных характеристик (рис. 3.8, а) при отсутствии резистора нагрузки рабочая точка будет перемещаться по отрезку нагрузочной прямой, ограниченному точками В и С, которые лежат на характеристиках, соответствующих
Поскольку амплитуды входных и выходных токов и напряжений усилителя связаны соотношениями и
то коэффициент усиления по напряжению
а коэффициент усиления по мощности
Недостатком рассмотренного способа задания рабочей точки является сильное влияние изменения температуры, параметров транзистора, напряжения питания на положение рабочей точки. При увеличении температуры растет величина h21Э, что приводит к увеличению IК, и точка покоя смещается в сторону режима насыщения. Использование в этой схеме транзисторов с параметрами, отличными от принятых при расчете, также приводит к сильному изменению положения рабочей точки. Для температурной стабилизации рабочей точки транзисторов усилительных каскадов используется отрицательная обратная связь по постоянному току или напряжению.
В схеме на рис. 10.9 режим покоя обеспечивается фиксированным напряжением на базе Uбэо транзистора с помощью источника питания и делителя из резисторов R1 и R2 .
Сопротивления резисторов R1 и R2 при заданном начальном токе базы Iбо , соответствующем напряжению Uбэо , определяют по формулам
где I д – ток делителя, который выбирается из условия обеспечения необходимой стабильности режима работы Iд=(2…5)Iбо . Напряжение не зависит от параметров транзистора. В связи с этим такой способ задания режима по постоянному току называют смещением фиксированным напряжением базы.
С увеличением температуры токи Iбэо и Iбо изменяются практически одинаково, что приводит к увеличению Iко. Точка покоя перемещается в сторону режима насыщения. Для обеспечения температурной стабилизации усилительных каскадов используют обратные связи по постоянному току или постоянному напряжению, которые снижают действие дестабилизирующих температурных факторов.
На рис. 3.9 представлена схема с коллекторной стабилизацией, в которой резистор RБ подключается к коллектору транзистора с напряжением UКЭ, тогда
При повышении температуры коллекторный ток увеличивается, следовательно, коллекторное напряжение U КЭ уменьшается, а значит, уменьшается ток базы IБ, что приводит к уменьшению коллекторного тока IК. Эти два фактора частично компенсируют друг друга, поэтому рабочая точка стремится вернуться в исходное положение.
Рис. 3.9
Наиболее эффективной является схема с эмиттерной стабилизацией рабочей точки (рис. 3.10). Повышение температуры приводит к увеличению тока IК, уменьшению напряжения на коллекторе UК и увеличению эмиттерного тока IЭ = IК + IБ. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе RЭ. Поскольку потенциал база транзистора зафиксирован делителем напряжения R1, R2, то напряжение между базой и эмиттером UБЭ уменьшается
что приведет к уменьшению тока базы IБ, а значит и коллекторного тока IК. Происходит частичная взаимная компенсация этих двух факторов, влияющих на рабочую точку транзистора, поэтому ее положение практически не изменяется. Наличие резистора RЭ – резистора обратной связи – при отсутствии конденсатора CЭ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет работу каскада по переменному току. Для схемы изменяющийся
входной сигнал также является дестабилизирующим фактором. Переменная составляющая эмиттерного тока с амплитудой Imэ создает на резисторе RЭ падение напряжения, которое уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада.
Рис. 3.10
Входная цепь практически не потребляет тока, т.е. работает в режиме хо- лостого хода по входу. Усилитель в данном случае управляется напряжением. Усилитель на рис. 10.2,а является источником напряжения, управляемым напряжением (ИНУН), и предназначен для усиления входного напряжения с определенным коэффициентом усиления КU. На рис. 10.2 представлена эквивалентная схема усилителя, у которого , а т.е. в выходной цепи действует источник тока.Такой усилитель представляет собой источник тока, управляемый напряжением (ИТУН).
Усилитель тока, эквивалентная схема рис. 10.3,а,б, характеризуется тем, что входное сопротивления усилителя значительно меньше внутреннего сопротивления источника сигнала Считается, что усилитель управляется током и значение входного тока определяется:
Источник сигнала работает в режиме короткого замыкания, и усилитель (рис 10.3,а) является источником тока, управляемым током. Усилитель, эквивалентная схема которого представлена на рис. 10.3,б. имеет источник тока во входной цепи и источник напряжения в выходной цепи . Он представляет собой источник напряжения, управляемый током. Для усилителя мощности необходимо выполнение условия согласования входной цепи с источником сигнала и выходной цепи с сопротивлением нагрузки для передачи максимальной мощности.
Входное сопротивление каскада представляет собой сопротивление параллельного соединения резисторов R1, R2 и сопротивления входной цепи транзистора rвх
R = R1 ||R2 || rвх. (10.39)
Коэффициент усиления по напряжению каскада с ОБ существенно зависит от сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника сигнала. При Rг →0
и достаточно большом Rн коэффициент усиления по напряжению каскада ОБ приближается к величине KU каскада ОЭ. Если же использовать последовательное соединение нескольких каскадов с ОБ, то нагрузкой предыдущего каскада является очень малое входное сопротивление последующего каскада, в связи с этим получить большой коэффициент по напряжению не удается.
Обратная связь – передача выходного сигнала или его части на вход устройства.
Цепь обратной связи – электрическая цепь, обеспечивающая передачу сигнала с выхода устройства на его вход.
Петля обратной связи – замкнутый контур, включающий цепь обратной связи и часть усилителя между точками его подключения.
Местная обратная связь (местная петля обратной связи) – обратная связь, охватывающая один каскад или часть усилителя.
Общая обратная связь – такая обратная связь, которая охватывает весь усилитель.
Внутренняя обратная связь – являющаяся неотъемлемой частью усилительного элемента.
Отрицательная обратная связь – когда сигнал обратной связи вычитается из входного сигнала усилителя.
Положительная обратная связь – когда сигнал усилителя суммируется со входным сигналом.
Отрицательная обратная связь уменьшает К, а положительная увеличивает К. А в большинстве «+» и «-» связи приводят к самовозбуждению усилителя – сигнал на выходе усилителя присутствует при отсутствии сигнала на входе. Усилитель превращается в автогенератор.
Способы классификации обратных связей:
В зависимости от того существует ли обратная связь для медленно меняющихся сигналов или для переменной составляющей сигнала, включающего постоянную и переменную составляющие, обратная связь может осуществляться по постоянному, переменному или по постоянному и переменному току.
По способу получения сигнала обратной связи (рис.):
а) По току – сигнал о.с. пропорционален выходному току.
б) По напряжению - -//- выходному напряжению.
в) Комбинированная - -//- выходным току и напряжению.
а) б)
По способу подачи сигнала обратной связи на вход усилителя (рис.):
а) Последовательная обратная связь – напряжение обратной связи суммируется со входным напряжением усилителя.
б) Параллельная обратная связь – о.с. при которой ток в цепи суммируется со входным током усилителя.
в) Смешанная – со входным сигналом усилителя суммируется как ток, так и напряжение.
Анализ выражения для коэффициента усилителя, охваченного ОС.
где – петлевое усиление (коэффициент усиления петли обратной связи).
- глубина обратно связи.
При выполнении обратная связь является положительной.
Усилитель в этом случае превращается в автогенератор. Сигнал на выходе усилителя будет присутствовать, даже при отсутствии входного сигнала. Если это условие выполняется на одной частоте, то выходной сигнал будет синусоидальным (гармонический), а если в диапазоне частот или на нескольких частотах, то форма выходного сигнала будет отличаться от гармонической.
В этом случае . В усилителях обычно положительная обратная связь не используют, поскольку она приводит практически всегда к возникновению автоколебаний.
При выполнении этого условия получаем - условие возникновения отрицательной обратной связи. В этом случае интерес представляет следующее.
Если
Обычно в цепи ОС используют полевые R, C, L элементы, в этом случае (т.к. эти величины относительно стабильны) β будет относительно стабильной величиной и усилитель будет обладать достаточно стабильным коэффициентом усиления.
Условия 1 и - условия глубокой отрицательной ОС.
Влияние отрицательной ОС на параметры усилителя.
Введение отрицательной ОС уменьшает коэффициент усиления, но расширяет полосу пропускания усилителя. При этом коэффициент частотных искажений на
Определение типа ОС:
При наличии в усилителе даже слабой положительной ОС ухудшается его работа: увеличиваются частотные и нелинейные искажения.
|
, кОм |
, кОм |
||||
|
ОЭ |
10…100 |
10…100 |
1…10 |
0,5…10 |
|
|
ОБ |
10…100 |
10…100 |
0,01…0,1 |
0,5…10 |
|
|
ОК |
10…100 |
10…100 |
10…100 |
0,01…0,1 |
Схемы с ОЭ инвертирует входной сигнал .
ДЛЯ БТ с ОЭ:
При низких частотах Rвх=100Ом…10кОм
Для БТ с ОБ:
Rвх=1…10ОМ-для маломощных БТ
Для БТ с ОК:
а) с управляющим p-n-переходом
б) со встроенным каналом
Основными элементами являются: источник питания Uип, транзистор и резистор Rc. Полярность напряжения источника питания определяется типом канала транзистора (для n-типа положительна, для p-типа отрицательно).
Резистор Rз осуществляет гальваническую связь затвора с общей шиной, т.е. обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей шины УК. Поэтому потенциал затвора ниже потенциала истока на величину падения напряжения на Rи от протекания постоянной составляющей тока Iио. В связи с этим напряжение Uзио отрицательное. Источник сигнала подключается ко входу УК через Cp1, а нагрузка через Cp2 к истоку транзистора. Цепочка Rи-Cи обеспечивает стабильное отрицательное напряжение Uзио для режима покоя. Конденсатор Cи устраняет отрицательную обратную связь по переменному току и его сопротивление на самое низкой частоте усиливаемого напряжения должно быть во много раз меньше Rи.
Требуемую величину Rи для заданного тока покоя Iсо определяют с помощью сток-затворной ВАХ транзистора. Рабочая точка в режиме покоя обычно выбирается на середине линейного участка сток-затворной характеристики, что обеспечивает минимальные нелинейные искажения.
С помощью Rи осуществляется стабилизация режима покоя за счёт того, что Rи создаёт последовательную отрицательную обратную связь по постоянному току. Кроме того, при воздействии входного сигнала возникает и отрицательная ОС, которая устраняет Cи. Часто при расчёте Rи принимает относительно большое значение, что приводит к большому значению модуля отрицательного напряжения на затворе. Для обеспечения необходимого режима покоя используют делитель напряжения в цепи затвора (рис б).
Для расчёта параметром представим схему (рис а) эквивалентной.
На средних частотах сопротивление каскада с ОИ однозначно определяется величиной Rз и обычно лежит в пределах нескольких Мом. Выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением параллельно соединённых Rl и Rс:
При переходе в область высоких частот необходимо учитывать входную и выходную ёмкости каскада. При этом Rвых<<Rвх, что является важным преимуществом УК на ПТ. Зная, что ток стока является функцией Ic=f(Uзи,Uси), найдём изменение тока стока:
Используя выражения для основных параметров ПТ Запишем:
Подставим вместо конечных приращений 𝛥Ic, 𝛥Uвх и 𝛥Uси=-IcRc (знак минус указывает на инвертирование входного сигнала, получим уравнение:
Решим которое относительно Iс, найдём:
Коэффициент усиления по напряжению для средних частот будет равен:
Для получения максимального коэффициента усиления в диапазоне средних частот необходимо обеспечить работу каскада на высокоомную нагрузку и включить в цепи стока резистор Rc с большим сопротивлением.
УПТ предназначены для усиления медленных электрических сигналов частотой доли герц. В таких усилителях для связи с источником сигнала и нагрузкой обычно используется гальваническая (непосредственная) связь с помощью элементов, обладающих проводимостью по постоянному току, таких как проводники, резисторы, полупроводниковые приборы. Применение ёмкостной связи осложнено тем обстоятельством, что обеспечить значение нижней граничной частоты величиной в тысячные доли герц возможно при использовании разделительных конденсаторов ёмкостью десятки-сотни мФ. Стремление к миниатюризации электронных устройств и реализации их в интегральном исполнении потребовало отказать от использования RC-связей ввиду невозможности реализации в интегральном исполнении конденсаторов большой ёмкости. Однако применение непосредственной межкаскадной связи при реализации УПТ приводит к двум серьёзным проблемам: наличие дрейфа нуля и необходимостью согласования уровней постоянного напряжения в соседних усилительных каскадах.
Проблема согласования уровней постоянного напряжение состоит в том, что в режиме покоя в усилителе на БТ с ОЭ и эмиттерной стабилизацией напряжение на коллекторе транзистора должно быть Uk≈Uип/2, а напряжение на базе ниже: . Таким образом, непосредственное подключение входа следующего каскада к выходу предыдущего без принятия специальных мер невозможно. Самый просто способ согласования – уменьшение Uk или увеличение падения напряжения на резисторе Rэ путём увеличения сопротивления этого резистора приводит к значительному уменьшению коэффициента усиления по напряжению во втором каскаде.
Способы согласования уровней постоянного напряжения:
Дрейф нуля – медленное изменение выходного напряжения УПТ, обусловленное нестабильностью источника питания, изменением температуры и старением элементов схемы, при постоянном входном напряжении. Дрейф нуля описывается двумя параметрами: абсолютный дрейф нуля Uвых др – напряжение дрейфа на выходе усилителя и дрейф нуля, приведённый ко входу, U вх др – отношение абсолютного дрейфа к Uвх др=Uвых др/Ku
Это явление приводит к ошибкам в работе оконечных устройств автоматики, т.к. полезный сигнал суммируется с напряжением дрейфа. Данное явление накладывает ограничение на величину чувствительности усилителя, которая для минимизации таких ошибок должна быть во много раз больше приведённого дрейфа
Способы борьбы с дрейфом нуля:
Режим класса В – режим работы транзистора, при котором ток через него протекает в течение половины периода. Положение рабочей точки на ВАХ транзистора выбирается так, чтобы ток покоя был равен нулю. В режиме класса В транзистор открыт лишь в течение половины периода входного сигнала. В этом случае выходной ток имеет форму импульса с углом отсечки θ=90°. Углом отсечки называют половину времени периода входного сигнала, в течение которого транзистор открыт и через него протекает ток. Небольшая мощность потребляемая каскадом, позволяет получить высокое КПД усилителя, в пределах 60-70%. В двухтактных каскадах прекращение протекания тока в одном транзисторе (первом плече) компенсируется появлением тока в другом транзисторе (другом плече каскада). Из-за нелинейности начальных участков характеристик транзисторов форма выходного тока (при малых его значениях) существенно отличается от формы тока, если бы имел место линейный характер характеристик. В связи с этим режим класса В характеризируется большими нелинейными искажениями сигнала (Kн<=10%), и этот режим используется преимущественно в мощных двухтактных каскадах усиления, однако в чистом виде его применяют сравнительно редко. Чаще в качестве рабочего режима используют промежуточный режим АВ.
<- искажение типа «ступенька»
Положительный полупериод входного сигнала открывает транзистор VT1 и закрывает VT2. А при действии отрицательной полуволны закрывает VT1 и отрывает VT2.
При действии положительной полуволны заряжается конденсатор C2, а при отрицательной, т.к. VT2 открыт и имеет малое сопротивление конденсатор C2 разряжается через VT2 и Rн ток Iн.
Назначение элементов принципиальной схемы двухтактного каскада.
C1, C2 – разделительные конденсаторы отделяют усилитель от источника сигнала и от нагрузки по постоянному току и обеспечивают связь усилителя с источником сигнала и нагрузкой по переменному току.
C2 включен между эмиттером и нагрузкой, обладает большой ёмкостью и при действии отрицательной полуволны входного напряжения, выполняет роль источника питания для VT2.
При действии положительной полуволны этот конденсатор заряжается от источника питания через открытый VT1 и через нагрузку и при действии отрицательной полуволны он разряжается через открытый VT2 и нагрузку.
Транзисторы VT1 и VT2 образуют комплементарную пару (они имеют противоположную пару (они имеют противоположную структуру, но обладают одинаковыми свойствами параметров)
Резисторы R1, R2 задают напряжение на базах транзистора: Uб1=Uб2≈Uп/2
В идеальном случае VT1 и VT2 имеют одинаковые сопротивления коллектор-эмиттер, а значит Uэ1=Uэ2≈Uп/2 => Uбэ1=Uбэ2≈0
В режиме покоя токи резистора R1 и R2 выбирают из следующего соотношения
Смотри вопрос 18.
В идеальном случае диоды VD1 и VD2 должны иметь одинаковую ВАХ, что обеспечит одинаковое смещение обоих транзисторов в точке покоя. Верхняя и нижняя часть будет симметрична, зн. Симметричным будет выходной сигнал. VD1 и VD2 также выполняют функцию термокомпенсации точки покоя. Для этого диоды прикрепляются к радиаторам транзисторов VT1 и VT2.
Вместо диодов можно использовать резисторы, но в этом случае не будет выполняться термокомпенсация. Но можно использовать терморезисторы, которые должны иметь отрицательный температурный коэффициент.
Переходные искажения отсутствуют, θ>90°
КПДmax=50-60%
Наиболее перспективным способом уменьшения дрейфа нуля УПТ является применение дифференциальных усилительных каскадов (ДУ; ДК). Дифференциальным, т.е. разностным, называется усилительный каскад, усиливающий разность двух напряжений. Дифференциальный каскад представляет собой симметричный усилитель параллельного баланса.
источники питания называют источники с расщепленным питанием. Использование источника питания Uип2 снижает потенциал эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 до потенциала земли. Это позволяет подавать сигналы на входы усилителя
относительно земли без введения дополнительных компенсирующих напряжений.
Если схема полностью симметрична, то изменение напряжения питания,
синфазно для обоих транзисторов, не нарушает баланса моста и выходное напряжение остается без изменения. Изменение температуры воздействует на токи транзисторов также одинаково (синфазно). В идеальной симметричной схеме ДУ дрейф нуля должен отсутствовать. В реальной схеме ДУ дрейф нуля в 10…100 раз меньше чем в схеме с общим эмиттером.
Если на обоих входах ДУ действуют равные по амплитуде, форме и фазе
сигналы, то такие сигналы называют синфазными. Если на входы ДУ подаются
сигналы, имеющие равные амплитуды и форму, но противоположные по фазе,
то такие сигналы называют дифференциальными.
Синфазный сигнал
Действие дифференциального сигнала эквивалентно сигналу на вх ДУ одинаковой формы с амплитудой Uвх/2 но противофазны. ДУ предназначен для усиления разности двух напряжений. Если будут отличаться потенциалы баз VT1 и VT2, то будут отличаться потенциалы коллекторов VT1и VT2.
Rвх=Uвх/Iвх
Uвх=Iб*r’б+Iб(h21э+1)rэ+2Iб(h21э+1)R= Iб*r’б+Iб(h21э+1)(rэ+2R)
Rвх=(r'б+(h21э+1)(rэ+2R))/2
Кucc= -(h21э* Rвых)/Rвх, если Rвых=Rк/2, и подставим Rвх, то Кucc=-Rк/2R
U1=U2=Uп, Uк=Uп/2, Rк=Uп/2Iк, R=Uп/I=Uп/2Iэ=Uп/2Iк => Rк=R
Кucc=-0.5
Rвых=Rк
Rвх=Uвх/Iвх=2h11э
Uвх= 2*Iб*r’б+2(h21э+1)* rэ* Iб=2(r’б+(h21э+1)rэ) Iб=2 h11э* Iб
Kuдиф=-(h21э* Rвых)/Rвх=- (h21э*Rк)/(2*h11э)= - h21э*Rк/2(r'б+(h21э+1)rэ),
Kuдиф= - Rк/2rэ
Kuдиф оказался в 2 раза меньше Ku на транзисторе с ОЭ.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Косс= Кuдиф/Кuсс=R/rэ
Косс(дБ)=20 log(Кuдиф/Кuсс)
Схема неинвертирующего усилителя показана на рис. 9.6. Выражение для коэффициента усиления по напряжению для этой схемы получим, так же, как и для предыдущей, из уравнений, составленных по закону Кирхгофа
С учетом (9.13) выражение для коэф- фициента усиления будет иметь вид
Из следует, что коэффициент усиления по напряжению в схеме неин- вертирующего усилителя всегда больше 1. В отличие от схемы инвертирующего усилителя в данной схеме ОУ охвачен цепью ООС по напряжению, последовательной по входу. Поэтому входное сопро- тивление этой схемы значительно больше входного сопротивления ОУ без ОС:
Выходное сопротивление определяется, как и для инвертирующего усилителя, согласно (9.16).
К суммирующим схемам относятся сумматоры и схемы вычитания. Эти схемы используются для решения алгебраических уравнений и в устройствах аналоговой обработки сигналов. Сумматором называется устройство, на выходе которого сигналы, подаваемые на его входы, суммируются. Сумматоры строятся с использованием инвертирующих и неинвертирующих усилителей.
Инвертирующий сумматор
Схема инвертирующего сумматора с тремя входными сигналами приведена на рис. 11.10. Для простоты рассуждений принимаем, что R1=R2=R3=Roc.
Поскольку у идеального ОУ KU→∞, Rвx →∞, а ток смещения очень мал по сравнению с током обратной связи, то согласно закона Кирхгофа I1+I2+I3=Iос. (11.19) Вследствие того, что инвертирующий вход имеет практически нулевой потенциал, то в нем отсутствует взаимное влияние входных сигналов. Выражение (11.19) может быть представлено в виде
Следовательно на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений. Если R1≠R2≠R3, то на выходе получается инвертированная сумма входных напряжений (11.20) с различными масштабными коэффициентами. Инвертирующий сумматор объединяет в себе функции сумматора и усилителя при сохранении простоты схемы. Резистор R служит для компенсации сдвига нуля на выходе ОУ, вызванного временными и температурными колебаниями входного тока. Сопротивление R выбирают токай величины, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ были одинаковы: R=Roc ||R1||R2||R3 .
Неинвертирующий сумматор
Схема неинвертирующего сумматора, который строится на базе неинвертирующего усилителя, приведена на рис. 11.11. Так как при U0=0 напряжения на инвертирующем и неинвертиющем входах равны, то
Учитывая, что RвxОУ по неинвертирующему входу очень велико, то входной ток равен 0. Согласно закона Кирхгофа можно записать
Если же в схеме (рис. 11.11) еще подаются сигналы на инвертирующие входы, то схема выполняет операцию сложения- вычитания. Для правильной работы сумматора необходимо сбалансировать инвертирующий и неинвертирующий коэффициент усиления, т.е. обеспечить равенство сумм коэффициентов усиления инвертирующей и неинвертирующей частей схемы.
Дифференцирующий усилитель (дифференциатор) предназначен для получения выходного сигнала пропорционального скорости изменения входного. При дифференцировании сигнала ОУ должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения, а коэффициент усиления дифференцирующего звена должен возрастать при увеличении скорости изменения входного напряжения. Схема дифференциатора, на входе которого включен конденсатор С, а в цепи ОС – резистор, представлена на рис. 11.13. Полагая, что ОУ идеальный, ток через резистор обратной связи можно считать равным току через конденсатор Iс+Ir=0,
, тогда
Рассмотренный дифференциатор используется редко из-за следующих недостатков:
1. Низкого входного сопротивления на высоких частотах, определяемого емкостью С;
2. Относительно высокого уровня шумов на выходе обусловленного большим усилением на высоких частотах;
3. Склонности к самовозбуждению. (данная схема может быть неустойчивой в области частот, где частотная характеристика дифференциатора (кривая 1 на рис .11.14), имеющая подъем 20 дБ/дек, пересекается с АЧХ скорректированного ОУ, имеющего спад −20дБ/ дек (кривая 2 на рис. 11.14). Амплитудно-частотная характеристика разомкнутой системы в некоторой части частотного диапазона имеет
спад –40 дБ/дек, который определяется разностью наклона кривых 1 и 2, а фазовый сдвиг ϕ = –180°, что и указывает на возможность самовозбуждения.)
Чтобы избежать проявления этих недостатков дифференциатора принимаются следующие схемотехнические решения:
1. Резистор обратной связи шунтируется конденсатором, ёмкость которого выбирается такой, чтобы участок АЧХ ОУ со спадом -20 дБ/дек начинался на частоте более высокой, чем максимальная частота полезного дифференциального сигнала. Это приводит к уменьшению высокочастотных составляющих шума в выходном сигнале. Такой участок начинается на частоте f=1/(2πRocCoc).
2. Последовательно со входным конденсатором С включается резистор, который ограничивает коэффициент усиления на высоких частотах дифференциатора. Это обеспечивает динамическую устойчивость и снижает входной ёмкостной ток от источника сигнала.
3. Использование ОУ с низким напряжением смещения и малыми входными токами, а также конденсаторов с малыми токами утечек и малошумящих резисторов.
Практическая схема дифференциатора и его АЧХ приведены на
рис. 11.15. Введение резистора R приводит к появлению на частотной характеристике (кривая 1 на рис. 11.15,б) горизонтального участка, где не происходит дифференцирования на частотах, превышающих частоту
Интегрирующий усилитель (интегратор) строится на базе инвертирующего усилителя путем замены резистора обратной связи конденсатором и его часто называют интегратором Миллера. Схема интегратора приведена на рис. 11.12. Интегрирование используется при решении дифференциальных уравнений, обработке и генерировании электрических сигналов. Используя те же свойства идеального ОУ (KU→∞, Rвход→∞), что и для инвертирующего усилителя, получаем, что входной ток протекает через конденсатор в цепи обратной связи
Напряжение на конденсаторе UC и выходное напряжение усилителя изменяются по закону
Произведение RC называют постоянной времени интегратора и имеет размерность времени, что соизмеримо с размерност6ью сигнала действующего на входе интегратора. При подаче на вход интегратора скачка напряжения постоянной величины Uвх=const, напряжение на выходе Uвых=Uвxt/(RC) не зависит от коэффициента усиления ОУ. Конденсаторы, используемые в интеграторах, должны иметь малые токи утечки, чтобы обеспечивать достаточную точность интегрирования. На точность интегрирования оказывают влияние входной ток ОУ, который, протекая через конденсатор обратной связи С, заряжает его, а так же напряжение смещения, которое влияет на входное напряжение, изменяя его и также подзаряжая конденсатор. Для повышения точности интегрирования необходимо:
1. Использовать ОУ с низким напряжением смещения;
2. Выбирать ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах;
3. Включать между неинвертирующим входом и землей резистор, шунтируя его иногда конденсатором.
Интеграторы широко применяются при создании генераторов линейно изменяющегося и синусоидального напряжений, точных фазосдвигающих устройств, обеспечивающих получение фазового сдвига напряжения величиной 90° с погрешностями минуты–десятки минут, а также в качестве фильтров низких частот.
Схема логарифмирующего усилителя, представлена на рис. Логарифмический усилитель обеспечивает получение на выходе сигнала с переменной составляющей пропорциональной во времени логарифму переменной составляющей сигнала на его входе.
В этой схеме в цепь обратной связи включен нелинейный элемент – транзистор в диодном включении, для прямой ветви ВАХ которого справедливо выражение
Логарифмируя, получим
Для напряжения на выходе ОУ справедливо равенство
- тепловой потенциал, Iо – обратный ток насыщения перехода.
Выходное напряжение определяется падением напряжения на открытом эмиттерном переходе транзистора. Коллекторная нагрузка транзистора равна R1||Rвх ОУ и является высокоомной. Выходное напряжение будет отрицательным при положительном входном напряжении. Для получения положительного выходного напряжения при отрицательном входном необходимо в цепи обратной связи использовать транзистор p–n–p типа. Для построения двухстороннего логарифмирующего устройства в цепи ОС необходимо включать параллельно два транзистора различных типов проводимости.
Это устройство, у которого выходное напряжение пропорционально во времени антилогарифму входного напряжения. Для нахождения по значению логарифмов исходных величин необходимо найти значение экспоненциальной функции от
логарифма . Антилогарифм определяется как экспонента логарифма. Для выполнения этой операции на входе ОУ включается транзистор, а в цепи ОС резистор, как
показано на рис. 11.20. Так как ток в цепи коллектора связан с током эмиттера следующей зависимостью , а напряжение на выходе Uвыx = RIoc = –RIK, то величина выходного напряжения равна
Для получения положительного выходного напряжения при отрицательном входном, на входе схемы необходимо включать транзистор n–p–n типа. Входное сопротивление антилогарифмического усилителя мало и определяется сопротивлением открытого транзистора (эмиттерного перехода).
Электронными ключами называют устройства, предназначенные для замыкания или размыкания электрических цепей под действием внешних управляющих сигналов. В бесконтактных электронных ключах используются нелинейные элементы: полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры. В отличие от механических переключателей электронные ключи обладают большим быстродействием и надежностью.
В зависимости от назначения ключевые схемы бывают: цифровые и аналоговые.
Различают статический режим работы ключа, когда он находится в закрытом или открытом состоянии, и динамический режим, соответствующий переключению из закрытого состояния в открытое и наоборот. Каждый из режимов работы описывается определенным набором характеристик и параметров.
Параметры статического режима электронного ключа определяются
его передаточной характеристикой, которая устанавливает зависимость выходного напряжения от входного Uвых = f(Uвх). Рассмотрим работу насыщенного электронного ключа на БТ, принципиальная схема которого представлена на рис. 8.2, а передаточная характеристика – на рис. 8.1.
В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют пологим участкам передаточной характеристики, ограниченным точками А и В. На пологом участке (ограниченном точкой А и соответствующем малым входным напряжениям Uвх< U0пор) ключ разомкнут, транзистор закрыт или находится в режиме отсечки, и на нем падает большое напряжение – напряжение логической единицы U1вых . При относительно большом входном напряжении Uвх>U1пор , соответствующем другому пологому участку, ограниченному точкой В, ключ замкнут, транзистор открыт и насыщен, выходное напряжение U0вых мало. Участок передаточной характеристики между точками А и В соответствует работе транзистора в активном режиме.
Основными параметрами статического режима являются (см. рис.8.2): пороговое напряжение нуля U0пор , соответствующее входному напряжению, при котором БТ находится на границе между режимом отсечки и активным режимом; пороговое напряжение единицы U1пор , соответствующее входному напряжению, при котором БТ находится на границе между активным режимом и режимом насыщения; напряжение логического нуля U0вых , соответствующее минимальному выходному напряжению; напряжение логической единицы U1вых , соответствующее максимальному выходному напряжению.
Различают запас помехоустойчивости по уровню нуля: U0пом=U0пор-U0вых
который определяет допустимое напряжение помехи положительной полярности, и запас помехоустойчивости по уровню единицы: U1пом =U1пор –U1вых который определяет допустимое напряжение помехи отрицательной полярности.
Электронными ключами называют устройства, предназначенные для замыкания или размыкания электрических цепей под действием внешних управляющих сигналов. В бесконтактных электронных ключах используются нелинейные элементы: полупроводниковые диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры. В отличие от механических переключателей электронные ключи обладают большим быстродействием и надежностью.
В зависимости от назначения ключевые схемы бывают: цифровые и аналоговые.
Различают статический режим работы ключа, когда он находится в закрытом или открытом состоянии, и динамический режим, соответствующий переключению из закрытого состояния в открытое и наоборот. Каждый из режимов работы описывается определенным набором характеристик и параметров.
Динамический режим ключа описывается параметрами быстродействия, которые определяются скоростью переходных процессов, возникающих в устройстве при подаче на вход прямоугольного импульса (рис. 8.5). Быстродействие ключа определяется параметрами используемого активного элемента – транзистора, номинальных значений элементов схемы, характера и параметров нагрузки.
Различают следующие параметры быстродействия:
время задержки tзд – интервал времени от момента подачи входного сигнала до момента, когда ток коллектора достигнет значения 0,1∙IКнас , определяется длит-тью заряда барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов БТ, tзд часто называют временем задержки включения;
длительность фронта tф – интервал времени, в течение которого коллекторный ток нарастает от значения 0,1∙IКнас до 0,9∙IКнас определяется скоростью накопления носителей в базе;
время включения
время рассасывания tрас – интервал времени между моментом подачи на базу транзистора запирающего импульса до момента, когда ток коллектора уменьшается до 0,9IК нас, определяется скоростью рассасывания избыточных носителей базы, tрас часто называют временем задержки выключения;
длительность спада tсп – интервал времени, в течение которого ток коллектора уменьшается от уровня 0,9IК нас до уровня 0,1IК нас, определяется скоростью рассасывания неосновных носителей базы и коллектора;
время выключения
где IБ обр m - амплитуда обратного тока базы в момент подачи на базу запирающего импульса.
Принципиальная схеме ключа на БТ
Для повышения быстродействия ключа используют следующие способы:
1) увеличивают значения входного тока транзистора в промежутки времени, соответствующие его отпиранию и запиранию, что позволяет быстрее заряжать и разряжать емкости переходов транзистора;
2) уменьшают коэффициент насыщения транзистора, что приводит к уменьшению емкостей БТ. Эти способы реализуются в схеме ключа с форсирующей емкостью (рис. 8.6) и схеме ключа с диодом на барьере Шотки (ДБШ) (рис. 8.7) соответственно. При реализации ключей в интегральном исполнении второй способ оказывается более предпочтительным, но при этом растут потери в закрытом состоянии ключа.
В схеме с форсирующей емкостью (см. рис. 8.6) при подаче входного открывающего сигнала сопротивление емкости CФ значительно меньше сопротивления резистора RФ, в связи с этим большой ток заряда емкости приводит к возрастанию тока базы и быстрейшему открыванию транзистора. В открытом состоянии транзистора, когда емкость зарядилась практически до напряжения Uвх m , ток базы уменьшается и его величина определяется сопротивлением последовательно включенных резисторов RГ + RФ. При подаче на вход ключа запирающего напряжения Uвх =0 , к базе транзистора приложено напряжение -Uвх m , обусловленное наличием заряженного конденсатора CФ, что приводит к увеличению токов разряда емкостей транзистора.
Наиболее перспективным способом увеличения быстродействия ключа является применение нелинейной отрицательной обратной связи (см. рис. 8.7). В закрытом состоянии транзистора ДБШ, включенный параллельно коллекторному переходу, также закрыт, поскольку потенциал коллектора выше потенциала базы. Свозрастанием коллекторного тока потенциал коллектора уменьшается, когда напряжения на коллекторе и базе становятся равными, открывается ДБШ, пороговое напряжение которого Uпор = 0 1-0,2 В. Входной ток перераспределяется между базой БТ и ДБШ. Это препятствует дальнейшему росту тока базы и не позволяет входить БТ в режим насыщения, что уменьшает емкости его переходов.
Ключи на полевых транзисторах, схемы которых представлены на рис. 8.8, бывают с резистивной нагрузкой (рис. 8.8, а, б); динамической нагрузкой (рис. 8.8, в), когда транзистор выполняет функцию нелинейной нагрузки в цепи стока.
В ключах с резистивной нагрузкой (см. рис. 8.8, а, б), когда транзистор закрыт, выходное напряжение стремится к напряжению источника питания (уровень логической единицы Uвых1 ). Если транзистор открыт входным сигналом, то напряжение U СИ открытого транзистора определяется малым остаточным напряжением порядка 0,02…0,04 В. Для уменьшения остаточного напряжения вместо резистора RС используют транзистор (см. рис. 8.8, в), затвор которого может соединяться с истоком или стоком.
Если бы в открытом состоянии нагрузочный транзистор был закрыт, то выходное напряжение стремилось бы к нулю и ключ не потреблял бы энергии в статическом состоянии. Это достигается в ключах на комплементарных транзисторах (см. рис. 8.8, г). Транзистор VT2 – ключевой, а транзистор VT1 – нагрузочный. Затворы обоих транзисторов объединены и являются входом ключа. При нулевом потенциале на затворах транзистор VT2 закрыт, сопротивление его канала велико, а транзистор VT1 открыт и работает в линейной области, сопротивление его канала мало. Напряжение на выходе ключа практически равно UИП. При подаче на затворы напряжения, близкого к UИП, транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На выходе формируется уровень напряжения, близкий к потенциалу «общей точки».
Преимущества:
1.Малое потребление энергии от ИП в статическом режиме(т.е. высокое КПД)
2.Высокая помехоустойчивость, что связано с большим перепадом Uвх (Uвх=0….Uп; Uп=3….15В).
3. Высокое Rвх
4.Высокая нагрузочная способность(кол-во ключей, которые м.б. подключены к выходу)
5.Широкий диапозон рабочих температур.(-50…..1100).
Логические элементы (ЛЭ) предназначены для реализации логических функций и являются одним из наиболее распространенных типов цифровых устройств, имеющих как самостоятельное применение, так и входящих в состав более сложных схем, выполненных на их основе, например, триггеров, регистров, счетчиков, распределителей, сумматоров, дешифраторов. Логические элементы делятся на по тенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.
Логические элементы по режиму работы подразделяются на статические и динамические. Статические ЛЭ могут работать как в статическом, так и в динамическом (импульсном) режимах. Статические элементы наиболее широко
используются в современных микросхемах. Динамические ЛЭ могут работать
только в импульсном режиме.
Логические элементы классифицируют также по типу применяемых транзисторов. Наибольшее распространение получили ЛЭ на биполярных и МДП-транзисторах. Кроме того, интенсивно разрабатываются ЛЭ на арсенид-галлиевых полевых транзисторах с управляющим переходом металл–полупроводник (МЕП-транзисторах) и гетероструктурных полевых транзисторах с управляющим переходом металл–полупроводник (ГМЕП-транзистор). Для каждого из перечисленных типов ЛЭ существует большое число их схемо-технических и конструктивно-технологических разновидностей. Например, к биполярным ЛЭ относятся элементы ТТЛ, эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), интегральной инжекционной логики и др.
Элементарными логическими функциями являются: логическое сложение (дизъюнкция), логическое умножение (конъюнкция), логическое отрицание
(инверсия). Аналитические формы записи функций позволяют получить основные
законы алгебры логики отдельно для операций логического умножение и сло-
жения (И и ИЛИ).
ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ИЛИ–НЕ образуется путем отрицания результатов, полученных при выполнении операции ИЛИ. При входных сигналах, равных единице, сигнал на выходе соответствует логическому нулю, а при нулевых сигналах на всех входах сигнал на выходе равен "1".
Функция И–НЕ образуется путем отрицания результата, получаемого при выполнении операции И. Число входов элемента И–НЕ определяется числом аргументов функции И–НЕ. При подаче логического нуля на один из входов на выходе образуется логическая единица. Если на всех входах действует логическая единица, то сигнал на выходе равен логическому нулю.
На рис. представлена операция ИЛИ.
1. Uвх1=Uвх2=0
Диоды VD1 и VD2 закрыты, ток IR=0, Uвых=0.
2. Uвх1≠0, Uвх1>Uпор; VD1 открыт→IR≠0
|
X1 |
X2 |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
Uвх1>> Uпор→ IR≈ Uвх/R
Uвых≠0; UвыхUвх- Uпор
На рис. представлена операция И
1. Uвх1=0, IR1≠0
IR1= (Uп-Uд1)/R1≈ Uп/R1
Uвых≈ Uд1=0
2. Uвх1= Uвх2= Uп
VD1 и VD2 закрыты
|
X1 |
X2 |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
Uвых=R2/(R1+R2)* Uп
R2>R1→ Uвых≈ Uп
К настоящему времени научились реализовывать логические элементы с помощью различных технологий на различных п/пр приборах:
-- резисторно-транзисторная логика.
--диодно-транзисторная л.
--транзисторно-тразисторная л.
--эммиторно-связанная л.
--интегральная инжекционная л.
--МОП л.
--КМОП л.
Диодно–транзисторная логика (ДТЛ) представляет собой сочетание ди-
одных логических ячеек с транзисторным инвертором. Базовым логическим
элементом всех серий ДТЛ является элемент Шеффера (элемент И–НЕ), реали-
зующий операцию логического умножения с отрицанием.
Схема логического элемента ДТЛ представлена на рис. 9.14. Входные диоды VD1…VD3 и резистор R1 образуют входную логическую схему, выполняющую в положительной логике операцию И. Инвертор на транзисторе VТ1 выполняет логическую операцию НЕ, усиливает и формирует сигналы на выходе до стандартного уровня. Смещающие диоды VD4 и VD5 пред назначены для увеличения порога запирания и помехоустойчивости схемы в закрытом состоянии, а резистор R2 и
U2ип обеспечивают оптимальную величину тока этих диодов. Диоды VD1…VD3 должны обладать минимальным сопротивлением в проводящем состоянии; высоким (максимальным) обратным напряжением; малой емкостью и малым временем восстановления обратного сопротивления.
Принципиальная электрическая схема, условное обозначение, временные диаграммы базового логического элемента серий ТТЛ приведены на рис 9.16. Базовый лог элемент ТТЛ выполняет операцию И–НЕ (является элементом Шеффера). Схема базового элемента ТТЛ состоит из двух частей. Входная часть реализует лог функцию И с помощью VТ1 и резистора R1. Выходная цепь реализует функцию НЕ и содержит сложный инвертор на транзисторах VТ2…VТ4.
Базовые элементы различных серий ТТЛ различаются только инверторами, которые должны улучшать переходные характеристики, повышать помехоустойчивость и нагрузочную способность, потреблять небольшую мощность.
Для уменьшения входных токов транзистор VТ1 должен обладать малым ко-
эффициентом передачи тока базы в инверсном режиме h i э 21 ≈0,005…0,05 .
Логические элементы со сложным инвертором потребляют большую
мощность, занимают большую площадь кристалла, поэтому на их основе изготавливаются цифровые микросхемы малой и средней степени интеграции.
Быстродействие логических элементов различных серий ТТЛ можно повысить двумя путями:
– уменьшая сопротивление резисторов и паразитные емкости;
– обеспечивая работу транзисторов в активном, т.е. ненасыщенном режиме, при котором отсутствует накопление и рассасывание носителей в базах транзисторов. Оба эти способа повышения быстродействия нашли практическое применение.
Цифровые микросхемы эмиттерно–связанной логики составляют схемы на переключателях тока с объединенными эмиттерами, обладающие по сравнению с другими типами цифровых схем наибольшим быстродействием и большой потребляемой мощностью.
Большое быстродействие ЭСЛ логики обеспечивается:
– за счет работы транзисторов в ненасыщенном (линейном) режиме;
– за счет применения на выходах схемы эмиттерных повторителей, ускоряющих процесс заряда и разряда нагрузочных емкостей;
– за счет ограничения перепада выходного напряжения, что приводит к снижению статической помехоустойчивости.
Логический элемент состоит из трех частей: токового переключателя
(ТП), эмиттерных повторителей (ЭП), источника опорного напряжения (ИОН).
Рассмотрим принцип работы базового лог элемента для положительной логики. Если на все логические входы подается напряжение низкого уровня, соответствующее логическому нулю, то транзисторы VТ1–VТ3 закрываются, а транзистор VТ 4 открывается, так как напряжение на его базе становится выше, чем на базах входных транзисторов. Через открытый транзистор протекает ток Iк2, значение которого задается резистором Rэ, и создает падение напряжения на резисторе R2. Потенциал коллектора транзистора VТ4 при этом понижается и подается на вход эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VТ7. На выходе эмиттерного повторителя получается низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю.
В это же время через резистор R1 левой ветви токового ключа протекает небольшой обратный ток Iк1. Потенциал коллектора транзистора VТ3 повышается и поступает на базу эмиттерного повторителя транзистора VТ6. На выходе транзистора VT6 имеем большой потенциал, логическую единицу, при этом выполняется логическая операция ИЛИ–НЕ.
41. Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных логических ИМС и позволяют сравнивать между собой микросхемы различных типов. Основными параметрами являются:
1. реализуемая логическая функция;
2. быстродействие;
3. коэффициент объединения по выходу (нагрузочная способность);
4. помехоустойчивость;
5. потребляемая мощность;
6. устойчивость против внешних воздействий;
7. степень интеграции, надежность.
Быстродействие ИС определяется средним временем задержки сигнала. Среднее время задержки определяется временем прохождения сигнала через одну микросхему в устройстве. При определении средней задержки в качестве границ временных интервалов обычно берут точки на фронтах, соответствующие половине перепада напряжения, или точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 этого перепада
По среднему времени задержки ИС делятся на: сверхбыстродействующие tзад ср < 5 нс; быстродействующие 5 нс < tзад ср < 10 нс. среднего быстродействия 10 нс < tзад ср < 100нс; низкого быстродействия tзад ср > 100 нс.
Коэффициент объединения по входу – это максимальное число входов, которое может иметь логический элемент. С увеличением коэффициента объединения по входу расширяются логические возможности микросхемы за счет выполнения функции с большим числом э в на одном типовом элементе. Увеличение коэффициента объединения по входу ухудшает другие параметры микросхемы: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочную способность. Чаще всего коэффициент объединения по входу не превышает 8, что определяется ограниченным числом выводов ИС.
Коэффициент разветвления по выходу "n" (нагрузочная способность) определяется числом схем этой же серии, входы которых могут быть подключены к выходу данной схемы без нарушения ее работоспособности. Чем выше "n", тем шире логические возможности микросхемы и тем меньше число микросхем необходимо для построения сложного вычислительного устройства. Однако увеличение "n", т.е. увеличение числа нагрузок, ухудшает помехоустойчивость и быстродействие.
Помехоустойчивость Uп макс – наибольшее значение напряжения на входе микросхемы, при котором еще не происходит изменения уровней выходного напряжения. Помехоустойчивость определяется работоспособностью логического элемента при наличии различных помех, действующих на входе ИМС наряду с полезным сигналом. Помехи могут возникать как в самих логических схемах, так и наводиться от посторонних устройств. Помехи бывают статические и динамические. Под статическими понимают помехи, длительность которых значительно превышает длительность переходных процессов в логических элементах. К импульсной (динамической) помехе относятся кратковременные импульсы, длительность которых cоизмерима с длительностью переходных процессов в логических элементах. По статической помехоустойчивости логические элементы условно можно разделить на элементы: с низкой помехоустойчивостью Uп ст = 0,2…0,4 В; со средней помехоустойчивостью Uп ст = 0,4…0,8 В; с высокой помехоустойчивостью Uп ст > 0,8 В.
Импульсная помехоустойчивость всегда выше статической. Это вызвано тем, что при коротком импульсе помехи паразитные емкости в логическом элементе не успевают перезарядиться до пороговых уровней переключения микросхемы. По потребляемой мощности ИМС делятся на:
1.мощные 25 ≤ Рср ≤ 250 мВт (ЭСЛ-схемы);
2.средней мощности 3 ≤ Рср ≤ 25 мВт (ТТЛ-схемы); маломощные 0,3 ≤ Рср ≤ 3 мВт;
3.микромощные 1 ≤ Рср ≤ 300 мкВт (КМОП-схемы);
4.нановаттные Рср < 1 мкВт (интегральная инжекционная логика).
Потребляемая мощность зависит от напряжения источника питания Uип. Напряжение Uип должно соответствовать одному из значений стандартного ряда напряжений питания: 1,2; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,3; 9,0; 12,6 В. Для цифровых микросхем на биполярных транзисторах типовые значения Uип составляют 2…5 В, для схем на МДП-транзисторах 5…9 В.
Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое. Триггер имеет два устойчивых состояния 0 и 1 и два выхода: прямой Q и инверсный ‘Q’. Когда Q = 0 ‘Q’ = 1 триггер находится в нулевом состоянии, при Q = 1, ‘Q’ = 0 триггер – в единичном состоянии. Информационный вход, входной сигнал которого устанавливает триггер в единичное состояние, называют S–входом. Перевод триггера в нулевое состояние называют сбросом или гашением (reset), а соответствующий сигнал и вход обозначают R.
RS–ТРИГГЕР. Схема простейшего триггера получается на основе двух двухвходовых логических элементов ИЛИ–НЕ или И–НЕ. Устойчивое состояние обеспечивается за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы логических элементов служат для управления и называются информационными или логическими (R – сброс, S – установка).
Симметрия схемы не соответствует симметрии электрических режимов обоих логических элементов. Наличие соединения выходов устройства со входом создает условия, при которых один логический элемент будет закрыт, а другой – открыт, когда на обоих входах действует сигнал логического нуля R = S = 0. В связи с этим один выход называют прямым и обозначают буквой Q, а другой – инверсным и обозначают ‘Q’. Состояние триггера принято определять по сигналу на прямом выходе. При Q = 1 и ‘Q’ = 0 триггер находится в единичном состоянии, а в нулевом, когда Q = 0, а ‘Q’ = 1.
В зависимости от способа управления RS–триггеры бывают асинхронные и тактируемые. Асинхронный RS–триггер является простейшим триггером, в качестве самостоятельного устройства применяется редко, но является основой для построения более сложных триггеров.
На рис. 9.29 показаны структурные схемы асинхронного триггера на логических двухвходовых элементах ИЛИ–НЕ (рис. 9.29,а) и на двухвходовых элементах И–НЕ (рис. 9.29,в) и их обозначение на функциональных схемах (рис. 9.29,б,г) соответственно. Состояние триггеров под воздействием определенной комбинации входных сигналов приведены в таблицах функционирования (состояний) (табл. 9.2 и 9.3) и на временных диаграммах (рис. 9.29,д,е).
Рассмотрим принцип работы RS–триггера на логических элементах ИЛИ–НЕ с помощью таблицы состояний (табл. 9.2) и временных диаграмм (рис. 9.29,д). При подаче на оба управляющих входа нулевого сигнала R = S = 0 триггер сохраняет состояние, в котором он был в предыдущем такте, т.е. работает в режиме хранения информации, эта способность лежит в основе использования триггера, как элемента памяти. Предположим, что при такой комбинации информационных сигналов R = S = 0 значение сигнала на выходе Q = 0 (рис. 9.29,д). Этот нулевой сигнал поступает по цепи обратной связи на вход элемента D2, вызывая появление на выходе ‘Q’ единичного сигнала. В свою очередь единичный сигнал выхода ‘Q’, поступая на вход элемента D1, поддерживает вход т Q в нулевом состоянии.
Смена состояний триггера производится внешними сигналами и ее называют переключением, опрокидыванием или записью информации. Если на S подать логическую единицу, а на R вход – 0, то триггер переключается в единичное состояние Q = 1; ‘Q’ = 0, и этот режим называют установкой (записью) единицы. При R = 1 и S = 0 триггер переходит в нулевое состояние Q = 0; ‘Q’ = 1 (установка 0 или сброс триггера). При этом элементы триггера переключаются не одновременно, а последовательно, друг за другом.
Если одновременно подать переключающие сигналы на оба входа R = S = 1 на обоих выходах появятся логические нули Qn+1= Qn+1= 1, устройство утрачивает свойства триггера. Если теперь одновременно снять единицы со входов R и S, то оба элемента начнут переключаться в единичное состояние. Триггер равновероятно может принять любое из двух устойчивых состояний. Для разработчика устройства состояние триггера оказывается неопределенным и неуправляемым. Комбинация входных сигналов S = R = 1 для схемы триггера на элементах ИЛИ–НЕ является запрещенной, и в обычных условиях ее не используют. Комбинацию входов R = S = 1 допустимо применять, лишь когда обеспечено не одновременное, а строго поочередное снятие R– и S–сигналов.
RS–триггер, собранный на логических элементах И–НЕ (рис. 9.29,в, г), схемотехнически не отличается от триггера на элементах ИЛИ–НЕ, но закон функционирования имеет иной вид.
Синхронизируемый RS–триггер отличается от асинхронного RS–триггера наличием входной логической схемы, на которую кроме информационных сигналов поступают синхронизирующие импульсы. На рис. 9.30 приведены структурная схема, условное обозначение, временные диаграммы, таблица состояний синхронизируемого RS–триггера на элементах И–НЕ.
У синхронных триггеров смены сигналов на входах ещё недостаточно для его переключения. Необходим дополнительный синхронизирующий (тактовый) импульс, поступающий на синхровход триггера. Сигнал называют также синхроимпульсом, С-сигналом, С-импульсов, а синхровход- С-входом.
Элементы D1 и D2 образуют устройство управления (схему запуска), элементы D3,D4- асинхронный RS-триггер. Триггер имеет прямые статические сходы, поэтому управляющим сигналом является уровень логической единицы. При R=S=0 независимо от наличия или отсутствия синхроимпульсов (рис. 9.30,в) на выходах логических элементов D1,D2 действует уровень логической единицы, что поддерживает в исходном состоянии асинхронный RS-триггер. При поступлении информационного сигнала на любой из входов и отсутствии синхронизирующего импульса по-прежнему на выходах логических элементах D1,D2 действует уровень логической единицы. Таким образом информационные сигналы при отсутствии синхроимпульса не могут изменить состояния триггера. При одновременной подаче сигнала логической единицы на S- и С-входы (S=C=1, R=0) на выходе элемента D1 действует сигнал логического нуля, что приводит к переключению триггера на элементах D3,D4 в состояние логической единицы (рис. 9.30,в). Очевидное переключение триггера возможно при R = C = 1; S = 0. Комбинация сигналов S=R = C = 0 является запрещенной, ибо на выходах элементов D1, D2одновременно присутствует логический нуль, что запрещено для асинхронного RS–триггера на элементах И-НЕ. Характерной особенностью триггера (рис. 9.30,а), является то, что в течение всего отрезка времени, когда синхросигнал равен 1, как и сами потенциалы на информационных S– и R–входах, так и любые их изменения тут же передаются на выход, что отражено в таблице состояний синхронизируемого RS–триггера (табл. 9.4). Такой триггер прозрачен по S– и R–входам при С = 1.
Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое. Триггер имеет два устойчивых состояния 0 и 1 и два выхода: прямой Q и инверсный Q. Когда Q = 0, Q = 1 триггер находится в нулевом состоянии, при Q = 1, Q = 0 триггер – в единичном состоянии.
D–ТРИГГЕРЫ. D–триггером называется триггер с одним информационным входом, работающий так, что сигнал на выходе после переключения равен сигналу на входе D до переключения (Qn+1=Dn). Основное назначение D–триггера – задержка сигнала, поданного на вход D.
Информационный сигнал (0 или 1), поступающий на вход D, задерживается в триггере на время, равное одному периоду следования синхроимпульсов, прежде чем появится на прямом выходе Q.
На практике наибольшее применение получили тактируемые (однотактные и двухтактные) D–триггеры. Они имеют информационный вход D (вход данных) и вход синхронизации С. Вход синхронизации C может быть статическим (потенциальным) и динамическим. У триггеров со статическим входом C информация записывается в течение времени, при котором уровень сигнала С = 1. В триггерах с динамическим входом С информация записывается только в течение перепада напряжения на входе С. Динамический вход изображают на схемах треугольником. Если триггер срабатывает по фронту входного сигнала, то вершина треугольника обращена в сторону микросхемы (прямой динамический вход). Если триггер срабатывает по срезу импульса, то вершина треугольника обращена от микросхемы (инверсный динамический вход).
На рис. 9.32 приведена структурная схема, условное обозначение и временные иаграммы одноступенчатого (однотактового) D–триггера на элементах И–НЕ.
На элементах D1 и D2 выполнена схема управления, а на элементах D3, и D4 – асинхронный RS–триггер. Если уровень сигнала на синхровходе С = 0, то состояние триггера устойчиво и не зависит от уровня сигнала на информационном D–входе. Предположим, что Q = 1; = 0; D = 0; C = 1. При подаче на синхровход логической единицы на обоих входах логического элемента D2 будут действовать единичные сигналы. Элемент D2 открывается, а элемент D4 закрывается и Q= 1. На обоих входах логического элемента D3 действуют единичные сигналы, которые открывают его, т.е. Q=0. Итак, после переключения триггера сигнал на выходе Q стал равен сигналу на входе D до переключения. При снятии единичный сигнал с С–входа состояние триггера не изменяется. При С = 0 и при воздействии единичного сигнала на информационный вход D = 1 состояние логических элементов D1 и D2 не изменяется, триггер сохраняет предыдущее состояние. При одновременной подаче единичных сигналов на оба входа D = С = 1 элемент D1 открывается, а элемент D3 закрывается
Q = 1. Элемент D4 открывается Q= 0, состояние элемента D2 не изменяется и триггер переключается. Таким образом, в триггер записывается та информация, которая была на входе D до синхронизирующего импульса. Для четкой работы триггеров необходимо, чтобы к приходу следующего импульса синхронизации потенциалы выходов логических элементов приняли значения, исключающие ложные срабатывания. Минимальный интервал между импульсами синхронизации у таких триггеров должен быть равен tмин =4tздср , а максимальная частота включения fмакс =1 tмин ; tзд ср – среднее время задержки распространения сигнала одним логическим элементом. Работа триггера поясняется временными диаграммами, представленными на рис. 9.32,в.
Структура триггера не изменится, если в нем логические элементы И–НЕ заменить на элементы ИЛИ–НЕ. При этом прямой выход станет инверсным, а инверсный – прямым.
Функциональная схема и условное обозначение двухступенчатого D–триггера показано на рис. 9.33. Он состоит из двух последовательно включенных синхронных RS–триггеров, первый из которых называется ведущим (master) или M–триггером, а второй ведомым (slaver) или S–триггером. За счет наличия общего синхросигнала С вся схема работает как единое целое. В связи с этим схема называется двухступенчатой или MS–триггером. При C = 1 происходит переключение M–триггера согласно сигналу на входе D. S–триггер в это время заблокирован, так как у него на входе C = 0. Если на С–входе действует нулевой потенциал, то C–триггер переключается и устанавливается в то же со-
стояние, что и M -триггер.
Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое. Триггер имеет два устойчивых состояния 0 и 1 и два выхода: прямой Q и инверсный Q. Когда Q = 0, Q = 1 триггер находится в нулевом состоянии, при Q = 1, Q = 0 триггер – в единичном состоянии.
Т–ТРИГГЕР. Триггером T––типа (счетным триггером) называют логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями и одним входом T, которое остается в исходном состоянии при Т = 0 и инвертирует свое исходное состояние при Т = 1. Основным способом построения счетных триггеров является введение соответствующих обратных связей в синхронизируемые RS– и D–триггеры.
На рис. 9.34 показана структурная схема, условное обозначение и временные диаграммы T–триггера, собранного на базе синхронного RS–триггера, у которого прямой выход Q соединяется с S–входом, а инверсный выход Q соединяется со входом R. В T–триггере имеются дополнительные обратные связи на входы вентилей D1 и D2, подключенные через линии задержки ЛЗ1 и ЛЗ2. Назначение этих линий – задержка поступления сигналов обратной связи на вход инверторов до окончания входного сигнала. В качестве линии задержки используется один или два логических элемента. Их задержки распространения сигнала бывает достаточно для четкой работы T–триггеров, выполненных на микросхемах любых типов.
Для реализации T–триггера часто используют схему D–триггера с динамической синхронизацией, у которого инверсный выход Q соединяется с D–входом. Информационный сигнал подают на С–вход (рис. 9.35). Пусть на D–входе действует сигнал логической единицы, при переключении С–входа с уровня логического нуля до уровня логической единицы триггер переходит в единичное состояние Q = 1. Потенциалы на выходе Q и на D–входе равны логическому нулю. Последующий перепад напряжения с нуля до единицы на C–входе установит триггер в нулевое состояние. Потенциал на D–входе станет равным логической единице. Состояние триггера меняется на противоположное при каждом перепаде импульса напряжения на C–входе, триггер как бы считает проходящие импульсы. В сериях выпускаемых микросхем T–триггеров нет. Они строятся на базе синхронизируемых RS– и D–триггеров.
Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое. Триггер имеет два устойчивых состояния 0 и 1 и два выхода: прямой Q и инверсный Q. Когда Q = 0, Q = 1 триггер находится в нулевом состоянии, при Q = 1, Q = 0 триггер – в единичном состоянии.
JK–ТРИГГЕРЫ. JK–триггер имеет два информационных входа J и K. По входу J триггер устанавливается в состояние Q = 1, Q= 0, а по входу K – в состояние Q = 0, Q = 1. JK–триггеры подразделяются на универсальные и комбинированные. Универсальность JK–триггера состоит в том, что при соответствующем подключении информационных входов он может выполнять функции RS–, D–, T–триггеров. Комбинированный JK–триггер отличается от универсального наличием дополнительных асинхронных входов S и R, предназначенных для предварительной установки триггера в определенное состояние (логической единицы или нуля).
Простейший JK–триггер можно получить из синхронного RS–триггера, введя дополнительные обратные связи с выходов триггера на входы (рис. 9.36). Такой триггер не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов, и при J = K = 1 осуществляется инверсия предыдущего состояния (табл. 9.6). При J = K = 0 и при наличии синхросигнала на входе С состояние триггера не изменяется, так как сигнал логического нуля на одном входе элемента И–НЕ отменяет прохождение сигналов от других входов, и на выходе имеется сигнал логической единицы. Для перевода триггера в единичное состояние необходимо одновременное присутствие сигналов на
C– и J– входах. При подаче на входы J и K одновременно напряжений логической единицы и наличии синхросигнала триггер переключается в состояние, противоположное предыдущему. Если соединить вместе J– и K–входы, то триггер станет счетным и превратится в T–триггер. Если ввести инвертор в цепь входа K, то JK–триггер превращается в D–триггер.
Мультивибраторами называются импульсные устройства, которые находятся в состоянии квазиравновесия или имеют не более одного состояния устойчивого равновесия. Мультивибраторы относятся к классу устройств релаксационного типа, у которых происходит заряд или разряд конденсаторов в цепях обратной связи. Мультивибраторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.
Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний; ждущем; синхронизации. На практике чаще применяются устройства, использующие первые два режима.
В режиме автоколебаний мультивибратор обладает двумя временно устойчивыми состояниями. Мультивибратор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы.
В ждущем режиме работы мультивибратор имеет устойчивое состояние равновесия и состояние квазиравновесия, в которое он переходит под действием внешнего запускающего импульса.
В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подается синхронизируемый сигнал. Время пребывания в состояниях квазиравновесия зависит не только от параметров мультивибратора, но так же от периода синхронизирующего напряжения. При снятии синхронизирующего напряжения мультивибратор работает в автоколебательном режиме.
Мультивибраторы на логических интегральных элементах
При работе мультивибраторов в цифровых устройствах они обычно выполняют вспомогательные функции, к ним не предъявляется жестких требований по стабильности временных параметров генерируемых сигналов.
В качестве элементов мультивибратора используются те же элементы, что и для всего цифрового устройства, это позволяет унифицировать элементную базу и обеспечить хорошее их согласование с цифровой аппаратурой. Использование ключевого режима работы транзисторов в цифровых логических элементах означает, что в автоколебательных мультивибраторах возбуждение колебаний может быть жестким.
Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, строятся
по схемам с постоянным и автоуправляемым смещением.
Автоколебательный мультивибратор с постоянным смещением
Схема автоколебательного мультивибратора с использованием логических элементов И–НЕ приведена на рис. 9.37. Логические элементы D1 и D2 выполняют роль инверторов. Резисторы R1 и R2 совместно с конденсаторами С1 и С2 выполняют роль времязадающих цепей мультивибратора. Диоды VD1, VD2, шунтирующие резисторы, защищают входы схемы от больших выбросов напряжений, возникающих на резисторах при разряде конденсаторов через насыщенные выходные транзисторы элементов D1, D2.
Мультивибратор работает следующим образом. Предположим, что на промежутке времени 0 ≤ t ≤ t1 логический элемент D1 закрыт, а D2 открыт. На выходе D1 действует высокий уровень напряжения (U1вых), которым заряжается конденсатор С1. На резисторе R2 создается падение напряжения, которое во времени уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 9.37,б) и, поступая на вход элемента D2, удерживает его в открытом состоянии. Постоянная цепи заряда конденсатора C1 определяется выражением τз = R2*C1. За время заряда конденсатора C1 происходит разряд конденсатора C2 по цепи: нижняя обкладка конденсатора C2, насыщенный транзистор инвертора элемента D2, корпус, диод VD1, верхняя обкладка конденсатора C2. Время разряда конденсатора C2 определяется выражением
Как только напряжение на входе элемента D2 станет меньше порогового Uпор, он начинает закрываться. Увеличение напряжения Uвых2 через конденсатор С2 передается на вход элемента D1, который начинает открываться. Уменьшение Uвых, через конденсатор С1 передается на вход элемента D2, схема начинает переходить во второе квазиравновесное состояние. После этого конденсатор C2 начнет заряжаться, а C1 – разряжаться.
Длительность импульса и паузы определяется по формулам
где U0 ≠ UVD0.
Автоколебательные мультивибраторы с автоуправляемым смещением
Мягкий режим возбуждения можно обеспечить при помощи дополнительных логических элементов, исключающих срыв колебаний. В зависимости от сочетания уровня выходного напряжения на дополнительных логических элементах вырабатывается управляющее напряжение смещения, исключающие жесткий режим работы.
Схема мультивибратора с автоуправляемым смещением представлена на рис. 9.38. Мультивибратор состоит из симметричного мультивибратора (D1, D2, С1, С2, R1, R2, VD1 и VD2) и схемы выработки управляющего напряжения смещения (собранной на элементах D3 и D4). Логический элемент D3 осуществляет логическую операцию И–НЕ, а элемент D4 служит инвертором.
Жесткое самовозбуждение мультивибратора будет тогда, когда элементы D1 и D2 одновременно открыты. Для предотвращения этого режима на логические
входы элементов D1 и D2 подают положительное напряжение. Это осуществляется таким образом: на входы элемента D3 подаются уровни высокого напряжения U1вых
с выходов мультивибратора. Под действием этих сигналов элемент D3 открывается, и его низкое выходное напряжение поступает на вход инвертора D4. Высокое выходное напряжение U1вых с выхода элемента D4 поступает через резисторы R1 и R2 на входы D1, D2, открывая их, обеспечивая мягкий режим самовозбуждения мультивибратора.
При одновременном открывании элементов D1 и D2 на их выходах формируется низкое напряжение U0вых, которое, поступая на вход элемента D3, закрывает его. На выходе элемента D3 формируется высокое напряжение U1вых, которое открывает инвертор D4. Резисторы R1 и R2 через малое выходное напряжение подключаются на корпус, замыкая входы мультивибратора на корпус. Элементы D1 и D2 начинают закрываться, что приводит к возбуждению колебаний мультивибратора.
В режиме автоколебаний логические элементы D1 и D2 поочередно находятся в открытом и закрытом состояниях. Элемент D4 будет всегда открыт и замыкать резисторы R1 и R2 на корпус.
Регулировка длительности и периода повторения импульсов осуществляется дискретно с помощью конденсаторов C1 и С2.
СВЧ подразделяется на:
ультравысокие частоты (УВЧ, UHF) 0,3..3 ГГц;
сверхвысокие частоты (СВЧ, SHF) 3..30 ГГц;
крайне высокие частоты (КВЧ, EHF) 30..300 ГГц;
гипервысокие частоты (ГВЧ, ННF) 300..3000 ГГц.
Граничным частотам приведенных диапазонов соответствуют определенные значения длин волн, которые можно определить по формуле λ = c/f = 30/f, (1.1)
где λ – длина волны, см; c – скорость распространения света; f – частота, ГГц.
Если определять диапазоны не частотами, а длинами волн, то диапазон УВЧ может быть назван дециметровым диапазоном (ДМВ) λ = 10..1 дм; СВЧ – сантиметровым (СМВ), λ = 10..1 см; КВЧ – миллиметровым (ММВ), λ = 10..1 мм, а ГВЧ – децимиллиметровым (ДМ), λ = 1..0,1 мм.
Ввиду большой общности свойств этих диапазонов, а также общности принципов построения приборов и устройств этих диапазонов, их принято считать единым диапазоном сверхвысоких частот (СВЧ).
В диапазоне СВЧ существует возможность создания узконаправленного излучения при сравнительно небольших геометрических размерах антенн. Это позволяет осуществлять направленную передачу сигналов, достоинством которой являются снижение взаимных помех, увеличение дальности действия радиосистем, скрытность передачи, высокая точность радиолокационного определения координат объектов и др.
Огромная ширина диапазона СВЧ позволяет разместить в нем большое число каналов связи, использовать широкополосные помехоустойчивые виды модуляции. Это дает возможность осуществлять высококачественную передачу телефонных и телевизионных сигналов, передавать с большой скоростью цифровую информацию компьютерных сетей.
В диапазоне СВЧ мал уровень промышленных и атмосферных помех, условия распространения радиоволн СВЧ диапазона не зависят от смены времени суток и сезонов года. В связи с этим минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется собственными шумами приемных устройств.
Электромагнитные колебания части СВЧ диапазона проходят с малым затуханием сквозь толщу атмосферы Земли. Это позволяет использовать СВЧ диапазон для связи с космическими объектами, передачи информации через спутники связи, в радиоастрономии.
Увеличение частоты колебаний ведет к пропорциональному увеличению кванта энергии, и в диапазоне СВЧ квант энергии соизмерим с энергиями возбуждения и ионизации атомов и молекул различных веществ.
СВЧ колебания хорошо поглощаются многими диэлектрическими материалами, парами воды. На этом свойстве СВЧ энергии основаны СВЧ нагрев и сушка материалов, использование СВЧ энергии в пищевой промышленности, быту, с целью ускоренного приготовления пищи, пастеризации, стерилизации и обезвоживания пищевых продуктов.
Волны СВЧ диапазона применяются в медицине для прогрева тканей организма (диатермия), в фармакологической технологии. СВЧ колебания могут оказывать специфическое воздействие на процессы в живых клетках, что также используется в медицине и для биологических исследований.
В диапазоне СВЧ длина волны становится соизмеримой с размерами элементов цепей, что приводит к обычно не контролируемым излучениям элементов схем, создающих нежелательные связи между элементами и увеличивающих потери энергии за счет излучения. Увеличение частоты колебаний приводит к росту потерь в диэлектрических материалах, используемых в конструкции СВЧ устройств. Рост потерь в диапазоне СВЧ связан также с характером протекания токов по проводникам. Если на постоянном токе и на низких частотах плотность тока по поперечному сечению проводника постоянна, то при значительном увеличении частоты ток в основном будет протекать в тонком поверхностном слое проводника. Это явление называется скин-эффект. При этом плотность тока экспериментально
уменьшается от своего максимального значения на поверхности вглубь проводника. Толщину поверхности слоя (скин-слоя) полагают равной такой толщине, на которой плотность тока уменьшается в е раз.
Толщина скин-слоя определяется выражением:[мкм] (1.2)
где f – частота в МГц, Gм = 3,8×107 См/м – удельная проводимость меди, G – удельная проводимость рассматриваемого материала. Наличие скин-эффекта приводит к росту сопротивления проводников с увеличением частоты тока, протекающего через проводник.
Для уменьшения потерь энергии в диапазоне СВЧ используют специальные изоляционные материалы с малыми потерями, а также уменьшают активное сопротивление проводников с помощью увеличения их поверхности, улучшения чистоты обработки поверхности проводников, применения покрытий материалами с низкой удельной проводимостью (серебро, золото).
Особенностью диапазона СВЧ является характер передачи энергии электромагнитных колебаний. В диапазоне СВЧ используют линии передачи энергии, которые либо ограничивают пространство, где распространяется энергия (волноводы, коаксиальные линии, полосковые линии), либо задают направление распространения энергии (двухпроводные линии передачи).
Классификация СВЧ приборов
Приборы СВЧ предназначены для усиления, генерирования и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ диапазона. В зависимости от способа преобразования энергии различают электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. В электронных приборах СВЧ происходит преобразование электрической энергии источников постоянного или импульсного напряжения в энергию СВЧ колебаний при помощи потока свободных электронов, выполняющих роль посредника при передаче энергии, полученной от источника питания, электромагнитным колебаниям СВЧ. Передача энергии осуществляется в процессе движения электронов против сил торможения, создаваемых переменным электрическим СВЧ полем, связанным с колебательной системой.
В квантовых приборах в энергию электромагнитных колебаний СВЧ преобразуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвующие в процессе преобразования энергии, остаются связанными со своими атомами. Передача энергии от источника питания происходит в результате изменения квантовых состояний того или иного ансамбля частиц, входящих в состав вещества.
Все современные приборы СВЧ можно разделить на две большие группы по виду среды, в которой происходят процессы, приводящие к генерации и усилению СВЧ колебаний. К первой группе принадлежат приборы, внутри которых для нормальной работы необходим высокий вакуум. Приборы этой группы называются электровакуумными приборами СВЧ (ЭВП СВЧ). Ко второй группе отнесем приборы, в которых процессы происходят не в вакууме, а в веществе. Во вторую группу входят полупроводниковые приборы СВЧ, рабочей средой которых является объем легированного полупроводника, и квантовые приборы СВЧ, рабочим веществом в которых может быть диэлектрик или газ.
По характеру энергообмена ЭВП СВЧ могут быть разделены на приборы типов О и М.
Приборы СВЧ О-типа (от франц. L'onde – волна) – это приборы, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких приборах или не используется совсем, или применяется только для целей фокусировки электронного потока и не имеет принципиального значения для процесса преобразования энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний СВЧ. Характерной особенностью этих приборов является использование продольных статических электрических и магнитных полей. Движение электронов в таких приборах происходит по прямолинейным траекториям.
В приборах М-типа (магнетронного типа), которые еще также называются приборами со скрещенными полями, так как в таких приборах движение электронов происходит во взаимно перпендикулярных (скрещенных) статических электрическом и магнитном полях.
Траектории электронов в приборах М-типа имеют криволинейный вид. В процессе своего движения электроны, сохраняя кинетическую энергию, непрерывно смещаются в область с более высоким потенциалом, тем самым передавая часть своей потенциальной энергии СВЧ полю.
По длительности взаимодействия электронов с полем СВЧ ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с кратковременным (прерывистым) взаимодействием и приборы с длительным (непрерывным) взаимодействием. Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно являются приборами О-типа. Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О, так и М.
По виду управления электронным потоком ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с электростатическим и динамическим управлением.
Квантовые приборы удобно разделить на две группы в соответствии с диапазоном рабочих частот. Квантовые приборы СВЧ диапазона называют "мазерами". Квантовые приборы в оптическом диапазоне получили название оптических квантовых генераторов (ОКГ) или "лазеров
Инерция электронов является основной причиной резкого снижения выходной мощности ЭП СВЧ со статическим управлением при увеличении рабочей частоты. Значительное увеличение рабочей частоты и выходной мощности достигается в ЭП СВЧ специальной конструкции, в которых полезно используется время пролета электронов.
Создание таких приборов оказалось возможным в результате применения метода динамического управления электронным потоком. Сущность метода динамического управления электронным потоком сводится к тому, что на постоянный по плотности ускоренный электронный поток воздействуют СВЧ полем, которое изменяет во времени по периодическому закону скорость электронов. При дальнейшем движении электроны вследствие разницы в скоростях изменяют свое взаимное положение так, что при определенных условиях в электронном потоке происходит образование областей с повышенной плотностью (сгустков). Далее обеспечивают передачу энергию от сгустков электронного потока внешней колебательной системе. Другими словами, метод динамического управления сводится к модуляции электронного потока по скорости, превращению модуляции по скорости в модуляцию по плотности и передаче энергии от электронного потока в колебательную систему. При динамическом управлении время пролета электронов имеет решающее значение, так как только в процессе длительного движения электронов возможно группирование их в сгустки. Модуляцию электронного потока по скорости осуществляют СВЧ колебаниями, которые необходимо усилить, или для этого используют часть энергии, отводимой в модулирующее устройство через цепь обратной связи (в генераторах).
Превращение модуляции по скорости в модуляцию по плотности осуществляют в процессе движения электронов в пространстве взаимодействия с СВЧ полем, либо в тормозящем электростатическом поле, либо в пространстве свободном от полей.
Преобразование энергии сгруппированного ускоренного потока электронов в энергию СВЧ колебаний происходит в результате торможения сгустков в переменном электрическом поле колебательной системы.
ЭВП СВЧ с динамическим управлением делятся на две группы:
1. Приборы с кратковременным (дискретным) взаимодействием электронов с электромагнитным полем.
2. Приборы с длительным (распределенным) взаимодействием.
В приборах с кратковременным взаимодействием модуляция электронов по скорости и группирование электронов разнесены в пространстве и во времени. В приборах второй группы модуляция электронов по скорости и группирование электронов происходит при совместном движении электронов и поля бегущей волны на всем пути их движения.
50. Конструкция, принцип действия и параметры двухрезонаторного пролетного клистрона.
Клистронами наз-ют ЭВП СВЧ, использующие принцип динамического управления -ным потоком и содержащие один или несколько объемных резонаторов(рез-ров). К. бывают 2 основных разновидностей: пролетные и отражательные. В пролётных К. может быть более 2 резонаторов, поэтому их подразделяют на двухрезонаторные и многорезонаторные. Отражательные К. в основном имеют однорезонаторную конструкцию. К. применяются для усиления, генерирования и умножения частоты СВЧ-колебаний. К. являются приборами О-типа с кратковременным взаимодействием.
Рассмотрим принцип действия К. на примере усилительного двухрезонаторного пролётного К., схема устройства и включения которого представлена на рис.
-ы, эмиттируемые подогревным катодом 1, ускоряются полем ускоряющего электрода 2, на который подаётся положительное ускоряющее напряж-е U0. Этот электрод также несколько фокусирует -ный поток 4, движущийся далее к входному рез-ру 3. Это же напряж-е прикладывается к рез-рам 3, трубе дрейфа 5 и коллектору К. 7, которые обычно заземляются для удобства охлаждения,т.к. рез-ры связаны с линиями передачи, а коллекторы в мощных К. охлаждаются жидкостью.
К входному рез-ру 3 (модулятор) через коаксиальную линию или волновод и петлю связи подводятся СВЧ-колебания, подлежащие усилению.
Наводимое входным сигналом между сетками входного рез-ра переменное напряж-е U1=Um1sinωt имеет амплитуду, значительно меньшую ускоряющего напряж-я Um1<U0. Поэтому -ный поток, проходя промежуток между сетками рез-ра, под воздействием перемен. напряж-я почти не изменяет своей плотности, но после прохождения рез-ра -ны будут иметь различные скорости. Время прохождения -нами через зазор рез-ра много меньше периода колебания из-за достаточно большой скорости электронов V0, т. е. τ1< Т. Т.к. перемен. напряж-е между сетками рез-ра мало, то и различие в скоростях -ов, прошедших входной резонатор, будет небольшим. Дальнейшее движение -нов в трубе дрейфа 5 будет проходить в отсутствии электрич. поля под действием сил инерции. Эту область, где -ны движутся по инерции, но с различными начальными скоростями, называют пространством дрейфа.
Время движения -нов в пространстве дрейфа велико по сравнению с периодом колебаний, поэтому быстрые -ны успевают догнать медленные, образуя сгустки и разрежения -нов.
Т.о., небольшие изменения по скорости -нов, происходящие в рез-те воздействия перем. напряж-я между сетками входного рез-ра, приводят к изменениям плотности электрич. потока. Непрерывный -ный поток превращается в прерывистый, состоящий из сгустков и разряжений -нов. Сгустки -нов поступают в выходной рез-р 6 с частотой, равной частоте вход. сигнала, и наводят в нем импульсы тока. В резонаторе возникают СВЧ-колебания с частотой, равной частоте колебаний, подводимых к входному рез-ру.
Появляющееся между сетками рез-ра электрич. поле тормозит сгруппированные -ны, кинетич. эн-я, полученная ими от источника ускоряющего напряж-я U0, передается перемен. электрич. полю рез-ра, поддерживая т.о. возникшие в рез-ре колебания, отводимые в нагрузку через вывод энергии рез-ра.
-ны, прошедшие выходной рез-р и отдавшие часть своей энергии СВЧ-полю рез-ра, попадают на коллектор 7, где рассеивают оставшуюся часть кинетич. эн-и в виде тепла.
Мощность колебаний, установившихся в выход. рез-ре, превышает мощность колебаний, подводимых к вход. рез-ру. Расход энергии источника усиливаемых колебаний на группирование -нов близок к 0, поскольку в течение одной половины периода при ускорении -ны отбирают энергию от переменного электрич. поля, в течение другой - тормозятся и отдают свою энергию. При этом обмен энергией в выходном рез-ре происходит в одном направлении (от -нов к полю) из-за того, что сгустки -нов попадают в вых. рез-р в моменты времени, когда поле в зазоре рез-ра является тормозящим. Т. о., мощность колебаний увеличивается за счёт отбора энергии от источника пост. напряж-я. -ный поток служит лишь для передачи этой энергии переменному полю выходного рез-ра, а процесс модуляции -нов по скорости и группирование их в сгустки необходим для рациональной передачи этой энергии.
Ускорение -нов происходит под действием статич. электрич. поля, возникающего при приложении между катодом и ускоряющим электродом напряж-я U0 источника постоянного тока. Это напряж-е создает в промежутке между катодом и ускоряющим электродом электрич. поле с напряж-тью E0 = U0/d, где d - расстояние между катодом и ускоряющим электродом.
Если принять заряд электрона q, то поле будет действовать на -н с силой F0=qE0. Под действием этой силы -ны увеличивают свою скорость, приобретая дополнительную кинетическую энергию: mV0/2 = qU0,где m - масса -на.
Подставив в это ур-е значения m=9,11*10-31 кг и q=1,6*10-19 Кл, можно найти скорость -нов: V0==5,95*105*[м/с].
В процессе ускорения электроны приобретают от источника питания кинетическую энергию, преобразуемую в дальнейшем в энергию СВЧ-колебаний. Ускорение электронов способствует уменьшению угла пролета электрона через зазор резонатора. Величина постоянного тока, протекающего через клистрон, зависит от ускоряющего напряжения:
IK=I0=A*U3/2, где IK - ток катода(пост. ток пролетающий через К.);
А - коэффициент (первеанс), зависящий от геометрии, формы, размеров, катода, ускоряющего электрода, расстояния между ними; I0 - ток луча (коллектора).
В зазоре резонатора:
E(t)=-U1/d1*sinωt
Лампой бегущей волны О-типа называют ЭВП СВЧ, в котором используется длительное взаимодействие электронного потока, движущегося в продольном электрическом и магнитном полях с прямой гармоникой сигнала (бегущей волной), распространяющейся вдоль замедляющей системы. ЛБВО представляет собой усилительный прибор СВЧ диапазона. Длительное взаимодействие (в течение десятков и сотен полупериодов) электронов с электрическим полем волны позволяет получить требуемое группирование электронного потока при относительно слабом входном сигнале. Очевидно, что обмен энергией между электронами и волной происходит в результате взаимодействия электронов с продольной составляющей электрического поля волны, совпадающей по направлению со скоростью электронов.
Эффективное взаимодействие электронов с бегущей волной возможно, когда скорость электронов V0 приближенно равна фазовой скорости электромагнитной волны Vф в направлении движения электронов. Это называется условием фазового синхронизма и выражается следующим образом: V0 - Vф ≈ 0. (2.50) Так как скорость электронов всегда меньше скорости света в свободном пространстве, то для выполнения условия фазового синхронизма необходимо уменьшать фазовую скорость волны, взаимодействующую с электронами. Для замедления волны используются различные нерезонансные замедляющие системы.
На рис. схематично представлено устройство ЛБВО. ЛБВО состоит из трех основных элементов: электронного прожектора (пушки), замедляющей системы, фокусирующей системы. Электронный прожектор служит для создания ускоренного электронного потока с определенным сечением и интенсивностью. Он состоит из подогревного катода К, управляющего электрода УЭ, одного или двух анодов А1, А2. Управляющий электрод находится под небольшим отрицательным напряжением Uу относительно катода, регулируя величину которого можно изменять интенсивность электронного потока, т.е. величину тока луча.
Скорость электронов определяется ускоряющим напряжением U0, прикладываемым к анодам лампы А1, А2, замедляющей системе ЗС, коллектору лампы КЛ. Величина U0 составляет в зависимости от мощности ЛБВ от нескольких сотен вольт до десятков киловольт.Форма электродов, входящих в электронный прожектор, их взаимное расположение и напряжения на них относительно катода в совокупности действуют как электронная линза, предварительно фокусирующая электронный поток. Для фокусировки электронного потока при его движении внутри замедляющей системы для снижения эффекта взаимного расталкивания электронов используется продольное магнитное поле, создаваемое системой постоянных кольцевых магнитов, образующих фокусирующую систему ФС. В мощных ЛБВ для создания фокусирующего магнитного поля могут применяться соленоиды, питаемые постоянным током. Существуют ЛБВО с электростатической системой фокусировки, которые имеют меньшие габариты, вес, но требуют дополнительных питательных напряжений для фокусировки.
Электронный поток, прошедший через замедляющую систему, оседает на коллекторе КЛ, который для улучшения условий охлаждения обычно заземляется. Замедляющая система, связанная с внешними линиями передачи, заземляется так, что катод электронной пушки находится под высоким отрицательным напряжением U0.
Электронная пушка, замедляющая система, коллектор размещаются внутри вакуумной оболочки ЛБВ. В качестве замедляющей системы в ЛБВО чаще всего используется спираль с малым шагом τ << λс. Для предотвращения самовозбуждения ЛБВ в замедляющей системе размещают локальный поглотитель ЛП, с помощью которого устраняется обратная связь, возникающая при отражении сигнала от выхода замедляющей системы. На входе и выходе замедляющей системы используют специальные устройства для согласования ее с линиями передачи, которые могут быть волноводными либо коаксиальными. На вход замедляющей системы поступает СВЧ, сигнал который усиливается в приборе, и с выхода замедляющей системы передается в нагрузку.
Принцип работы ЛБВО основан на динамическом управлении электронным потоком, т.е. на модуляции электронного потока по скорости, которая по мере движения электронов к коллектору переходит в модуляцию по плотности и отборе части кинетической энергии сгруппированного потока электронов при торможении сгустков в электрическом поле бегущей волны. В ЛБВ группирование и отбор энергии от электронов не разделены в пространстве и происходят непрерывно при совместном движении волны и потока электронов в замедляющей системе.
Рассмотрим особенности происходящих в ЛБВ процессов, приводящих к усилению СВЧ колебаний. Ускорение электронов в ЛБВО происходит под действием ускоряющего напряжения U0, прикладываемого к аноду электронной пушки. Величина ускоряющего напряжения U0 определяет не только кинетическую энергию электронов, но и условия передачи этой энергии электрическому полю бегущей волны в замедляющей системе. Скорость электронов U0 при входе в заземляющую систему должна соответствовать условию фазового синхронизма. Модуляция электронов по скорости происходит на начальном участке замедляющей системы под действием продольной составляющей электрического поля Еz бегущей волны, создаваемой входным сигналом(рис а). Электрон 1, влетевший в замедляющую систему во время ускоряющего полупериода электрического поля, получает приращение скорости, а электрон 3, оказавшийся в тормозящем полупериоде, замедляется. Электроны типа 2 и 4, попавшие в систему в тот момент, когда напряженность СВЧ поля равна нулю, свою скорость не изменяют. Модуляция электронов по скорости приводит к модуляции их по плотности по мере движения вдоль замедляющей системы, при этом непрерывный поток электронов в замедляющей системе превращается в поток электронных сгустков. Группирование происходит вокруг электронов типа 2, попадающих в замедляющую систему в момент перехода СВЧ поля от ускоряющего к тормозящему. Изменение конвекционного тока Iк вдоль замедляющей системы при группировании электронного потока (рис б). Максимальные значения тока соответствуют центрам электронных сгустков, расположенных на расстояниях, близких к длине замедленной волны в системе. Образовавшиеся сгустки возбуждают наведенный ток, протекание которого по замедляющей системе вызывает появление бегущей волны, которая будет оказывать тормозящее действие на электроны сгустка. При этом увеличивается амплитуда взаимодействующей волны и происходит смещение сгустков к ускоряющим полупериодам бегущей волны с одновременным уплотнением сгустков под воздействием возрастающей амплитуды волны. Этот процесс продолжается по мере продвижения сгустков вдоль системы при соблюдении условий синхронизма между средней скоростью электронов и фазовой скоростью взаимодействующей волны. Для эффективной передачи энергии бегущей волне сгустки электронов должны слегка обгонять волну, чтобы находиться в тормозящих полупериодах(рис а). Для этого ускоряющее напряжение Uо должно быть такой величины, чтобы V0 > Vф. Так как скорость электронов в процессе взаимодействия с волной будет уменьшаться, то по мере движения вдоль замедляющей системы сгустки электронов будут смещаться относительно бегущей волны. Поэтому необходимо такое различие в скоростях электронов и волны, чтобы за время движения сгустка вдоль замедляющей системы он не вышел из области тормозящего поля. Обычно разница между V0 и Vф не более 5..10 %.
Рис а
Рис б
В результате передачи энергии от электронного потока полю бегущей волны ее амплитуда будет возрастать по мере распространения вдоль замедляющей системы, создавая усиление сигнала, подводимого ко входу лампы. Как показывают расчеты, нарастание амплитуды волны вдоль замедляющей системы происходит по экспоненциальному закону:
ЕL = Е0 е α z , (2.51)
где ЕL, Е0 - амплитуды продольной составляющей волны на входе и выходе замедляющей системы соответственно, α - коэффициент нарастания амплитуды, зависящий от конструкции замедляющей системы.
Лампы обратной волны О-типа (ЛОВ) являются электронными приборами длительного взаимодействия электронного потока с электромагнитной волной, распространяющейся по замедляющей системе, и представляют собой маломощные генераторы СВЧ с электронной перестройкой частоты в широких пределах.
Схематическое устройство ЛОВ показано на рис.2.23. Основными элементами ЛОВ являются: электронный прожектор, служащий источником электронов и формирующий электронный пучок; замедляющая система в виде двухзаходной спирали, уменьшающая фазовую скорость распространения электромагнитных волн; вывод высокочастотной энергии, расположенный в начале замедляющей системы со стороны, примыкающей к электронной пушке; коллектор, служащий для рассеивания энергии электронов и отвода тепла от лампы; фокусирующая система магнитного типа, создающая продольное магнитное поле. Электронный прожектор состоит из подогревного катода 1, управляющего электрода 2, первого анода 3. Первый анод служит для уменьшения влияния напряжения на коллекторе, изменяющегося в больших пределах на величину тока коллектора. К первому аноду прикладывается положительное относительно катода напряжение Uа порядком нескольких десятков или сотен вольт, позволяющее регулировать величину тока коллектора. Управляющий электрод обычно соединяют с катодом. На замедляющую систему 4 и коллектор 5 подают положительное относительно катода ускоряющее напряжение Uо порядком нескольких сотен или тысяч вольт, измененяя которое осуществляют перестройку частоты генерации ЛОВ.
Вывод высокочастотной энергии 6 в зависимости от конструкции замедляющей системы может быть коаксиального и волноводного типа. Для упрощения конструкции вывода энергии коллектор и замедляющая система соединяются с корпусом лампы, а катод находится под напряжением по отношению к корпусу. Для уменьшения вредного влияния отраженной от выхода замедляющей системы волны на процессы в лампе у коллектора размещают сосредоточенный поглотитель 7.
Магнитная фокусирующая система 8 выполняется в виде постоянного магнита. Магнитное поле фокусирующей системы направлено вдоль оси замедляющей системы и препятствует расхождению электронного пучка при его движении к коллектору.
Флуктуации электронного потока наводят в замедляющей системе слабые колебания, возникшая при этом электромагнитная волна может быть представлена суммой пространственных гармоник. Фазовая скорость одной из этих гармоник может удовлетворять условию синхронизма Vфn ≈ V0.
Замедляющие системы ламп обратной волны выполняют таким образом, чтобы амплитуда первой обратной гармоники в замедляющей системе была максимальна. Поэтому электронный поток будет взаимодействовать, прежде всего с полем именно этой гармоники. Взаимодействуя с полем обратной гармоники, электроны начнут группироваться в сгустки и отдавать свою энергию полю волны. Так как амплитуда волны будет нарастать, то эффект группирования электронов и передача энергии волне увеличатся еще более и т.д. Вектор групповой скорости волны противоположен по направлению векторам скорости электронов и фазовой скорости обратной гармоники (рис.2.23). Чтобы в лампе обратной волны установились стационарные колебания, необходимо выполнение двух условий - баланса фаз и баланса амплитуд. Для лампы обратной волны баланс фаз можно записать в виде
(ω* L/ Vф-1)-( ω* L/ V0) =π(2n+1) (2.60)
Где L– длина замедляющей системы, n - 0,1,2,3,... - номер зоны (порядка) генерации, Vl0 - скорость электронов, Vф-1 – фазовая скорость первой обратной гармоники.
При n = 0 в лампе возникнут колебания основного вида. Для их возбуждения необходимо наименьшее значение скорости электронов V0, а следовательно, наименьшая величина ускоряющего напряжения U0. Генерация колебаний в ЛОВ начинается при определенном минимальном значении тока коллектора I0, которое называется пусковым. При этом выполняется условие баланса амплитуд, которое для ЛОВ заключается в следующем: энергия, получаемая электромагнитной волной, в результате взаимодействия с электронным потоком должна быть достаточной для покрытия всех видов потерь и поддержания процессов модуляции электронного потока.
Для колебаний основного вида величина пускового тока
In0=0,124U0/RcN3 (2.61)
где U0 - ускоряющее напряжение, Rc - сопротивление связи замедляющей системы для первой обратной гармоники, N = l/λc - отношение длины замедляющей системы l к длине волны в замедляющей системе λс.
Для самовозбуждения в ЛОВ колебаний первого порядка необходимо, чтобы выполнялось условие
Iп1 > Io > 2..5Iпo, (2.62)
где Iп - пусковой ток для колебаний первого порядка, I0 – ток коллектора.
В приборах магнетронного типа (типа М) происходит преобразование потенциальной энергии электронов, движущихся в скрещенных постоянном электрическом и магнитных полях в энергию СВЧ колебаний. В таких скрещенных полях электроны подвергаются воздействию сил электрического и магнитного полей и могут двигаться по различным траекториям. Сила, действующая на электрон в скрещенных полях, слагается в общем случае из силы действия электрического поля Fe и силы магнитного поля Fм.
F = Fe + Fм, (2.66) где Fe = -eE, (2.67) где e-заряд
Fм = e[VВ]. (2.68)
Характер движения электрона в междуэлектродном пространстве зависит от соотношения значений напряженности Е электрического поля и индукции В магнитного, а также от начальной скорости электронов (рис.2.25).
Если поля отсутствуют (Е = В = 0), то на электрон не действуют силы и он движется равномерно и прямолинейно (рис.2.25,а). При движении в одном лишь постоянном электрическом поле (В=0) электрон получает ускорение в направлении противоположном линиям Е, и его траектория соответственно искривляется (рис.2.25,б).
Под действием магнитного поля электрон, движущийся равномерно и прямолинейно, перейдет на круговую траекторию и будет вращаться вокруг магнитных силовых линий (рис.2.25,в), сохранив значение своей скорости V. При этом радиус R описываемой окружности будет определяться из условия равенства магнитной и центростремительных сил: еVB = mV2/R. При определенной взаимной ориентации векторов Е, B, V электрическая и магнитная силы имеют противоположные направления и их равнодействующая F может быть равна нулю при V = Е/В. В этом случае движение электрона в скрещенных полях будет прямолинейно и равномерно в сечении, находящимся от отрицательного электрода на расстоянии d1 (рис.2.25,г), для которого выполняется условие еЕd1 = mV2/2. Если в скрещенных полях оказывается электрон с нулевой начальной скоростью, то его траектория оказывается циклоидой, т.е. кривой которую описывает точка, лежащая на окружности, катящейся без скольжения по плоскости (рис.2.25,д). При этом угловая скорость вращения окружности определяется выражением ωц = eB/m. (2.69)
Скорость перемещения ее центра (переносная скорость) Vn = E/B. (2.70)
Радиус окружности определяется из очевидного равенства Vn = ωцR, откуда R = Vn/ωц = mE/(eB2). (2.71)
В приборах типа М реализуются траектории типа прямой при
V = Vn = E/B и типа циклоиды при V = 0.
Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров – резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях.
Устройство многорезонаторного магнетрона
Анод магнетрона 1 представляет собой сплошной цилиндрический медный блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов 2, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона 3 имеет цилиндрическую форму и расположен внутри анода вдоль его оси.
Пространство 4 между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси прибора, которое создается постоянным магнитом. Постоянное или импульсное анодное напряжение Uа, прикладываемое между катодом и анодом, создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля. Вывод СВЧ-энергии осуществляется обычно от одного из резонаторов, например, с помощью петли 5 и коаксиальной линии.
Работа многорезонаторного магнетрона основана на длительном взаимодействии электронов с электрическим полем резонаторов. Электроны, эмиттируемые катодом магнетрона, подвергаются действию скрещенных постоянных электрического и магнитного полей и переменного СВЧ-поля системы резонаторов. В случае отсутствия СВЧ-поля (статический режим) электроны, двигаясь ускоренно под действием анодного напряжения, пересекают силовые линии магнитного поля. При этом их траектории искривляются и в зависимости от со-отношения электрического и магнитного полей могут иметь различный вид, как показано на рис.5.2, а.
Траектория 1 соответствует случаю, когда индукция магнитного поля B = 0. При увеличении магнитного поля траектории электронов искривляются (кривые 2 - 4) и начиная с некоторого значения индукции магнитного поля, называемого критическим (Вкр), электроны не попадают на анод, а возвращаются к катоду. При этом анодный ток магнетрона резко падает. Такой режим работы магнетрона называется критическим.
Траектории электронов в магнетроне по форме близки к эпициклоиде - кривой, которую описывает точка окружности, катящейся без скольжения по поверхности катода (траектории 3-4). Так как электроны эмиттируются катодом непрерывно, то в пространстве взаимодействия образуется электронное облако, вращающееся вокруг катода (рис. 5.2, б). Средняя окружная скорость электронов в облаке равна V= E/B (5.1)
и называется переносной скоростью электронов. Искривление траекторий электронов магнитным полем вызывает увеличение времени пролёта электронов от катода к аноду, в результате чего анодный ток магнетрона зависит от величины индукции магнитного поля (рис. 5.3).
Критический режим магнетрона может быть достигнут путем изменения анодного напряжения при постоянном по величине магнитном поле. При заданной величине индукции магнитного поля критическое анодное напряжение можно найти из выражения
где rk - радиус катода; rа - радиус анода; e - заряд электрона; m - масса электрона;
B - индукция магнитного поля.
Зависимость называется параболой критического режима (рис.5.4).
Парабола критического режима определяет на плоскости B - Ua нерабочую область (заштрихована). При значениях В и Ua для любой точки в этой области электроны и магнетроны не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой пороговогоU. При этих значениях Ua и B либо не выполняется условие синхронного движения спиц (Ua < Uc), либо отработавшие электроны не попадают на анод(Uc<Ua<Uп). Для возбуждения колебаний π-вида требуется меньшее анодное напряжение по сравнению с величинами Ua, необходимыми для колебаний других видов. При значительном превышении порогового напряжения для колебаний π-вида возможен переход на другой вид колебаний, при этом произойдет резкое изменение ("перескок") частоты генерируемых колебаний.
- потенциал синхронизации
где ra- радиус анода; N - число резонаторов.
- пороговое напряжение
Важнейшей частью магнетрона является его резонансная система. Она выполняет следующие основные функции: во-первых, определяет частоту генерируемых колебаний, во-вторых, обеспечивает взаимодействие электронов с СВЧ-полем и, в-третьих, передает полученную в результате этого взаимодействия энергию СВЧ-колебаний в нагрузку. Резонансная система с анодным блоком представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна: Ф = 2πn, (5.3) где n=0,1,2….. определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока. Если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ϕ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится. Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна: ϕ =2πn/ N. (5.4)
Наиболее важным для работы магнетрона является случай, когда разность фаз ϕ равна π. Такой вид колебаний в резонансной системе называется противофазным или π-видом и имеет место при значении n=N/2
Для возбуждения и поддержания колебаний в магнетроне необходимо, чтобы электроны отдавали полю резонаторов большую энергию, чем они получают от него. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем не непрерывно, а лишь в те моменты времени, когда поле является для электронов тормозящим. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там тормозящего поля. Группирование потока электронов в магнетроне осуществляется переменным электрическим полем резонаторов.
Механизм образования отрицательной дифференциальной проводимости. Домены сильного поля и механизм их
Диод Ганна (ДГ) – полупроводниковый прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением, возникающим в объеме однородного полупроводника при приложении к нему сильного электрического поля. ДГ представляют собой полупроводниковую структуру, состоящую из слоя полупроводника с электронной проводимостью толщиной от единиц до десятков микрометров, заключенного между невыпрямляющими контактами катодом и анодом (рис.3.15).
В качестве материала структуры используется обычно арсенид галлия (GaAs) n-типа, возможно применение фосфида индия (InP). Отрицательное дифференциальное сопротивление диода Ганна является следствием эффекта междолинного переноса электронов, характерного для многодолинных полупроводников, имеющих в зоне проводимости несколько областей (долин).
На рис.3.16 изображена зонная диаграмма арсенида галлия n-типа (n-GaAs) - основного материала, используемого для изготовления ДГ. Электроны в зоне проводимости могут находится в одной из долин, разделенных энергетическим зазором ∆= 0,36 эВ. Электроны, находящиеся в нижней долине, обладают малой эффективной массой m1* = 0,07mo, где mо = 9,1×10 -31 кг - масса свободного электрона, и большой подвижностью m1 = V/Е, находящиеся же в верхней долине имеют значительно большую эффективную массу m2* = 1,2mo и как следствие - значительно меньшую подвижность.
В состоянии термодинамического равновесия, т.е. в отсутствии внешнего воздействия, концентрация электронов n1 и n2 в нижней и верхней долинах подчиняются закону Больцмана
n1/n2=A e-∆/(kT), (3.16) где k = 1,38×10-23 Дж/град - постоянная Больцмана, А = N1/N2, (A=70 для GaAs), N1, N2 - плотности энергетических состояний в долинах.
При комнатной температуре Т = 300 К согласно (3.16) n2/n1 = 7×10-5, т.е. практически все электроны зоны проводимости находятся в нижней долине. Положение меняется при прикладывании к диоду напряжения Uо. С увеличением U0 возрастает напряженность электрического поля Е =U0/L (L – длина активной области диода) и энергия электронов, что эквивалентно возрастанию температуры Т. В результате возрастает число электронов
проводимости, переходящих из нижней долины в верхнюю.
Средняя дрейфовая скорость электронов при любом значении Е определяется как средняя арифметическая скорость электронов нижней (V1) и
верхней (V2) долин
График зависимости скорости электронов от напряженности электрического поля V(Е) для n-GaAs приведен на рис.3.17. При Е < Епор почти все электроны зоны проводимости находятся в нижней долине n = n1 + n2 = n1, n=0 . Согласно (3.17) V = µE, т.е. зависимость V(Е) имеет линейный характер.
С увеличнием напряжености поля Е все большее число электронов переходит в верхнюю долину (n2 - возрастает, n1 - уменьшается), при Е > Епор этот процесс происходит настолько резко, что происходит уменьшение средней дрейфовой скорости электронов V. Напряженность поля, соответствующая максимальной скорости Vмакс, называют пороговой (или критической)
Из (3.17) следует, что при Е > Eпор, когда n2=n и n1=0, зависимость V(Е) снова должна стать линейной: V = µ2E. В действительности при сильных полях Е > Eпор взаимодействие электронов с кристаллической решеткой приводит к насыщению скорости электронов, поэтому V = Vнас = const. Крутизну падающего участка зависимости V(Е) характеризуют дифференциальной подвижностью
µ3 = dV/dE < 0, (3.18)
Плотность электронного тока в однородном полупроводнике пропорциональна средней дрейфовой скорости электронов:
j = GE = e(µ1n1 + µ2n2)E = e(n1 + n2)V, (3.19)
где G- удельная проводимость полупроводника.
При n0 = n1 + n2 = const во всем объеме полупроводника уменьшение скорости электронов с увеличением напряженности поля (dV/dЕ < 0) равносильно уменьшению плотности тока (dj/dE < 0) и следовательно является причиной возникновения в полупроводнике состояния отрицательной дифференциальной проводимости (G < 0).
Полупроводник, обладающий отрицательной дифференциальной проводимостью имеет следующее свойство: если в объеме кристалла полупроводника возникает произвольная флуктуация концентрации носителей заряда ∆n, избыточная по отношению равновесной концентрации и no, то в той области кристалла, где возникла эта флукциация, начнется нарастание пространственного заряда в пространстве и во времени , что приведет к
неустойчивости распределения электрического поля в кристалле при постоянном приложенном напряжении
U > Uпор = Епор×L.
Для более подробного рассмотрения этого свойства обратимся к рис.3.18, который иллюстрирует развитие неустойчивости электрического поля в однородном полупроводнике, обладающем отрицательной дифференциальной проводимостью. Предположим, что при приложении к ДГ напряжения Uo из катода в однородный полупроводник инжектируются электроны, в результате чего в пределах небольшого участка х возникает неоднородность, в виде слоя накопления, в которой количество электронов n > no (рис. 3.18,а). Распределение поля Е(х) связано с распределением заряда n(x) - no уравнением Пуассона:
, где ε - диэлектрическая проницаемость.
Там, где n = n0 ∂E/∂x = 0 и поэтому Е = const. В области же, где n > no, ∂E/∂x > 0, т.е. напряженность поля Е(х) возрастает.
Поскольку напряжение U=, а в области неоднородности ∂E/∂x > 0 напряженности поля Е1 и Е2 окажутся разными: Е1 < Eср = U/L < E2. Если Еср соответствует падающему участку (рис.3.18,в), скорость электронов V1(E1) > V2(E2), заряд движущегося к аноду слоя будет пополняться за счет электронов, поступающих со стороны катода.Увеличение же заряда приведет к увеличению ∂E/∂x в слое и как следствие, к увеличению разности полей Е2 - Е1 (рис.3.18,б). Рост Е2 и уменьшение Е1 будут продолжаться до тех пор, пока растущий слой объемного заряда не исчезнет, достигнув анодного контакта. Затем процесс накопления, перемещения растущего заряда и его рассасывания будет периодически повторяться, причем период равен времени движения заряда через кристалл Т = L/Vнас. При этом будут наблюдаться периодические колебания тока во внешней цепи диода Ганна. В зависимости от длины активной области диода L, концентрации носителей n возможны и другие виды неустойчивости тока в образце GaAs при постоянном приложенном напряжении Uo. Явление возникновения колебаний тока в однородном образце n-GaAs часто называется эффектом Ганна.
56. Автогенераторы на диодах Ганна. Конструкции, эквивалентная схема. Режимы работы. Параметры генераторов, области применения.
Диод Ганна это полупроводниковый прибор без p-n-перехода, преобразующий энергию источника питания постоянного напряжения в энергии СВЧ-колебаний в результате возникновения в полупроводнике домена сильного поля.
Автогенератор на диоде Ганна (АДГ) образуется ДГ, включённым в резонатор с эквивалентным сопротивлением Zн и источником питания U0(рисунок 8).
Рис 8 – Эквивалентная схема Рис 9 – Диаграмма возможных
автогенератора на ДГ режимов работы ДГ
Доменными называют режимы ДГ, для которых характерно наличие сформировавшегося дипольного домена в течение значительной части периода колебаний. Идеализированная динамическая ВАХ ДГ в доменных режимах дана на рисунке 10 сплошной линией (пунктир – статическая ВАХ ДГ). Наличию домена соответствует нижняя ветвь характеристики 1. При достижении напряжения гашения Uгаш домен рассасывается и рабочая точка диода переходит на восходящую ветвь характеристики 2. Изменяя сопротивление нагрузки (а значит амплитуду U 1) на «зажимах» отрицательной проводимости диода, можно получить три различных доменных режима ДГ.
Пролётный режим имеет место при малой нагрузке на диоде, амплитуда напряжения мала и не оказывает влияния на образование и движение доменов. В этом режиме частота колебаний равна fпр = 1/ τпр , импульсы тока имеют вид, представленный на рисунке 7. Практически этот режим не используется из-за малых значений КПД и fпр. В прочих режимах работы ДГ частота колебаний задаётся внешним резонансным контуром.
Режим с задержкой образования домена возможен, если минимальное напряжение на диоде U0 – Um оказывается меньше порогового значения, причём домен достигает анода в такой момент времени, когда мгновенное напряжение на диоде лежит между U2ош и Uпор и образование нового домена будет задержано до тех пор, пока U не сравняется с U пор.
Режим с гашением домена имеет место, когда в процессе движения домена к аноду мгновенное напряжение на ДГ становится меньше напряжения U2 домен быстро рассасывается. Импульсы тока в этом режиме показаны на рисунке 10, б.
Режим ОНОЗ. В режиме ограничения накопления объёмного заряда (ОНОЗ) частота напряжения настолько велика, что напряжение на ДГ проходит область отрицательного наклона ВАХ за время, малое по сравнению с τф. При этом домен не успевает формироваться и динамическая ВАХ совпадает по формес характеристикой υ др (E).
Гибридными режимами называются все режимы, промежуточные между ОНОЗ и доменными. В этих режимах время τф сравнимо с периодом колебаний, так что в течение части периода существует неравновесный пространственный заряд в образце. Эти режимы характерны для АДГ при f ≥ 8 – 10ГГц.
Рис. 7 – Ток во внешней цепи ДГ
Рисунок 10 – Режим работы ДГ
Эквивалентная схема АДГ включает три основных звена: активный прибор,корпус диода и внешнюю цепь. Эквивалентная схема ДГ показана на рисунке (обведена пунктиром).
Лавинно-пролётный диод (ЛПД) - это прибор с динамическим отрицательным сопротивлением, которое является следствием двух происходящих в диоде процессов: лавинного пробоя, сопровождающегося образованием большого числа свободных электронов и дырок; дрейфа (пролёта) носителей в полупроводнике под действием электрического поля. ЛПД представляют собой полупроводниковую структуру, состоящую из ряда областей, отличающихся типом и концентрацией атомов примеси (уровнем легирования). Для изготовления ЛПД применяют чаще всего кремний
или арсенид галлия.
Широкое распространение получили ЛПД с трехслойной структурой p+-n-n+ типа, показанной на рис.3.7,а. Сильно легированные области структуры p+, n+ с концентрацией примеси Na,Nd = 10^18 см-3 являются по существу контактами прибора. Концентрация примеси в n-области ниже (Nd = 10^15..10^16 см-3), поэтому переход p+-n оказывается несимметричным, запорный слой полностью располагается в n-области. Распределение напряженности электрического поля в такой структуре изображено на рис.3.7,б.
При некоторой величине обратного напряжения U0, приложенного к диоду, напряженность электрического поля может превысить значение Eпр = 10^5 В/см,
соответствующее началу лавинного пробоя в небольшой области запорного слоя шириной l (рис.3.7,а), в связи с чем весь запорный слой p+-n перехода шириной L разделяется на две области: узкую область шириной l < L/3, в которой происходит процесс ударной ионизации и умножения
(лавинообразного увеличения) числа носителей, так называемый слой умножения, и область дрейфа (пролета) носителей шириной (L - l), где происходит движение носителей, образовавшихся в слое умножения. Дрейф носителей происходит с постоянной скоростью Vнас = 10^7 см/с, так как
напряженность электрического поля в области дрейфа обычно выше значения Eнас = 5..10 кВ/см, при превышении которого скорость дрейфа носителей не зависит от величины напряженности электрического поля.
Ток анода при напряжениях, близких к пробивному Uо очень сильно зависит от приложенного напряжения. Если не принять мер по ограничению тока, то лавинный пробой перейдет в тепловой, и в результате этого диод выйдет из строя. Поэтому
для питания ЛПД необходимо использовать источник стабильного тока. Следует отметить, что вольтамперная характеристика ЛПД не имеет участка с отрицательным
дифференциальным сопротивлением. Необходимое для генерирования колебаний СВЧ отрицательное сопротивление может быть обеспечено только в результате использования динамических свойств пространственного заряда подвижных
носителей - дырок и электронов.
Пролетный режим работы ЛПД.Если ЛПД включить в колебательный контур (резонатор), то при установившихся колебаниях в резонаторе к диоду будет приложено постоянное напряжение U0 и высокочастотное переменное напряжение u(t) = U1msin(ωt) с постоянной амплитудой U1m < Uo. Электрическое поле в p+-n переходе будет (рис.3.9,а) E = Eпр + Е1sin(ωt).
В положительные полупериоды ∆Е в переходе происходит генерирование
электронно-дырочных пар, при этом с
увеличением ∆Е растет скорость генерации носителей (количество новых носителей, создаваемых одним электроном или дыркой в результате лавинного пробоя в единицу времени), поскольку количество генерируемых носителей зависит не только от скорости генерации носителей, но и от количества частиц, осуществляющих ионизацию, число которых продолжает расти пока Е > Епр. Наибольшее количество
носителей обоих типов в переходе
получается к концу положительного
полупериода ∆Е, когда процесс ударной ионизации прекращается (рис.3.9,б). Дырки уходят из слоя умножения в p+-область, а электроны, чтобы попасть в n+-область, должны пройти через область дрейфа (L - l).
В течении всего времени пролета носителей τ = (L - l)/Vнас во внешней цепи диода наводится ток, совпадающий по направлению с дрейфовым (конвекционным) током
движущих в приборе электронов. На рис.3.9,в показаны графики наведенного тока i(t), постоянной соcтавляющей I0, первой гармоники тока i1(t) для такой частоты колебаний f0 = 1/T0, для которой τ пр = Т0/2.
Сравнивая графики (рис.3.9,а,в) видим, что первая гармоника тока i1(t) находится в
противофазе с напряжением u1(t), следовательно ЛПД обладает отрицательным сорпотивлением по частоте f0. Это является результатом инерционности процессов в ЛПД: максимум заряда qм запаздывает относительно напряжения U1 на ∆t1 T0/4, а максимум тока i1(t) запаздывает относительно момента окончания процесса лавинного умножения на ∆t2 =τпр 2≈T0 /4. В итоге полное время запаздывания тока i1 относительно напряжения U1 ∆t = ∆t1 + ∆t2 = T/2.
Если считать, что при f > fo время пролета носителей остается неизменным τпр = T0/2 = const, а ∆t1 = T/4 (где T = 1/f), тогда импульс наведенного тока, начавшись в момент t1 = T/2, закончиться при t > T, ∆t2 > T/4, и сдвиг начальной фазы тока i относительно U1 превысит π (рис.3.10,а,б). Векторная диаграмма для этого случая соответствует рис.3.10,б, первая гармоника наведенного тока будет содержать две составляющие: активную i1a, противофазную переменному напряжению U1(t), и реактивную i1p емкостного характера.
В общем случае ЛПД можно характеризовать средней по первой гармонике
комплексной проводимостью
Yср=Gср + jВср
или средним по первой гармонике комплексным сопротивлением
Zср= rср + jXср .
Генераторный режим работы.
Принцип действия ГЛПД состоит в том, что в одной части прибора (в области p+-n
перехода ЛПД) происходит модуляция электронного потока по плотности
(образования электронных сгустков), а в другой (в области дрейфа) - осуществляется передача энергии от этого сгустка электромагнитному полю резонатора, в который включен ЛПД.
На рис. 3.11 показана схема устройства ГЛПД радиальноволноводной конструкции, получившей широкое применение в миллиметровом диапазоне. В такой конструкции частота генерируемых колебаний ГЛПД определяется в основном диаметром диска D и его расстоянием h от нижней стенки волновода. Перемещение короткозамыкающего поршня (изменение L) существенно сказывается на выходной мощности генератора и меньше на частоте.
При перемещении короткозамыкающего поршня на расстояние ∆L = λв/2, где λв - длина волны в волноводе, нагрузка на контактах ЛПД не изменяется, поэтому мощность и частота остаются прежними. На рис.3.13 изображена
эквивалентная схема генератора, в которой ЛПД характеризуется средним по первой гармонике комплексным сопротивлением
Zср = rср + jХср, а нагрузка
последовательным соединением активного и реактивного сопротивления
Zн = rн + jXн. Параметры нелинейной части схемы - диода сильно зависят от режима его работы (от тока питания Io и первой гармоники I1), т.е. rср(Io,I1) и Хср(Io,I1) и значительно слабее от частоты ω, а параметры нагрузки, составляющей линейную часть схемы, сильно зависят от частоты колебаний: rн(ω), Xн(ω).
Стационарный режим колебаний можно определить из условия баланса
активных и реактивных сопротивлений
rср(Io,I1) + rн(ω) = 0, (3.13)
Xср(Io,I1) + Xн(ω) = 0. (3.14)
Мощность первой гармоники, отдаваемой нелинейным элементом, определяется выражением
P1=0,5|rcp|I12
Из условия (3.13) следует, что при изменении rн автоматически изменяются I1 (при постоянстве Io), а значит и Р1. При некоторой оптимальной нагрузке rнопт достигается максимальная мощность Р1макс. Изменение Io также приводит к изменению амплитуды I1 и мощности Р1: обычно при увеличении Io возрастает U1 и I1 (рис.3.9), причем U1 возрастает значительнее, поэтому величины rср = U1/I1 и Р1 также увеличиваются. Самовозбуждение колебаний в таком генераторе может происходить только в том случае, если при малых амплитудах колебаний энергия, отдаваемая отрицательным сопротивлением, больше энергии,
потребляемой положительным сопротивлением rн, т.е. если |rд(I0,I1≈0)|>rн
Минимальный ток Io, при котором происходит возбуждение колебаний в генераторе, называется пусковым током Iпуск .Очевидно, при изменении нагрузки rн изменяется величина Iпуск.
Области применения. ЛПД могут быть использованы и в регенеративных усилителях отражательного типа при токах диода меньших пускового. Вследствие
относительно высокого уровня шумов, ЛПД используют в основном в усилителях мощности. ЛПД обеспечивают получение мощностей в широком диапазоне частот
(0,5…200 ГГц). На их основе реализуются генераторы с выходными мощностями до 5…10 Вт на 10 ГГц, до 0,5…1 Вт на 100 ГГц с высоким КПД, достигающим 10…30 % на 10 ГГц. ЛПД являются наиболее мощными полупроводниковыми приборами СВЧ.
58. Оптические квантовые генераторы (лазеры) на твердом теле: конструкция, принцип действия, параметры, области применения.
Из-за большой интенсивности спонтанного излучения в оптическом диапозоне усилители не нашли применения. Поэтому квантовые приборы оптического диапазона в основном представлены оптическими квантовыми генераторами(ОКГ). Эти приборы известны также под названием «лазеры».- LASER, что в переводе означает «Усиление света при помощи вынужденного излучения».
Л. не имеет прототипов и является единственным источником когерентного излучения. Когерентность, монохроматичность и направленность излучения отличают лазер от всех прочих естественных и искусственных источников света. Л. состоит из трех основных элементов: рабочего вещества источника питания и резонансной системы.
По агрегатному состоянию рабочего вещества Л. подразделяются на твердотельные, жидкостные и газовые.
Что касается источника питания, то он предназначен для создания активной среды, т. е. для обеспечения инверсии населенностей. В этой связи для питания используются вспомогательное излучение (подсветка), электронная бомбардировка, инжекция носителей заряда и другие методы.
В качестве резонансной системы в любом Л. используется открытый резонатор Фабри - Перо, в задачу которого входит обеспечение положительной обратной связи.
Схема Л. приведена на рис. 12.9. Активная среда, созданная в рабочем веществе посредством источника питания (на схеме не показан), располагается в открытом резонаторе Фабри-Перо. Он представляет собой два плоско-параллельных зеркала 31 и З2, отражающие поверхности которых обращены друг к другу. Для вывода энергии хотя бы одно из зеркал, например З2, выполняется полупрозрачным. Расстояние между зеркалами равно целому числу длин полуволн.
В активной среде всегда имеются спонтанно излученные фотоны (кванты). Их характеристики и, в частности, направления распространения произвольны и равновероятны. Поэтому в ансамбле спонтанно излученных фотонов может оказаться фотон типа 1 с направлением распространения, перпендикулярном поверхности зеркал. Встречая на своем пути частицы верхнего энергетического уровня, фотон 1 облучает их, вызывая стимулированное излучение новых фотонов.
В соответствии с законом индуцированного излучения вновь излученные фотоны имеют такие же характеристики (фазу, поляризацию и направление распространения), как и первичный облучающий фотон. Излученные фотоны, следовательно, распространяются также в направлении, перпендикулярном поверхности зеркал. На своем пути они облучают частицы верхнего уровня и т. д.
Таким образом, из-за спонтанно излученного фотона 1 появляется лавина стимулированно излученных фотонов с одинаковыми характеристиками, т. е. возникает когерентное излучение. Достигнув полупрозрачного зеркала З2, часть фотонов выходит наружу, обеспечивая выходной луч, а другая их часть, отражаясь под углом падения, возвращается в активную среду и вызывает новую лавину подобных фотонов. Отразившись от зеркала З1 фотоны снова возвращаются в активную среду и вызывают лавину фотонов, подобных себе. Так резонатор Фабри-Перо обеспечивает положительную обратную связь для фотонов с направлением, перпендикулярным поверхности зеркал.
Если же в активной среде возник фотон типа 2 с другим направлением распространения, то, отражаясь зеркалом под углом падения, он не возвращается в активную среду. Следовательно, для фотонов с направлением, не перпендикулярным поверхности зеркал, положительной обратной связи нет.
Т.о.,Л. излучает поток когерентных фотонов с направлением, перпендикулярным поверхности зеркал резонатора,т. е. направленность излучения довольно высока. Луч Л. обладает как временной, так и пространственной когерентностью.
. Спектр излучения лазера
Если на длине резонатора L укладывается целое число полуволн, то из-за многократных отражений в резонаторе образуется стоячая волна, условие образования которой имеет вид: qλ/2=L (12.31) где q=l, 2,3, ...-индекс; λ - длина волны.
В активной среде с показателем преломления n длина волны связана с частотой f следующим выражением: λ= cn/f (12.32) где с - скорость света.
Подставив (12.30) в (12.31), найдем собств. частоту резонатора: f = qcn/2L. (12.33)
Из полученного выражения видно, что в зависимости от числа q полуволн, укладывающихся на длине L резонатора, в нем существует множество видов (мод) колебаний. Поскольку значение q довольно велико, то моды расположены по частоте близко друг к другу. Интервал частот между двумя соседними модами определится как
Δf = fq-fq-1=cn/2L. (12.34)
Т. о., чем длиннее резонатор, тем гуще его спектр. Что же касается спектра излучения Л, то он зависит от соотношения Δf и ширины спектральной линии Δν активной среды. Если ширина Δν меньше разности Δf между двумя собственными частотами резонатора fq и fq-1 (Δν <Δf ), то лазер работает в одномодовом режиме, т. е. возбуждается только на одной резонансной частоте (рис. 12.10). При этом излучение Л. монохроматично и его спектр определяется шириной линии резонатора Δfp. В тех случаях, когда Δν > Δf, возможен многомодовый режим (рис. 12.11).
Следует особо отметить, что многомодовость зависит также от мощности накачки. Если она недостаточна, то излученная частицами мощность меньше порога Рпор (рис 12.12) и генерация невозможна. При увеличении мощности накачки до значения Р1 условия генерации выполняются в первую очередь для той частоты, которая близка к частоте перехода (fq= Δν). При этом возникает одномодовый режим с монохроматичным излучением небольшой мощности.
Дальнейшее повышение мощности накачки до Р2 приводит к увеличению генерируемой мощности, но неизбежно вызывает появление колебаний на соседних частотах fq-1 и fq+1
Т.о., требования обеспечения монохроматичности и повышения мощности излучения противоречивы. Однако несмотря на это степень монохроматичности лазера намного выше в сравнении с любым другим источником света.
Виды колебаний (моды) обусловлены распределением э/м поля не только по оси, но и на поверхности зеркал.
Каждому виду колебаний соответствует свой спектр. Поэтому для передачи информации желательно обеспечивать одномодовый, т. е. одночастотный режим.
В Л. на твердом теле в качестве активной среды используют кристаллические либо аморфные диэлектрики с присадками ионов хрома или редкоземельных элементов. Поскольку в твердом теле концентрация частиц на несколько порядков выше, чем в газовых средах, то для получения той же мощности требуется меньший объем активной среды. В этой связи твердотельные Л. имеют меньшие габариты по сравнению с газовыми.
Одним из распространенных твердотельных Л. является рубиновый. Рабочим веществом является рубин, представляющий собой кристаллическую решетку корунда А12О3 с присадкой трижды ионизированных ионов хрома Сr+++
На рис. 12.24 приведена схема энергетических уровней иона хрома.
Инверсия населенностей достигается подсветкой (накачкой) на длине волны λ13.Для этой цели используются лампы подсветки, в спектре излучения которых преобладает зеленый свет. При этом ионы с уровня 1 переходят на уровни 3 с малым временем жизни. В результате ионы, совершая безызлучательные переходы, заселяют уровень 2, Т.о., достигается инверсия населенностей рабочего перехода 2-1. Следует отметить, что излучение рубинового Л. имеет особенности. Оно состоит из «пичков» - нерегулярных во времени всплесков выходной мощности (рис. 12.25).
Твердотельные лазеры, как правило, работают в импульсном режиме с низкой частотой следования импульсов и длительностью импульсов, не превышающих несколько миллисекунд, и при этом обеспечивают выходную мощность в несколько киловатт. При работе в непрерывном режиме необходимо охлаждение активной среды. КПД твердотельныхЛ. лежит в пределах от долей до единиц процентов
Переходя к недостаткам, отметим, что оптическая неоднородность твердых тел больше, нежели газов, из-за чего возникает рассеяние излучения. Кроме того, небольшая длина активных элементов также способствует расхождению луча. Из-за сильного взаимодействия частиц между собой степень монохроматичности твердотельных лазеров меньше, чем газовых
Стоит также отметить использование лазеров в уже давно известных принтерах высокого качества или лазерных принтерах. В этих устройствах лазерное излучение используется для создания на специальном светочувствительном барабане скрытой копии печатаемого изображения…