Классификация электронных устройств.

Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые (непрерывные) и дискретные (прерывистые).

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В аналоговом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значению реальной физической величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного электрического параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. п. Допустим, отклонение маятника от положения равновесия характеризуется напряжением, поставленным в соответствие этому отклонению. Тогда это напряжение будет изменяться по синусоиде.

Очевидно, что как сама физическая величина, в данном случае отклонение маятника, так и ее электрический эквивалент, принимая бесконечное число значений, могут быть определены в любой произвольный момент времени и изменяются в одном и том же масштабе времени. Важно подчеркнуть, что электрический эквивалент несет в себе полную информацию о реальном процессе, хотя в общем случае моменты, когда реальная величина принимает некоторое значение и когда появляется ее электрический эквивалент, могут не совпадать, т. е. между этими моментами может существовать некоторая задержка. Достоинствами АЭУ являются: теоретически максимально достижимые точность и быстродействие; простота устройства.

Недостатками АЭУ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств устройства от внешних дестабилизирующих воздействий, например температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т. п.; большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Примером устройства аналогового отображения информации является обычный потенциометр (рис. 1.2), преобразующий линейное перемещение в напряжение.

Дискретные электронные устройства (ДЭУ) предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантовании по времени и/или уровню исходной аналоговой функции. Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображаемой в виде различных параметров импульсов или перепадов напряжения или тока. Поскольку обычно интересуются не только конкретными значениями аналоговой функции, но и ее изменением, для передачи информации используют последовательности импульсов
или перепадов.

В ДЭУ хотя каждому значенню реальной физический величины и ставится в соответствие вполне определенный параметр импульсного сигнала, но так как информация о ее изменении может быть получена только при сравнении двух импульсов, получение такой информации растягивается во времени. Следованно, строго говоря, для получения полной информации о конечном во времени физическом процессе необходимо бесконечное число импульсов, т. е. временные масштабы протекания физического процесса и его отображения при помощи импульсов не совпадают. Поэтому в ДЭУ используется только часть информации о реальной физической величине, т. е. процесс представления информации сопряжен с частичной ее потерей.

К достоинствам ДЭУ следует отнести следующее.

1. В дискретных устройствах при большой скважности можно получить существенное превышение мощности в импульсе над средним ее значением. Это (по сравнению с аналоговыми устройствами) способствует улучшению массогабаритных показателей отдельных элементов ДЭУ.

2. В ДЭУ усилительные приборы (транзисторы) используют в специфическом режиме ключа (включено—выключено), при котором мощность, рассеиваемая в них, минимальна. Это повышает коэффициент использования усилительного прибора. Мощность нагрузки может многократно превышать мощность, рассеиваемую в самом усилительном приборе. Это позволяет для управления большой мощностью применять в ДЭУ маломощные усилительные приборы. В транзисторных устройствах кратность превышения мощности может достигать 10... 20.

3. Свойства дискретных устройств в меньшей степени зависят от нестабильности параметров используемых элементов. Это объясняется как меньшим тепловыделением, что, снижая перегрев, сужает реальный диапазон рабочих температур, так и работой полупроводниковых приборов в режиме ключа.

4. Помехоустойчивость ДЭУ выше чем АЭУ, так как при передаче импульсов сокращается время, в течение которого помеха может повлиять на передаваемый сигнал.

5. ДЭУ характеризуются применением однотипных элементов в каналах обработки, передачи и хранения информации. В связи с этим облегчается их изготовление средствами интегральной технологии, обеспечивающей повышенную надежность, малогабаритность, дешевизну и т. п.

Указанные достоинства ДЭУ обусловили их широкое использование во многих областях как силовой, так и информационной электроники (радиолокации, телевидении, вычислительной технике), метрологии и т. п.

Основные виды пассивных электронных компонентов.

РЕЗИСТОРЫ

Наверное, резисторы — это самые широко используемые компоненты электронных схем. В соответствии с законом Ома их сопротивление можно записать как:

       Сопротивление [Ом] = напряжение [В] / ток [А].

Номиналы резисторов, выпускаемых в настоящее время, лежат в диапазоне от долей Ома до десятков мегаОм. При протекании тока через резистор мощность выделяется в форме тепла и равна I²R ватт. Температура резистора возрастает до тех пор, пока излученное тепло не станет равным теплу, поглощенному окружающей средой. Возрастание температуры определяется максимальной мощностью, которая может быть рассеяна резистором.

Высокая температурная устойчивость достигается при следующей конструкции резисторов. На диэлектрическую подложку, чаще всего стеклянную, наносится тонкая пленка, которая может быть угольной или из других резистивных материалов, таких как тугоплавкие металлы и оксиды металлов. Величина сопротивления задается при помощи спиральных вырезов, формируемых вдоль тела резистора (такие резисторы называют тонкопленочными). Надежный контроль над производством позволяет использовать их в устройствах, требующих большой точности.

Для устройств, где требуется высокий показатель рассеиваемой мощности, используют проволочные резисторы. Они состоят из тонкой проволоки необходимой длины, намотанной на основание, а затем покрытой защитной стекловидной эмалью. При такой конструкции резистору неизбежно будет свойственна высокая индуктивность. Она может быть уменьшена при использовании неиндуктивных бифилярных (т.е. скрученных в виде двойной спирали) намоток, но полностью устранить ее не удается. При установке на печатные платы резисторов большой мощности необходимо принимать меры предосторожности: обдувать потоком воздуха для охлаждения и предохранять соседние компоненты схемы от воздействия достаточно высоких температур.

Резисторам присуще свойство генерировать достаточно большой шум; неупорядоченное движение электронов в резисторах приводит к небольшим изменениям напряжения, которые проявляются как высокочастотное «шипение» в звуковых системах или как дрожание (размывание контура) видеосигнала. Амплитуда шумового сигнала зависит от температуры, напряжения и тока, а также от конструкции резистора.

Для маркировки резисторов используют либо цветовой код, отображающий величину сопротивления и допустимое отклонение, либо кодировку в соответствии со стандартом ВS 1852. В таблице 1.1 приведена расшифровка цветового кодирования резисторов и конденсаторов, а маркировка по стандарту ВS 1852 приведена далее.

Следует иметь в виду, что соседние полосы одинаковою цвета могут быть не разделены между собой.

Рекомендуемые номиналы:

последовательность Е 12;

или последовательность Е 24

Таблица 1.1.

ЦВЕТОВОЕ И БУКВЕННОЕ КОДИРОВАНИЕ РЕЗИСТОРОВ И КОНДЕНСАТОРОВ
(СТАНДАРТ В8 1852)

Номиналы резисторов обозначают следующим образом:

Буквы, следующие за обозначением номинала, указывают допустимое отклонение:

F = ±1%; G = ±2%; J = ±5%; К = ±10%; М =±20%;
Например: R33J = 0.33 Ом ±5%; 6К8К = 6.8 кОм ±10%.

В настоящее время на большей части конденсаторов и планарных резисторах используется чисто цифровая маркировка. В этом случае последняя цифра маркировки указывает, на какую степень 10 надо умножить число образованное первыми двумя (или тремя для точных элементов) цифрами. Номинал получится в Ом для резисторов и пФ для конденсаторов. Например: резистор 1001- точный 100*10¹ = 1000 Ом, конденсатор 104 – 10*10⁴ = 100 000 пФ = 0,1 мкФ.

Конденсаторы.

Емкость конденсатора определяется уравнением:

C = , где Q – заряд накопленный на конденсаторе;

 U – напряжение на нём.

       Энергия накопленная в конденсаторе Е = СU²/2.

Конструкция простого конденсатора с параллельными пластинами показана на Рис. 1.1а.

Ёмкость такого конденсатора С = ,

где: А — площадь пластин конденсатора;

   ε — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами;

   d — расстояние между пластинами.

В большинстве случаев конденсаторы с плоскими параллельными пластинами не годятся для практического применения. Например, емкость двух пластин площадью 100 см², расстояние между которыми 1 мм, составит около 80 пФ. Большей емкости можно достичь увеличением площади пластины А и диэлектрической проницаемости ε или уменьшением расстояния между пластинами  d.

Однако конденсаторы должны работать при достаточно больших напряжениях, и эти противоречивые требования (большое напряжение и малое расстояние d) ставят перед производителями электронных компонентов непростые задачи.

Чаще всего реальные конденсаторы конструируют, используя металлическую фольгу и материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, такие как слюда или керамика. Конструкция такого конденсатора показана на Рис. 1.1б.

Современным методом производства конденсаторов является напыление металлических пленок на диэлектрик. Конденсаторы такой конструкции (известные как серебряно-слюдяные и керамические) достаточно стабильны и имеют неплохие характеристики. Их емкость лежит в пределах от нескольких пФ до приблизительно 5000 пФ для слюдяных и единиц микрофарад для керамических конденсаторов.

Более высокая емкость достигается при попеременном расположении слоев фольги и бумаги. Существует множество разновидностей фольговых конденсаторов, где в качестве диэлектрика используются различные материалы, например полиэфирные и поликарбонатные пленки.

Чтобы получить еще большую емкость, необходимо еще больше сократить расстояние между пластинами. Этого можно добиться, погрузив металлическую пластину в электролит. В этом случае диэлектриком между «пластинами» (металлом и электролитом) будет тонкая оксидная пленка. Конструкция металл/оксид/электролит имеет свойства конденсатора, а исключительно тонкий слой оксида (обычно 10^{-4 мм) обеспечивает высокую емкость.}

Дальнейшего увеличения емкости можно добиться с помощью травления металлической пластины. Эта процедура придаст шероховатость поверхности, и, таким образом, площадь поверхности увеличивается. На основе идеи электролитического конденсатора возникло множество типов конструкций, в последней из которых используется тантал. Диэлектрическая проницаемость оксида тантала чрезвычайно высока, поэтому небольшие танталовые электролитические конденсаторы имеют высокую стабильность и очень малый ток утечки. Однако их диапазон рабочего напряжения невелик по сравнению с другими электролитическими конденсаторами и составляет обычно 10...20 В.

На каждый вывод электролитических конденсаторов всегда подается напряжение только определенной полярности. Если полярность напряжения будет изменена, то диэлектрическая оксидная пленка разрушится, и в электролите может образоваться газ, который создаст избыточное внутреннее давление, что может привести к разрушению корпуса конденсатора. Поэтому при монтаже очень важно убедиться в том, что электролитические конденсаторы установлены в соответствии с указанной полярностью.

Вообще электролитические конденсаторы далеко не самые лучшие. К их недостаткам, по сравнению с обычными конденсаторами, относятся низкий коэффициент мощности, большие утечки и довольно высокая цена. Вдобавок их срок службы достаточно мал. и они имеют склонность высыхать при высоких температурах окружающей среды. Следовательно, электролитические конденсаторы стоит применять только в тех случаях, когда использование конденсаторов другого типа не представляется возможным.

Для всех типов конденсаторов определяют максимально допустимое рабочее напряжение. Его значения лежат в диапазоне от нескольких вольт (для танталовых электролитических) до нескольких киловольт (для специальных бумажных). Поэтому для схемы, куда устанавливается конденсатор, должно быть определено пиковое (не среднеквадратическое) значение напряжения, которое может возникнуть во время работы (включая переходные процессы), и в соответствии с ним следует подобрать конденсатор.

Для резонансных индуктивно-емкостных генераторов требуются конденсаторы переменной емкости. Емкость таких конденсаторов изменяется регулировкой площади пластин А, расстояния между пластинами d или диэлектрической проницаемости С в соответствии с уравнением, приведенным выше. В конденсаторах переменной емкости с изменяемой площадью пластин в качестве диэлектрика служит воздух, а площадь изменяется регулировкой относительного углового положения двух пластинчатых обкладок. Изменение емкости у всех переменных конденсаторов мало и обычно не превышает нескольких сот пикофарад.

Катушки индуктивности.

Традиционно катушки индуктивности применяются в качестве составной части индуктивно-емкостных контуров в генераторах или высокочастотных схемах. Поэтому важно, чтобы катушки индуктивности обладали достаточной стабильностью при приемлемых размерах.

Для катушек с относительно малой индуктивностью достаточно одного слоя провода, намотанного вокруг каркаса. Чтобы получить более высокие значения индуктивности, используют многослойные катушки, хотя они имеют сравнительно большую паразитную емкость.

Если в схеме установлено несколько катушек индуктивности, между ними имеет место индуктивная связь, которая может служить причиной нежелательных эффектов, таких как неустойчивая работа усилителя. Если поместить катушку в корпус, в материале корпуса будут наводиться вихревые токи, которые создадут магнитное поле, направленное противоположно магнитному полю катушки. Это приведет к некоторому уменьшению напряженности магнитного поля в катушке индуктивности, зато напряженность поля за пределами корпуса будет сведена к нулю.

Зачастую для изготовления катушек индуктивности большего номинала применяют ферритовые сердечники, это даёт возможность наматывать меньшее количество витков для получения заданной величины индуктивности. Кроме того, на основе подвижных сердечников изготавливают катушки регулируемой индуктивности. При передвижении ферритового или ольсиферового стержня изменяется магнитная проницаемость, а, следовательно, и индуктивность катушки. Изменение индуктивности составляет всего несколько процентов, однако этого достаточно для подстройки резонансного контура

Рис. 1.2. Катушка с регулируемой индуктивностью

(в paзpeзe)

Иногда катушки индуктивности с номиналом более 1 Гн используют как сглаживающий фильтр в источниках питания, хотя в наше время такие приборы встречаются достаточно редко. Такие катушки индуктивности называют дросселями, в основе их конструкции лежит ферритовый сердечник. За последние годы импульсные дроссели получили широкое распространение в качестве накопителей энергии в импульсных источниках питания. Подбирая дроссель для этой цели необходимо обращать внимание не только на индуктивность дросселя, но и на рабочий ток.

Трансформаторы.

Трансформаторы применяют для изменения амплитуды сигнала переменного тока. В отличие от усилителя, трансформатор пассивный элемент, не дающий усиления мощности.

Все трансформаторы могут быть условно разделены на три класса: силовые, согласующие и импульсные. Силовые трансформаторы преобразуют напряжение переменного тока в источниках питания. Согласующие трансформаторы используют для межкаскадной связи в усилителях (сейчас очень редко).  Импульсные трансформаторы ( наряду с дросселями) используются в качестве накопителей энергии в импульсных источниках питания и для гальванической развязки при передаче информационных сигналов.

 На Рис. 1.3 представлена конструкция трансформатора, на первичной обмотке которого N₁ витков, а на вторичной — N₂ витков.

Рассмотрим случай, когда при отсутствии нагрузки на вторичной обмотке на первичную обмотку подается переменное напряжение е_in. Это приводит к появлению переменного магнитного потока Ф, который определяется напряжением е_in и количеством витков первичной обмотки N₁. Если плотность этого потока в первичной и вторичной обмотках одинакова, можно записать:

.

При отсутствии нагрузки поток Ф наводит в первичной обмотке напряжение, величина которого в идеальном трансформаторе равна е_in, следовательно, ток в первичной обмотке не протекает.

Если теперь к вторичной обмотке подключить нагрузку, потечет ток. Этот ток будет противодействовать магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой, уменьшая тем самым общий магнитный поток в сердечнике. Наведенное напряжение в
первичной обмотке не будет больше оставаться равным е_in, в первичной обмотке потечет ток, благодаря которому плотность магнитного потока будет увеличиваться до тех пор, пока уравнение, приведенное выше, не станет снова справедливым.

Поскольку трансформатор не усиливает мощность сигнала, входная и выходная мощности должны быть одинаковы, и для идеального трансформатора можно записать:

е_in • i_in = е_out • і_out.

Иногда трансформатор применяется в качестве трансформатора импедансов (преобразователя полных сопротивлений). Если ко вторичной обмотке подключено сопротивление R_L, сопротивление на первичной обмотке будет равно:

R_in = .

Таким образом, трансформатор можно использовать для согласования сопротивлений и, следовательно, для максимально эффективной передачи энергии.

Кроме того, трансформаторы применяются в приборах, предназначенных для измерения тока в ситовых устройствах переменного тока.

 В приводимых выше рассуждениях предполагалось, что трансформатор идеальный (не имеющий потерь). В реальных трансформаторах энергия теряется при передаче между первичной и вторичной обмотками. Основной составляющей этих потерь являются омические потери в обмотках трансформатора. Иногда их называют потерями в меди.

Второй причиной является гистерезисная характеристика железного сердечника. За каждый цикл гистерезиса теряется энергия, выделенная в виде тепла и равная площади петли. Иногда такие потери называют потерями в железе. Если бы сердечник представлял собой сплошной железный блок, также имели бы место значительные потери, возникающие вследствие вихревых токов в сердечнике. Эти потери можно свести к минимуму при использовании сердечника из изолированных пластин. Однако на частотах свыше 25 кГц вихревые токи в пластинах снова становятся значительными, поэтому вместо пластин используют прессованные порошковые ферритовые сердечники.

Кварцевый резонатор.

Кварц — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы. Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Crystal oscillator), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.

 Обозначение кварцевого резонатора на принципиальной электрической схеме

 Кварцевые резонаторы на 27,14 МГц и 32768 Гц

Кварцевый резонатор извлечён из корпуса. Видно золочение противоположных плоскостей пластинки.

На пластинку, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца определённым образом, нанесены 2 и более электродов — проводящие полоски. Пластинка закреплена и имеет собственную резонансную частоту механических колебаний.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгибание, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кусок кристалла. Однако колеблющаяся пластинка в результате того же пьезоэлектрического эффекта создаёт во внешней цепи противо-ЭДС, что можно рассматривать как явление, эквивалентное работе катушки индуктивности в колебательном контуре. Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению колебательного контура.

Эквивалентная схема

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри. Поль Ланжевен впервые использовал этот эффект в часовом резонаторе гидролокатора перед первой мировой войной. Первый кристальный резонатор, работающий на сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя это оспаривалось Уолтером Гейтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году. Некоторые улучшения в кварцевые резонаторы вводились позже Льюисом Эссеном (Louis Essen) и Джорджом Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce). Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—30-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях использовались в качестве задающих несущую частоту элементов. В то же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы; только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 000 ед.

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах. Резонансная частота часовых резонаторов 32768 Гц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества перед другим решениями

· Достижение намного больших значений добротности (10⁴−10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.

· Малые размеры устройства (вплоть до долей мм).

· Большая температурная стабильность.

· Большая долговечность.

· Лучшая технологичность.

· Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатком является чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. Практически для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частоты различной степени сложности.

Лекция №2.

Тема лекции:Активные радиокомпоненты.

Цель лекции: Изучение активных радиокомпонентов иосновных схем включения биполярных и полевых транзисторов.

Активными называются радиокомпоненты способные увеличить мощность сигнала. Рассмотрим основные активные полупроводниковые радиокомпоненты.

2.1. Туннельный диод

Туннельный диод (иногда называемый также диодом Есаки, по имени его изобретателя) представляет собой p-n-переход с очень высоким уровнем легирования. Результатом этого является очень узкий обедненный слой, вследствие чего пробой происходит без какого бы то ни было внешнего смещения.

Прямая ветвь ВАХ такого диода представлена на Рис. 2.1. Эта ветвь разделяется на три отчетливые области. В области I происходит пробой и прямой ток возрастает. В области 2 прибор выходит из пробоя и демонстрирует отрицательное сопротивление (уменьшение тока при возрастании напряжения). В области 3 прибор полностью выходит из пробоя и ведет себя как обычный диод. При работе прибора используется область 2, так как отрицательное сопротивление дает возможность применять Рис.  2.1. ВАХ туннельного              прибор в качестве генератора или запоминающего

 диода.                                      (накопительного) элемента.

2.2. Биполярные транзисторы

Существует два типа биполярных транзисторов: n-p-n и p-n-p (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Обозначения, токи и напряжения в биполярных транзисторах

Выводы биполярных транзисторов называются: база (В), коллектор (С) и эмиттер (Е). Переходы база-эмиттер и база-коллектор являются p-n-переходами. При работе транзистора в нормальном режиме переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном. Стрелки на рисунке указывают направления прямого смещения p-n-переходов. Положительный базовый ток втекает в базу n-p-n-транзисторов или вытекает из базы p-n-p-транзисторов. Для протекания базового тока через переход база—эмиттер необходимо, чтобы падение напряжения на нем составило приблизительно 0,7 В. Напряжение, поданное на выводы коллектор-эмиттер, приводит к обратному смещению перехода коллектор-база. При этом коллекторный ток в нормальном режиме практически всегда пропорционален базовому току. Отсюда вытекает основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Определить тип неизвестного транзистора можно при помощи омметра, проверяя полярность переходов база-эмиттер и база—коллектор.

Для определения исправности транзисторов:

а) проверяют переходы база—эмиттер и база—коллектор на пробой;

б) при разомкнутой цепи базы измеряют сопротивление (проводимость) участка цепи коллектор-эмиттер. (Если транзистор исправен, то это сопротивление должно быть большим, а проводимость практически равна нулю.)

Рис. 2.3. Выходные характеристики транзистора

На рис. 2.3 показаны выходные характеристики транзистора. Как видно из рисунка, они представляют собой зависимости коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер. Базовый ток здесь играет роль параметра. Из этих характеристик можно получить всю необходимую информацию, требуемую при разработке электрических схем. В активной области работы транзистора выходные характеристики являются практически горизонтальными, т. е. в пределах этой зоны ток коллектора практически пропорционален току базы. Поэтому именно в этой области должен работать транзистор, используемый как усилитель малых сигналов. Часто к выходным характеристикам также относят гиперболическую функцию максимально допустимой рассеиваемой мощности Р_total, показывающую границу значений токов и напряжений, ниже которой обеспечивается приемлемый тепловой режим работы транзисторов.

2.3. Основные схемы на биполярных транзисторах

Существуют три основные схемы включения биполярных транзисторов, работающих в режиме усиления малых сигналов: с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором (рис. 2.4). Они различаются способами подключения выводов входных и выходных напряжений, величина которых определяется относительно общей линии. Эта общая линия и дает название всей схеме. Все рассматриваемые схемы имеют разные коэффициенты усиления и разные импедансы.

Схема с общим эмиттером обладает высокими коэффициентами по мощности, току и напряжению. Входное и выходное напряжения имеют противоположные фазы. Положение рабочей точки, лежащей в активной области выходных характеристик транзистора, включенного по схеме, показанной на рис. 2.5, определяется резисторами R₁, R₂, R_C и R_E. Переменная составляющая сигнала попадает в схему (обычно через конденсатор) на базу транзистора, а снимается на выход с коллектора.

Можно вывести следующее уравнение, которое называют статической линией нагрузки:

Рис. 2.4. Основные схемы на биполярных транзисторах

Шунтируя сопротивление R_E конденсатором С_Е, получают динамическую линию

нагрузки (рис. 2.5). Ее наклон определяется уравнением, которое при подключении нагрузки оно принимает вид:  

Рис 2.5. Статическая и динамическая линии нагрузки на выходных характеристиках

Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель) имеет коэффициент усиления по напряжению практически равный единице, а диапазон выходных напряжений лежит в пределах 0,7 В ≤ V_B ≤ V_C т. е. он почти достигает напряжения питания. Напряжение на эмиттере всегда на ~ 0,7 В меньше напряжения на базе. Поскольку напряжение эмиттера отслеживает напряжение базы и отличается от него на фиксированную величину 0,7 В, эта схема и называется эмитгерным
повторителем. Схема с общим коллектором обладает очень высоким входным импедансом и очень низким выходным импедансом, поэтому ее часто используют в качестве преобразователя импеданса, например в сочетании со схемой с общим эмиттером.

Схема с общей базой имеет коэффициент передачи по току равный 1, а коэффициент усиления по напряжению такой же, как у схемы с общим эмиттером. В данной схеме входное и выходное напряжения имеют одинаковую фазу. Поскольку схема с общей базой обладает низким входным импедансом, для ее согласования с внешними входными цепями часто приходится использовать трансформатор, который при соответствующем выборе соотношения числа витков в обмотках может обладать очень маленьким импедансом и обеспечивать передачу большого тока при небольших напряжениях. Схема с общей базой хорошо работает на очень высоких частотах. Поскольку ее коэффициент передачи по току А = 1, а выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением, она может использоваться вплоть до граничной частоты коэффициента передачи тока F_T. Несмотря на такие интересные характеристики, схема с общей базой используется не так часто, поскольку ее вытеснили схемы на полевых транзисторах. Это объясняется тем, что схемы с общим истоком (аналоги схем с общим эмиттером) могут работать на частотах, доступных только биполярным транзисторам, включенным по схеме с общей базой.

Токовое зеркало.Выходной ток схемы токового зеркала I_OUT практически равен входному току I₁. Выход токового зеркала обладает свойствами источника тока, т. е. обладает высокоимпедансным внутренним сопротивлением.

На рис. 2.6 ток I₁ является входным сигналом. Транзисторы в этой схеме должны быть одинаковыми и работать при одной и той же температуре.

Рис. 2.6. Варианты схем токовых зеркал

2.4. Полевые транзисторы

Недостатком биполярного транзистора является малое входное сопротивление, и для его повышения требуется достаточно сложная схема.

Биполярные транзисторы — это приборы, управляемые током, однако проводимостью полупроводникового материала можно управлять также с помощью электрического поля. Транзисторы, в которых проводимость модулируется электрическим полем, называют полевыми транзисторами.

Самый простой полевой транзистор показан на Рис. 2.7. Этот транзистор представляет собой прибор с тремя выводами (стоком, истоком и затвором), состоящий из кристалла кремния n-тина, в котором с помощью диффузии создана область p-типа, т.е. образован p-n-переход.

Сток положительно смешен по отношению к истоку, таким образом, в n-слое образуется канал, по которому течет ток I_d от
стока к истоку. Однако, если на затвор подать отрицательный потенциал, в области p-n-перехода образуется обедненный слой,     
Рис. 2.7. Полевой транзистор. а-конструкция и схема     что  приведет  к  ухудшению смещения, б - стоковые характеристики                             проводимости  канала и уменьшению

                                                                                                      тока.

Следовательно, напряжение на затворе управляет проводимостью канала, чем больше по величине значение отрицательного напряжения, тем меньший ток течет от стока к истоку. Переход затвор канал всегда смешен в обратном направлении, и через него протекает небольшой ток затвора, которым обычно пренебрегают.

Если увеличивать отрицательное напряжение на затворе, ток I_d, перестанет протекать вовсе. Напряжение на затворе, при котором это произойдет, называется напряжением отсечки или напряжением смыкания канала, и его типичное значение равняется 5 В. На Рис. 2.7б приведены типичные характеристики полевого транзистора.

Во многих отношениях полевой транзистор похож на электронную лампу, поскольку это тоже прибор, управляемый напряжением

Описанный выше транзистор получил название n-канального полевою транзистора с р-n-переходом в качестве затвора. Он работает в режиме обеднения, названном так из-за того, что посредством изменения напряжения на затворе можно уменьшить проводимость канала (создать обедненный слой). При использовании подложки p-типа получается p-канальный полевой транзистор с р-n-переходом в качестве затвора. Он работает по тому же принципу, но при обратной полярности источников.

Другой тип полевого транзистора это так называемый полевой транзистор с изолированным затвором, известный также как полевой транзистор со структурой металл-диэлектрик-полупроводник, или МОП-транзистор. Затвор в таком транзисторе изолирован от канала.

Рис. 2.8 Структура МОП-транзистора.

В подложке p-типа с помощью диффузии формируют две области n-типа. На поверхности между ними наращивается изолирующий слой оксида кремния. Затем на оксидный слон напыляют слой алюминия, который служит затвором. У такого транзистора четыре вывода. При соединенных накоротко подложке и затворе единственный ток, протекающий между истоком и стоком, это незначительный ток утечки. Если потенциал на затворе станет положительным по отношению к
базе, электроны начнут притягиваться к поверхности базы, увеличивая проводимость между двумя областями n-типа.

Протекающим током стока можно управлять при помощи напряжения затвор подложка. Принцип работы такой схемы основан на изменении проводимости канала между истоком и стоком при изменении напряжения на затворе, поэтому этот транзистор называют n-канальным МОП-транзистором (транзистором с изолированным затвором), работающим в режиме обогащения.

Также существуют МОП-транзисторы, работающие в режиме обеднения. Области стока и истока в таком транзисторе соединены тонким слоем n-типа Для управления током исток-сток на затвор подается отрицательное напряжение по отношению к базе подобно тому, как это делалось для полевого транзистора с p-n-переходом. Транзисторы такого типа называются n-канальными МОП-транзисторами, работающими в режиме обеднения. Ясно, что МОП-транзисторы, работающие в режиме обогащения, и МОП- транзисторы, работающие в режиме обеднения, могут быть как р-, так и n-канальными. На Рис. 2.9 приведены символьные обозначения для всех шести типов полевых транзисторов.

Рис. 2.9. Семейство полевых транзисторов:

а — полевые транзисторы с р-п-переходом в качестве затвора;

б - МОП-транзисторы, работающие в режиме обогащения;

в - МОП-транзисторы, работающие в режиме обеднения

2.5. Транзистор с одним p-n-переходом.

Однопереходный транзистор, — это прибор с тремя выводами, состоящий из пластины n-типа, к которой с двух концов прикреплены контакты, как показано на Рис. 2.10а. Примерно в середине пластины с помощью диффузии сформирована область p-типа, называемая эмиттером.

Рис. 2.10. Транзистор с одним переходом;

а - конструкция;

б - эквивалентная схема;

в - релаксационный генератор.

При разомкнутой цепи эмиттера напряжение V₁ определяется распределением напряжения по пластине. Это напряжение обозначается V_EO (Рис. 2.10б). Если напряжение E_EB1 больше,
чем напряжение V_EO то начнется инжекция дырок в пластину, которая приведет к увеличению проводимости, в результате уменьшится сопротивление R_B1. Это послужит причиной падения напряжения на переходе R_B1 и R_B2. Таким образом, начнется эффект нарастания, который будет продолжаться до тех пор, пока R_B1 не станет пренебрежимо малым.

На Рис. 2.10в показан релаксационный генератор на однопереходном транзисторе. Генераторы на однопереходных транзисторах получили широкое распространение в тиристорних схемах зажигания.

2.6. кремневый управляемый диод и семейство тиристоров

Иногда кремниевый управляемый диод называют тиристором, хотя термин «тиристор» используется также для описания целого семейства электронных компонентов. В сущности, кремниевый управляемый диод— это четырехслойный прибор с тремя выводами, его структура приведена на Рис. 2.11а. а соответствующий символ для обозначения в схемах — на Рис. 2.11б.

Если между анодом и катодом подать положительное напряжение, появится незначительный ток, так как центральный пере ход окажется обратносмещенным. При увеличении напряжения при некотором его значении начнется процесс лавинного нарастания тока, который будет ограничиваться исключительно сопротивлением внешней цепи. После того, как лавинный процесс начался, ток можно уменьшить до величины критического уровня, называемого «удерживающий ток».

Впрочем, лавинный процесс можно инициировать, подав положительный импульс на управляющий электрод. Как и в прежнем   случае,   после   того,   как ток начнет  протекать,  его  можно  остановить,  лишь  уменьшив      до     уровня  ниже  

Рис. 2.11. Кремниевый управляемый диод:  удерживающего тока. На   практике      это  можно 

а - конструкция;                                    сделать  мгновенным  соединением накоротко анода

б - символьное обозначение;               и  катода с  помощью конденсатора  или  подобным

в - транзисторный аналог                     образом.

Ток управляющего электрода, необходимый для запуска тиристора, достаточно мал. В типовом мощном тиристоре могут протекать токи свыше 50 А, при этом ток управляющего электрода составляет 20 мА.

Действие лавинного эффекта может быть рассмотрено на примере поведения пары транзисторов р-n-р/n-р-n, изображенной на Рис. 2.11в. После того, как положительный импульс поступит на управляющий электрод, оба транзистора TR₁ и TR₂ сразу же откроются. Такая схема называется катодно-управляемым тиристором. При использовании n-р-n-р-структуры получится анодно-управляемый тиристор. Чтобы запустить его, потребуется отрицательный управляющий импульс. Тиристоры могут проводить ток лишь в одном направлении. Если соединить в одном корпусе анодно-управляемый и катодно-управляемый тиристоры, получится прибор, проводящий ток в обоих направлениях, называемый двунаправленным тиристором, или триаком. Двунаправленные тиристоры широко применяются для управления схемами переменного тока.

Лекция №3.

Тема лекции:Операционные усилители и их применение.

Цель лекции: Изучение операционного усилителя, как основы построения всех современных аналоговых электронных устройств.

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного напряжения, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он используется в качестве отдельного элемента схемы или библиотечного элемента для создания интегральных микросхем более высокой степени интеграции. В принципе нет никакой разницы между обычным и операционным усилителями: оба применяются для усиления напряжений или токов. Но если свойства обыкновенного усилителя задаются его внутренним устройством, то операционный усилитель рассчитывается таким образом, чтобы его функции преимущественно определялись цепями внешней обратной связи. Для этого операционные усилители выполняются с большим коэффициентом усиления и связью по постоянному напряжению. Во избежание дополнительных мер для установки рабочей точки входной и выходной потенциалы задают равными нулю, поэтому операционному усилителю обычно требуется два источника питания – положительного и отрицательного напряжений. Подобные усилители, собранные на дискретных элементах (электронных лампах или транзисторах), применялись раньше исключительно в аналоговых вычислительных устройствах и для выполнения таких математических операций, как сложение и интегрирование. Отсюда и произошло само название операционных усилителей.

3.1 Общие сведения

Разнообразные операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем, мало отличаясь по размерам и стоимости от дискретных транзисторов. Благодаря во многом идеальным свойствам операционных усилителей, применять их значительно проще, чем дискретные транзисторы. Привлекательность классического ОУ связана его высокими параметрами на низких частотах. Однако первые операционные усилители были слишком инерционны, поэтому вскоре появились варианты с модифицированной архитектурой, обладающие хорошими высокочастотными характеристиками, так что к настоящему времени практически не осталось направлений, где бы дискретные транзисторы имели преимущества перед ОУ. Их внутреннее устройство рассматривается только для того, чтобы пояснить свойства интегральной схемы. Собственно внутренняя схема на транзисторном уровне интересна лишь как основа создания интегральных усилителей.

 В идеальном ОУ усиливается только разность приложенных напряжений U_D =

= U_P – U_N. Неинвертирующий вход обозначают символом P, на схеме ему соответствует знак «+». Инвертирующий вход помечается символом N в тексте и знаком «–» на схеме (иногда вывод инвертирующего входа снабжается кружком). Операционный усилитель имеет два вывода для подключения питания, к одному из которых приложено положительное (относительно земли) напряжение питания, а к другому – отрицательное, чем обеспечивается равенство нулю входного и выходного потенциалов. У операционных усилителей иногда отсутствует вывод земли, хотя к нему относят входные и выходные напряжения. Обычное рабочее напряжение питания у схем универсального применения составляет ±15 В, хотя все чаще применяется напряжение ±5 В, и действует тенденция дальнейшего снижения напряжения питания. Типичное расположение выводов операционных усилителей показано на рис. 3.1. Поскольку часто в одном корпусе микросхемы содержится несколько ОУ, выпускаются также спаренные или счетверенные приборы, позволяющие экономить место и средства.

Рис. 3.1. Выводы операционного усилителя.

Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 3.2). Они различаются высоко и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех четырех типов является высокоомным.

Рис. 3.2. Схемные символы и передаточные функции четырех операционных усилителей.

3.2. Принцип обратной связи

Обратная связь рассматривается на примере операционного усилителя типа VV, как самого распространенного на практике. ОУ с отрицательной обратной связью можно трактовать как контур регулирования и применять к его схеме принципы автоматического управления. Общий вид контура регулирования представлен на рис. 3.3. Номинальное значение сигнала получают по входному параметру путем нормирования с помощью формирователя входного параметра, представленного здесь умножением на k_F. Действительное значение находят по выходной величине посредством нормирования с помощью регулятора, представленного здесь умножением на k_R. Разность между номинальным и действительными значениями умножается объектом регулирования на A_D. Из соотношения для рассогласования

следуют определения:

     (3.1)

Усиление контура регулирования (см. рис. 3.3) рассчитывается по соотношениям

 (3.2)

Рис. 3.3. Принципиальная блок-схема контура регулирования

В схеме ОУ объектом регулирования служит сам усилитель. Формирователь входного параметра и регулятор выполняются как внешние схемы операционного усилителя. Вычитание осуществляется с помощью инвертирующего входа операционного усилителя либо посредством внешней схемы.

Для примера рассмотрим инвертирующий усилитель. При этом, естественно, отрицательная обратная связь должна проходить от выхода к инвертирующему входу, дабы предотвратить появление положительной обратной связи. Однако входное напряжение приложено к опорной точке делителя напряжения обратной связи. В таком случае получится схема, показанная на рис. 3.4. Подставив k_f и k_r в (3.2), найдем

(3.3)

Следовательно, здесь мы имеем дело с инвертирующим усилителем. Это видно и по схеме, если на вход мысленно подать положительное напряжение. Поскольку оно попадает на инвертирующий вход через резистор R1, выходное напряжение оказывается отрицательным. У идеального операционного усилителя с A_D = ∞ модуль выходного отрицательного напряжения должен стать настолько большим,

что U_D = 0. На данном основании говорят о виртуальной земле. Для расчета выходного напряжения применим к инвертирующему входу первый закон Кирхгофа о сумме токов в узле, равной нулю, и получим:

Рис. 3.4. Включение операционного усилителя в качестве инвертирующего на примере VV-усилителя.

 Указанные здесь значения k_f и k_r вытекают из определений в (3.1): а – модель согласно теории автоматического регулирования; б – инвертирующий усилитель.

Приведенное уравнение легко решается относительно U_a:

3.3. Схемы на операционных усилителях

 Инвертирующий усилитель (инвертор)

Рис. 3.5. Инвертирующий усилитель и компенсация входного сиещения.

Сумматор

Схемы сумматоров применяются в аналоговых вычислительных устройствах и в качестве основных элементов для смесителей (преобразователей) звуковой частоты.

Рис. 3.6. Сумматор на основе операционного усилителя

сопротивление резистора R₅ равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R₁,R₂,R₃ и R₄.

       Повторитель напряжения

Входное сопротивление такой схемы очень высоко (обычно несколько мегом), а выходное сопротивление очень низкое (типичное значение составляет всего лишь несколько ом). Эта схема используется как очень удобный буферный каскад
и может рассматриваться как исключительно эффективный эмиттерный повторитель.

Неинвертирующнй усилитель

Рис 3.7. Неинвертирующие усилители:

а - основная схема;
б - усилитель переменного тока;

в - усилитель переменного тока с компенсационной обратной связью.

Как правило, на основе схемы, изображенной на Рис. 3.7а, строятся усилители звуковой частоты. В схеме, изображенной на Рис. 3.7б, с помощью конденсаторов С₁ и С₂ обеспечивается развязка по переменному току, а резисторы R₁ и R₂ устанавливают уровень постоянной составляющей на неинвертирующем входе и на выходе. Резисторы R₃, и R₄ определяют коэффициент усиления по переменному току.

Для основной схемы

Дифференциальный усилитель

На практике часто возникает необходимость измерения разности двух входных напряжений. В качестве примера на Рис. 3.8 представлен мостовой тензодатчик.

Рис. 3.8. Внесение синфазной помехи в сигнал с мостового тензодатчика.

Элементы Х1 и Х2 — это два контролируемых тензорезистора, включенных таким образом, что при механическом воздействии сопротивление Х₁ возрастает, а сопротивление Х₂ уменьшается. Элементы У₁ и У₂ — это идентичные тензорезисторы, не подвергающиеся механическому воздействию, назначение которых - температурная стабилизация схемы.

Напряжение Vв — это снимаемое с моста напряжение, величина которого на практике очень мала. При поступлении этого напряжения на усилитель напряжение на каждом его входе определяется как:

где Vcм — напряжение синфазной помехи, введенной в линию
от внешнего источника помех. Если соединительные провода от моста представляют собой экранированную витую пару, то вносимое синфазное напряжение будет одинаковым на обоих входах, что позволяет использовать дифференциальный усилитель.

Рис. 3.9. Схема дифференциального усилителя.

Для правильной работы схемы очень важно, чтобы выполнялось соотношение между резисторами R₁ = R₃ и R₂ = R₄. В этом случае:

 Для достижения максимального значения КОСС следует использовать прецизионные резисторы.

Дифференциальные усилители получили широкое распространение в приборах, где необходимо усиливать сигналы малого напряжения при наличии синфазных помех, например в термопарах, тензопреобразователях, медицинских электронных приборах.

Фильтры

Фильтры используют для получения схем с заданными частотными характеристиками. Существует четыре основных типа фильтров.

Фильтр нижних частот препятствует пропусканию сигналов, частота которых выше некоторого заданного значении Типичная область применения фильтров низких частот – устранение высокочастотного шума в звуковых схемах, в этом случае такие фильтры называют шумопоглощаюшими.

Фильтры верхних частот пропускают только тс сигналы, частота которых выше некоторого заданного значения. Такие фильтры используются в звуковых схемах для устранения низкочастотного шума, вызываемого, к примеру, работой лентопротяжного механизма магнитофона.

Полосовые фильтры пропускают только частоты определенного диапазона, а режекторные фильтры (фильтр-пробка) препятствуют прохождению сигналов из определенного диапазона частот. Например, режекторный фильтр частотой 45...55 Гц широко используется в контрольно-измерительной аппаратуре для блокировки сетевых шумов частотой около 50 Гц.

На Рис. 3.10 показаны схемы фильтров на операционных усилителях и условия, соответствующие их назначению.

Стоит заметить, что частота среза — это точка на АЧХ, в которой амплитуда сигнала уменьшается на 3 дБ, а вовсе не значение частоты, выше (или ниже) которой задерживаются все частоты. На Рис. 3.10а и Рис. 3.10в показаны однокаскадные фильтры со спадом 20 дБ/декаду, а на Рис. 3.10б и Рис. 3.10г показаны двухкаскадные фильтры со спадом 40 дБ/декаду. В последних двух фильтрах затухание может регулироваться путем изменения номиналов компонентов, как показано на рисунке.

Рис 3.10. Фильтры на основе операционных усилителей:

а — простой фильтр низких частот;