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
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
Учебное пособие
Пенза 2012
ВВЕДЕНИЕ
Значительный прогресс в развитии многих областей науки и техники обусловлен развитием электроники. В настоящее время невозможно найти какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причем тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Это является результатом развития интегральной технологии, внедрение которой позволило наладить массовый выпуск дешевых, высококачественных микроэлектронных функциональных узлов различного назначения.
В настоящее время промышленность выпускает все электронные функциональные узлы, необходимые для создания устройств измерительной и вычислительной техники: интегральные усилители, коммутаторы, логические элементы, цифровые устройства и т.д. Типовые электронные узлы позволяют собрать нужный электронный блок без детального расчета отдельных каскадов. Необходимо только подобрать интегральные микросхемы, разработать схему их соединения и ввести обратные связи требуемого вида.
В целом электроника включает в себя два направления: энергетическое (силовое), связанное с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, металлургии, электротяги и т.д., и информационное, к которому относятся электронные средства, обеспечивающие измерения, контроль и управление различными процессами во многих инженерных и неинженерных областях.
Настоящее пособие "Аналоговая и цифровая электроника" посвящено, в основном, информационной электронике и написано в соответствии с программой курса "Аналоговая и цифровая электроника" для студентов, обучающихся по специальностям 220500 "Конструирование и технология ЭВС" и 200800 "Проектирование и технология радиоэлектронных средств".
Учебное пособие состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрена элементная база электронных устройств, второй посвящен вопросам построения аналоговых и импульсных электронных устройств, третий цифровой электронике и четвертый раздел содержит информацию по электронным устройствам хранения и преобразования информации.
В данном учебном пособии изложены в сжатой и доступной форме основные разделы программы курса, рассмотрены принципы функционирования, выбора и практической реализации электронных устройств различного назначения, методы их анализа и расчета. Особое внимание уделяется вопросам практического построения аналоговых и цифровых электронных устройств.
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных полей.
В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники:
Первое поколение (1904 -1950гг.) характеризуется тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные и газоразрядные приборы. К ним относятся электронные лампы, электронно-вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.
Второе поколение (1950 - начало 60-х гг.) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.)
Третье поколение (1960-1980гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе электронные устройства характеризуются резким увеличением надежности, уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.
Четвертое поколение (с 1980 гг. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств с использованием больших и сверхбольших интегральных схем.
Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные.
Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые ЭУ отличаются простотой, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т.д.
Дискретные электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью.
В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые.
Импульсные электронные устройства формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция.
В цифровых электронных устройствах происходит кодирование сигнала, т.е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов.
Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы.
В ряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам.
К аналоговым электронным устройствам относятся:
электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т.д.
К импульсным электронным устройствам относятся:
мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д.
К цифровым электронным устройствам относятся:
логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д.
К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи.
Все выше перечисленные электронные устройства рассмотрены в последующих главах настоящего учебного пособия.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
2.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других свойств p-n перехода. Диоды различают по назначению, материалу, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам.
В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие.
По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д.
По конструктивному исполнению диоды бывают плоскостные и точечные.
По используемому материалу - кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые.
Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов, для регулирования мощностей и т.д.
Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Они делятся на: маломощные (до 0,ЗА), средней мощности (до 10А), мощные (более 1000А), низкочастотные (до 1кГц) и высокочастотные (до 100кГц).
Свойства выпрямительных диодов характеризуются вольт -амперной характеристикой и параметрами, которые приводятся в справочной литературе.
Основные параметры диодов(рис. 8.):
— средний выпрямленный ток Jср ,
— прямое падение напряжения Uпр ,
— обратный ток диода при
заданной температуре Jобр.,
— напряжение отсечки Uотс.,
— мощность рассеивания Ррас.,
— рабочая частота fр. и др.
Рис.8 Вольт – амперная характеристика
выпрямительного диода
В ряде случаев для увеличения тока используется параллельное включение диодов. Для выравнивания токов через диоды последовательно с диодами включаются резисторы.
Рис.9 Параллельное включение Рис.10 Диодный мост
диодов
Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока используются мосты (рис.10) и диодные столбики. Выпрямительные мосты состоят из четырех диодов, размещенных в корпусе и залитые эпоксидной смолой.
Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов и предназначены для выпрямления высоковольтных напряжений.
Высокочастотные диоды предназначены для преобразования и обработки высокочастотных сигналов (до десятков гигагерц ). Обычно это точечные диоды с минимальными паразитными параметрами.
Импульсные диоды нашли применение в пленочных схемах, например в формирователях импульсных сигналов, в схемах автоматического регулирования, в вычислительных устройствах. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием и минимальным временем восстановления.
Стабилитроны - это разновидность диодов, предназначенных для
стабилизации напряжения. Вольт - амперная характеристика стабилитрона имеет вид (рис.11). Рабочий участок характеристики АВ лежит в области электрического пробоя диода и характеризуется малым изменением напряжения UCT при значительных изменениях тока.
Стабилитроны могут быть
Рис.11 Вольт - амперная характеристика одноанодного стабилитрона.
одноанодные, двуханодные, универсальные, прецизионные. Двуханодные стабилитроны обеспечивают стабилизацию двух полярных напряжений. Обычно они представляют собой два одноанодных стабилитрона, включенных последовательно навстречу друг другу.
Основными параметрами стабилитрона являются:
— дифференциальное сопротивление ,
Все стабилитроны подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные. Условные обозначения приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Мощность |
Напряжение стабилизации (В) |
Обозначение |
Напряжение стабилизации (В) |
|
Малая |
0,5÷9,9 |
КС 133А |
3,5 |
|
10÷99 |
КС 213А |
13 |
|
|
100÷199 |
КС ЗЗЗА |
133 |
|
|
Средняя |
0,5÷9,9 |
КС 456А |
5,6 |
|
10÷99 |
КС515А |
15 |
|
|
100÷199 |
КС 620А |
120 |
|
|
Большая |
0,5÷9,9 |
КС 756А |
5,6 |
|
10÷99 |
КС 815А |
15 |
|
|
100÷199 |
КС 620А |
120 |
Рис.12 Вольт - амперная характеристика двуханодного стабилитрона.
Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличии от последних, рабочим участком у них является прямая ветвь вольт-амперной характеристики. Стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35÷1,9)В. Основные параметры и условные обозначения у стабисторов такие же, как и у стабилитронов.
Варикапы - это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис.13 приведена вольт - амперная и емкостная характеристика варикапа.
Емкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения. Основными параметрами варикапа являются:
— емкость варикапа при заданном обратном напряжении Св ,
— коэффициент перекрытия по емкости ,
Варикапы применяются в резонансных схемах для изменения резонансной частоты генераторов, усилителей и т.д.
Рис.13 Вольт - амперная (а) и емкостная (б) характеристики варикапа Динисторы ( диодные тиристоры ) - представляют собой четырехслойную
структуру и имеют три p-n перехода. Вольт - амперная характеристика динистора приведена на рис.14.
При повышении напряжения на
аноде Ua динистора ток Ja растет
медленно (участок I). При Ua =UBKJI.
возникает электрический пробой р-п
перехода, сопротивление динистора
падает (участок II) и ток J0
определяется, в основном,
Рис.14 Вольт - амперная характеристика динистора
нагрузочным резистором в цепи анода. Отключение динистора происходит только при уменьшении тока Ja< Jудерж. Динисторы применяются в формирователях Рис. 14 Вольт-амперная характеристика
импульсов, в преобразователях, динистора
в системах автоматического регулирования.
Тиристоры (тринисторы) представляют собой многослойную структуру, имеющие три вывода: анод, катод и управляющий электрод. ВАХ тиристора приведена на рис.15. На управляющий электрод поступает управляющий ток Jyпр , снижающее напряжение включения Uвкл.
Рис.15 ВАХ тиристора (с), условное обозначение незапираемого (а) и запираемого (в) тиристора
Тиристоры делятся на запираемые и незапираемые. Запираемые тиристоры способны переключатся из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности. Незапираемые тиристоры отключаются только при снижении анодного тока до уровня Ja< Jудерж.
Таким образом тиристор имеет два состояния и используется в формирователях импульсов и в схемах автоматического управления.
Симисторы (симметричные тиристоры) имеют пятислойную структуру, три электрода и симметричную вольт-амперную пятислойную
характеристику (рис.16).
Открытие симистора управляю-щими сигналами. Симисторы в отличии от тиристоров имеют возможность проводить ток в двух направлениях, поэтому на них можно подавать переменное напряжение. Симисторы, как и тиристоры могут применяться в формирователях, коммутаторах, в регуляторах тока и напряжения. Рис. 16 ВАХ симистора (б), условное
обозначение симистора (а)
Важнейшими параметрами тиристоров являются: ток удержания Jудерж., напряжение в открытом состоянии, ток отпирания Jyпр, средний ток, импульсный ток, время включения и отключения и т.д.
Излучающие диоды представляют собой полупроводниковые диоды, излучающие из области p-n перехода кванты энергии. Излучение происходит через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода. По характеристике излучения диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды и диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК -диоды.
Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов, а ИК -диоды в качестве источников излучения в оптоэлектронных приборах и в качестве первичных преобразователей информации.
Маркировка полупроводниковых приборов предусматривает шесть символов.
Первый символ - буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г(1) - германий, К(2) - кремний, А(3) -арсенид галлия.
Второй символ - буква, обозначающая подкласс диода: Д -
выпрямительные, высокочастотные и импульсные; В - варикапы, С -стабилитроны и стабисторы; Н - динисторы; У - тиристоры; Л - излучающие диоды и т.д.
Третий символ - цифра, указывающая назначение диода, например: 1, 2, 3 -выпрямительные диоды, 5- импульсные, 6 - СВЧ и т.д.
Четвертый и пятый символы - двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов - номинальное напряжение стабилизации).
Шестой символ - буква, обозначающая параметрическую группу прибора.
Например: КД521А - кремниевый импульсный диод, номер разработки 21, группа А, общего применения.
2.3. Полупроводниковые транзисторы
Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы.
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействую-щими p-n переходами. Биполярные
транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа "p-n-p" и "n-p-n" (рис.17). а) б)
Транзисторы также подразделяются Рис. 17 Биполярные транзисторы
ПО МОЩНОСТИ, частоте и другим признакам. "p-n-p" (а) и "n-p-n" (б)
Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.
где Iэ, Iк, Iб - токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы.
Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор - α и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор- β.
Современные транзисторы имеют α =(О,9-0,99)<1 и β =(4÷10000).
Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (рис. 18.) являются:
— коэффициент усиления по току ,
— коэффициент усиления по напряжению ,
— коэффициент усиления по мощности ,
— входное сопротивление ,
— выходное сопротивление .
Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй выходным, а третий общий
для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы.
Рис.18 Четырехполюсник
В схеме с ОБ (рис.19) входной сигнал поступает на эмиттер, а выходной снимается с коллектора.
Входным сопротивлением схемы Rвх является сопротивление открытого эмиттерного перехода, которое составляет десятки Ом. Выходное сопротивление определяется обратным включенным коллекторным переходом. Поэтому Rвых>>Rвх .
Коэффициент усиления транзистора с ОБ по току соответствует примерно коэффициенту передачи α:
,
Коэффициент усиления транзистора
по напряжению
,
где Rвх.б - входное сопротивление открытого Рис. 19 Включение транзистора с ОБ
эмиттерного перехода.
Таким образом схема включения транзистора с ОБ не обеспечивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по напряжению и мощности.
В схеме с ОЭ (рис.20) входной сигнал поступает на входы база - эмиттер, а выходной снимается с коллектора.
Входное сопротивление Rвх.э схемы значительно больше, чем в схеме с ОБ.
Коэффициент усиления схемы по току KI
Коэффициент усиления схемы по напряжению KV
Коэффициент усиления схемы по мощности равен произведению коэффициентов KI и KV
Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространенной.
В схеме c ОК (рис.21) входной сигнал подается на входы база - коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера.
Входное сопротивление схемы RBX велико и равно RBX≈RH(β+1).
Коэффициент усиления схемы с ОК по току
Коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению:
Рис. 20 Включение транзистора ОЭ Рис. 21 Включение транзистора ОК
Схему с общим эмиттером часто называют эмиттерным повторителем, т.к. нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает усиление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (КV≈0,9÷0,99), отличается большим входным сопротивлением и малым выходным RBX»RBHX и широко используется в качестве согласующего каскада.
Статические характеристики транзисторов.
Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем. Различают входные и выходные статические характеристики транзисторов.
Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении. На рис. 22 приведены статические характеристики для схемы с ОЭ.
Рис.22. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора с ОЭ.
На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов.
Область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III - режим насыщения.
Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал.
В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением Uкэ = Uп - Jк Rк.
Такой режим работы транзистора называется динамическим. Динамические характеристики строятся на семействе статических при заданных напряжениях источника питания Uп и сопротивления нагрузки Rк. Для построения динамической характеристики используется уравнение, которое представляет собой уравнение прямой (АБВ).
Рис.23. Схема усилителя с ОЭ (а) и выходная характеристика (б).
Изменение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора и его статические и динамические характеристики. Это может привести к нарушению выбранного режима работы. Поэтому применяются различные методы температурной стабилизации.
Эквивалентные схемы транзисторов.
Эквивалентные схемы транзисторов применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы. Как известно, транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n переходов. Обычно транзистор заменяется четырехполюсником. Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем.
В настоящее время чаще всего применяются малосигнальные эквивалентные схемы в h-параметрах (рис.24). Такая эквивалентная схема отражает зависимость выходного тока J2 и входного напряжения от входного тока J1 и выходного напряжения U2 транзистора.
Рис.24. Схема четырехполюсника (а), эквивалентная схема транзистора для включения с ОЭ (б).
Эта зависимость определяется системой уравнений
где ∆U1 и ∆U2- изменение входного и выходного напряжений. ∆J1 и ∆J2 - изменения соответствующих токов.
Для малых сигналов можно записать
U1 = h11J1 + h12U2; J2 = h21J1 + h22U2;
Bee h параметры имеют физический смысл.
h11=U1/J1- входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе (U2=0).
h12=U1/U2 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе (J1=0)
h21=J2/J1 - коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе (U2=0)
h22=J2/U2 - выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе (J1=0).
Коэффициенты h зависят от схемы включения транзисторов (ОБ, ОЭ, ОК). Для транзисторов, включенных с ОЭ
Для высокочастотных схем используется эквивалентная схема в y-параметрах.
Биполярные транзисторы классифицируются по двум параметрам: по мощности и по частотным свойствам. По мощности они подразделяются на маломощные (Рвых<0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт<Рвых<1,5 Вт) и мощные (Рвых >1,5 Вт); по частотным свойствам - на низкочастотные (fб<0,3 МГц), средней частоты (0,ЗМГц<fб<3MГц), высокой частоты (ЗМГц< fб<30МГц) и сверхвысокой частоты (fб >30МГц).
Маркировка биполярных транзисторов предусматривает шесть символов.
Первый символ - буква (для приборов общего применения) или цифра для приборов специального назначения, указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор: Г(1)- германий, К(2)-кремний, А(3)- арсенид галлия.
Второй символ- буква Т, означающая биполярный транзистор.
Третий символ- цифра, указывающая мощность и частотные свойства транзистора (таблица 2).
Четвертый и пятый символы - двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки.
Шестой символ- буква, обозначающая параметрическую группу прибора.
Таблица 2.
|
Мощность |
Частота |
||
|
НЧ |
СЧ |
ВЧ |
|
|
Маломощные |
КТ1... |
КТ2... |
КТ3... |
|
Средней мощности |
КТ4... |
КТ5... |
КТ6... |
|
Мощные |
КТ7... |
КТ8... |
КТ9... |
Полевые транзисторы. Полевым транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся-стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором.
Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и
с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.
Рис.25. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (а) и его условное обозначение (б).
Транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которого сделаны два вывода- исток и сток. Вдоль пластины сделан p-n-переход, от которого сделан третий вывод - затвор.
Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а, следовательно, и ток, проходящий через канал зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки Uзи.отс.. Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока Jc также будет изменяться по тому же закону.
Статические характеристики транзистора с управляющим р-n-переходом приведены на рис. 26.
Рис.26. Входная (а) и выходная (б) характеристики полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.
Максимальный ток стока Jc будет при нулевом напряжении на затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается и при Uзи=Uзи.отс Jс≈O. Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами:
— крутизной характеристики ,
— коэффициентом усиления по напряжению ,
— выходным сопротивлением
— входным сопротивлением
Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) в отличие от рассмотренных выше, имеют затвор, изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление до 1012 ÷1014 Ом.
Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.
Рис.27. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г) характеристики МДП - транзистора со встроенным каналом.
МДП-транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП-транзисторы могут быть с каналами n или р-типа.
На рис. 27 приведена конструкция МДП-транзистора со встроенным каналом.
В МДП-транзисторах токопроводящий канал создается технологичес-ким путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при Uзи=0 канал существует.
МДП -транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис. 28 приведена конструкция и статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом.
Рис.28. Конструкция(а), условные обозначения(б), входная(в) и выходная(с) характеристики МДП - транзистора с индуцированным каналом.
Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал Uзи совпадает по полярности с напряжением Uси .
Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).
Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Это делает их похожими на лампы.
Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы.
Полевые транзисторы обозначаются аналогично биполярным, только вторым элементом является буква П, например КП306А - кремневый полевой транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 06 группа А. Необходимая информация по транзисторам приводится в справочной литературе.
2.4 Полупроводниковые резисторы.
Полупроводниковые резисторы нашли широкое применение в электронных приборах. К ним относятся терморезисторы, магниторезисторы, варисторы, фоторезисторы. Принцип действия таких приборов основан на изменении свойств полупроводниковых материалов при воздействии на них температуры, магнитного и электрического полей, электромагнитного излучения.
Полупроводниковый терморезистор представляет собой прибор, сопротивление которого изменяется при изменении температуры. Зависимость сопротивления от температуры имеет вид:
RT=A exp (B/T),
где А, В - постоянные, определяемые свойствами полупроводникового материала и конструкцией терморезистора, Т-температура.
С увеличением температуры сопротивление терморезистора уменьшается. Температурный коэффициент сопротивления терморезистора лежит в пределах от 2 до 8,5% на градус.
Недостатком полупроводниковых терморезисторов является нелинейная зависимость сопротивления от температуры и значительный разброс параметров. Терморезисторы могут быть выполнены в виде цилиндрических стержней, дисков, бусинок, плоских прямоугольников. Для защиты от внешней среды их покрывают лаками и эмалями.
Часто используют терморезисторы типа ММТ (медно-марганцевые) и КМТ (кобальто-марганцевые).
Терморезисторы применяются в качестве первичных преобразователей температуры для контроля и регулирования температуры, а также в схемах температурной компенсации.
Магниторезисторы представляют собой полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого зависит от воздействия на него магнитного поля. Магниторезисторы позволяют обеспечить хорошую гальваническую развязку. Для формирования магнитного поля можно использовать постоянный магнит или электромагнит.
Зависимость сопротивления магниторезистора от величины магнитного поля нелинейна. С увеличением величины магнитного поля сопротивление возрастает.
Основными параметрами магниторезистора являются:
Рис. 29. Зависимость RB=f(H) для магниторезистора Рис 30. Зависимость RB=f(U).
При увеличении магнитной индукции от 0 до 1Тл сопротивление магниторезистора увеличивается в 10÷15 раз.
Магниторезисторы нашли применение в коммутационной технике: бесконтактных выключателях, реле, контактах управления.
Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Зависимость сопротивления от напряжения нелинейная и имеет вид (рис.30). Сопротивление Rb уменьшается при увеличении приложенного напряжения. Варисторы применяются для защиты от перенапряжений, защиты от помех, для искрогашения в электрических машинах. Они ограничивают возникающее напряжение, особенно при коммутации индуктивной или емкостной нагрузки и тем самым позволяют значительно повысить срок службы контактов реле и т.д.
Фоторезисторы - представляют собой полупроводниковые приборы, сопротивление которых зависит от электромагнитного излучения (см. 2.5.).
2.5 Фотоэлектрические приборы
Фотоэлектрические приборы строятся на принципах фотопроводимости. Фотопроводимость - это свойство веществ изменять свою электропроводность под воздействием электромагнитного излучения.
Фотоэлектрические приборы делятся на две группы:
К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.
В качестве излучателей используется солнечный свет, лампочки накаливания и другие источники света.
Фотоэлемент (ФЭ) - это электровакуумный или газоразрядный диод, в
стеклянном баллоне которого установлены фотокатод и фотоанод (рис. 31).
Фотокатод представляет собой слой, покрывающий внутреннюю поверхность колбы, выполненный из полупроводникового материала, чувствительного к внешнему излучению. Анод выполнен в виде кольца или
рамки и размещен внутри колбы.
Рис 31. Фотоэлемент.
ФЭ разделяются на вакуумные и газоразрядные.
При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При освещении фотокатода возникает фотоэмиссия и в цепи анода протекает ток.
Фотоэлементы используются в первичных преобразователях информации.
Фотоэлектронный умножитель - представляет собой электровакуумный прибор, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрические сигналы с использованием вторичной электронной эмиссии. Состоит из стеклянного баллона, внутри которого расположены ускоряющие электроды, умножительные электроды и анод. При освещении фотокатода возникает электронный поток, который фокусируется и направляется на умножительные электроды, где за счет вторичной эмиссии он усиливается и попадает на анод.
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности. На рис.32 показана конструкция фоторезистора и зависимость его сопротивления от светового
потока. Эта зависимость нелинейна. Фоторезисторы имеют высокую инерционность и многие из них не способны работать на частотах более 100Гц.
Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор с n-p -переходом.
Принцип работы фотодиода заключается в том, что при его освещении возрастает обратный ток, и он не зависит от обратного напряжения. На границе перехода "n-p" возникает ЭДС, величина которой зависит от освещенности и может достигать 0,5÷ 1В. При этом обратное сопротивление фотодиода уменьшается.
Рис 32. Конструкция (а), условное обозначение (б) и зависимость R=f(ф) для фоторезистора.
Фотодиоды используются в электрических цепях измерительной аппаратуры и аппаратуры передачи данных. Они относятся к быстродействующим приборам и реагируют на сигналы до 1МГц. Фотодиоды могут также использоваться в качестве источников питания, например, в солнечных батареях.
Основными характеристиками фотодиодов являются световая, вольт-амперная и спектральная.
Рис 33. Конструкция (а), условное обозначение (б) и вольт-амперная характеристика (в) фотодиода.
Фототранзистор в отличии от фотодиода является активным преобразователем, в нем происходит не только преобразование энергии излучения, но и усиление.
Фототранзистор имеет три электрода: эмиттер, коллектор и базу, причем база подвергается облучению потоком лучистой энергии. Конструктивно фототранзисторы выполняются в металлическом корпусе со стеклянным окном.
Внутренний эффект в полупроводнике может быть использован для построения других приборов, например, фототиристоров, однопереходных фототранзисторов и др.
Оптоэлектронные приборы содержат одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным так и выходным параметром является электрический сигнал. Особенностью оптопар (оптронов) является отсутствие гальванической связи между входными и выходными цепями. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы светоизлучающий или инфракрасный диод, электрическая лампочка или полупроводниковый лазер. В качестве приемника оптопары находят применение рассмотренные выше фотоэлектрические приборы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. На рис.34 приведены условные обозначения основных типов оптопар.
а) б) в) г)
Рис 34. Условное обозначение оптопар: а-резистивная, б-диодная,
в-транзисторная, г-тиристорная.
Оптопары широко применяются в аппаратуре передачи данных, преобразователях информации, системах автоматического управления. Маркировка оптронов включает в себя семь символов:
Например: АОД130А - диодная оптопара на основе соединений галлия, номер разработки 130, группа параметров А, общего применения.
30Т110А - транзисторная оптопара, на основе соединения галлия, номер разработки 110, группа параметров А, специального применения.
2.6. Интегральные схемы (ИС)
Интегральные схемы в настоящее время являются наиболее распространенной элементной базой при проектировании электронной аппаратуры. Согласно ГОСТ 17021-88 интегральная микросхема - это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала или накопления информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов и кристаллов, которые рассматриваются как единое целое.
В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть: полупроводниковыми, пленочными и гибридными.
Полупроводниковая микросхема - это микросхема, в которой все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.
Пленочная микросхема - микросхема, в которой все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде пленок проводящих и диэлектрических материалов. Различают тонкопленочные и толстопленочные ИС.
Гибридная микросхема - это микросхема, в которой пассивные элементы выполнены в виде пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку, а активные элементы являются навесными. В качестве активных элементов обычно используют бескорпусные диоды, транзисторы или ИС.
В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые ИС предназначены для преобразования и обработки аналоговых сигналов, т.е. сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Цифровые ИС предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов.
В зависимости от количества элементов и компонентов, входящих в ИС, различают:
•ИС малой степени интеграции (МИС) - до 50 элементов,
•ИС средней степени интеграции (СИС) - до 500 элементов,
•ИС большой степени интеграции (БИС) - до 10000 элементов,
•ИС сверхбольшой степени интеграции (СБИС) - более 10000 элементов.
Современные СБИС содержат до 4 млн элементов.
Интегральные микросхемы могут быть построены на базе биполярных транзисторов и на базе МДП-транзисторов (полевых). Последние отличаются минимальными потребляемыми мощностями.
Корпуса микросхем изготовляются из стекла, металлостеклянных и металлокерамических композиций, а также из пластмасс и керамики. Наибольшее распространение получили металлокерамический, металлостек-лянный, стеклокерамический и пластмассовый корпуса.
Интегральные микросхемы выпускаются в виде серий. Каждая серия содержит несколько микросхем, выполняющих определенные функции, однако они имеют единое конструктивно-технологичекое исполнение и предназначены для совместного применения.
Условное обозначение интегральных схем включает буквы и цифры.
Первая буква К означает, что ИС общего применения. Отсутствие буквы К означает, что ИС специального применения.
Вторая буква означает материал и тип корпуса: Р - пластмассовый, М -керамический типа 2, А - пластмассовый типа 4.
Следующие три или четыре цифры - серия. Первая цифра в серии означает конструктивно-технологическое исполнение:
1,5,7- полупроводниковые (7 - полупроводниковые бескорпусные )
2, 4, 6, 8 -гибридные, 3 - прочие
Следующие две буквы - функциональное назначение схемы:
УД - операционный усилитель,
ЛА - логический элемент И-НЕ,
ИР - регистр,
ИЕ - счетчик,
ИД - дешифратор,
ЕН - стабилизатор напряжения и т.д. Последние цифры - номер разработки в данной серии.
2.7. Индикаторные приборы
Индикаторные приборы предназначены для визуального отображения информации.
По способу светоотдачи все индикаторы делятся на две группы: пассивные и активные. По виду отображаемой информации индикаторы делятся на единичные (точка, запятая, круг и др.); цифровые для отображения цифр; буквенно-цифровые; шкальные; мнемонические, графические. В зависимости от значений питающих напряжений различают низковольтные (U<5B), средневольтные (U<30B) и высоковольтные (U>70B) индикаторы.
Пассивные индикаторы характеризуются отсутствием собственного излучения. Принцип их работы основан на отражении или преломлении внешнего светового потока. К пассивным индикаторам относятся электромагнитные индикаторы и жидкокристаллические индикаторы.
Принцип работы электромагнитных индикаторов основан на отражении внешнего рассеянного освещения, падающего на информационное табло. Основным элементом такого индикатора является подвижный элемент- шторка, на одну сторону которой нанесено светоотражающее покрытие, а на другую-светопоглощающее.
При изменении вектора магнитного поля шторка поворачивается на 180°, обращаясь к внешнему освещению этой или другой стороной. Совокупность элементов образует соответствующий символ. Такие индикаторные табло широко используются на железнодорожных вокзалах и в аэропортах.
Достоинством электромагнитных индикаторов является простота и малая потребляемая мощность.
Принцип работы жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ) основан на свойстве некоторых веществ изменять свои оптические показатели (отражение, преломление и др.) под влиянием внешнего электрического поля. Вследствие модуляции падающего света изменяется цвет участка, к которому приложено электрическое поле, и на поверхности вещества появляется рисунок требуемой конфигурации. В качестве веществ, имеющих подобные свойства, используют жидкие кристаллы.
По способу использования внешнего освещения ЖКИ подразделяются на индикаторы, работающие на просвет и на отражение.
ЖКИ состоит из двух параллельно расположенных стеклянных пластин, на внутренних сторонах которых нанесены пленочные электроды (рис.35). Межэлектродное пространство заполнено жидкокристаллическим веществом.
Рис.35. Конструкции ЖКИ, работающих на просвет (А) и на отражение (Б).
1,3- стеклянные пластины, 2-клеевое соединение, 4- передний прозрачный электрод,
5- жидкокристаллическое вещество, 6- задний прозрачный электрод, 7- задний отражающий электрод.
Один из электродов выполняется в виде рисунка отображаемого знака, а второй является общим. У ЖКИ, работающего на просвет, оба электрода прозрачны, а у ЖКИ, работающего на отражение, внутренний общий электрод имеет зеркальную поверхность. При подаче напряжения на общий электрод и выбранные прозрачные сегментные электроды под соответствующим сегментом появляется полоса, цвет которой резко отличается от окружающего фона.
В настоящее время промышленностью выпускаются одноразрядные и многоразрядные индикаторы, а также шкальные индикаторы и информационные табло. ЖКИ питаются переменным напряжением величиной (З÷24)В.
Основными преимуществами ЖКИ являются сверхмалое потребление энергии, хорошие яркость и контрастность изображения при сильном внешнем освещении, простота конструкции и высокая долговечность. К недостаткам относятся малый интервал рабочих температур и большая инерционность.
Активные индикаторы характеризуются собственным электромагнитным излучением. К ним относятся электронно-лучевые трубки, накальные индикаторы, вакуумные люминесцентные индикаторы, газоразрядные индикаторы, светодиодные индикаторы и др.
В накальных индикаторах в качестве излучающего элемента используется вольфрамовая нить, нагретая до температуры ~2500°С, помещенная в стеклянную колбу с вакуумом. Используются точечные и цифровые индикаторы. Точечные индикаторы могут использоваться для построения информационных табло.
Принцип работы вакуумных люминесцентных индикаторов (ВЛИ) основан на способности некоторых веществ-люминофоров преобразовывать
кинетическую энергию электронов в световую. Яркость свечения зависит от плотности электронного потока и скорости электронов.
ВЛИ представляет собой триод с анодом, управляющей сеткой и катодом, выполненным в виде нити накала.
При нагревании катода с него вылетают электроны, которые под воздействием электрического поля приобретают скорость и попадают на анод, который начинает светиться. Форма анода соответствует индицируемому элементу.
Индикаторы подразделяются на символьные, цифровые и буквенно-цифровые; одноразрядные и многоразрядные, шкальные, матричные и мозаичные.
Одноразрядные цифровые индикаторы имеют катод в виде нити накала, управляющую сетку и семь анодов. Цвет сечения
индикаторов зависит от химического состава люминофора и может быть красным, желтым, зеленым, синим и т.д. Напряжение питания 25В. Достоинством ВЛИ является высокая яркость и большая долговечность.
Рис.36. ВЛИ ИВ-4.
Принцип работы газоразрядных индикаторов основан на излучении газового разряда при прохождении электрического тока в замкнутом объеме. Во
всех газоразрядных индикаторах используется режим тлеющего разряда с холодным катодом при напряжении (60÷200)В.
Яркость и цвет свечения индикатора зависят от газа-наполнителя.
Газоразрядные индикаторы можно подразделить на четыре группы: неоновые лампочки, газоразрядные цветные сигнальные индикаторы, знаковые газоразрядные индикаторы и газоразрядные индикаторные панели.
Неоновая лампа содержит два электрода: анод и катод, выполненные в виде дисков или цилиндров, помещенные в герметичный стеклянный сосуд, заполненный газом неоном.
Рис.37. Конструкция неоновой лампы ТН-ЗО (а) и ее вольт-амперная характеристика(б).
При увеличении напряжения на аноде до величины, равной Uзажиг возникает тлеющий разряд в газе, и поверхность катода начинает светиться. Для нормальной работы индикаторы должны включаться в цепь последовательно с балластным резистором. Неоновые лампочки используются для индикации наличия высокого напряжения, например "Сеть вкл."
Газоразрядные цветные сигнальные индикаторы представляют собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой наносится слой люминофора.
Колба наполнена инертным газом и содержит два электрода: анод и катод. При подаче напряжения на анод возникает тлеющий разряд и ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого люминофор светится. Цвет свечения зависит от газа и люминофора. Например, индикатор ТЛГ-1-2 - тлеющий, люминофор, голубой, ток 1 мА.
Знаковые газоразрядные индикаторы предназначены для отображения символов или цифр. Они представляют собой стеклянную колбу, внутри которой расположены полупрозрачный анод и десять катодов, изготовленных из молибденовой проволоки в виде цифр. При подаче напряжения между анодом и одним из катодов возникает тлеющий разряд, охватывающий всю поверхность данного катода, в результате отображается соответствующая цифра.
Газоразрядные индикаторы отличаются хорошей яркостью и контрастностью, но требуют высокого напряжения питания. Маркировка
знаковых индикаторов включает две буквы ИН и цифру, означающую номер модификации. Например, ИН-8, ИН12, ИН18 и т.д.
Полупроводниковые светодиодные индикаторы выполняются на основе светоизлучающих диодов. Различают точечные, цифровые, буквенно-цифровые, шкальные, мозаичные и другие светоизлучающие индикаторы. Используя различный материал, можно получить индикаторы с различным цветом свечения. Для визуального увеличения размеров индикаторов используются фокусирующие и увеличительные линзы.
В микрокалькуляторах широко используются многоразрядные светодиодные индикаторы на 4÷16 разрядов. Рабочее напряжение светодиода лежит в пределах (1,2÷2,5) В, а ток от 3 до 20 мА.
Для управления работой индикаторов разработаны специальные микросхемы. Обычно это преобразователи кода с формирователями выходных сигналов.
Для управления ВЛИ используются микросхемы серии К161 и микросхемы из серии К176. Для цифровых газоразрядных индикаторов применяется микросхема К155ИД1.
Существуют два принципа управления работой индикаторов: статический и динамический. В первом случае каждый индикатор управляется своей схемой. Во втором случае каждая цифра подключается поочередно с частотой более 30 Гц. При этом из-за инерционности глаза изображение выглядит неподвижно.
При динамическом управлении и большом количестве разрядов значительно уменьшается количество выводов с индикаторного табло. Обычно
при количестве разрядов, меньше 4—используется статический принцип управления, а если больше 4 - динамический.
Рис.3 8. Управление индикаторами статическое (а) и динамическое (б).
Условное обозначение индикаторов.
Рис.39. Условное обозначение светодиодных элементов индикации: 7-сегментный с общим катодом (а), для индикации девяти цифр с раздельными катодами (б), для индикации цифры с общим анодным выходом(в).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Классификация полупроводниковых диодов.
2. Как определить дифференциальное и статическое сопротивление полупроводниковых диодов?
3.Поясните принцип работы стабилитронов.
4.Чем отличаются стабисторы от стабилитронов?
5.Условное обозначение и маркировка полупроводниковых диодов. 6.Что представляет собой тиристор?
7.Что представляет собой биполярный транзистор?
8.Основные схемы включения транзисторов.
9.Особенности и область применения эмиттерных повторителей. 10.Статические характеристики транзисторов.
11.Маркировка транзисторов.
12.Поясните принцип работы полевых транзисторов. 13.Классификация полевых транзисторов.
14.В чем заключаются особенности статических характеристик полевых транзисторов ?
15.В чем отличие принципа работы полевого транзистора от биполярного?
16.Классификация полупроводниковых резисторов.
17.Где применяются варисторы?
18.Принцип работы фотоэлектрических приборов.
19.Какие приборы относятся к приборам с внешним фотоэффектом.
20.Поясните принцип работы фотодиода?
21.Что такое оптопары и область их применения?
22.Что представляет собой интегральная схема?
23. Классификация ИС.
24.Условное обозначение ИС.
25.На какие группы подразделяются индикаторные приборы?
26.Принцип работы ЖКИ?
27. Поясните принцип работы ВЛИ.
28.Назовите два принципа управления работой индикаторов.
Аналоговые усилители. Классификация. Основные характеристики и параметры усилителей
Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zн.
т Входной сигнал Uвх управляет парамет-рами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.
Рис. 47. Структурная схема усилительного устройства.
Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй - инверсным.
Классификация усилителей производится по многим признакам:
по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;
по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;
по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот; по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.
Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.
В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.
Основными характеристиками любого усилителя являются:
амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость:
Uвых =φ(Uвх). Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало
координат;
амплитудно-частотная характеристика (АЧХ): Uвых = φ (f) отражает
зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях
из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты
усиливаются неодинаково;
фазово-частотная характеристика Uвых =λ(f) отражает зависимость угла
сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала;
переходная характеристика - отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо аппериодичным (кривая 2).
Рис. 48. Характеристики усилителя: амплитудная (а), амплитудно-частотная (б),
фазово-частотная (в) и переходная (г).
Важнейшими параметрами усилителя являются:
Коэффициенты усиления по току KI, напряжению KU и мощности KP:
где Iвх, Iвых, Uвх, Uвых, Pвх, Pвых - действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя.
Полоса пропускания усилителя 2∆f - характеризует частотные свойства усилителя. (Измеряется на уровне 0,707 от Kmax 2∆f = fB - fH.)
Для наглядности в ряде случаев АЧХ строится в относительных единицах
усиления ,
где K(f) - коэффициент усиления на частоте f, Kmax - максимальный коэффициент усиления.
Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией от частоты:
Выходная мощность усилителя - это мощность, которая выделяется на нагрузке.
Искажения сигналов в усилителе - это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).
Нелинейные искажения возникают в умножителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений
где Ап - амплитуда n-й гармоники;
А1 - амплитуда основной гармоники выходного сигнала.
Рис. 49. АЧХ усилителя
Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.
Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом как правило является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный
усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.
При построении усилительных устройств наибольшее распространение
получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ
(OU) или с ОК (OC).
Обратная связь в усилителях
Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.
Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена
ниже.
Рис. 50. Структурная схема усилителя с обратной связью
В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной. В этом случае
где KU0 - коэффициент усиления усилителя без обратной связи;
KUполож - коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью.
вос - коэффициент передачи в цепи обратной связи.
Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. При
, усиление равно ∞.
Отрицательная обратная связь возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180°. Uвых = KU0Uвх.сум. ;
Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя.
По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току (рис. 51).
Рис. 51. Обратная связь по напряжению (а) и по току (б).
Обратная связь может быть частотозависимой и частотонезависимой. В обратной связи могут использоваться как линейные элементы, так и нелинейные.
В электронных усилителях, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, отрицательная обратная связь позволяет улучшить стабильность работы схемы при изменении параметров усилителя и напряжения питания; снижает уровень нелинейных искажений и собственных помех, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление; расширяет полосу пропускания усилителя.
Положительная обратная связь применяется в автогенераторах. В некоторых усилителях для получения требуемой АЧХ используется одновременно и положительная и отрицательная обратные связи.
Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером
Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цели коллектора Rк. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения UCM на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.
При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны: Iк =Iк0 и Uвых = Uвых0.
При поступлении на вход сигнала UBX он усиливается в КU раз и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу.
Рис. 52. Усилительный каскад с ОЭ (а), временная диаграмма его работы (б).
Для усилителя с ОЭ RBX =R1║R2║Rbx.э, где Rвх.э ≈ Rвх.б.
Обычно R║R2 >(2÷5)Rbx.б
Rвх.б не превышает 1÷3 кОм.
Коэффициент усиления по току
Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току и при Rк >>Rн стремится к .
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления KU возрастает с увеличением и RH . Обычно KU =10-^100 и выше.
Коэффициент усиления по мощности KP = KU • KI составляет (0,2 - 5)*103. Выходное сопротивление каскада с ОЭ R вых = R K║rкэ. Обычно rкэ>>RK и
Rвых≈Rк .
Усилительный каскад с ОЭ осуществляет поворот по фазе на 180° выходного напряжения относительно входного.
Основные режимы работы усилителя. В зависимости от величины смещения на базе транзистора UCM различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D.
Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 53).В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения UCM и в цепи коллектора протекает ток IК0. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному.
Рис. 53. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы А.
Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала UBbIX(t) повторяет форму входного сигнала UBX(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки.
Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями.
В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током IК0 вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения.
На основе характеристик рис.53, можно пояснить графикоаналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить:
коэффициент усиления по току
коэффициент усиления по напряжению
коэффициент усиления по мощности
Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения UCM=0,
a следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной
характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии
входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.
При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течении половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.
Рис. 54. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы В
Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения UCM, меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.
Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.
Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находится в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях.
Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения: Iк.mах=Iнас. и Iк.min=0. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно Uнас.<lB, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1.
Рис. 55. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы D
Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.
Методы стабилизации работы усилителя по схеме с ОЭ.
Основные параметры каскада усилителя с ОЭ зависят от внешних возмущений и в первую очередь от температуры. При изменении температуры изменяется обратный ток Iк.обр., напряжение Uб.э., коэффициенты α и β. Все эти изменения принято характеризовать понятием дрейф нуля усилителя. Внешние воздействия, изменяя ток покоя транзистора, выводят транзистор из заданного режима. Это особенно опасно для усилителей, работающих в режиме А, т.к. транзистор может перейти в нелинейную область характеристики.
Существуют три основных метода стабилизации работы транзисторного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация и введение отрицательной обратной связи.
Метод термокомпенсации заключается в том, что отдельные термозависимые элементы или целиком каскады помещаются в термокамеру с постоянной температурой.
Рис. 56. Параметрическая стабилизация с использованием терморезистора (а) и полупроводникового транзистора (б).
Метод параметрической стабилизации основан на введении в схему элементов, которые компенсируют изменение параметров схемы при внешних воздействиях среды. Например, воздействие температуры может быть уменьшено введением в схему полупроводниковых элементов или терморезисторов.
Метод введения отрицательной обратной связи является более
распространенным. Отрицательная обратная связь (ООС) осуществляется за счет введения в цепь эмиттера резистора R3. Ток эмиттера, протекая по резистору Rэ, создает на нем падение напряжения Uоос=IэRэ. Это напряжение автоматически складывается с напряжением на базе, однако, направлено встречно и компенсирует температурные изменения напряжения на базе транзистора.
Рис. 57. Транзисторный усилитель с отрицательной ОС по току.
Введение ООС увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, расширяет полосу пропускания, уменьшает линейные и нелинейные искажения, делает работу схемы более устойчивой.
3.5. Усилительный каскад по схеме с общим коллектором
Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттерным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й последовательной отрицательной обратной связью по току. В отличие от усилителя по схеме с ОЭ, схема с ОК (рис.58) не инвертирует входной сигнал.
Рис. 58. Усилительный каскад с ОК
Рассмотрим основные характеристики эмиттерного повторителя: коэффициент усиления по току
коэффициент усиления по напряжению с учетом 100%-й ООС (вос=1) определяется
входное сопротивление определяется
При больших сопротивлениях R1 и R2 входное сопротивление
Обычно в практических схемах RBX достигает 200-300 кОм при Rэ=10кОм. Выходное сопротивление повторителя Rвых ≈ rэ и составляет десятки Ом.
Эмиттерные повторители используются, в основном, в качестве согласующего элемента.
На базе транзисторного усилителя с ОЭ можно построить источник постоянного тока. Для этого необходимо обеспечить постоянный базовый ток транзистора или ввести постоянную обратную связь по току.
Для повышения коэффициента усиления транзисторного каскада с ОЭ в качестве резистора RK часто используется нелинейный элемент, статическое сопротивление которого значительно меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае падение напряжения на этом элементе от протекания тока будет определяться его статистическим сопротивлением, а отклонение выходного напряжения - динамическим сопротивлением. Роль нелинейного элемента выполняет транзистор.
Для увеличения коэффициента h21э транзистора можно использовать каскадное включение нескольких транзисторов. Такие транзисторы называются составными транзисторами или схемами Дарлингтона.
В составном транзисторе суммарный коэффициент передачи тока равен произведению токов передачи отдельных транзисторов h21Σ = h21э1• h21э2.
Дифференциальный усилитель
Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор (рис.59).
Рис. 59. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его эквивалентная схема (б)
Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен
источник питания Uп, а в другую сопротивление нагрузки Rн. Для балансировки
моста (Uвых=0) необходимо, чтобы
где Rvt1 и Rvt2 выходные сопротивления транзисторов VT1 и VT2.
Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться постоянным.
Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода поэтому для выходного напряжения можно записать
где K1 и К2 соответственно коэффициенты усиления каскадов на транзисторах VT1 и VT2.
В общем случае, если ,
где - коэффициент усиления дифференциального усилителя.
В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилителя действуют сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы называются синфазными. Появление данных сигналов обусловлено действием различных дестабилизирующих факторов, например, изменением температуры
окружающей среды, изменением питающих напряжений наводками внешних электромагнитных полей. Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигналы полностью подавляются. В реальных усилителях из-за не идентичности каскадов подавление будет не полным и характеризуется коэффициентом подавления синфазных помех Кпсф.
Величина Кпсф в современных дифференциальных усилителях достигает 104 ÷106. Коэффициент Кпсф в значительной степени характеризует дрейф нуля усилителя, т.е. изменение выходного напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличение Rэ. Для увеличения Rэ в эмиттерную цепь ставится не пассивный резистор, а нелинейный двухполюсник, например транзисторный источник тока на биполярном или полевом транзисторе. Эти схемы при небольшом статическом сопротивлении обладают большим дифференциальным сопротивлением.
Для увеличения коэффициента усиления в современных дифференциальных усилителях вместо резисторов RK используют активную нагрузку, выполненную на транзисторах. Входное сопротивление дифференциального усилителя может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов.
Многокаскадные усилители
Коэффициент усиления одиночных транзисторных каскадов не превышает нескольких десятков. Поэтому для усиления слабых сигналов применяются многокаскадные усилители. Многокаскадные усилители строятся путем последовательного соединения отдельных усилительных каскадов (рис. 60).
Рис. 60. Структурная схема многокаскадного усилителя
В многокаскадных усилителях выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом для последующего каскада. Входное сопротивление многокаскадного усилителя определяется входным сопротивлением первого каскада, а выходное - выходным сопротивлением последнего каскада. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, входящих в него:
где - коэффициенты усиления отдельных каскадов.
Важными характеристиками многокаскадного усилителя являются его амплитудно-частотная и амплитудная характеристики. Отдельные каскады могут иметь различные АЧХ. Общая АЧХ многокаскадного усилителя определяется всеми входящими в его состав каскадами.
Связь отдельных каскадов друг с другом осуществляется с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В соответствии с этим различают многокаскадные усилители с емкостной, индуктивной или гальванической связями. Ниже приведен пример многоканального усилителя с емкостными связями.
Рис. 61. Схема многокаскадного усилителя с емкостными связями.
Усилитель состоит из трех каскадов. Разделительные емкости Cg не пропускают постоянную составляющую коллекторного напряжения в базовую цепь последующего каскада. Элементы Rэ, Сэ стабилизируют работу каскада в широком интервале температур.
Расчет многокаскадного усилителя производят, начиная с оконечного каскада к первому. Оконечный каскад рассчитывается по обеспечению требуемой мощности или тока (напряжения). Количество каскадов определяется общим коэффициентом усиления. В многокаскадных усилителях широко используются обратные связи, с помощью которых достигаются требуемые технические параметры.
Усилители постоянного тока (УПТ)
Усилители постоянного тока усиливают не только переменную составляющую сигнала, но и его постоянную составляющую. Поэтому их АЧХ имеет вид (рис. 62). Усилители постоянного тока должны иметь большой коэффициент усиления, небольшое напряжение смещения и малый дрейф. Обычно УПТ состоит из нескольких каскадов с непосредственными связями.
По принципу действия УПТ подразделяются на два основных типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала.
УПТ прямого усиления представляют собой многокаскадный усилитель с непосредственными связями. Для уменьшения дрейфа в качестве первого каскада применяется дифференциальный усилитель. Для питания УПТ используются два разнополярных источника напряжения.
Рис. 62. АЧХ усилителя постоянного тока.
В УПТ с преобразованием сигнала входной сигнал вначале преобразуется в сигналы переменного тока. Далее переменный сигнал усиливается УНЧ и демодулируется. Ввиду того, что усиление сигналов происходят в УНЧ по
переменному току, дрейф практически отсутствует.
К недостаткам таких УПТ являются наличие в выходном сигнале переменной составляющей, которую можно снизить установкой дополнительного фильтра, и недостаточно широкая полоса пропускания.
В настоящее время УПТ выполняются в виде интегральных схем. УПТ широко используются в электронных вычислительных устройствах, стабилизаторах, системах автоматического управления.
Рис. 63. Блок-схема УПТ с преобразованием сигнала (а) и временная диаграмма (б).
Избирательные усилители
Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в узкой полосе частот. По принципу действия различают избирательные усилители: резонансные и усилители с обратной связью.
В резонансных усилителях в качестве нагрузки применяется колебательный контур, умеющий большое сопротивление на резонансной частоте f0 и малое для других частот.
Избирательные свойства усилителя оцениваются добротностью Q:
где f0 - резонансная частота контура; 2∆f - полоса пропускания контура.
Рис. 64. Схема резонансного усилителя (а) и его АЧХ (б).
Резонансные усилители обладают высокой помехозащищенностью и используются часто в измерительных и в приемопередающих устройствах на высоких и средних частотах. На более низких частотах избирательные
усилители с резонансными контурами становятся слишком громоздкими. Поэтому на низких частотах обычно используются избирательные усилители с обратными связями с использованием частотно-избирательных фильтров RC-типа в цепях обратной связи.
На рис. 65 приведена структурная схема такого усилителя с двойным Т-образным мостом, включенным в цепь обратной связи усилителя.
Рис. 65. Структурная схема избирательного усилителя с частотно-избирательными
фильтрами (а) и его АЧХ (б).
Резонансная частота такого усилителя определена по формуле:
На частоте f0 сопротивление Т-образного моста максимально, а отрицательная обратная связь минимальна. Следовательно, усиление будет максимальным. На частотах отличающихся от f0 сопротивление моста уменьшается и за счет отрицательной обратной связи усиление усилителя уменьшается.
Усилители мощности
Усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадных усилителей и предназначены для получения в нагрузке большой мощности. В связи с этим такие усилители должны иметь высокий
КПД и минимальные нелинейные искажения. Усилители мощности выполняются на мощных биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или с ОК.
По способу включения нагрузки усилители мощности могут быть трансформаторными и бестрансформаторными, а также однотактными и двухтактными. Однотактные усилители работают обычно в режиме А, адвухтактные - в режиме В или АВ. Схема однотактного усилителя мощности с трансформаторным выходом, работающего в режиме А, приведена на рис.66.
Рис. 66. Усилитель мощности однотактный с трансформаторным выходом
Однотактный усилитель имеет низкий КПД и используется редко. Расчет
такого каскада производят графоаналитическим методом с использованием
динамических характеристик.
Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности приведена на рис.67.
Рис. 67. Усилитель мощности двухтактный с трансформаторным выходом (а), входная характеристика для режима В (б), для режима АВ (в)
Усилитель выполнен на двух транзисторах: VT1 и VT2. В коллекторные цепи транзисторов подключен выходной трансформатор Тр2. Трансформатор Tpl обеспечивает подачу входного сигнала UBX на базы транзисторов. Каскад работает в режиме В. Следовательно, при отсутствии сигнала токи в транзисторах отсутствуют, и к коллекторам транзисторов прикладывается напряжение Uп.
При поступлении на вход усилителя сигнала Ubx каждая полуволна открывает поочередно один из транзисторов, и через первичную обмотку трансформатора Тр2 протекает ток полуволны. Таким образом, процесс усиления входного сигнала происходит в два такта. КПД двухтактного трансформаторного усилителя по сравнению с однотактным увеличивается примерно в 1,5 раза и достигает максимального значения 0,785.
Из-за нелинейности начального участка входной характеристики возникают нелинейные искажения (рис.67,б). Если подать на базу транзисторов небольшое напряжение смещения UCM, то нелинейные искажения можно свести к минимуму (рис. 67, в).
Бестрансформаторные усилители мощности позволяют упростить схемы усилителей мощности за счет исключения крупногабаритных трансформаторов.
Наибольшее распространение получили две схемы бестрансформаторных
усилителей мощности: на транзисторах разного типа проводимости и на транзисторах одного типа проводимости (рис. 68).
Рис. 68. Бестрансформаторный усилитель мощности на транзисторах разной проводимости (а) и одного типа проводимости (б).
В каждый полупериод входного напряжения ток формируется одним из транзисторов. Усилитель (б) используется, как правило, в импульсных схемах.
Операционные усилители (ОУ)
Операционный усилитель - это многокаскадный усилитель постоянного
тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителя
ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым - усилитель напряжения и последним - усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 69.
Рис. 69. Графическое изображение ОУ
Выходное напряжение связано с входным напряжением Uвх1 и Ubx2 соотношением:
где КU0 - коэффициент усиления ОУ по напряжению.
Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем.
Операционный усилитель характеризуется следующими параметрами:
• коэффициент усиления по напряжению Обычно КU0 =105÷107;
• амплитудно-частотная характеристика:
• частота единичного усиления fед. - это частота, на которой коэффициент усиления КU0 = 1;
отличаться друг от друга на (10-20)%;
Классификация ОУ. Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания. В зависимости от назначения ОУ можно подразделить на пять групп:
Универсальные ОУ (общего применения) - имеют средние характеристики, небольшую стоимость и применяются в большинстве приборов (см. приложение).
Прецизионные ОУ используются для усиления малых сигналов в информационно-измерительной аппаратуре. Такие ОУ должны иметь большой
коэффициент усиления, малый уровень шумов, малые значения напряжения смещения, дрейфа напряжения смещения и дрейфа разности токов. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции-демодуляции. Например ОУ К140УД21, К140УД24 и др.
Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления fед. Для таких ОУ обычно: V ≥ 50В/мкс,
tуст. ≤1мкс, f ≥ 10МГц.
Микромощные ОУ — отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора. Поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми.
Многоканальные ОУ — представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1401УД2.
Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ
Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи, в качестве которых используются резисторы, емкости, индуктивности, полупроводниковые приборы и т.д. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и т.д.
Повторитель напряжения (рис. 70) представляет собой усилитель, охваченный 100% ООС по выходному напряжению вос=1. Для повторителя
Uвых = Uвх.
Рис. 70 Повторитель напряжения
где KU0 - коэффициент усиления без ООС;
Rвх0 - входное сопротивление ОУ без ООС.
Благодаря большому входному сопротивлению и малому выходному
сопротивлению повторитель используется в качестве согласующего элемента.
Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 71).
Рис. 71. Неинвертирующий усилитель
Здесь коэффициент передачи делителя в цепи ООС определяется выражением:
Тогда коэффициент усиления усилителя:
.
Полагая, что KU0 →∞ , получим
т. е. .
Из полученного выражения можно сделать вывод, коэффициент усиления усилителя не зависит от параметров ОУ и не может быть меньше единицы. Следует отметить, что в рассматриваемом усилителе фазы входного и выходного напряжений совпадают.
Инвертирующий усилитель.
Здесь входной сигнал и сигнал обратной связи подается на инверти-
рующий вход ОУ. В отличие от неинвертирующего усилителя сигнал попадает на вход ОУ не непосредственно, а через делитель Z1 и Zос.
Рис. 72 Инвертирующий усилитель
Полагая, что Rвых = 0, можно записать
где , полагая, что KU0→∞ , получим
т.е. для инвертирующего усилителя фазы входного и выходного напряжений сдвинуты относительно друг друга на 180°.
Входное сопротивление усилителя практически равно сопротив-лению резистора Z1, т.к. напряжение на входе ОУ "-" за счет действия ООС стремится к О.
Следовательно, при любых входных сигналах разность напряжения между инвертирующими и неинвертирующими входами стремится к нулю.
Дифференциальный усилитель.
В дифференциальном усилителе входной сигнал Ubx подается на прямой и инверсный входы.
Особенностью такого усилителя является значительное ослабление синфазных помех.
Рис. 73. Дифференциальный усилитель
Интегратор представляет собой ОУ, в цепь обратной связи которого
включен конденсатор С.
Рис. 74. Интегратор на базе ОУ
Для интегратора
Для повышения точности работы интегратора необходимо использовать ОУ с малыми значениями Uсм., Ibx и ∆Ibx и ограничить максимальное время интегрирования.
Известны схемы, в которых выходное напряжение равно интегралу от разности входных напряжений. Эти схемы строятся на основе дифферен-циальных усилителей.
Функциональные преобразователи на ОУ обеспечивают нелинейную зависимость входного и выходного напряжений. Такие преобразователи представляют собой масштабные усилители, цепи обратной связи которых выполнены в виде сложных делителей, содержащих линейные и нелинейные элементы. В качестве примера рассмотрим схему усилителя с убывающим коэффициентом усиления.
Рис. 75. Функциональный преобразователь на ОУ (а) и передаточная
характеристика (б).
Здесь стабилитроны VD1 и VD2 включены в цепь ООС. При напряжениях (Uvd1 и UVD2) возникает пробой соответствующих стабилитронов и скачком изменяется сопротивление обратной связи Rooc.
Стабилизатор тока. Один из возможных вариантов стабилизатора тока приведен на рис.76. Величину тока нагрузки Iн устанавливают входным напряжением Ubx. Транзистор позволяет увеличить выходной ток. Данное устройство можно рассматривать как усилитель с последовательной ООС по току.
Рис. 76. Стабилизатор тока. Рис. 77. ОУ с защитой от КЗ.
Активные фильтры - используются для формирования частотной характеристики заданного типа. Активные фильтры представляют собой ОУ, в обратную связь которого включены частотозависимые элементы. Они подразделяются на фильтры низкой частоты, фильтры ВЧ, полосовые фильтры, режекторные (заградительные) фильтры. Для решения конкретных задач в настоящее время разработано множество разнообразных активных фильтров. Наиболее распространенными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и Бесселя. В зависимости от количества частотозависимых цепочек RC активные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д. порядка.
Особенности использования ОУ.
Для питания ОУ применяются два разнополярных источника питания. Эти напряжения по абсолютному значению не должны отличаться друг от друга более чем на 10%. Обычно ОУ могут работать в широком диапазоне изменения питающих напряжений Uп=(2÷18)B. Для предотвращения паразитной генерации в цепях питания ОУ устанавливаются фильтры в виде конденсаторов емкостью (10÷68) нф.
Рис. 78. ОУ с изменяющимся коэффициентом Рис. 79.Баланситювка ОУ
усиления
Если ОУ не имеют защиты от короткого замыкания, то последовательно с выходом устанавливается резистор R3=200 Ом, включенный последовательно в цепь обратной связи. Такое включение не повышает величины выходного сопротивления.
Изменение коэффициента усиления ОУ возможно путем изменения величины резисторов R1 и R2. Однако такая регулировка может привести к неустойчивости в работе усилителя. Более предпочтительна регулировка, представленная на рис.78. С помощью потенциометра Rп можно изменять
коэффициент усиления от 0 до
Балансировка ОУ представляет собой операцию по компенсации напряжения смещения в ОУ. Балансировки производится с помощью многооборотного потенциометра Rб , начало и конец которого подключены на входы R ОУ, а средний вывод на источник питания Un (-Un). Для балансировки входы ОУ заземляются и с помощью потенциометра Rб устанавливается напряжение UBbIX=0.
Балансировка позволяет компенсировать напряжение смещения ОУ в данный момент при действующих дестабилизирующих факторах. При изменении параметров питающих напряжений и внешних факторов, таких как температура и влажность окружающей среды, балансировка нарушается. Поэтому в ряде случаев применяется автоматическая установка нулей ОУ (рис.80).
Рис. 80. Схема автоматической установки нулей ОУ (а), временная
диаграмма работы (б).
В состав схемы автоматической установки нулей входит основной ОУ ДА1, вспомогательный ОУ ДА2, ключ SA1, который периодически замыкает
вход ДА1 на землю. Во время замыкания напряжение смещения Uсм усиливается вспомогательным ОУ ДА2 и заряжает емкость памяти Сп, подключенную к прямому входу ОУ ДА1. Напряжение на емкости Cп стремится к Uc→Uсм. При этом при размыкании ключа происходит компенсация напряжения смещения. Частота переключения ключа составляет (20÷50) Гц. При изменении внешних условий, напряжения питания и т.д. автоматически производится компенсация напряжения смещения.
Аналоговые компараторы
Аналоговые компараторы предназначены для сравнения двух аналоговых сигналов между собой или одного входного аналогового сигнала с заданным эталонным уровнем.
Компараторы представляют собой специализированные ОУ с дифференциальным входом и высоким коэффициентом усиления и быстродействием без обратной связи. Обычно они изготовляются в виде интегральных схем. На входы компаратора поступают аналоговые сигналы, а с выхода снимаются напряжение +Un или -Un , т.е. снимается "0" или "1".
Основными параметрами компаратора являются: чувствительность, быстродействие и нагрузочная способность.
Компараторы бывают однопороговые и двухпороговые. На рис.81 представлена схема однопорогового компаратора и его передаточная характеристика.
Рис. 81. Однопороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б)
На рис.82 приведена схема двухпорогового компаратора, представляющая собой триггер Шмитта.
Компаратор (Рис. 82) охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R1, R2. Меняя соотношение делителя R1R2, можно изменять напряжение срабатывания Uпор.
.
Обычно Uвых = +Uп или -Uп
При R2=0, компаратор становится однопороговым.
Передаточную характеристику можно перемещать влево и вправо, подачей дополнительного напряжения Uсм на инверсный вход компаратора (рис. 83).
.
Рис. 82. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б).
Рис. 83. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика при Uсм (б).
В качестве компараторов используются микросхемы серий К521, К554, К597, К1401. Микросхема К521САЗ - является прецизионным компаратором со стробированием и балансировкой. Микросхема К521СА1 представляет собой два автономных компаратора с одним общим выходом. Микросхема может использоваться для сравнения двух аналоговых сигналов. Микросхема К1401СА1 относится к многоканальным. Здесь одном корпусе располагаются четыре компаратора.
Генераторы гармонических колебаний на базе транзисторов и ОУ
Генераторы гармонических колебаний строятся на основе усилителей с положительной обратной связью, обеспечивающих режим самовозбуждения на требуемой частоте. Структурная схема генератора имеет вид (рис.84).
Рис. 84. Структурная схема генератора.
Для работы генератора необходимо выполнить два условия: баланс амплитуд, баланс фаз.
Генераторы могут выполнятся на основе колебательного контура LC или с частотозависитыми цепями RC. Первые называются генераторами LC-типа и предназначены для работы в диапазоне десятков кГц и выше, вторые называются генераторами RC-типа и предназначены для работы в области низких частот.
Схема генератора LC-типа с трансформаторной связью приведена на рисунке 85.
Рис. 85. Схема генератора LC-типа с трансформаторной связью.
Условия генерации здесь создаются на частоте резонанса f0:
где Lk и Ck - параметры колебательного контура.
Фазовый сдвиг (баланс фаз) обеспечивается соответствующим подключением вторичной обмотки ω2 трансформатора.
Баланс амплитуд достигается подачей соответствующей амплитуды сигнала с коллекторной нагрузки в цепь базы. Выходной сигнал снимается либо третьей обмоткой ω3, либо с коллектора транзистора VT.
Помимо рассмотренной выше схемы с трансформаторной связью широкое распространение получили трёхточечные схемы с индуктивной
автотрансформаторной и емкостной обратными связями (рис.86).
Рис. 86. Генератор LC -типа по схеме трехточки с индуктивной автотрансформаторной (а) и емкостной (б) обратными связями.
В генераторе с индуктивной автотрансформаторной связью напряжение на базу подается через емкость Cg с части контурной катушки ω2. Количество витков ω2 определяет баланс амплитуд.
В схеме с емкостной обратной связью резонансный колебательный контур образован конденсаторами Cк1, Cк2 и катушкой Lк. Напряжение обратной связи снимается с конденсаторами C к2.
Для получения неискаженной формы выходных сигналов с генератора добротность контура должна быть высокой.
Генератор RC-типа представляет собой обычный резистивный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Для получения необходимого фазового сдвига применяются фазовращающие цепочки, которые имеют несколько RC-звеньев и служит для поворота фазы выходного напряжения усилителя на 180°. Минимальное количество звеньев равно трем.
Для устойчивой работы схемы необходимо, чтобы усилитель обладал большим коэффициентом усиления, имел большое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.
Обеспечение условий генерации выполняется подбором элементов в цепи обратной связи R и C.
Рис. 87. Генератор RC- типа.
Импульсные электронные устройства
В электронике часто используются импульсные сигналы отрицательной или положительной полярности, близкие по форме к прямоугольным, пилообразным или экспоненциальным.
Импульсные сигналы характеризуются целым рядом параметров (рис.88). Параметрами импульсных сигналов являются также период следования импульсов, частота повторения, скважность.
Рис. 88. Импульсный сигнал.
В генераторах импульсов используются, как правило, транзисторы, работающие в ключевом режиме. Обычно транзисторы включаются по схеме с ОЭ.
К импульсным устройствам относятся мультивибраторы, триггеры, одновибраторы, блокинг-генераторы, одновибраторы генераторы линейно-изменяющегося напряжения.
Мультивибратор – это электронный узел для формирования импульсов
прямоугольной формы с требуемыми параметрами. Он представляет собой
двухкаскадный резистивный усилитель со 100% положительной обратной связью.
На рис. 89 представлена схема мультивибратора, выполненная на транзисторах. Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы Cб1 и Сб2, которые соединяют коллекторы транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1.
В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.89 б).
Рис. 89. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б).
Пусть в момент времени t1 транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение Uб2>0, а на базе VT1 Uб1<0 (Uб1= -Uп). Емкость Cб1 начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток ig2, a следовательно, и напряжение на Rб1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение Uб1 будет положительным и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и Uк1↓, Uб2↓, Uк2↑. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости C б2 через открытый транзистор VT1. В момент времени t3 произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени RбСб.
Для симметричного мультивибратора: Rg1=Rg2; Cg1=Cg2; T=1,4RgCg. Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна tф =2,2CбRк . Обычно Rg>3Rк.
Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с положительной и отрицательной обратными связями.
Рис. 90. Схема мультивибратора на ОУ (а), временная диаграмма его
работы (б)
Положительный коэффициент передачи
Здесь ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряжения . При переключении схемы напряжения на инверсном входе ОУ изменяется и конденсатор С перезаряжается до напряжения
где Umax ≈ Un - максимальное напряжение на выходе ОУ.
Затем вновь происходит переключение ОУ. Период следования импульсов зависит от величины положительной обратной связи и от элементов С и ROOC . С емкости С можно снимать пилообразное напряжение.
Одновибратор (ждущий мультивибратор) имеет одно устойчивое состояние и предназначен для формирования прямоугольных импульсов определенной длительности.
Рис. 91. Схема одновибратора (а) и его временная диаграмма работы (б).
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, a VT2 открыт за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2 через резистор Rg. Запуск схемы, производится импульсом положительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1. При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток Iк1, напряжение U к1↓, напряжение Uб2↓ напряжение Uк2↑, напряжение Uб1↑. Следовательно, из-за положительной обратной связи через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается. После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 U б2 уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t1 (Uб2>0) произойдет обратный перепад напряжения. Длительность формируемого импульса TU: TU =0,7RgCg, tф ≈ 2,2CgRк1.
Триггер на транзисторах
Триггер представляет собой элемент памяти, имеющий два устойчивых состояния. Переход из одного состояния в другое происходит под воздействием внешних сигналов S и R.
В исходном состоянии один из транзисторов находится в закрытом состоянии, а второй - в насыщенном. При поступлении положительного сигнала в базу закрытого транзистора триггер переходит во второе устойчивое состояние.
Рис. 92. Схема триггера (а) и его временная диаграмма (б).
Емкости Cб1 и Сб2 являются ускоряющими и предназначены для повышения быстродействия схемы.
Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) предназначены для формирования линейно-изменяющегося (пилообразного) напряжения. Пилообразное напряжение характеризуется длительностью прямого и обратного хода, периодом повторения, максимальным значением напряжения, коэффициентом нелинейности 8. На практике работа ГПН основана на заряде и разряде емкости через токостабилизирующий элемент (рис.93).
Рис. 93. Структурная схема ГПН.
Известно, что напряжение на конденсаторе
Для получения хорошей линейности необходимо, чтобы ток зарядки ic был постоянным.
В качестве токостабилизирующего элемента используются схемы на
транзисторах, на ОУ и на резисторах. На рис.94 представлена схема ГПН с
транзисторным стабилизатором тока.
Рис. 94. ГНП с транзисторным стабилизатором тока.
Очень хорошие параметры ГПН, построенного на базе ОУ. ГПН широко применяется в измерительной технике, преобразователях информации, в телевизионной и радиолокационной технике, в системах автоматического регулирования.
Источники вторичного электропитания (ИВП)
Источники вторичного электропитания - это электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, в электрическую энергию с заданными техническими характеристиками.
Первичными источниками электропитания могут быть: промышленная сеть переменного тока, автономные источники переменного или постоянного тока, аккумуляторы, химические батареи и т.д.
К источникам вторичного напряжения относятся, как правило, источники постоянного тока для питания электронной аппаратуры.
В общем случае ИВП состоят из нескольких функционально законченных блоков, а именно: трансформатора для согласования напряжений, выпрямителя, сглаживающего фильтра, стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжения в ряде случаев может отсутствовать. На рисунке 95 приведены структурные схемы ИВП.
Рис. 95. Структурные схемы ИВП.
Наиболее распространена схема (а), которая включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Схема отличается простотой и надежностью, однако имеет большие массогабариты из-за размеров силового трансформатора.
Этот недостаток отсутствует у схемы, изображенной не рисунке (б), в которой первичное напряжение (сеть) сначала выпрямляется и поступает на генератор высокой частоты (30÷100) кГц. Генератор нагружен на трансформатор и далее, как и в схеме (а), идут выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Благодаря высокой частоте размеры и вес трансформатора и фильтров будут значительно меньше.
Существуют другие структурные схемы ИВП. К основным параметрам ИВП относятся:
номинальные уровни входного Uвх.ном. и выходного Uвых.ном. напряжений;
предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных
значений;
коэффициенты нестабильности выходного напряжения и тока:
где ∆Uвх -изменение входного напряжения, ∆U вых - изменение выходного напряжения, ∆Iвых - изменение выходного тока;
выходная мощность (или выходной ток);
коэффициент пульсации ,
где Umi - амплитуда основной гармоники выпрямительного тока.
Выпрямители предназначены для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
В зависимости от источника первичного электропитания выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Кроме того выпрямители могут быть однополупериодные и двухполупериодные.
Схема однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 96.
Рис. 96. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временная
диаграмма его работы (б).
На вход выпрямителя поступает синусоидальное напряжение …
В интервале времени от 0 до T/2 диод открыт и ток в нагрузке повторяет форму входного согнала. В интервале времени от Т/2 до Т диод VD закрыт. Средний выпрямительный ток в нагрузке Uн.ср. равен:
Учитывая, что , имеем
Аналогично получим
Спектральный состав выпрямительного напряжения имеет вид:
При этом коэффициент пульсации выходного напряжения ε равен:
Однополупериодные выпрямители отличаются простотой, но имеют низкую эффективность и высокий коэффициент пульсации. Частота пульсаций равна частоте выпрямляемого напряжения.
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя приведена на рисунке 97.
Рис. 97. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (а) и мостового (б) и его диаграмма работы (в).
Здесь диоды работают попеременно в каждый полупериод. Средний выпрямительный ток в нагрузке равен:
Частота пульсации здесь в два раза выше, а коэффициент пульсации в два раза меньше ε = 0,67.
Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.97 а) имеет два диода, однако требует двух обмоток трансформатора. Кроме того, обратное напряжение на диодах равно удвоенному максимальному входному напряжению Uобр.диода = 2Umax.
Эти недостатки отсутствуют у мостовой схемы (рис.97 б), но здесь четыре диода и КПД такого выпрямителя ниже.
Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 98.
Рис. 98. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя (а) и
временная диаграмма его работы (б).
Здесь обмотки трансформатора включены по схеме звезды с выводом от общей точки 0. В течении одного периода входного напряжения последовательно открываются три диода VD1-VD3:
Частота переменной составляющей выходного напряжения в три раза превосходит частоту входного напряжения. Для сети 50 Гц fпульс=150Гц. Коэффициент пульсации ε = 0,25.
U
Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схема Ларионова) рис.99 содержит 6 диодов. Для обеспечения тока в нагрузке в схеме Ларионова используются обе полуволны питающего трехфазного напряжения. Поэтому выпрямленное напряжение UH отличается более высоким качеством.
Рис. 99. Схема Ларионова (а) и временная диаграмма работы (б).
Для рассматриваемого выпрямителя:
Частота переменной составляющей выходного напряжения в шесть раз превосходит частоту входного сигнала. Коэффициент пульсации выходного напряжения ε = 0,057.
Фильтры применяются для уменьшения напряжения пульсации на выходе выпрямителя. В настоящее время наиболее распространенными являются: емкостной фильтр, индуктивный фильтр и П-образный фильтр.
Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке. Для фильтра необходимо выполнить условие:
где ωc - сопротивление емкости.
Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты, включенный между выпрямителем и нагрузкой. Для обеспечения большого коэффициента сглаживания необходимо, чтобы xL = ωL>> Rh. Индуктивность
дросселя можно определить по формуле:
где q - коэффициент сглаживания, f1 - частота первой гармоники. Недостатком индуктивного фильтра являются большие габариты и вес дросселя.
Г-образный фильтр сочетает в себе свойства индуктивного и емкостного фильтров. Его можно рассматривать как делитель напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Для фильтра необходимо,
чтобы
Г-образные фильтры применяются в выпрямителях большой и средней мощности.
П-образные фильтры применяются в выпрямителях с большим внутренним сопротивлением. Они сложные, дорогие, но обеспечивают высокий коэффициент сглаживания.
Рис. 100. Варианты сглаживающих фильтров: емкостной (а), индуктивный (б),
Г- образный (в), П- образный(г).
Стабилизаторы напряжения
Стабилизатор напряжения - это электронное устройство, которое обеспечивает постоянство входного напряжения или тока нагрузки.
Стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные. Основными параметрами стабилизаторов являются:
выходное напряжение UBbIX;
выходной ток IВЫХ;
пределы изменения входного напряжения ∆UBX;
рассеиваемая мощность Ррас;
коэффициент нестабильности по напряжению KHV и току K ш:
температурный коэффициент напряжения и др.
Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе стабилитронов или стабисторов (рис.101).
Рис. 101. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а), вольт-амперная характеристика (б).
Схема состоит из балластного резистора Rб и стабилитрона VD. При изменении входного напряжения UBX напряжение на выходе стабилизатора будет изменяться незначительно, т.к. оно определяется малоизменяющимся обратным напряжением стабилитрона Uстаб. При этом будет только изменяться ток через стабилитрон Iстаб. Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления Rб, при котором ток через стабилитрон лежал в пределах: Iст.min< Iст < Iст.mах при изменении напряжения UBX в заданных пределах.
Рассмотренная выше схема параметрического стабилизатора напряжения отличается низким КПД и небольшими нагрузочными токами. Нагрузочной ток можно повысить, если на выходе поставить эмиттерный повторитель (рис.102). Транзистор VT выбирается исходя из заданного тока нагрузки.
Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой устройство автоматического регулирования. Он включает в себя усилитель и регулирующий элемент, в качестве которого применяются транзисторы (рис.103).
Рис. 102. Параметрический стабилизатор Рис. 103. Структурная схема компенсационного
напряжения с эмиттерным повторителем. cтабилизатора напряжения.
Принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения заключается в том, что при изменении входного напряжения UBX или тока нагрузки IН изменяется выходное напряжение Uвых. Это изменение ∆Uвых поступает на вход усилителя, усиливается и изменяется напряжение на регулирующем элементе Uр таким образом, чтобы стабилизировать выходное напряжение Uвых.
Для схемы стабилизатора Uвх=Up+ Uвых. При изменении входного напряжения на величину ∆UBX имеем: (Ubx + ∆Ubx ) = (Up + ∆Up) + (Uвых + ∆ Uвых ).
Необходимо, чтобы ∆UP→∆UBX, a ∆Uвых→0.
В качестве усилителя могут использоваться транзисторные каскады, ОУ и т.д. В настоящее время в качестве стабилизаторов напряжения широко используются интегральные схемы серии К142. Они построены на принципе компенсационных стабилизаторов напряжения и подразделяются на универсальные стабилизаторы и стабилизаторы с фиксированным напряжением.
Универсальные стабилизаторы напряжения имеют внешний делитель напряжения, с помощью которого выходное напряжение можно регулировать в
широких пределах. К ним относятся микросхемы К142ЕН1, К142ЕН2, К142ЕНЗ, К142ЕН10.
Микросхема К142ЕНЗ имеет защиту по короткому замыканию и от нагрева (рис. 104).
Рис. 104. Стабилизатор напряжения на ИС К142ЕНЗ.
Расчет универсального стабилизатора производится исходя из двух условий:
и
Мощность рассеивания на ИС определяется по формуле: Ррас = IвхUост.
Для увеличения тока нагрузки параллельно с микросхемой ставят мощный транзистор, например, КТ805А, КТ829 и т.д.
Микросхемы с фиксированным
Рис. 105. Стабилизатор на ИС К142ЕН5А
напряжением имеют внутренний делитель напряжения и настроены на определенное выходное напряжение. К таким ИС относятся 142 ЕН5, ЕН6, ЕН8 и др. Схемы имеют защиту от короткого замыкания. Выходное напряжение определяется буквой
в конце маркировки (табл.3).
|
Маркировка |
Выходное напряжение (В) |
Маркировка |
Выходное напряжение (В) |
|
К142ЕН5А |
5±0,1 |
К142ЕН8А |
9±0,27 |
|
К142ЕН5Б |
6±0,12 |
К142ЕН8Б |
12±0,3 |
|
К142ЕН5В |
5±0,18 |
К142ЕН8В |
15±0,45 |
|
К142ЕН5Д |
6±0,21 |
К142ЕН8Д |
9±0,36 |
Таблица 3.
Микросхема К142ЕН6А, В, Д формирует два разнополярных напряжения по 15В для питания ОУ.
В стабилизаторах с фиксированным напряжением можно повысить выходное напряжение с помощью делителя R1, R2. Иногда резистор R2 заменяют диодом или стабилитроном.
Рис. 106. Стабилизатор с повышенным фиксированным напряжением.
Сопротивление резистора определяется из формулы:
где Iпотр ток, потребляемый микросхемой. Значение резистора R1 задается. Вместо резистора R2 можно использовать диоды или стабисторы. Методика проектирования компенсационных стабилизаторов напряжения заключается в выборе необходимых микросхем, расчетов делителей, и подборе радиаторов для ИС. Величина емкостных фильтров Сф1 и Сф2 берется из справочной литературы. Обычно Сф2>10 мкФ. Напряжение на микросхеме должно быть не менее 2 вольт, однако увеличение этого напряжения приводит к существенному снижению КПД стабилизатора и увеличению массогабаритных показателей за счет радиаторов. Компенсационные стабилизаторы напряжения применяются при небольших нагрузочных токах. Ключевые стабилизаторы напряжения обеспечивают значительно больший КПД за счет того, что транзисторный ключ работает в ключевом режиме. При этом снижаются массогабаритные характеристики стабилизатора. Однако в ряде случаев такие стабилизаторы являются источником импульсных помех, что снижает информационную надежность электронной аппаратуры.
Ключевые стабилизаторы (рис.107) содержат накопительную индуктивность (дроссель) L, включенную последовательно с нагрузкой RH. Для сглаживания пульсаций в нагрузке параллельно ей включен конденсатор Сф. Ключевой транзистор VT включен между источником питания UBX и накопительной индуктивностью L. Устройство управления включает и выключает транзистор VT в зависимости от значения напряжения на нагрузке UH.
Рис. 107. Ключевой стабилизатор напряжения.
При открытом состоянии транзистора напряжения поступает на выход и одновременно энергия запасается в дросселе. При отключении транзистора в нагрузке течет ток за счет емкости Сф и самоиндукции дросселя L. По виду управления ключевые стабилизаторы подразделяются на импульсные и релейные.
В первых - частота управляющих сигналов постоянна, задается внешним генератором, однако в процессе работы изменяется скважность.
В релейных стабилизаторах напряжения управляющие сигналы формируются с помощью компаратора и зависят от выходного напряжения. На рис.108 приведена схема релейного стабилизатора напряжения.
Рис 108. Схема релейного стабилизатора напряжения (а) и
временная диаграмма его работы (б).
Предположим в момент времени t1 напряжение Uвых выше требуемого (U1>U2), тогда напряжение на выходе DА1 положительное, транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Ток дросселя, протекая через диод VD1, отдает накопленную энергию в нагрузку. По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение стабилизатора уменьшается и в момент времени t2 компаратор запирает транзистор VT2. При этом открывается транзистор VT1 и на вход LфСф фильтра прикладывается напряжение, близкое к Uвх.
Ключевые стабилизаторы напряжения имеют небольшие габаритные размеры.
Контрольные вопросы
9. Какие виды обратной связи Вы знаете?
10.Основные режимы работы усилителя.
11. Основные особенности работы усилителя в режиме А.
12.Перечислите основные методы стабилизации работы усилителя по схеме с
ОЭ.
13.Чему равны KI ,KU, KP в усилителях с ОЭ?
14.Чему равны KI ,KU, KP в усилителях с ОК?
15.Что представляет собой дифференциальный усилитель?
16.Чему равен коэффициент KU для дифференциального усилителя? 17.Какие сигналы называются синфазными?
18.Чему равен KU многокаскадного усилителя?
21. Принцип работы УПТ с преобразованиями сигнала.
22.Что такое избирательный усилитель?
23.Классификация усилителей мощности.
24.Почему в двухтактных усилителях мощности с трансформаторным выходом,
работающих в режиме АВ, нелинейные искажения меньше, чем при работе в
режиме В? 25.Что такое ОУ?
26.Перечислите основные параметры ОУ. 27.Классификация ОУ.
28.Какие требования предъявляются к прецизионным ОУ? 29.Какой вид обратной связи используется в повторителе на ОУ?
32.Нарисуйте схему стабилизатора тока на ОУ.
33.Что представляют собой активные фильтры?
34.Как обеспечить защиту от короткого замыкания в ОУ?
35.Что такое "балансировка" ОУ?
36.В каких случаях применяется автоматическая установка нулей ОУ?
37.Назначение аналоговых компараторов?
38.Нарисуйте схему двухпорогового компаратора на ОУ?
39. Какие условия необходимо выполнить для работы генератора
гармонических колебаний?
40.Что представляет собой компаратор?
41.Чем отличается генератор RC-типа от генератора LC-типа? 42.Перечислите основные параметры импульсного сигнала. 43.Что такое мультивибратор?
44.Как вычислить частоту импульсов мультивибратора на транзисторах? 45.Нарисуйте схему мультивибратора на ОУ.
46.Нарисуйте схему одновибратора на транзисторах.
47.Чем определяется длительность выходных импульсов в триггерах RS-типа? 48.Принцип работы ГПН.
49.0т каких параметров зависит линейность ГПН? 50.Что представляет собой ИВН?
51.Перечислите основные параметры ИВН.
52.Приведите схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя. 53.Поясните отличие между одно- и двухполупериодной схемами трехфазной
цепи.
54.Перечислите основные виды сглаживающих фильтров.
55.Классификация стабилизаторов напряжения.
56.Нарисуйте схему параметрического усилителя. Поясните методику его
расчета.
57.Поясните принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения. 58.Поясните принцип работы ключевого стабилизатора напряжения.
59.На какие группы подразделяются интегральные стабилизаторы напряжения? 60.Рассчитайте стабилизатор напряжения на ИС К142ЕНЗ для Uвых=10±0,5В,
Iвых=0,5А.