WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

h 22 I 2 при I1 Const U 2 Величины h11 и h12 определяются по входным характеристикам транзистора. Рассмотрим графоаналитическое определение h параметров на примере схемы с общим эмиттером. Ввиду того,

что транзистор всегда работает с входным током, требуется пользоваться входными и выходными характеристиками (смотрите Рис. 85 – 87). Будем считать, что нагрузочное сопротивление каскада будет одинаковым и для постоянного, и для переменного тока. Требуемый hпараметр рассчитывается из приведённых ниже формул. Из рисунков видно, что подставляемые в формулы данные находятся путём проекции точек на оси координат.

Iб Iб2 Iб Iб=const Uкэ1=0 Uкэ2>0 Uкэ1=0 1 Uкэ2>0 2 Iб1 Uбэ1 Рис. 85 Uбэ2 Uбэ Uбэ1 Рис. 86 Uбэ2 Uбэ Iк 2 Iб4 Iб3 Iк Iк2 Iк1 Iб3 Iб2=const 1 2 Iк2 Iк1 1 Iб2 Iб1 Uкэ=const Uкэ Рис. 87 Uкэ1 Uкэ2 Iб1 Uкэ a) h11э h11э h12 Uб при Uкэ Const Iб Uбэ2 Uбэ1 Iб 2 Iб б) Uбэ при Iб Const Uкэ Е. А. Москатов. Стр. h12э Uбэ 2 Uбэ1 Uбэ 2 Uбэ1 т. к. Uкэ1 0 Uкэ2 Uкэ1 Uкэ Параметры h21 и h22 определяются по выходным характеристикам (смотрите Рис. 87).

h21 э h21 э h22 э h22э Iк 2 Iк1 Iб3 Iб 2 Iк 2 Iк1 Iб Iк при Iб Const Uкэ Iк 2 - Iк1 Uкэ2 - Uкэ 3) Y-параметры транзисторов.

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства. С помощью параметров можно оценивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы. Для транзисторов предложено несколько различных систем параметров, у каждой свои достоинства и недостатки. Все параметры делятся на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные характеризуют свойства самого транзистора, независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны. Основные первичные параметры: коэффициент усиления по току, сопротивления rб, rэ, rк. Y-параметры относятся ко вторичным параметрам. Они имеют смысл проводимостей. Для низких частот они являются чисто активными и поэтому их иногда обозначают буквой g с соответствующими индексами. Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рассматривается как четырёхполюсник (2 входа и 2 выхода). Вторичные параметры связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для малых амплитуд. Поэтому их ещё называют низкочастотными малосигнальными параметрами. Входная проводимость: y11 = I1 / U1, U2 = Const. Проводимость обратной связи: y12 = I1 / U2, U1 = Const. Параметр y12 показывает, какое изменение тока I1 получается за счёт обратной связи при изменении выходного напряжения U2 на 1В. Проводимость управления (крутизна): y21 = I2 / U1, U2 = Const. Величина y21 характеризует управляющее действие входного напряжения U1 на выходной ток I2 и показывает изменение I2 при изменении U1 на 1В. Выходная проводимость: y22 = I2 / U2, U1 = Const. В систему y-параметров иногда добавляют ещё статический коэффициент усиления по напряжению = - U2 / U1 при I2= Const. При этом = y21 / y22. Достоинство y-параметров - их сходство с параметрами электронных ламп. Недостаток – очень трудно измерять y12 и y22, т. к. надо обеспечить режим КЗ для переменного тока на входе, а измеряющий микроамперметр имеет сопротивление, сравнимое с входным сопротивлением самого транзистора. Поэтому гораздо чаще используют смешанные (или гибридные) h параметры, которые удобно измерять и которые приводят во всех справочниках.

Е. А. Москатов. Стр. Температурные и частотные свойства транзисторов. Фототранзисторы 1) Температурное свойство транзисторов 2) Частотное свойство транзисторов 3) Фототранзисторы 1) Температурное свойство транзисторов. Диапазон рабочих температур транзистора определяется температурными свойствами p-n перехода. При его нагревании от комнатной температуры (25 C) до 65 C сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода уменьшается на 15 – 20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора Iкбо. Он увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10C. Всё это влияет на характеристики транзистора и положение рабочей точки (смотрите Рис. 88).

Iк Iкн t2o>t1o t1o Iк' Iк РТ ' РТ Ек Uкэ' Uкэ Рис. 88 Uкэ Ток коллектора увеличивается, а напряжение Uкэ уменьшается, что равносильно открыванию транзистора. Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температурной стабилизации. 2) Частотное свойство транзисторов. Диапазон рабочих частот транзистора определяется двумя факторами: Наличие барьерных ёмкостей на p-n переходах. Коллекторная ёмкость влияет значительно сильнее, так как она подключается параллельно большому сопротивлению (смотрите Рис. 89).

rб Uвх Сэ rэ rк Ск Rн Iб Рис. Е. А. Москатов. Стр. Возникновение разности фаз между токами эмиттерами и коллектора. Ток коллектора отстаёт от тока эмиттера на время, требуемое для преодоления базы носителями заряда. 1) 1 = 0, 1 = 0 Iк 1 Iб Iб Iэ Iк Рис. 2) 2 > 0, 2 = 0, Iб2 > Iб1, Iэ Iб Iк 1 Iб Iк Рис. 3) 3 >> 0, 3<< Iэ Iб Iк Рис. 92 С увеличением частоты коэффициент усиления по току уменьшается. Поэтому для оценки частотных свойств транзистора применяется один из основных параметров - параметр граничной частоты fгр. Граничной частотой называется такая частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в 2 раз. Коэффициент усиления через граничную частоту можно определить по формуле o 2 f 1 fгр o – коэффициент усиления на постоянном токе f – частота, на которой определяется коэффициент усиления. 3) Фототранзисторы. Фототранзистором называется фотогальванический приёмник светового излучения, фоточувствительный элемент которого представляет собой структуру транзистора, обеспечивающую внутреннее усиление (смотрите Рис. 93).

Е. А. Москатов. Стр. Ф Iк Э Uвх Б К Rн Ф4>Ф Ф3>Ф nрn Ф2>0 Ф1=0 Uкэ Рис. При освещении базы в ней происходит фотогенерация носителей зарядов. Неосновные носители заряда уходят в коллектор через закрытый коллекторный переход, а основные скапливаются в базе, повышая тем самым отпирающее действие эмиттерного перехода. Ток эмиттера, а следовательно, ток коллектора возрастает. Значит, управление коллекторным током фототранзистора осуществляется током базы транзистора.

Полевые транзисторы Представление о полевых транзисторах 1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом 2) Характеристики и параметры полевых транзисторов 3) Полевые транзисторы с изолированным затвором 4) Полевые транзисторы для ИМС, репрограммируемых постоянных запоминающих устройств (РПЗУ) 1) Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, в котором ток создаётся только основными носителями зарядов под действием продольного электрического поля, а управляющее этим током осуществляется поперечным электрическим полем, которое создаётся напряжением, приложенным к управляющему электроду. + p -n и p + n +p и n + + Рис. Рис. Несколько определений: Вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов, называется истоком. Вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов, называется стоком. Вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное электрическое поле называется затвором.

Е. А. Москатов. Стр. Участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между pn переходом, называется каналом полевого транзистора. Поэтому полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа или n-типа. Условное графическое изображение (УГО) полевого транзистора с каналом n-типа изображено на рисунке 96, а с каналом p-типа на рисунке 97.

с з Рис. с з Рис. Iс и и Принцип действия рассмотрим на примере транзистора с каналом n-типа.

+ Uсм p с -з Uзи + p +n и Р ис. 1) Uзи = 0;

Ic1 = max;

2) |Uзи| > 0;

Ic2 < Ic1 3) |Uзи| >> 0;

Ic3 = 0 На затвор всегда подаётся такое напряжение, чтобы переходы закрывались. Напряжение между стоком и истоком создаёт продольное электрическое поле, за счёт которого через канал движутся основные носители зарядов, создавая ток стока. 1) При отсутствии напряжения на затворе p-n переходы закрыты собственным внутренним полем, ширина их минимальна, а ширина канала максимальна и ток стока будет максимальным. 2) При увеличении запирающего напряжения на затворе ширина p-n переходов увеличивается, а ширина канала и ток стока уменьшаются. 3) При достаточно больших напряжениях на затворе ширина p-n переходов может увеличиться настолько, что они сольются, ток стока станет равным нулю. Напряжение на затворе, при котором ток стока равен нулю, называется напряжением отсечки. Вывод: полевой транзистор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор, так как, изменяя напряжение на затворе, можно уменьшать ток стока и поэтому принято говорить, что полевые транзисторы с управляющими p-n переходами работают только в режиме обеднения канала. 2) Характеристики и параметры полевых транзисторов. К основным характеристикам относятся: Стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока (Ic) от напряжения на затворе (Uси) для транзисторов с каналом n-типа.

Iс ''n'' Iс 2 Iс ''p'' Uотс Uзи1 Uзи2 Рис. Uотс Uзи Е. А. Москатов. Стр. Стоковая характеристика – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе (смотрите Рис. 100). Ic = f (Uси) при Uзи = Const Uзи Iс |Uзи|> |Uзи2|>|Uзи1| |Uзи3|>|Uзи2| Рис. Uси Основные параметры: 1) Напряжение отсечки. 2) Крутизна стокозатворной характеристики. Она показывает, на сколько миллиампер изменится ток стока при изменении напряжения на затворе на 1В. Iс S приUси Const Uзи Iс 2 Iс1 S Uзи 2 U зи1 3) Внутреннее сопротивление (или выходное) полевого транзистора. Uси Ri приUзи Const I c Iс Uзи Iс2 Iс |Uзи|> |Uзи2|>|Uзи1| |Uзи3|>|Uзи2| Uси Uси2 Рис. Uси 4) Входное сопротивление. Uзи Rвх 109 Ом I з Так как на затвор подаётся только запирающее напряжение, то ток затвора будет представлять собой обратный ток закрытого p-n перехода и будет очень мал. Величина входного сопротивления Rвх будет очень велика и может достигать 109 Ом. 3) Полевые транзисторы с изолированным затвором. Данные приборы имеют затвор в виде металлической плёнки, которая изолирована от полупроводника слоем диэлектри Е. А. Москатов. Стр. ка, в виде которого применяется окись кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называют МОП и МДП. Аббревиатура МОП расшифровывается как металл, окись, полупроводник. МДП расшифровывается как металл, диэлектрик, полупроводник. МОП – транзисторы могут быть двух видов: Транзисторы со встроенным каналом Транзисторы с индуцированным каналом.

Транзистор со встроенным каналом.

Основой такого транзистора является кристалл кремния p- или n-типа проводимости. S iO 2 з - Канал + n+ n+ n+ Подложка p Р ис. Для транзистора с n-типом проводимости: Uзи = 0;

Ic1;

Uзи > 0;

Ic2 > Ic1;

Uзи < 0;

Ic3 < Ic1;

Uзи << 0;

Ic4 = 0. Принцип действия. Под действием электрического поля между стоком и истоком через канал будут протекать основные носители зарядов, т. е. будет существовать ток стока. При подаче на затвор положительного напряжения электроны как неосновные носители подложки будут притягиваться в канал. Канал обогатится носителями заряда, и ток стока увеличится. При подаче на затвор отрицательного напряжения электроны из канала будут уходить в подложку, канал обеднится носителями зарядов, и ток стока уменьшится. При достаточно больших напряжениях на затворе все носители заряда могут из канала уходить в подложку, и ток стока станет равным нулю. Вывод: МОП – транзисторы со встроенным каналом могут работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения зарядов.

Iс "p" "n" Uотс Рис. Uзи Транзисторы с индуцированным каналом.

Uз = 0;

Ic1 = 0;

Uз < 0;

Ic2 = 0;

Uз > 0;

Ic3 > 0.

Е. А. Москатов. Стр. Iс и n+ з с n+ "p" "n" Подложка p Uз Р ис. Рис. При напряжениях на затворе, равных или меньше нуля, канал отсутствует, и ток стока будет равен нулю. При положительных напряжениях на затворе электроны, как не основные носители заряда подложки p-типа, будут притягиваться к затвору, а дырки будут уходить вглубь подложки. В результате в тонком слое под затвором концентрация электронов превысит концентрацию дырок, т. е. в этом слое полупроводник поменяет тип своей проводимости. Образуется (индуцируется) канал, и в цепи стока потечёт ток. Вывод: МОП – транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения. МОП – транзисторы обладают бльшим входным сопротивлением, чем транзисторы с управляемым переходом. Rвх = (1013 1015) Ом.

4) Полевые транзисторы для ИМС РПЗУ. В интегральных микросхемах РПЗУ в виде ячейки для хранения 1бит информации используются полевые транзисторы МНОП или МОП - транзисторы с плавающим затвором. Аббревиатура МНОП расшифровывается следующим образом. М - металл, Н – сплав HSi3N4, О – оксид металла, П – полупроводник. Принцип действия этих транзисторов основан на том, что в сильных электрических полях электроны могут проникать в диэлектрик на глубину до 1мкм. МНОП-структура транзистора изображена на Рис. 106.

з и n+ S i3N4 S iO с n+ Подложка p Р ис. Транзисторы структуры МНОП имеют двухслойный диэлектрик. Первый слой, толщиной менее 1мкм – это окись кремния, второй слой – толщиной несколько микрон – нитрид кремния. Без программирования этот транзистор работает как обычный МОП – транзистор и содержит логическую единицу информации.

Iс "1" "0" Uз=5В Рис. Uд Е. А. Москатов. Стр. Для программирования логического нуля на затвор подают кратковременное напряжение (U = 25 30В). Под действием этого напряжения электроны проходят слой окиси малой толщины, но не могут пройти слой нитрида кремния и скапливаются на границе этих слоёв. Поскольку напряжение кратковременно, то они остаются на границе слоёв этих диэлектриков. Оставшись, электроны создают объёмный отрицательный заряд, который может храниться сколь угодно долго. За счёт этого заряда возникает электрическое поле, противодействующее полю затвора. Чтобы индуцировать канал в транзисторе, на затвор необходимо подавать большее напряжение, чтобы преодолеть действие поля объёмного заряда. Это соответствует сдвигу стокозатворной характеристики вправо по оси напряжений. При подаче на затвор импульса запроса 5В канал индуцироваться не будет, ток стока и ток в нагрузке отсутствуют, и на нагрузке будет уровень логического нуля. Для стирания информации на затвор подают также напряжение 25 30В, только отрицательной полярности. Структура МНОП – транзисторов с плавающим затвором. В слое окисла кремния создаётся область из алюминия или поликристаллического кремния на расстоянии менее 1мкм от полупроводника (смотрите Рис. 108). з A l или S i и n+ S iO с n+ Подложка p Р ис. Принцип действия МОП – транзисторов с плавающим затвором точно такой же, как у транзисторов МНОП, только при программировании электроны скапливаются в плавающем затворе из алюминия или кремния. Стирание информации осуществляется ультрафиолетовым облучением.

Тиристоры Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n – типов проводимости. Первый вид тиристоров – это динисторы. Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды. Тринисторы – это управляемые переключательные диоды. Симисторы – это симметричные тиристоры, т. е. тиристоры с симметричной ВАХ. Рассмотрим эти приборы.

1) Устройство и принцип действия динисторов. 2) Основные параметры тиристоров. 3) Тринисторы. 4) Понятие о симисторах. 1) Устройство и принцип действия динисторов. Наружная p-область и вывод от неё называется анодом (смотрите Рис. 109).

Е. А. Москатов. Стр. А "+" p Э.П. n К.П. p Э.П. n К "-" Рис. 109 Б2 Б Наружная n-область и вывод от неё называется катодом. Внутренние p- и n-области называются базами динистора. Крайние p-n переходы называются эмиттерными, а средний p-n переход называется коллекторным. Подадим на анод «-», а на катод «+». При этом эмиттерные переходы будут закрыты, коллекторный открыт. Основные носители зарядов из анода и катода не смогут перейти в базу, поэтому через динистор будет протекать только маленький обратный ток, вызванный не основными носителями заряда. Если на анод подать «+», а на катод «-», эмиттерные переходы открываются, а коллекторный закрывается.

I U Рис. Динисторы применяются в виде бесконтактных переключательных устройств, управляемых напряжением. Принцип действия. Основные носители зарядов переходят из анода в базу 1, а из катода – в базу 2, где они становятся не основными и в базах происходит интенсивная рекомбинация зарядов, в результате которой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Эти носители заряда подходят к коллекторному переходу, поле которых для них будет ускоряющим, затем проходят базу и переходят через открытый эмиттерный переход, т. к. в базах они опять становятся основными. Пройдя эмиттерные переходы, электроны переходят в анод, а дырки – в катод, где они вторично становятся не основными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор, будет очень мало и прямой ток также будет очень мал. При увеличении напряжения прямой ток незначительно возрастает, т. к. увеличивается скорость движения носителей, а интенсивность рекомбинации уменьшается. При увеличении напряжения до определённой величины происходит электрический пробой коллекторного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшается, ток через него сильно увеличивается и падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что динистор перешёл из выключенного состояния во включённое.

2) Основные параметры тиристоров.

Е. А. Москатов. Стр. Напряжение включения (Uвкл) – это напряжение, при котором ток через динистор начинает сильно возрастать. Ток включения (Iвкл) – это ток, соответствующий напряжению включения. Ток выключения (Iвыкл) – это минимальный ток через тиристор, при котором он остаётся ещё во включённом состоянии. Остаточное напряжение (Uост) – это минимальное напряжение на тиристоре во включённом состоянии.

I Iвыкл Uост Рис. Iо Iвкл Uвкл U Ток утечки (Io) – это ток через тиристор в выключенном состоянии при заданном напряжении на аноде. Максимально допустимое обратное напряжение (Uобр.max). Максимально допустимое прямое напряжение (Uпр.max). Время включения (tвкл) – это время, за которое напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 напряжения включения. Время включения (tвыкл) – это время, за которое тиристор переходит из включённого в выключенное состояние.

3) Тринисторы. А + p n p n К Еу Iупр I + Евн Iупр2>Iупр1 Iупр1>0 Iупр= у Рис. Рис. U Тринисторы можно включать при напряжениях, меньших напряжения включения динистора. Для этого достаточно на одну из баз подать дополнительное напряжение таким образом, чтобы создаваемое им поле совпадало по направлению с полем анода на коллекторном переходе. Можно подать ток управления на вторую базу, но для этого на управляющий электрод необходимо подавать напряжение отрицательной полярности относительно анода, и поэтому различают тринисторы с управлением по катоду и с управлением по аноду. На рисунках 114 – 119 изображены условные графические обозначения (УГО) рассматриваемых в данной теме приборов. На рисунке 114 – УГО динистора, на 115 – тринистора с управ Е. А. Москатов. Стр. лением по катоду, на 116 – тринистора с управлением по аноду, на 117 – неуправляемого симистора, на 118 – симистора с управлением по аноду, и на 119, соответственно, симистора с управлением по катоду.

А К К А А К У.Э.

У.Э.

Рис. Рис. Рис. Рис. Рис. Рис. Маркировка расшифровывается так: КН102Б – кремниевый динистор;

КУ202А – кремниевый тринистор. Первая буква «К» обозначает материал кремний. Вторая – тип прибора – динистор или тринистор. Третья группа – трёхзначный цифровой код, и четвёртая группа, расшифровываются так же, как и все рассмотренные ранее полупроводниковые приборы.

4) Понятие о симисторах.

Подадим положительное напряжение на области p1, n1, а отрицательное на области p2, n3.

I Евн + p1 n2 n1 П1 П2 П П4 n3 p U Рис. Рис. Переход П1 закрыт, и выключается из работы область n1. Переходы П2 и П4 открыты и выполняют функцию эмиттерных переходов. Переход П3 закрыт и выполняет функцию коллекторного перехода. Таким образом, структура симистора будет представлять собой области p1, n2, p2, n3, где p1 будет выполнять функции анода, а n3 – катода при прямом включении. Подадим напряжение плюсом на области p2, n3, а минусом на области p1, n1. Переход П4 закроется и выключит из работы область n3. Переходы П1 и П3 откроются и будут играть роль эмиттерных переходов. Переход П2 закроется и будет выполнять функцию коллекторного перехода. Структура симистора будет иметь вид p2-n2, p1-n1, где область p2,будет являться анодом, а n1 – катодом. В результате будет получаться структура в прямом включении, но при обратном напряжении. ВАХ будет иметь вид, изображённый на Рис. 121.

Е. А. Москатов. Стр. Электровакуумные приборы Электровакуумный диод 1) Электровакуумный диод, устройство и принцип действия электровакуумного диода 2) ВАХ и основные параметры электровакуумного диода 1) Электровакуумный диод, устройство и принцип действия электровакуумного диода. Электровакуумными приборами называются электронные приборы, принцип действия которых основан на движении электронов в вакууме при работе в различных электрических полях. Принцип действия всех электровакуумных приборов основан на явлении электронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия. Автоэлектронная (или «холодная») эмиссия – это эмиссия под воздействием сильных электрических полей. Фотоэлектронная эмиссия. Вторичная эмиссия Если электрон обладает достаточной скоростью и кинетической энергией и ударяется при этом в поверхность материала, он отдаёт свою энергию электронам материала, которые вылетают с его поверхности. Причём каждый ударяющий электрон, который называют первичным электроном, может «выбивать» с поверхности материала несколько вторичных электронов. Вакуумный диод имеет два основных электрода – катод и анод. Катод – это электрод, с которого происходит термоэлектронная эмиссия. Катоды бывают двух видов – с прямым и косвенным накалом. Катоды с косвенным накалом обычно выполняются в виде трубки, внутри которой расположена спираль, называемая нитью накала. На неё подаётся напряжение накала, она разогревает катод для получения термоэлектродной эмиссии. Катоды прямого накала – это катоды, у которых напряжение накала подаётся непосредственно на катод.

Н1 Рис. Н Рис. Анод – это электрод, находящийся обычно под положительным потенциалом, к которому стремятся электроны, вылетевшие из катода. Принцип действия. При подаче на анод положительного напряжения между катодом и анодом создаётся ускоряющее электрическое поле для электронов, вылетающих из катода. Они прилетают к аноду, и через диод протекает прямой ток анода Ia. При подаче на анод отрицательного напряжения относительно катода для электронов, вылетающих из катода, образуется тормозящее электрическое поле, они будут прижиматься к катоду и ток анода будет равен нулю. Отличие электровакуумных диодов от полупроводниковых заключается в том, что обратный ток в них полностью отсутствует.

Е. А. Москатов. Стр. 2) ВАХ и основные параметры электровакуумного диода. ВАХ электровакуумного диода изображена на Рис. 124.

Ia Рис. Ua Нелинейный участок. Ток медленно возрастает, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного электрического заряда, который образуется электронами, вылетающими из катода за счёт эмиссии. Линейный участок. При достаточно сильном электрическом поле анода объёмный электрический заряд уменьшается и не оказывает значительного влияния на поле анода. Участок насыщения. Рост тока при увеличении напряжения замедляется, а затем полностью прекращается т. к. все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. ВАХ анода прямо пропорционально зависит от напряжения накала (смотрите Рис. 125).

Ia Uн1 Uн2

Триод 1) Устройство и принцип действия триода 2) ВАХ и основные параметры триода 1) Устройство и принцип действия триода. Триодом называется электровакуумный прибор, у которого помимо анода и катода имеется третий электрод, который называется сеткой. Сетка в триоде имеет вид спирали и располагается между анодом и катодом, ближе к катоду. УГО триода изображено на Рис. 127.

А С Н.Н. Рис. К Рассмотрим влияние сетки на работу триода. 1) Uc = 0;

Ia1 > 0.

Е. А. Москатов. Стр. А + -- - К Рис. При напряжении на сетке, равном нулю, сетка не оказывает воздействия на поле анода, и в цепи анода будет протекать ток. 2) Uc > 0;

Ia2 > Ia1;

Ic > 0.

А + - К Рис. При положительных напряжениях на сетке между нею и катодом возникает поле сетки, линии напряжённости которого направлены так же, как и у анода. Результирующее действие поля на электроны усиливается, и ток анода возрастает. Положительно заряженная сетка перехватывает часть электронов, за счёт чего возникает ток сетки Ic. 3) Uc < 0;

Ia3 < Ia1.

А + - К Рис. При подаче отрицательного напряжения на сетку поле сетки будет противодействовать полю анода, за счёт чего анодный ток уменьшается. 4) Uc << 0;

Ia4 = 0.

А + -- К Рис. Е. А. Москатов. Стр. При достаточно больших отрицательных напряжениях на сетке между катодом и сеткой создаётся настолько сильное тормозящее электрическое поле, что электроны, вылетающие из катода, будут прижиматься опять к катоду и ток анода будет равен нулю. Напряжение на сетке, при котором Ia становится равным нулю, называется напряжением запирания или напряжением отсечки. Вывод: изменяя напряжение на сетке, можно управлять током анода, и поэтому сетка в триоде получила название управляющей. Система маркировки триодов аналогична системе маркировки электровакуумных диодов. Определённая буква во 2 группе показывает, что данный прибор триод. Буква C – одинарный триод, H – двойной триод.

2) ВАХ и основные параметры триода.

Анодносеточная характеристика. Ia = f (Uc) при Ua = Const.

Uac>Ua1 Ia Ua Iа Uзап2 Uc Uзап1 Рис. Uc Анодная характеристика. Это зависимость тока анода от напряжения анода при постоянном напряжении на сетке.

Uc>0 Uc=0 Uc1<0 Uc2

Е. А. Москатов. Стр. Ua Uc 4. Проницаемость триода. 1 Uc Д Ua Теперь проведём несложный расчёт. Ia Ua Uc S Ri Д 1 Uc Ia Ua S Ri 1 = S Ri Последнее уравнение получило название основного уравнения триода. 5. Межэлектродные ёмкости.

Сса С Сск А Сак К Рис. Так как электроды триода выполняются из металла, а между ними – вакуум, то в триоде образуются три межэлектродные ёмкости. Входной сигнал на триод подаётся между сеткой и катодом, а выходной сигнал снимается между анодом и катодом. Поэтому ёмкость сетка-катод называется входной ёмкостью, ёмкость сетка-анод называется проходной ёмкостью, так как напрямую связывает вход с выходом, ёмкость анод-катод называется выходной ёмкостью. Эти ёмкости влияют на частотные свойства триода. Наиболее сильное влияние оказывает проходная ёмкость.

Тетрод 1) Устройство и схема включения тетрода 2) Динатронный эффект 3) Лучевой тетрод 1) Устройство и схема включения тетрода. Одним из основных недостатков триода является небольшой коэффициент усиления (обычно 30). Ua при Ia Const Uc Для увеличения коэффициента усиления надо ослабить влияние поля анода на катод по сравнению с влиянием поля сетки. С этой целью между управляющей сеткой и анодом была введена вторая сетка, которая получила название экранной сетки. Электровакуумный прибор, состоящий из катода, анода и двух сеток, называется тетродом. УГО тетрода изображено на рисунке 135.

Е. А. Москатов. Стр. А Э.С. У.С.

Н.Н. Рис. К На экранную сетку подаётся строго постоянное положительное напряжение, равное 0,6 0,8 напряжения анода. Uc2 = (0,6 0,8) Ea Схема включения тетрода показана на рисунке 136.

Ra Rc2 Cp Uвых Cc2 + Еa Ес Рис. Ra – сопротивление анодной нагрузки для обеспечения динамического режима работы тетрода. Rc2 – сопротивление экранной сетки, которая вместе с участком экранная сетка-катод представляет собой делитель напряжения на экранной сетке (Uc2 = (0,6 0,8) Ea). Cc2 – это конденсатор большой ёмкости, через который замыкается на общий провод переменная составляющая тока экранной сетки.

2) Динатронный эффект. Рассмотрим зависимость токов экранной сетки Ia от напряжения на аноде. Ic2 = f (Ua);

Ia = f (Ua).

Ia Ic Ia Ic Ua' Ua'' Рис. Ua Рис. При напряжении на аноде, равном нулю, все электроны, вылетающие из катода, перехватываются экранной сеткой. Ток экранной сетки будет максимален, а ток анода – равен нулю.

Е. А. Москатов. Стр. При увеличении напряжения на аноде электроны начинают достигать анода, за счёт чего ток анода увеличивается, а ток экранной сетки уменьшается. При определённом напряжении Ua` скорость электронов, а, значит, и их кинетическая энергия достигают величины, достаточной для вторичной эмиссии с анода. Но т. к. напряжение на аноде при этом меньше, чем на экранной сетке, вторичные электроны, вылетающие из катода, будут притягиваться к экранной сетке, за счёт чего ток экранной сетки увеличивается, а ток анода уменьшается. При напряжении Ua``, которое больше, чем напряжение на экранной сетке, вторичные электроны возвращаются в анод, ток анода увеличивается, а ток анодной сетки Ic2 уменьшается. В результате этого, на анодной характеристике образуется провал. Провал анодной характеристики в результате вторичной эмиссии с анода называется динатронным эффектом. Вследствие динатронного эффекта происходит сильное искажение усиливаемого сигнала. За счёт введения экранной сетки в тетроде коэффициент усиления увеличивается до нескольких сотен. Экранная сетка уменьшила проходную ёмкость, что значительно улучшило частотные свойства тетрода, но за счёт искажения формы сигнала тетроды применяются очень редко. От динатронного эффекта можно избавиться двумя путями. 1 путь. Создать между экранной сеткой и анодом большую плотность электронного потока, чтобы получившийся объёмный отрицательный заряд препятствовал вторичным электронам попадать на экранную сетку. 2 путь. Ввести между экранной сеткой и анодом третью, дополнительную сетку с нулевым потенциалом. Первый путь применяется в лучевых тетродах, второй – в пентодах.

3) Лучевой тетрод. Принцип действия лучевого тетрода основан на том, что электроны от катода к аноду пролетают в виде узких лучей с высокой плотностью электронного потока. На рисунке 139 изображён разрез тетрода, а на рисунке 140 – разрез лучевого тетрода.

А Э.С. У.С.

Лучеобразующая пластина К Рис. Рис. На рисунке 140 лучеобразующая пластина является экраном и находится под напряжением катода. За счёт этих пластин электроны к аноду летят в виде лучей, плотность потока увеличивается, и динатронный эффект практически устраняется. На рисунке 142 изображено УГО лучевого тетрода.

А Ia Uc5 Uc Э.С. У.С.

Uc3 Uc2 Uc1 Uа Рис. Н.Н. Рис. К Е. А. Москатов. Стр. Пентод Пентодом называется электровакуумный прибор с тремя сетками: управляющей, экранной и антидинатронной. Антидинатронная (защитная) сетка располагается между экранной сеткой и анодом и соединяется с катодом, т. е. находится под нулевым потенциалом. Принцип действия. Защитная сетка перехватывает линии напряжённости поля экранной сетки, которые направлены к аноду, за счёт чего между анодом и защитной сеткой создаётся тормозящее поле для вторичных электронов, вылетающих из анода. Они возвращаются, и динатронный эффект полностью устраняется. А Ia Uc5 Uc4 Uc + с + + с + Рис. с + + Uа Рис. Uc2 Uc Защитная сетка ещё сильнее ослабила влияние поля анода на катод, что позволило увеличить коэффициент усиления до нескольких тысяч. В пентодах защитная сетка уменьшила проходную ёмкость, что ещё более улучшило частотные свойства. Маркировка. 6 1 Ж 2 1П Система маркировки пентодов аналогична системе маркировки электровакуумных диодов. Определённая буква во 2 группе показывает, что данный прибор из себя представляет. Буква Ж – высокочастотный пентод, П – мощные выходные пентоды и лучевые тетроды, К – пентоды с удлинённой анодно-сеточной характеристикой. Кроме рассмотренных выше приборов, существуют многосеточные лампы с 4, 5 и 6 сетками. Буква A, например, во второй группе показывает, что перед нами гексод. Эти лампы являются частотопреобразовательными. Кроме многосеточных, существуют комбинированные лампы, например, диод-триод (буква Г), диод-пентод (второй элемент – буква Б), триод-пентод (второй элемент – буква Ф).

Цифровая микросхемотехника Основы микроэлектроники 1) Классификация и УГО интегральных микросхем (ИМС). 2) Элементы и компоненты гибридных ИМС (ГИС). 3) Элементы и компоненты полупроводниковых ИМС.

Е. А. Москатов. Стр. 1) Классификация и УГО интегральных микросхем.

ИМС – микроэлектронное устройство, выполняющее функции целой электрической схемы и выполненное как единое целое. Классифицируют ИМС по следующим признакам: 1. По технологии изготовления: Плёночные – это ИМС, у которых все элементы выполнены в виде тонких плёнок, нанесённых на диэлектрическое основание, т. е. подложку. Гибридные (ГИС) – это ИМС, у которых пассивные элементы выполнены по тонкоплёночной технологии, а активные элементы выполнены как отдельные, навесные, бескорпусные. Полупроводниковые ИМС – это микросхемы, у которых все элементы «выращены» в кристалле полупроводника. 2. По способу преобразования и обработки информации имеется два вида ИМС: Аналоговые ИМС – с непрерывной обработкой информации (смотрите процесс, запечатлённый, на рисунке 145);

Цифровые ИМС – с дискретной обработкой информации (смотрите рисунок 146).

U U Рис. t Рис. t 3. По степени интеграции: К = lg N N – количество элементов в одном корпусе микросхемы. Система обозначений ИМС.

К 155 Л А 7 К 226 У Н 4 1 234 1 – серия ИМС. В одну серию объединяются ИМС, разработанные на основе единых схемотехнических решений и выполненные по одной технологии. Первая цифра серии - технологический признак ИМС: 1, 5, 7, 8 – полупроводниковые ИМС;

2, 4, 6, 8 – гибридные ИМС;

3 – все прочие. 2 – группа ИМС по функциональному назначению: У – усилители Г – генераторы А – формирователи сигналов Е – вторичные источники питания (ВИП) Х – многофункциональные схемы Л – логические схемы Т – триггеры И – схемы цифровых устройств В – схемы вычислительных устройств и микро ЭВМ Р – элементы памяти Е. А. Москатов. Стр. 3 – подгруппа, уточняющая функциональный признак. В ней обозначения могут записываться так: УН, УВ, УН, УТ, УД. УН, например, обозначает «усилитель низкочастотный». 4 – вид ИМС по своим электрическим параметрам (для аналоговых ИМС) или же дальнейшее уточнение функций (для цифровых ИМС). К155ЛА3 – 4 элемента 2И-НЕ. КР, КМ – разновидность корпуса, из чего сделан.

2) Элементы и компоненты ГИС. Одним из основных элементов ГИС является подложка из стеклокерамического материала. Форма всегда прямоугольная. К подложке предъявляются высокие требования по чистоте обработки поверхности, по химической стойкости и электрической прочности. Контактные площадки и соединительные проводники. Контактные площадки предназначены для обеспечения электрического контакта между плёночными элементами и соединительными проводниками, а также между плёночными и навесными элементами.

Контактная площадка R Пров одник М еталл Р ис. Контактные площадки чаще всего изготавливаются из алюминия, потом медь, реже серебро, золото. Для улучшения адгезии (прилипания) между проводником (контактной площадкой) и подложкой их напыляют на подслой из никеля. Плёночные резисторы имеют прямоугольную форму (смотрите рисунки 148, 149).

R R Р ис. Р ис. При необходимости получить большую величину сопротивления допускается их изготовлять в виде меандра. Материалами для изготовления резисторов служит никель, нихром, металлокерамика. Плёночные конденсаторы представляют собой плёночную трёхслойную структуру, между которыми наносится диэлектрическая плёнка. Для обкладок применяют алюминий, медь, реже серебро, золото. В виде диэлектрика наносится окись кремния (SiO2;

SiO), моноокись германия (GeO), окись тантала (Ta2O5). Не рекомендуется, но допускается для получения больших ёмкостей напылять многослойные конденсаторы. Очень редко применяются плёночные катушки индуктивности (смотрите рисунок 150).

Р ис. 15 Е. А. Москатов. Стр. Навесные элементы – диоды и транзисторы могут быть с гибкими или жёсткими выводами. Применение навесных элементов с жёсткими выводами затрудняет процесс проектирования интегральных микросхем. Но жёсткие выводы позволяют автоматизировать процесс сборки. 3) Элементы и компоненты полупроводниковых ИМС. Основой полупроводниковой ИМС является подложка из кремния обычно p-типа проводимости. В основе изготовления полупроводниковых ИМС лежит диффузионно-планарная или эпитаксильно-планарная технология. Оба эти метода предусматривают создание внутри полупроводника (т. е. в подложке) островков с чередующимися слоями p- и n-типа проводимости (смотрите рис. 151, 152).

R КБ Э n p n p Подложка S i (p) p А К p n n n p p n Р ис. Рис. Булева алгебра Простейшие логические функции и логические элементы 1) Логические функции и их реализация. 2) Схемотехника простейших логических элементов. 3) Характеристики и параметры цифровых ИМС. 1) Логические функции и их реализация. 1. Логическое отрицание (или инверсия). Записывается эта функция так: y x. Данная функция реализуется логическим элементом, который называется инвертором или же элементом НЕ (смотрите рис. 153).

x Рис. x y y 1 0 Рис. Каждый логический элемент характеризуется таблицей состояний на входе и выходе, которую называют таблицей истинности. Таблица истинности для элемента НЕ изображена на рисунке 154. 2. Вторая наша логическая функция называется дизъюнкцией, или логическим сложением. y x1 x2... xn. Элемент, реализующий функцию дизъюнкции, называется ИЛИ (смотрите рис. 155, 156).

x1 x x1 x2 y 0 1 1 Рис. y=x1 V x 00 01 10 Рис. Е. А. Москатов. Стр. 3. Конъюнкция, или логическое умножение. Элемент, реализующий функцию конъюнкции, называется И (смотрите рис. 157, 158). y x1 x2... xn x1 x x1 x y 0 0 0 & y x1 x 0 0 1 0 1 0 Рис. Рис. Элементы НЕ, ИЛИ, И представляют собой функционально полный набор логических элементов. Только при помощи этих элементов можно выполнить любую сколь угодно сложную функцию. 4. Элемент Пирса. Этот элемент, реализующий функцию отрицания дизъюнкции, называется ИЛИ-НЕ (смотрите рис. 159, 160). y x1 x2.

x1 x y x1 x x1 x2 0 0 1 0 1 y 1 0 0 Рис. Рис. 5. Элемент Шеффера. Этот элемент, реализующий функцию отрицания конъюнкции, называется И-НЕ (смотрите рис. 161, 162). y x1 x2.

x1 x x1 x2 00 01 10 11 y 1 1 1 & y x1 x Рис. Рис. 6. Исключающее ИЛИ - это элемент ИЛИ, который исключает два одинаковых состояния на входе (смотрите рисунки 163, 164).

x1 x = y x1 x2 0 0 1 0 1 y 0 1 1 Рис. Рис. Маркировка логических элементов. Вторая и третья группы в обозначении цифровых ИМС показывают какой логический элемент перед нами. Например: НЕ ЛН ИЛИ ЛЛ И ЛИ ИЛИ-НЕ ЛЕ И-НЕ ЛА =1 ЛП Следует заметить, что отдельные логические элементы в микросхемном исполнении в настоящее время не выпускаются.

Е. А. Москатов. Стр. 2) Схемотехника простейших логических элементов.

1. Элемент НЕ (смотрите рисунки 166 - 168). В общем случае представляет транзисторный ключ на полевом или биполярном транзисторе.

Iк Iб4=max Р.Т.нас Iб + Rк Uип Iб2 Р.Т.отс Iб1 Iб=0 Uнас Uотс Р ис. Eк y x Rб VT x y 1 Рис. 0 Рис. Рис. 2. Элемент ИЛИ. В простейшем случае реализуется на полупроводниковых диодах (смотрите рисунок 169). Необходимым условием для работы является: 1) Uвх1 > Uип;

2) R >> Ri.пр.

R X1 VD1 VD3 VD4 Y + ИП X1 0 0 1 X2 0 1 Y 0 1 X2 VD2 Рис. 1 1 Рис. 3. Схема И. Элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ реализуются подключением на выход диодной матрицы транзисторного инвертора. R >> Rпр.

X1 X2 0 0 1 1 0 1 0 1 Y 0 0 0 1 "1" SA1 X1 VD1 X2 VD2 Рис. 171 R VD3 VD4 Y + - ИП 4. Исключающее ИЛИ.

R1 R2 Y VT3 X1 VT1 X2 VT2 + Uип Iб Iкэ= Iкэ> Рис. Рис. Uбэ База каждого из входных транзисторов VT1, VT2 соединена с эмиттером другого транзистора. На транзисторе VT3 собран инвертор, или транзисторный ключ.

Е. А. Москатов. Стр. Iк Iб4=max Р.Т.нас Iб Iк.нас Iб2 Р.Т.отс Iб1 Iб=0 Uкэ.нас Uкэ.отс Uип Р ис. Eк X1 0 1 0 X2 0 0 1 Y 0 1 1 Рис. 3) Характеристики и параметры цифровых ИМС.

К характеристикам цифровых ИМС относятся: Входные характеристики (смотрите рисунок 176) – это зависимость входного тока Iвх ИМС от величины входного напряжения. Iвх = f (Uвх).

Iвх 1 Uвх Рис. Кривая 1 – для ИМС, у которых входной ток максимален при логическом нуле на входе. Кривая 2 – это характеристика ИМС, у которых входной ток максимален при логической единице на входе. Передаточные характеристики. Это зависимость выходного напряжения ИМС от входного (смотрите рисунок 177).

Uвых 1 Uвх Рис. Кривая 1 – для ИМС с инверсией. Кривая 2 – для ИМС без инверсии. Параметры ИМС. Параметры ИМС подразделяются на две группы – статические и динамические. 1] Статические параметры характеризуют работу ИМС при статических 0 или 1 на входе и выходе. К статическим параметрам относятся: 1. Напряжение источника питания Uип. 2. Входные и выходные напряжения логического нуля и логической единицы: Uвх0, Uвх1, Uвых0, Uвых1. 3. Входные и выходные токи логического нуля и логической единицы: Iвх0, Iвх1, Iвых0, Iвых1. 4. Коэффициент разветвления показывает количество входов микросхем нагрузок, которые можно подключить к данной микросхеме без потери её работоспособности (характеризует нагрузочную способность ИМС): Кр.

Е. А. Москатов. Стр. 5. Коэффициент объединения по входу Коб показывает, количество входов микросхемы, по которым реализуется выполняемая ею функция. 6. Напряжение статической помехи – это максимально допустимое статическое напряжение на входе, при котором микросхема не теряет свой работоспособности. Характеризует помехоустойчивость ИМС. Обозначение: Uст.п. 7. Средняя потребляемая мощность от источника питания Pпот.ср.

P 0 пот. P1пот. 2 2] Динамические характеристики. Они характеризуют работу ИМС в момент переключения из нуля в единицу или из единицы в ноль. Pпот.ср Uв х Uв х 0,9 Uв х 0,5 Uв х 0,1 Uв х t0 1 зад. Uв ы х Uв ы х 0,9 Uв ы х 0,5 Uв ы х 0,1 Uв ы х t Р ис. 17 8 t1 0 зад. t t0 1 t1 1. Время переключения из логического нуля в логическую единицу t01 – это время, за которое напряжение на входе или выходе возрастает от 0,1 до 0,9 уровня логической единицы (смотрите рисунок 178). 2. Время переключения из логической единицы в логический ноль t10. 3. Время задержки распространения сигнала при переключении из нуля в единицу. Обозначение: t01зад. 4. Время задержки распространения сигнала при переключении из логической единицы в логический ноль. Обозначение: t10зад. 5. Среднее время задержки распространения сигнала, характеризует быстродействие ИМС. Обозначение: tзад.ср.

tзад.ср t 01зад t10 зад Транзисторно-транзисторная логика 1) Основные типы логики и понятие о многоэмиттерном транзисторе. 2) Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) с простым инвертором. 3) ТТЛ со сложным инвертором. 1) Основные типы логики и понятие о многоэмиттерном транзисторе. Существует много разновидностей логики: ТЛНС – транзисторная логика с непосредственными связями. РТЛ – резисторно-транзисторная логика.

Е. А. Москатов. Стр. РЕТЛ – резисторно-ёмкостная транзисторная логика. ДТЛ – диодно-транзисторная логика. К основному типу логики относят ТТЛ. Разновидности: ТТЛШ – транзисторно-транзисторная логика с переходами Шоттки. ЭСЛ – эмиттерно-связная логика. КМОП – логика на полевых МОП - транзисторах, состоящая из комплементарных пар.

R1 "1" X1 VD1 VD2 VD3 + Uип1 VD4 R2 Y VT1 + Uип2 X Рис. В ТТЛ операцию «И» выполняет многоэмиттерный транзистор, в котором функции диодов VD1 и VD2 выполняют эмиттерные переходы транзистора, а функции диодов VD3, VD4 выполняет коллекторный переход транзистора (смотрите рисунок 179). Структура многоэмиттерного транзистора показана на рисунке 180, а УГО – на 181.

К Б Э1 Э2 Э3 n n p n n p n n Рис. 181 n Подложка "р" Р ис. 2) Транзисторно-транзисторная логика с простым инвертором.

R1 "1" VT1 VT2 R3 Y + Uип Iк Iк.нас Р.Т.нас Iбmax Iб3 Iб2 Р.Т.отс Iб1 Iб=0 Uкэ X1 X X1 0 0 1 X2 0 1 0 Y 1 1 1 R R U0вых U1вых Рис. Uип Рис. Рис. Принцип действия. Если хотя бы на один из входов будет подаваться сигнал логического нуля, соответствующий эмиттерный переход транзистора VT1 будет открыт, и через него будет протекать ток от плюса источника питания (ИП), через резистор R1, база-эмиттер VT1, общий провод, минус источника питания. В цепи коллектора VT1, а следовательно, и в цепи базы VT2, ток будет отсутствовать, транзистор VT2 будет находиться в режиме отсечки, на выходе будет высокий уровень напряжения логической единицы. При подаче на оба входа логических единиц оба эмиттерных перехода закрываются, и ток будет протекать по цепи от плюса ИП, через R1, базаколлектор VT1 и на базу VT2. Транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения и на выходе установится низкий уровень напряжения логического нуля. Недостатком ТТЛ с простым инвертором является маленький коэффициент разветвления.

Е. А. Москатов. Стр. 3) ТТЛ со сложным инвертором.

R1 R2 R4 VT3 VD1 VT4 R3 Y + Uип "1" X1 X VT1 VT X1 0 0 1 X2 0 1 0 Y 1 1 1 Рис. Рис. Если хотя бы на одном из входов будет действовать логический ноль, соответствующий эмиттерный переход будет открыт, и через него будет протекать ток по цепи от плюса ИП, через R1, база-эмиттер VT1, общий провод, минус ИП. В цепи коллектора VT1, а следовательно, и в цепи базы VT2 ток будет отсутствовать, VT2 будет находиться в режиме отсечки, ток через транзистор VT2, а значит, ток базы VT4 будут близки к нулю. Транзистор VT4 также будет находиться в режиме отсечки, и на выходе будет высокий уровень напряжения логической единицы. При этом напряжение на коллекторе VT2 и на базе VT3, будет максимальным, и VT3 будет находиться в полностью открытом состоянии. При подаче на оба входа логических единиц оба эмиттерных перехода закрываются, и ток будет протекать по цепи от плюса ИП, через R1, переход база-коллектор VT1 на базу VT2. Транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения. Ток через него, а следовательно, и ток базы VT4 будет максимальным, и транзистор VT4 перейдёт в режим насыщения. На выходе будет низкий уровень логического нуля. При этом напряжение на коллекторе VT2 и на базе VT3 будет близко к нулю и VT3 перейдёт в полностью закрытое состояние. Диод VD1 применяется для более надёжного запирания транзистора VT3.

Логические элементы ТТЛ со специальными выводами 1) ТТЛ с открытым коллектором. 2) ТТЛ с Z-состоянием. 3) ТТЛШ. 4) Оптоэлектронные ИМС. 1) ТТЛ с открытым коллектором. Следующая схема получила своё название за счёт того, что коллектор выходного транзистора не подключён ни к одной точке схемы. Поэтому для обеспечения работоспособности между выходом и плюсом ИП необходимо подключить внешнее навесное сопротивление (смотрите рисунки 187, 188).

R1 "1" VT1 X1 X2 R3 Рис. 187 R2 Rвн VT2 VT3 Y + Uип R + Uип VD DD1 X1 X & Рис. Е. А. Москатов. Стр. ТТЛ с открытым коллектором применяется для подключения элементов индикации (миниатюрные лампы накаливания, светодиоды, семисегментные индикаторы [один сегмент]).

2) ТТЛ с Z-состоянием. Третьим, или Z-состоянием называется запрет приёма информации, при котором выходное сопротивление логического элемента стремится к бесконечности, а выходной ток – к нулю. + X1 X2 Y R4 Uип VT VT R1 VT1 X1 X2 Eo DD1 VD1 1 Рис. R2 A VD2 VT Y 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 Z Z Z Z R Рис. Если на запрещающий вход с инверсией подать логический ноль, то на выходе инвертора DD1 установится высокий уровень логической единицы, диод VD1 закроется, что равносильно разрыву цепи, и схема будет работать как базовый элемент ТТЛ, выполняющий функцию ИНЕ. При подаче на запрещающий вход логической единицы на выходе инвертора DD1 будет логический ноль, и диод VD1 откроется. Точка «А» схемы окажется под напряжением близким к нулю, т. е. под напряжением логического нуля выходного сигнала инвертора DD1. Это приведёт к тому, что транзистор VT3 закроется. Ток через транзистор VT2, а следовательно, в базе VT4, будет близок к нулю, и транзистор VT4 тоже закроется. Таким образом, оба транзистора – и VT3 и VT4 - будут одновременно закрыты при любых состояниях на информационных входах X1 и X2. Это и является Z-состоянием схемы.

3) ТТЛШ.

К одному из недостатков ТТЛ можно отнести сравнительно невысокое быстродействие. Это объясняется тем, что при переключении транзистора из режима насыщения в режим отсечки база транзистора оказывается насыщенной неосновными носителями заряда. И коллекторный ток транзистора будет продолжать течь до тех пор, пока неосновные носители заряда не перейдут из базы в коллектор. Для повышения быстродействия в ТТЛШ между базой и коллектором транзистора включают быстродействующий переход Шоттки. В этом случае неосновные носители будут переходить из базы в коллектор не через коллекторный p-n переход, а через переход Шоттки (смотрите Рис. 192). На принципиальных схемах транзистор с переходом Шоттки обозначается следующим образом:

Э pn К = Рис. Б Рис. 4) Оптоэлектронные ИМС.

Оптроном, или оптоэлектронной парой называется устройство, состоящее из светоизлучателя, фотоприёмника и оптически прозрачной среды между ними. Светоизлучателем служит излучающий диод, фотоприёмником может служить фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, поэтому оптроны называют резисторными, транзисторными, диод Е. А. Москатов. Стр. ными, симисторными, динисторными. Основная задача оптрона – обеспечить передачу информации без электрической связи между входом и выходом. УГО оптронов изображено на рисунках 193 – 196.

Рис. Рис. Рис. Рис. На рисунке 193 изображён резисторный оптрон, на 194 – диодный, на 195 – транзисторный и на рисунке 196, соответственно, динисторный. Маркировка оптронов. А О Д 103 А 123 4 5 Расшифровывается маркировка так: 1 группа – материал полупроводника. Буква «А» означает арсенид галлия. 2 группа. Буква «О» означает, что мы имеем дело с оптроном. 3 группа. Тип оптрона по виду фотоприёмника. «Д» – диодный оптрон, «У» – тиристорный. 4 группа – группа по электрическим параметрам. 5 группа – модификация прибора в четвёртой группе. В цифровых ИМС применяют диодные оптроны (смотрите рисунок 197).

X1 VD1 VT1 + R1 R3 VT2 VD2 VT3 R2 Рис. 197 Y Uип I Ф=0 Ф1>0 Ф2>Ф1 Рис. U Принцип действия. При подаче на вход логического нуля ток через светодиод не протекает, светодиод не светится, и через фотодиод будет протекать очень маленький темновой ток, которого не достаточно для отпирания транзистора VT1 (смотрите рисунок 198). При подаче на вход логической единицы светодиод зажигается, и через фотодиод будет протекать достаточно большой световой обратный ток, который открывает транзистор VT1. Оставшаяся часть схемы работает как базовый элемент ТТЛ.

Логические элементы на полевых транзисторах МОП-структуры 1) Ключи на МОП–транзисторах. 2) Комплементарная МОП – пара (КМОП). 3) Реализация функции И-НЕ в КМОП – логике. 4) Реализация функции ИЛИ-НЕ в КМОП – логике.

Е. А. Москатов. Стр. 1) Ключи на МОП–транзисторах.

R + Uип Y VT И Канал З n S iO С С X З И n+ n+ x y 1 Подложка p Рис. Р ис. Рис. Недостатком данных ключей является наличие резисторов, которые занимают в подложке значительно больше места, чем транзистор. Поэтому наиболее широко применяются ИМС, у которых вместо резистора также применяется МОП - транзистор, но с каналом другого типа проводимости. Такие взаимодополняющие структуры получили название МОП - пар.

2) Комплементарная МОП – пара (КМОП).

VT1 "1" X "0" VT2 Y + Uип Ic x 0 y 1 Рис. 204 "p" "n" Uзи Рис. Рис. Если на затвор подать сигнал логического нуля, то в транзисторе VT2 (c каналом «n»типа проводимости) канал будет отсутствовать, а в транзисторе VT1 с каналом «p» типа канал будет индуцирован, т. к. на затворе относительно истока будет действовать отрицательное напряжение. Через этот канал выход Y соединяется с плюсом ИП, и на выходе будет высокий уровень логической единицы. При подаче на вход логической единицы канал в транзисторе VT1 исчезает, а в VT2 канал индуцируется и через этот канал соединяется с нулевым потенциалом общего провода, следовательно, на выходе будет логический ноль. Достоинства комплементарной МОП – пары – отсутствие резисторов, что позволяет повысить степень интеграции;

очень малое потребление тока от ИП, т. к. между плюсом и минусом ИП всегда оказывается транзистор, у которого нет канала. Недостаток комплементарной МОП – пары: низкое быстродействие.

3) Реализация функции И-НЕ в КМОП – логике.

+ VT1 VT2 Uип Y VT3 X1 VT4 X2 Рис. X1 X2 Y 00 01 10 11 1 0 0 Рис. Е. А. Москатов. Стр. Если хотя бы на одном из входов имеется сигнал логического нуля, в соответствующем транзисторе с каналом p-типа – VT1 или VT2 – будет индуцирован канал, через который выход Y соединяется с плюсом ИП, и на выходе будет логическая единица. При подаче на оба входа логических единиц в VT1 и в VT2 каналы исчезают, а в транзисторах VT3 и VT4 каналы индуцируются, и через эти каналы выход Y соединяется с общим проводом, следовательно, на выходе будет логический ноль.

4) Реализация функции ИЛИ-НЕ в КМОП – логике.

+ "p" VT2 Uип VT3 "p" "n" X1 VT1 X2 VT4 "n" Y X1 X2 Y 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 Рис. Рис. Если на оба входа поданы нули, то в транзисторах VT1 и VT4 с каналами n-типа каналы отсутствуют, а в VT2 и VT3 каналы индуцируются, и через них выход Y связан с плюсом ИП, следовательно, на выходе логическая единица. Если хотя бы на один из входов подать логическую единицу, то в соответствующем транзисторе p-типа канал исчезает, и выход Y отключается от плюса ИП, а в соответствующем транзисторе с каналом n-типа канал индуцируется, и через него выход Y соединяется с общим проводом, следовательно, на выходе будет логический ноль.

Эмиттерно-связная логика 1) Реализация функций ИЛИ и ИЛИ-НЕ в эмиттерно-связной логике (ЭСЛ). 2) Источник опорного напряжения. 3) Базовый элемент ЭСЛ серии К500. 1) Реализация функций ИЛИ и ИЛИ-НЕ в эмиттерно-связной логике (ЭСЛ).

ЭСЛ является самой быстродействующей из всех типов логики. Это объясняется тем, что транзисторы в ЭСЛ работают в линейном режиме, не переходя в режим насыщения или отсечки. Основой ЭСЛ является дифференциальный эмиттерный каскад, изображённый на рисунке 209.

R1 Uвых Uвх1 VT1 VT2 R2 + Uип Uвх Ia Генератор стабильного тока Рис. Е. А. Москатов. Стр. Io ;

Uвх1 > Uвх2;

I1 = I0 + I;

I2 = I0 – I. 2 Особенность ЭСЛ: разница уровней логической единицы и нуля очень мала, следовательно, помехоустойчивость плохая. Чтобы повысить помехоустойчивость, в ЭСЛ используется схема, при которой в цепи коллектора – соединение с общим проводом, а в цепь эмиттера подаётся минус напряжения ИП. Это приводит к тому, что все уровни напряжения отрицательны и ЭСЛ плохо согласуются с другими типами логики. Рассмотрим следующую схему (смотрите рисунок 210), в которой U0 -1,6 В;

U1 -0,8 В;

Uоп -1,2 В. Uвх1 = Uвх2;

I1 I R1 Y1 X2 VT2 R2 Y2 VT3 Y X VT X1 X2 Y1 Y R3 Uип + Рис. 0 0 1 0 1 0 10 01 01 Рис. В данной схеме роль генератора стабильного тока (ГСТ) выполняет источник стабилизированного напряжения U = -5,2 В вместе с последовательно включённым резистором R3 достаточно большого номинала. При подаче на оба входа логического нуля опорное напряжение оказывается более положительным, чем на базах транзисторов VT1 и VT2, следовательно, транзистор VT3 открыт в большей степени, чем VT1 и VT2. Значит, ток через R2 будет больше, чем через R1, и напряжение на Y2 (логический ноль) будет более отрицательным, чем на выходе Y (логическая единица). Если хоть на один из входов подать логическую единицу, то напряжение на базе соответствующего транзистора становится более положительным, чем опорное. Этот транзистор (VT1 или VT2) открывается в большей степени, чем VT3. Ток через R1 будет больше, чем через R2. Напряжение на выходе Y будет более отрицательным, т. е. логическим нулём, а напряжение на выходе Y2, более положительным, т. е. логической единицей. Вывод: ЭСЛ реализует функцию ИЛИ-НЕ по выходу Y и функцию ИЛИ по выходу Y2.

2) Источник опорного напряжения.

+Uип R1 VT1 X1 X2 VT2 VT3 VD1 VD2 R2 R4 R6 -Uип Рис. 212 R3 VT4 R Е. А. Москатов. Стр. Источник опорного напряжения собран на транзисторе VT4. Схема эта представляет собой эмиттерный повторитель. Делитель, состоящий из резисторов R5, R6 и диодов VD1 и VD2, обеспечивает постоянное напряжение на базе транзистора, а следовательно, ток через транзистор также будет постоянным и падение напряжения на резисторе R4 будет постоянным. Это напряжение и подаётся на базу транзистораVT3 как опорное. Диоды VD1, VD2 предназначены для температурной стабилизации работы схемы.

3) Базовый элемент ЭСЛ серии К500.

Недостатком рассмотренной выше схемы является малый коэффициент разветвления по выходу. Для увеличения его на выходе схемы включают эмиттерные повторители. В результате мы получили базовый элемент ЭСЛ.

R1 R3 R5 VT6 VT4 VT5 Y X VT1 X VT3 VT2 VD1 VD2 R2 R4 R6 R7 R Y -Uип Рис. Аналоговые электронные устройства Классификация и основные технические показатели усилителей 1) Классификация усилителей. 2) Основные технические показатели усилителей. 3) Характеристики усилителей. 1) Классификация усилителей.

Устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, называется электронным усилителем. Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот. 1. Усилители низкой частоты (УНЧ) – диапазон усиливаемых частот от 10Гц до 100кГц. 2. Усилители высокой частоты (УВЧ) – диапазон усиливаемых частот от 100кГц до 100МГц. 3. Усилители постоянного тока (УПТ). Они могут усиливать постоянный ток. Диапазон усиливаемых частот от 0Гц до 100кГц. 4. Импульсные усилители (ИУ) – широкополосные импульсные- и видеоусилители. Частотный диапазон усиливаемых частот от 1кГц до 100кГц. 5. Избирательные, или резонансные усилители – это усилители, работающие в узком диапазоне частот.

Е. А. Москатов. Стр. 2) Основные технические показатели усилителей. 1. Коэффициент усиления.

Кn Uвх К1 К2 Рис. 214 Кn Uвых U вх Если коэффициент усиления недостаточен, применяются многокаскадные усилители.

Uвых В многокаскадных усилителях общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада. 2. Входное и выходное сопротивление. Эквивалентную схему усилителя можно представить следующим образом.

Ri Uвх Rвх Rвых Uвых Rн Усилитель Рис. Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т. е. значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки. Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях. Если два усилительных каскада не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними ставится эмиттерный повторитель, имеющий очень большое входное и малое выходное сопротивление. 3. Выходная мощность и КПД усилителя. Выходная мощность может быть определена по формуле: Uвых 2 Pвых Rн Значительно увеличить выходную мощность усилителя нельзя, т. к. при большом выходном напряжении появляются искажения усиливаемого сигнала за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов. Поэтому вносится понятие номинальной выходной мощности. Это наибольшая выходная мощность, при которой сигнал не искажается. КПД усилителя можно определить по следующей формуле: Pвых 100% Pист 4. Уровень собственных шумов состоит из следующих составляющих: Тепловые шумы при нагревании сопротивлений, ёмкостей. Шумы усилительных элементов. Шум за счёт пульсаций источника питания. 5. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания усилителя). Это полоса частот, в которой выходное напряжение уменьшается не более чем до 0,7 своей максимальной величины. 6. Искажения усилителя возникают за счёт нелинейности характеристик транзисторов. Искажения происходят за счёт появления в спектре сигнала высших гармонических со Е. А. Москатов. Стр. ставляющих, и характеризуется коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициент гармоник). U 2 2 U 3 2 Un 2 Кг 100% U 3) Характеристики усилителей. 1. Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала (смотрите рисунок 216). Uвых = f (Uвх).

Uвых Uвых.max Uвых.min Uвх Uвх.min Uвх.max Рис. 2. Динамический диапазон:

Uвх. max дБ Uвх. min 3. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) представляет собой зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты при постоянной амплитуде входного сигнала. Uвх = f (F) при Uвх = Const. Часто АЧХ представляют в виде зависимости Кn f ( F ) при Uвх Const Д 20 lg Кu Кmax 0,7 Кmax 2f Рис. F 4. Зависимость коэффициента усиления от частоты характеризуется коэффициентом частотных искажений. Коэффициент частотных искажений для низких частот определяется соотношением: Kу.ср Mнч Kу.н Коэффициент частотных искажений для высоких частот определяется соотношением: Kу.ср Mвч Kу.в Кu Кmax 0,7 Кmax Кнч Ксрч Рис. 218 Квч F 5. В радиотехнике часто применяют нормированные АЧХ. Нормированная АЧХ представляет собой следующую зависимость:

Е. А. Москатов. Стр. Ku f ( F ) при Uвх Const Ku. max Ku Ku. max Рис. F 6. Фазовая характеристика – это зависимость разности фаз между входными и выходными сигналами от частоты. = f (F).

F Рис. Питание цепи базы транзисторов и температурная стабилизация рабочей точки 1) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным током базы. 2) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы. 3) Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода. 4) Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению. 5) Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току. 1) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным током базы. В практических схемах включения с ОЭ и ОК источник питания базы Eб не применяется, а цепь базы питается от коллекторного напряжения Eк при помощи дополнительных элементов схемы. Наиболее простой является схема питания цепи базы с «фиксированным током базы» (смотрите рисунок 221).

+ Rб Rк Cр2 Cр1 VT1 Uвых Uv1 Eк Rб U0 Uбэ rэ Рис. + Eк Рис. Е. А. Москатов. Стр. В данной схеме базовая цепь представляет собой делитель напряжения (смотрите рисунок 222), состоящий из Rб и сопротивления эмиттерного перехода транзистора VT1 rэ. Ток базы Iб0, соответствующий выбранному положению рабочей точки, будет протекать через эмиттерный переход, создавая на нём падение напряжения Uбэ, которое и является исполнителем функции источника Eб. Из второго закона Кирхгофа получаем: Eк = URб + Uбэ;

Eк = Rб Iб0. В символе «Iб0» ноль соответствует рабочей точке. EкUбэ ;

Rс= Iб0 Eк >> Uбэ;

Rб Eк Iб0. Недостаток данной схемы: не может работать в широком диапазоне температур, т. к. сопротивление эмиттерного перехода rэ очень сильно зависит от температуры. Несколько лучше работает схема с фиксированным напряжением базы.

2) Питание цепи базы транзистора по схеме с фиксированным напряжением базы.

Rб' Rк Cр2 Cр1 VT1 Uv1 Rб'' Uвых + Eк Rб' + Eк rэ Rб'' Рис. Рис. В данной схеме делитель напряжения состоит из резистора Rб` и Rб``, включённого параллельно сопротивлению эмиттерного перехода rэ. Eк = URб` + URб``;

URб` = Rб` (Iб0 Iд);

Iд – ток, проходящий через делитель напряжения. URб`` = Uбэ;

Eк = Rб` (Iб0 Iд) + Uбэ;

EкUбэ ;

Rб ' = Iб0 Iд Eк >> Uбэ;

Iд = (3 - 5) Iб0;

Uбэ = Iд Rб``;

Uбэ Rб ' ' = Iд Напряжение Uбэ находится из входной характеристики транзистора по заданному току базы. Данная схема в диапазоне температур работает лучше, чем схема с фиксированным током базы, однако для нормальной её работы необходима температурная стабилизация.

3) Температурная стабилизация (термостабилизация) рабочей точки при помощи терморезистора и полупроводникового диода.

При нагревании рабочая точка смещается по нагрузочной прямой, что приводит к увеличению коллекторного тока Iк и уменьшению напряжения Uкэ (смотрите рисунок 225). Это равносильно приоткрыванию транзистора. Поэтому основной задачей температурной стабилизации яв Е. А. Москатов. Стр. ляется синхронная с увеличением температуры при закрывании эмиттерного перехода транзистора температурная стабилизация при помощи терморезистора (смотрите рисунок 226).

Iк + Rб' Iк' Iк Rк Cр Eк Rб' Rк Cр + Eк Cр1 Uv1 Rб'' VT1 Uвых Rt Cр1 Uv1 Rб'' VD VT1 Uвых T E к Uкэ Р ис. 2 Рис. Рис. При нагревании сопротивление терморезистора уменьшается, что приводит к общему уменьшению сопротивления включённых в параллель резисторов Rб`` и Rt. За счёт этого напряжение Uбэ будет уменьшаться, эмиттерный переход подзапираться, и рабочая точка сохраняет своё положение на нагрузочной прямой. Аналогичным образом происходит термостабилизация рабочей точки полупроводниковым диодом (смотрите рисунок 227). При увеличении температуры сопротивление диодов в обратном включении будет уменьшаться за счёт термогенерации носителей заряда в полупроводнике. Общее сопротивление включённых параллельно резистора Rб`` и диода VD1 будет уменьшаться, что приведёт к уменьшению напряжения Uбэ, транзистор подзапирается и рабочая точка сохраняет своё положение. Недостатком схем с терморезистором и полупроводниковым диодом является то, что и терморезистор, и полупроводниковый диод должны подбираться по своим температурным свойствам для каждого конкретного транзистора. Поэтому наиболее часто применяют схемы температурной стабилизации отрицательной обратной связью (ООС) по постоянному току и напряжению.

4) Термостабилизация рабочей точки при помощи отрицательной обратной связи (ООС) по постоянному напряжению.

Применяется этот вид термостабилизации при питании цепи базы с фиксированным током базы. В этом случае резистор Rб подключается не к плюсу ИП, а к коллектору транзистора. Пользуясь уравнениями Кирхгофа, получим: Uкэ = URб + Uбэ;

Uбэ = Uкэ - URб так как URб = Const;

Rк Rб Cр1 Uv1 URб VT1 URб Uкэ Uвых Cр2 + Eк Рис. При увеличении температуры напряжение Uкэ уменьшается. Это уменьшение напряжения через цепь обратной связи (ОС), состоящую из Rб, передаётся на базу транзистора. Напряжение Uбэ уменьшается. Эмиттерный переход подзапирается, и рабочая точка сохраняет своё положение.

Е. А. Москатов. Стр. 5) Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току.

+ Rб' Rк Cр2 Cр1 Uv1 URб'' Uбэ Rб'' Eк VT1 Uвых Rэ URэ + Cэ Рис. Термостабилизация рабочей точки при помощи ООС по постоянному току применяется при питании цепи базы по схеме с «фиксированным напряжением базы». При возрастании температуры увеличивается ток коллектора транзистора Iк, следовательно, и ток эмиттера Iэ. За счёт этого URбэ будет уменьшаться. Uбэ = URб`` - URэ так как URб`` = Const;

Эмиттерный переход подзапирается, и рабочая точка (РТ) сохраняет своё положение. Так как изменение напряжения на Rэ должно зависеть только от изменения температуры и не изменяться по закону переменной составляющей усиливаемого сигнала, резистор Rэ шунтируется конденсатором большой ёмкости, через который будет протекать переменная составляющая, а через Rэ будет протекать постоянная составляющая тока. 1 Rэ. Величину ёмкости выбирают из условия н cэ Обратная связь в усилителе 1) Виды обратной связи. 2) Влияние ООС на основные показатели усилителя. 1) Виды обратной связи. Обратной связью в усилителе (в целом) или же в отдельно взятом каскаде называется такая связь между входом и выходом, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода передаётся на вход. По способу своего возникновения обратная связь может быть внутренней, паразитной и искусственной. Внутренняя ОС возникает за счёт внутренних свойств элементов схемы. Паразитная ОС возникает за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей. Стараются внутреннюю паразитную обратную связь возможно сильнее уменьшить. Искусственная ОС вводится специально для улучшения основных характеристик усилителя. По признаку петлевого усиления различают положительную ОС (ПОС) и ООС. При ПОС сигнал на вход усилителя через цепь ОС поступает в фазе со входным сигналом. При ООС сигнал, проходя цепь ОС, будет подаваться в противофазе с входным сигналом. В усилителях, в основном, применяется ООС;

ПОС применяется в генераторах. В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают ОС по току и по напряжению. В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают параллельную и последовательную ОС усилителя. Параллельная ОС изображена на рисунке 231, а последовательная – на рисунке 232.

Е. А. Москатов. Стр. Rос Zн Uвх Uвх Рис. Рис. Рис. – коэффициент передачи цепи ОС. Uвых.oc Uвх.oc Поскольку в усилителях цепь ОС состоит, в основном, из пассивных элементов, то обычно меньше 1. В зависимости от того, будет ли изменяться от частоты, различают частотозависимую и частотонезависимую ОС.

2) Влияние ООС на основные показатели усилителя.

Рассмотрим влияние ООС на работу усилителя на примере последовательной ОС по напряжению.

Uвх U1 Uвых ОС Uвых Rн Рис. Uвх ОС Uвых - коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Uвх U вых - это коэффициент усиления усилителя с ОС. Кос U1 Uвых.oс Uвых.oc (1) Uвх.oc Uвых. Uвых Uвых Кoc ( 2) U1 Uвых.oc Uвх Из формулы (1) видно, что Uвых.ос будет равняться, умноженному на Uвых и подставленному в формулу (2). Uвых Кос Uвх Uвых В знаменателе последней формулы вынесем Uвых за скобку: Uвых Кос Uвых U вх 1 Uвх К Кос (1 К ) Величина (1+ К) называется глубиной обратной связи. Вывод: последняя формула показывает то, что ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя. Для положительной ОС: К Кпос (1 К ) K= Е. А. Москатов. Стр. Кроме того, что введение ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя, все остальные технические показатели улучшаются. Увеличивается полоса пропускания, уменьшаются нелинейные и частотные искажения, несколько возрастает входное сопротивление.

Режимы работы усилительных элементов 1) Понятие о проходной динамической характеристике. 2) Режим работы класса А. 3) Режим работы класса В. 4) Режим работы класса АВ. 5) Режим работы класса С. 6) Режим работы класса D. 1) Понятие о проходной динамической характеристике. Режимы работы усилительных элементов определяются положением рабочей точки на проходной динамической характеристике. Проходной динамической характеристикой называется зависимость выходного тока от входного напряжения. Для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, зависимость будет Iк = f (Uбэ). Проходная динамическая характеристика может быть построена по входной и выходной характеристикам транзистора. Iк = f (Uб).

Iк Iкн Iк Iкн Iк4 Iк3 Iб4 4 3 Iб3 Iб Iб4 Iб3 Uвх>0 4' 3' Iк4 Iк3 Iк 4' 3' 2' Iк Iб Iб 2' Iк 1 Iб1 Eк Uвх Рис. Iб 1' Iк 1' Uбэ Uвх Рис. 2) Режим работы класса А. В режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики. Для этого между базой и эмиттером транзистора при помощи одной из схем питания цепи базы необходимо создать постоянную составляющую напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. При отсутствии переменной составляющей усиливаемого сигнала рабочая точка называется рабочей точкой покоя. Рассмотрим рисунок 236. До момента времени t1 переменная составляющая входного сигнала отсутствует, и под действием величины Eсм в коллекторной цепи транзистора будет протекать постоянная составляющая коллекторного тока, которая называется током покоя. Режим работы класса А характеризуется минимальными нелинейными искажениями, т. к. усилительный элемент работает на линейном участке характеристики. Недостатком режима класса А является низкий КПД. = (25 – 30 %). Это объясняется тем, что энергия от источника питания затрачивается не только на усиление переменной составляющей, но и на создание постоянной составляющей Iо, которая является бесполезной и в дальнейшем отсеивается разделительным конденсатором. Режим класса А применяется, в основном, в предварительных каскадах усиления.

Е. А. Москатов. Стр. Iк Iк Iмк Р.Т.

Eсм t Uбэ Io t t t Рис. 3) Режим работы класса В. В режиме класса В рабочая точка выбирается таким образом, чтобы ток покоя был равен нулю (смотрите рисунок 237).

Iк Iк fx Uбэ Q t t Рис. Режим работы класса В характеризуется углом отсечки. Углом отсечки называется половина той части периода, за которую в выходной цепи будет протекать ток. Для режима класса В угол отсечки = 90°. Характеризуется режим класса В высоким КПД = 60 70 %. Недостатком режима класса В являются большие нелинейные искажения. Применяется режим класса В в выходных двухтактных усилителях мощности.

4) Режим работы класса АВ. Иногда положение точки покоя в режиме класса АВ выбирается на нижнем изгибе проходной динамической характеристики (смотрите рисунок 238).

Е. А. Москатов. Стр. Iк Iк Т.П. t1 Eсм Io Uбэ t1 Q Q>900 t t Рис. В этом случае будет иметь место ток покоя, но величина его будет значительно меньше, чем в режиме класса А. Угол отсечки в режиме класса АВ будет меньше 90°. Режим класса АВ имеет несколько меньший КПД, чем режим класса В ( = 50 60 %) и несколько меньшие нелинейные искажения. Применяется так же, как и режим класса В, в двухтактных усилителях мощности.

5) Режим работы класса С. Это режим, при котором величина Eсм имеет отрицательное значение (смотрите рисунок 239).

Iк Iк t1 Eсм Uбэ t Q Q<90 t t Рис. Е. А. Москатов. Стр. Режим класса С характеризуется максимальным КПД = 80 %, но и наибольшими нелинейными искажениями. Режим С в усилителях применяется в выходных каскадах мощных передатчиков.

6) Режим работы класса D. Режим работы класса D – это ключевой режим работы транзистора.

Межкаскадные связи в усилителях 1) Виды межкаскадных связей. 2) Эквивалентная схема усилительного каскада с резисторно - ёмкостными связями. 3) Анализ эквивалентной схемы на низких, средних и высоких частотах. 1) Виды межкаскадных связей. Для увеличения коэффициента усиления могут применяться многокаскадные усилители. В этом случае между каскадами, а также между входом усилителя и источником сигнала или же между выходом усилителя и нагрузкой могут существовать следующие виды межкаскадных связей. 1) Резисторно-ёмкостная связь (смотрите рисунок 240).

Rб1' Rк1 Cp Cp VT1 Uвх Rб1'' Rб2'' Rб2' Rк2 Cp + Eк Uвых VT2 Rэ2 Cэ Rэ1 Cэ Рис. Резисторно-ёмкостная связь является наиболее широко распространённой в усилителях переменного напряжения. 2) Трансформаторная связь (смотрите рисунок 241).

Rб1' Tp1 Rб2' Rк2 Cp Cp VT1 Uвх Rб1'' Cp VT Rб2'' + Eк Uвых Rэ1 Cэ Rэ2 Cэ Рис. Трансформаторная связь позволяет осуществить оптимальное согласование между каскадами путём подбора коэффициента трансформации трансформатора. Недостатки: Сравнительно большие габариты и вес трансформаторов.

Е. А. Москатов. Стр. Большие частотные искажения, так как сопротивления обмоток трансформатора зависят от частоты XL = L, поэтому трансформаторная связь применяется на низких частотах и в узком диапазоне. 3) Гальваническая (непосредственная) связь (смотрите рисунок 242).

Rб' Rк1 Rк2 + Eк Uвых VT1 VT2 Um Rб'' Rэ1 Rэ Рис. Гальваническая связь применяется в УПТ.

2) Эквивалентная схема усилительного каскада с резисторно - ёмкостными связями.

<< Cp Rб' Cp VT1 Um Rб'' Rэ1 Cэ + Eк Rк1 Cp Um.вых Iб Cp rб Rб rэ rк Cк Uвх Rк Rвхода следующего каскада R Cэ C Рис. Рис. Rб – это Rб и Rб, включённые параллельно, т. к. Rб через малое сопротивление Eк можно считать подключённым на корпус (общий провод). Rб'Rб" Rб Rб' Rб" Со = Свх.сл. + См, где Свх.сл. – это ёмкость следующего каскада, а См – ёмкость монтажа.

3) Анализ эквивалентной схемы на низких, средних и высоких частотах.

Проанализируем эквивалентную схему на низких, средних и высоких частотах. На низких частотах ёмкостное сопротивление параллельно включённых Cк и Cо будет иметь очень большую величину и на работу схемы влиять не будет. Сэ имеет большую величину, следовательно, ёмкостное сопротивление её будет очень мало. Уже на низких частотах эта ёмкость шунтирует сопротивление Rэ и, значит, на низкой частоте схема усилительного каскада будет иметь вид, изображённый на рисунке 245. Разделительные конденсаторы включены последовательно. На НЧ сопротивление их будет велико, что приводит к уменьшению коэффициента усиления.

Е. А. Москатов. Стр. << Cp rэ Rб rэ rк Iб Cp Rвхода Rк следующего каскада Um Рис. На средних частотах сопротивление разделительных конденсаторов уменьшается до такой величины, что их влияние можно не учитывать. А сопротивление ёмкостей Ск и Co уменьшаются не на столько, чтобы оказывать шунтирующее действие, и поэтому их на средних частотах их также можно не учитывать, поэтому на средних частотах эквивалентная схема будет иметь вид, изображённый на рисунке 246. Так как на Ср.Ч ни барьерная ёмкость коллекторного перехода Ск, ни Со не оказывают влияние на работу усилителя, то коэффициент усиления на средних частотах будет наибольшим. Iб << rб Um Rб rэ rк Rн Рис. На ВЧ разделительные конденсаторы имеют очень малое сопротивление и, так как они включены последовательно, они не оказывают влияние на работу схемы усилителя, а ёмкости Ск и Co, включённые в параллель, шунтируют коллекторный переход транзистора и выход усилителя своим малым сопротивлением, что приводит к уменьшению коэффициента усиления. Эквивалентная схема усилителя на высокой частоте изображена на рисунке 247.

<< rб Um Rб rэ rк Cк Rн C Iб Рис. На рисунке 248 показано, как влияет на коэффициент усиления усилителя изменение частоты.

K Н.Ч. Ср.Ч. В.Ч.

Влияние Ср Влияние Ск и С Рис. f Е. А. Москатов. Стр. Выходные каскады усиления 1) Однотактный выходной трансформаторный каскад 2) Двухтактный выходной трансформаторный каскад 3) Двухтактный выходной бестрансформаторный каскад 1) Однотактный выходной трансформаторный каскад. Однотактный выходной трансформаторный каскад работает в режиме класса А. В виде коллекторной нагрузки он имеет первичную обмотку согласующего трансформатора (смотрите рисунок 249).

Tp1 Rб1' Rн + Eк Cp VT1 Uвх Rб1'' Rэ C Рис. Выходные каскады усиления являются усилителями мощности. Применение согласующих трансформаторов позволяет осуществлять оптимальное согласование выхода усилителя с нагрузкой. В этом случае можно считать, что P1 = P2, где Р1 – мощность первичной обмотки, а Р2 – мощность вторичной обмотки, или, что то же самое, мощность нагрузки. U 12 U 22 R к. опт Rн Разделим обе части последнего уравнения на U12. Получим: 2 1 U 2 1, где U 2 - коэффициент трансформации. U1 R к. опт U1 Rн 1 1 Uк1 Rн h2 ;

n ;

R к.опт R к.опт Rн Iк1 R к.опт Iк А Iб4 Iб Imк Р.Т.

Iб В С Eк Umк Iб1 Uкэ Рис. Е. А. Москатов. Стр. На рисунке 250 площадь АВС представляет собой мощность, отдаваемую усилителем в нагрузку. 2 Imк 2 Umк P 2 P = 2 Umк Imк С учётом КПД трансформатора, мощность Р, отдаваемая в нагрузку, будет равна = 6070%. Применяются однотактные выходные каскады для усиления небольших мощностей. Недостатками являются все недостатки трансформаторной межкаскадной связи.

2) Двухтактный выходной трансформаторный каскад. Во входной цепи включён трансформатор Тр1 со средней точкой во вторичной обмотке. Это позволяет получить на базах транзисторов VT1 и VT2 два одинаковых по амплитуде и противоположных по фазе напряжения (смотрите рисунок 251).

Tp1 Rб'' VT1 Tp2 Rн Uвх VT Rб' + Eк Рис. Двухтактные усилительные каскады работают в режимах классов В или АВ.

Uвх t Uб t Uб t IVT IVT t Iн t t Рис. Е. А. Москатов. Стр. Когда на базы транзисторов будет подаваться положительное напряжение они будут находиться в открытом состоянии и через них будут протекать токи от плюса Eк, средняя точка Тр2, половина первичной обмотки Тр2, коллектор – эмиттерный переход транзистора, общий провод, минус Eк. Следовательно, в первичной обмотке Тр2 токи будут протекать от средней точки в разные стороны, за счёт чего магнитные потоки в сердечнике и наводимые во вторичной обмотке магнитные поля, а значит, и ток в нагрузке будут вычитаться. То есть Iн = I1 – I2. Ток в нагрузке будет иметь двойной размах по сравнению с каждым из токов транзистора, а следовательно, такая схема будет отдавать в нагрузку удвоенную мощность по сравнению с мощностью, рассеиваемой каждым из транзисторов. Эта схема используется для усиления больших мощностей. Достоинства: малые нелинейные искажения, так как в сердечнике отсутствует постоянная составляющая магнитного потока и не происходит насыщение;

схема не чувствительна к пульсациям напряжения питания. Недостатки: все недостатки трансформаторных схем – узкий диапазон частот, повышенные габариты и вес трансформатора, большие частотные искажения. Частично недостатки трансформаторных каскадов можно устранить, если на входе вместо трансформатора Тр1 поставить фазоинверсный каскад (или каскад с разделённой нагрузкой), имеющий два выхода (смотрите рисунок 253).

Rб' Cp Rк Cp VT1 Cp Rб'' Uвых1 + Eк Uвх Uвых2 Rэ Рис. Напряжение с выхода 1 – Uвых1 – будет в противофазе с входным напряжением, как для схемы с ОЭ, а напряжение с выхода 2 – Uвых2 – будет в фазе с входным напряжением, как для схемы эмиттерного повторителя. Если при этом сопротивление Rк будет равно сопротивлению Rэ, то и амплитуды напряжений с выходов 1 и 2 будут равны.

3) Двухтактный выходной бестрансформаторный каскад. Наиболее широкое распространение в выходных усилителях получили бестрансформаторные каскады на транзисторах разного типа проводимости (смотрите рисунок 254).

+ Cp Uвх VT1 Rн VT2 Eк1 + Eк2 Рис. При подаче на вход положительной полуволны напряжения транзистор VT1, структуры n-p-n, будет открыт, а транзистор VT2,структуры p-n-p, будет закрыт, и через нагрузку будет протекать ток по цепи от плюса Eк1, коллектор – эмиттер VT1, Rн, общий провод, минус Eк1.

Е. А. Москатов. Стр. При отрицательной полуволне входного напряжения транзистор VT1 закрывается, а VT2 открывается, и через него будет протекать ток от плюса Eк2, Rн, эмиттер - коллектор VT2, минус Eк2. Таким образом, токи в нагрузке будут вычитаться, за счёт чего в нагрузке появится удвоенная амплитуда тока, следовательно, и удвоенная мощность. Достоинства: все достоинства двухтактных бестрансформаторных каскадов – большая выходная мощность, независимость от пульсаций ИП, малые нелинейные искажения. Кроме того, двухтактные бестрансформаторные каскады свободны от недостатков трансформаторных каскадов. Недостаток данной схемы: быстрый выход из строя транзисторов при КЗ или перегрузке в нагрузке.

Усилители постоянного тока с непосредственными связями 1) Усилители постоянного тока с непосредственными связями. 2) Дифференциальный каскад УПТ. 1) Усилители постоянного тока (УПТ) с непосредственными связями. УПТ с непосредственными связями называют усилителем прямого усиления (смотрите рисунок 255).

Rб' Rк1 Rк2 + Eк VT1 Uвх Rб'' Rэ VT Uвых Rэ Рис. Одной из особенностей УПТ с непосредственными связями является то, что на вход последующего каскада поступает не только усиливаемый сигнал, но и постоянная составляющая коллекторного напряжения предыдущего каскада. Поэтому напряжение между базой и эмиттером последующего каскада будет больше, чем напряжение, соответствующее выбранному положению рабочей точки. Чтобы избежать этого, сопротивление в цепи эмиттера каждого последующего каскада выбирается бльшим, чем в предыдущем каскаде, с тем, чтобы обеспечить соответствие выбранному положению рабочей точки. Вторая особенность – дрейф нуля. Дрейфом нуля называется медленное изменение выходного напряжения, не зависимое от напряжения на входе, а происходящее за счёт внутренних процессов в схеме усилителя. Дрейф нуля часто оценивается величиной дрейфа, приведённого ко входу. Uдр.вых., Uдр.вх.= К где К – коэффициент усиления усилителя. Uдр.вых. – это максимальное изменение выходного напряжения при закороченном входе за установленное время наблюдения. Значительно лучше с точки зрения дрейфа нуля работают дифференциальные каскады усиления.

Е. А. Москатов. Стр. 2) Дифференциальный каскад УПТ. Дифференциальным каскадом УПТ называется усилитель разности напряжений (смотрите рисунок 256). Rк1 = Rк2 = Rк.

+ Rб1' Rк1 Uвых VT2 VT1 Uвх1 Io Rб1'' Rэ Uвх2 Rб2'' Rк2 Rб2' Eк Рис. Транзисторы VT1 и VT2 подбираются одинаковыми по коэффициенту усиления. Резисторы Rк1 и Rк2 также подбираются одинаковыми по величине своего сопротивления. Представим, что на оба входа подаём одинаковое напряжение Uвх1 = Uвх2. В этом случае токи через транзисторы VT1 и VT2 будут одинаковыми. Суммарный ток через Rэ обозначим через Iо. Тогда: Io ;

Iк1=Iк2= 2 Uвых = Uк1 – Uк2;

Uк1 = Eк – Iк1 Rк1;

Io Uк1 Eк Rк 2 Io Uк 2 Eк Rк 2 Io Io Uвых Eк Rк Eк Rк 0 2 2 Представим, что Uвх1 > Uвх2. На первый вход подадим более положительное напряжение, чем на второй вход. В этом случае транзистор VT1 откроется в большей степени, чем транзистор VT2. Ток через транзистор VT1 увеличится на определённую величину Io, а ток через VT2 уменьшится на такую же величину Io, поскольку суммарный ток постоянен и равен Io. Io Io Uк1 Eк Io Rк Eк Rк Io Rк 2 Io Io Uк 2 Eк Io Rк Eк Rк Io Rк 2 2 Io Io Uвых Eк Rк Io Rк Eк Rк Io Rк 2 Io Rк 2 2 Если на первый вход будем подавать бльшее значение напряжение, чем на второй вход, то на выходе получится отрицательное значение напряжения, поэтому первый вход называется инвертирующим входом. Если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = +2 Io Rк и поэтому второй вход дифференциального усилителя называется неинвертирующим входом. Основной особенностью дифференциальных каскадов является то, что дрейф нуля будет значительно меньше, чем в УПТ прямого усиления. Это объясняется тем, что выходное напряжение равно разности коллекторных напряжений каждого из транзисторов, поэтому медленные изменения напряжения за счёт внутренних процессов схемы будут взаимно уничтожаться.

Е. А. Москатов. Стр. Операционные усилители 1) Классификация и основные параметры операционных усилителей (ОУ). 2) Схемы включения ОУ. 1) Классификация и основные параметры ОУ.

Операционным усилителем называется устройство, предназначенное для выполнения математических операций с аналоговыми сигналами, имеющее исключительно высокий коэффициент усиления, очень большое входное и малое выходное сопротивление и выполненное в микроэлектронном исполнении. Операционный усилитель включает в свой состав один или несколько дифференциальных каскадов УПТ, генератор стабильного тока для питания этих каскадов и выходные эмиттерные повторители для увеличения входного и уменьшения выходного сопротивления. Пример маркировки ОУ: К553УД2.

выход Uвых A B + Uп Fo C D Рис. Вход A – инвертирующий вход. Вход B – неинвертирующий вход. Входы C – для подключения двуполярного ИП. Входы D – выводы для подключения цепей коррекции. ОУ подразделяются по следующим признакам: ОУ общего применения Мощные ОУ ОУ с управляемыми параметрами Быстродействующие ОУ К основным параметрам ОУ относятся следующие: Напряжение ИП Коэффициент усиления Входное сопротивление Потребляемый от ИП ток или потребляемая мощность Коэффициент ослабления синфазного сигнала [дБ] Скорость нарастания выходного напряжения. Она показывает быстродействие ОУ (смотрите рисунок 258). B мкС [] Kп= Uвых B [ ] мкС t В технической литературе встречается устаревшее УГО ОУ, изображённое на рисунке 259.

Е. А. Москатов. Стр. Uвх + Uвых t инвертирующий вход A неинвертирующий вход B Uвых t U вых. Рис. t Рис. D Так как ОУ имеет очень большой коэффициент усиления и достаточно сложную схему, то при работе на определённых частотах возможно появление нежелательных фазовых сдвигов, приводящих к образованию положительных ОС и, как следствие, к самовозбуждению усилителя. Для устранения этих возможностей применяются цепи коррекции, представляющие различные RC-цепочки. Цепи коррекции могут быть как внешними, то есть при помощи навесных элементов, так и внутренними, то есть внутри корпуса микросхемы. Причём цепи коррекции разрабатываются на этапе проектирования ОУ и являются индивидуальными для каждого конкретного типа ОУ.

2) Схемы включения ОУ. Поскольку на входе ОУ стоит дифференциальный каскад усиления, имеющий инвертирующий и неинвертирующий входы, то различают два основных вида включения – инвертирующее и не инвертирующее. Кроме этого ОУ за счёт высокого коэффициента усиления должен быть охвачен глубокой ООС для обеспечения устойчивости его работы. Инвертирующая схема включения ОУ изображена на рисунке 260. Rooc R1 Roc К ;

Roc >> R1;

К ;

R1 R Rooc Uвых=f(Uвх) DA1 Uвых + Uвх R Uп +Uвых.max R Fo Uвх -Uвых.max Рис. Рис. Не инвертирующая схема включения ОУ изображена на рисунке 262. К Ro oc DA1 Uв ы х + R2 Uв х Fo Uп Roc. R Uвых=f(Uвх) R Uвх Р ис. Рис. Е. А. Москатов. Стр. Так как ОУ предназначены для проведения математических операций с аналоговыми сигналами, то различают суммирующее, интегрирующее и дифференцирующее включение ОУ. Схема суммирующего включения ОУ изображена на рисунке 264. Uвых К Uвх1 Uвх 2 Uвх3.

Uвх1 Uвх2 Uвх3 R1 R2 R3 + Uп Roc DA1 Uвых R Fo Рис. Схема интегрирующего включения ОУ изображена на рисунке 265.

Uвых К Uвх t dt.

t Coc DA1 Uвых + Uвх R Uп R Fo Рис. Схема дифференцирующего включения ОУ изображена на рисунке 266. dUвх Uвых К. dt Roc DA1 C1 + Uвх R Uп Uвых Fo Рис. Е. А. Москатов. Стр. Поскольку ОУ с управляемыми параметрами имеют очень малую номенклатуру, то применяют управление таким параметром как коэффициент усиления при помощи различных внешних цепей, причём коэффициент усиления может управляться как аналоговым сигналом, так и цифровым кодом.

Roc DA1 Uвых + R1 Uвх Fo Uп Rк Rк Rк X Rб VT X2 Rб VT X3 Rб VT Рис. При подаче на один из входов логической единицы соответствующий транзисторный ключ открывается и в цепь инвертирующего входа оказывается включённой коллекторная нагрузка данного ключа. Roc К Rинв Изменяя цифровой код на входах ключей, можно к инвертирующему входу подключить целый ряд коллекторных нагрузок, включённых в параллель и соответственно изменять коэффициент усиления схемы. Управление коэффициентом усиления при помощи аналогового сигнала можно осуществлять с помощью полевого транзистора (смотрите рисунок 268).

Roc DA1 Uвых + Uвх Uп R VT Fo Uупр R Рис. Е. А. Москатов. Стр. В данной схеме роль сопротивления, подключённого к инвертирующему входу, выполняет канал полевого транзистора VT1. Изменяя управляющее напряжение, можно менять ширину канала, следовательно, и его сопротивление, что будет приводить к изменению коэффициента усиления. Широкое применение ОУ нашли в активных фильтрах. На рисунке 269 приведена схема фильтра низкой частоты (ФНЧ).

C2 DA1 Uвых + Uвх C1 R Fo Uп R R К f Рис. Рис. К На рисунке 271 приведена схема фильтра высокой частоты (ФВЧ).

R3 DA1 C1 Uвх R2 R1 + Uп Xoc Rинв Uвых К Fo f Рис. Рис. К R1 R2 1 C На рисунке 273 приведена схема полосового фильтра (ПФ).

R 2 R C 2C R C DA Uвых + Rвх Uвх Fo Uп К fo Рис. f Рис. fo = 1 / (2RC) Е. А. Москатов. Стр. Коэффициент передачи двойного Т – образного моста на частоте fo будет минимальным, а это значит, что сопротивление будет максимальным. А так как двойной Т – образный мост стоит в цепи ООС, то коэффициент усиления на частоте fo будет максимальным. Перестроим данную схему так, чтобы данный фильтр превратился в режекторный.

К fo Рис. f Rос R1 DA Uвых + R C Uвх R 2 R C Fo Uп К 2C fo Рис. f Рис. На частоте fo коэффициент передачи двойного Т - образного моста будет равен нулю, следовательно, сопротивление его будет очень велико, а так как двойной Т - образный мост включён последовательно с входным сигналом, то коэффициент усиления на частоте fo будет минимальным.

Устройства отображения информации Электронно-лучевые трубки и кинескопы 1) Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением. 2) ЭЛТ с электромагнитным управлением. 3) Кинескопы. 4) Цветные кинескопы. 1) ЭЛТ с электростатическим управлением. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называются электростатическими трубками и особенно широко применяются в осциллографах. Конструкция. Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса или в виде цилиндра большего диаметра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесён люминесцентный экран – слой веществ, способных излучать свет под удара Е. А. Москатов. Стр. ми электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы, в основном, на жёсткие металлические штырьки цоколя. Катод изготовляют оксидным, с косвенным накалом, в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним из выводов подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот электрод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной его фокусировки. На модулятор подается отрицательное напряжение в несколько десятков вольт. Чем это напряжение больше, тем больше электронов возвращается на катод. При определённом отрицательном напряжении модулятора трубка запирается. Другие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В ЭЛТ их минимум два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт (порядка 20 кВ), а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов имеются перегородки с отверстиями (диафрагмы). Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляется с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы содержат большее число цилиндров. Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцентному экрану. На пути электронного луча поставлены под прямым углом друг к другу две пары отклоняющих пластин Пх и Пу. Напряжение, подведённое к ним, создает электрическое поле, отклоняющее электронный луч в сторону положительно заряженной пластины. Поле пластин является для электронов поперечным. В таком поле электроны движутся по параболическим траекториям, а выйдя из него, далее движутся по инерции прямолинейно, т. е. электронный луч получает угловое отклонение. Чем больше напряжение на пластинах, тем сильнее отклоняется луч и тем больше смещается на люминесцентном экране светящееся, так называемое электронное пятно, возникающее от ударов электронов. Пластины Пу, отклоняющие луч по вертикали, называются пластинами вертикального отклонения, а пластины Пх – пластинами горизонтального отклонения. Одна пластина каждой пары иногда соединяется с общим проводом. Такое включение пластин называется несимметричным. Для того чтобы между вторым анодом и корпусом не создавалось электрическое поле, влияющее на полёт электронов, второй анод обычно также бывает соединён с корпусом. Тогда при отсутствии напряжения на отклоняющих пластинах между ними и вторым анодом не будет никакого поля, действующего на электронный луч. Поскольку второй анод соединен с корпусом, то катод, имеющий высокий отрицательный потенциал, равный напряжению второго анода, должен быть хорошо изолирован от корпуса. Так как на электронный луч могут влиять посторонние электрические и магнитные поля, то трубку часто помещают в экранирующий чехол из мягкой стали. Свечение люминесцентного экрана объясняется возбуждением атомов вещества экрана. Электроны, ударяя в экран, передают свою энергию атомам экрана, в которых один из электронов переходит на более удаленную от ядра орбиту. При возвращении электрона обратно, на свою орбиту, выделяется квант световой энергии, называемый фотоном, и наблюдается свечение. Это явление называется катодолюминесценцией, а вещества, светящиеся под ударами электронов, называются катодолюминофорами или просто люминофорами. Электроны, попадающие на экран, могут зарядить его отрицательно и создать тормозящее поле, уменьшающее их скорость. От этого уменьшится яркость свечения экрана и может вообще прекратиться попадание электронов на экран. Поэтому необходимо снимать отрицательный заряд с экрана. Для этого на внутреннюю поверхность баллона наносится проводящий слой. Он обычно бывает графитовым и называется аквадагом. Аквадаг соединяется со вторым анодом. Вторичные электроны, выбиваемые из экрана ударами первичных электронов, летят к проводящему слою. После ухода вторичных электронов потенциал экрана обычно близок к потенциалу проводящего слоя. В некоторых трубках имеется вывод от проводящего слоя, который можно использовать в качестве дополнительного анода с более высоким напряжением. При этом электроны дополнительно Е. А. Москатов. Стр. ускоряются после отклонения в системе отклоняющих пластин, что называется послеускорением. Проводящий слой также исключает образование на стенках баллона отрицательных зарядов от попадающих туда электронов. Эти заряды могут создавать дополнительные поля, нарушающие нормальную работу трубки. Если в трубке проводящего слоя нет, то вторичные электроны уходят с экрана на отклоняющие пластины и второй анод. Питание электронного прожектора осуществляется через делитель напряжения. Чтобы регулирование яркости меньше влияло на фокусировку, первый анод делают без диафрагм. На него электроны не попадают, т. е. ток первого анода равен нулю. Современные электронные прожекторы дают на экране светящееся пятно с диаметром менее 0,002 от диаметра экрана. Отклонение электронного луча электростатическим методом с образованием светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющих пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки. Если обозначить отклонение пятна по вертикали через у, а напряжение на пластинах y через Uy, то у = Sy Uy, где Sy – чувствительность трубки для пластин y. Подобно этому отклонение светящейся точки по горизонтали х = Sх Uх Таким образом, чувствительность электростатической трубки – это отношение отклонения светящейся точки на экране к соответствующему отклоняющему напряжению: Sх = x / Uх и Sy = y / Uy Чувствительность ЭЛТ - это отклонение светящейся точки при изменении на 1 В отклоняющего напряжения. Выражают чувствительность в миллиметрах на вольт. Иногда под чувствительностью понимают величину, обратную Sх или Sy, и выражают её в вольтах на миллиметр. Предыдущие формулы не означают, что чувствительность обратно пропорциональна отклоняющему напряжению. Если увеличить в несколько раз Uy, то во столько же раз возрастет у, а значение Sy останется без изменения. Следовательно, Sy не зависит от Uy. Чувствительность бывает в пределах 0,1 – 1,0 мм/В. Она зависит от режима работы и геометрических размеров трубки.

2) ЭЛТ с электромагнитным управлением ЭЛТ с электростатическим управлением применяются в виде индикаторных (экраны радиолокаторов и гидролокаторов, дисплеи, устройства обработки воздушной и надводной информации). Электромагнитные трубки имеют электронную пушку, такую же, как и электростатические. Разница состоит в том, что напряжение на первом аноде не изменяется, и аноды предназначены только для ускорения электронного потока.

Ф.К. О.К.

ЭП Э Р ис. Р ис. Фокусировка электронного луча осуществляется при помощи фокусирующей катушки – Ф.К.. Фокусирующая катушка имеет рядовую намотку и одевается прямо на колбу трубки. Фокусирующая катушка создаёт магнитное поле, магнитные силовые линии которого располагаются так, как изображено на рисунке 279. Если электроны движутся по оси, то угол между вектором Е. А. Москатов. Стр. скорости и магнитными силовыми линиями будет равен 0 ( = 0°), следовательно, сила Лоренца равна нулю. Если электрон влетает в магнитное под углом, то за счёт силы Лоренца траектория электрона будет отклоняться к центру катушки. В результате все траектории электронов будут пересекаться в одной точке. Изменяя ток через фокусирующую катушку, можно изменять местоположение этой точки. Добиваются того, чтобы эта точка находилась в плоскости экрана. Это и есть фокусировка. Отклонение луча осуществляется при помощи магнитных полей, формируемых двумя парами отклоняющих катушек. Одна пара – катушки вертикального отклонения, и другая – катушки горизонтального отклонения. Катушки имеют сложную форму и располагаются таким образом, что их магнитные силовые линии на осевой линии будут взаимно перпендикулярны.

Рис. Когда электрон пролетает между катушками и попадает под воздействие их магнитных полей, так как угол между траекторией электрона и магнитных силовых линий составляет 90° (sin = 1), то сила Лоренца, воздействующая на электрон, будет максимальной. Под действием этой силы Лоренца электроны будут двигаться по дуге окружности, за счёт чего угол отклонения и, следовательно, чувствительность электромагнитных ЭЛТ будет значительно выше, чем у электростатических. Всё остальное – люминофор, экран, аквадаг – всё как у электростатических.

3) Кинескопы. Кинескопы относятся к комбинированным ЭЛТ, то есть они имеют электростатическую фокусировку и электромагнитное отклонение луча для увеличения чувствительности. Основным отличием кинескопов от ЭЛТ является следующее: электронная пушка кинескопов имеет дополнительный электрод, который называется ускоряющим электродом. Он располагается между модулятором и первым анодом, на него подаётся положительное напряжение в несколько сотен вольт относительно катода, и он служит для дополнительного ускорения электронного потока. Вторым отличием является то, что экран кинескопа, в отличие от ЭЛТ, трёхслойный (смотрите рисунок 281).

3 2 Р ис. 1 слой – наружный слой – стекло. К стеклу экрана кинескопа предъявляются повышенные требования по параллельности стенок и по отсутствию посторонних включений. 2 слой – это люминофор. 3 слой – это тонкая алюминиевая плёнка. Эта плёнка выполняет две функции: Увеличивает яркость свечения экрана, действуя как зеркало.

Е. А. Москатов. Стр. Основная функция состоит в защите люминофора от тяжёлых ионов, которые вылетают из катода вместе с электронами.

4) Цветные кинескопы. Принцип действия основан на том, что любой цвет и оттенок можно получить смешиванием трёх цветов – красного, синего и зелёного. Поэтому цветные кинескопы имеют три электронных пушки и одну общую отклоняющую систему. Экран цветного кинескопа состоит из отдельных участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зелёным цветами. Причём размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов. В кинескопах (вообще) отклоняющие катушки получили название строчной и кадровой. При прохождении через строчную катушку пилообразного импульса тока луч (или лучи в цветном кинескопе) прочерчивают на экране горизонтальную линию, которая называется строкой. Затем, под действием импульса тока через кадровую катушку, луч смещается на величину, приблизительно равную ширине одной строки и под действием тока строчной катушки прочерчивает следующую строку, и так далее. В результате этого происходит полная засветка экрана кинескопа, которая называется растр. Общее количество строк равно 625. Полезный сигнал, обработанный схемой телевизора, поступает на катод или модулятор кинескопа, модулируя луч по яркости, за счёт чего и формируется изображение на экране.

Индикаторы 1) Буквенно-цифровые индикаторы. 2) Матричные индикаторы. 3) Вакуумные электролюминесцентные индикаторы. 4) Жидкокристаллические индикаторы. 1) Буквенно-цифровые индикаторы. Буквенно-цифровые индикаторы предназначены для отображения информации в виде цифр, букв и различных символов. Различают следующие виды буквенно-цифровых индикаторов: Накальные;

Газоразрядные;

Светодиодные;

Вакуумные электролюминесцентные;

Жидкокристаллические. Накальные и газоразрядные индикаторы в настоящее время практически не применяются. Светодиодные индикаторы бывают двух видов: семисегментные и матричные. Семисегментные светодиодные индикаторы предназначены для отображения информации в виде цифр и включают в свой состав восемь светодиодов, семь из которых имеют форму сегментов, а один, восьмой, - точка.

+ Uип VD1.1 VD1.2 VD1.3 VD1.4 VD1.5 VD1.6 VD1.7 VD1. SA Рис. Рис. Е. А. Москатов. Стр. Семисегментные индикаторы выпускаются двух видов – с объединённым анодом или с объединённым катодом.

+ VD1 VD2 VD3 Uип SA SA SA Рис. 2) Матричные индикаторы. Светодиодные матричные индикаторы имеют в своём составе большое количество светодиодов.

Рис. Путём подключения тех или иных светодиодов в матрицу можно сформировать любую цифру, букву, знак или символ. Достоинства светодиодных индикаторов: Малое питающее напряжение;

Сравнительно малый потребляемый ток;

Чёткая конфигурация цифр. Недостаток – недостаточная яркость свечения.

3) Вакуумные электролюминесцентные индикаторы. Принцип действия основан на том, что аноды в виде металлизированных сегментов, покрытые люминофором, будут светиться при попадании на них электронного потока.

4 3 2 1 Р ис. В состав такого индикатора (смотрите рисунок 286) входят: 1. катод для создания термоэлектронной эмиссии;

2. ускоряющая сетка;

3. маска;

4. аноды.

Е. А. Москатов. Стр. Катод создаёт электронный поток, который ускоряется сеткой и через маску попадает на те аноды, к которым подведено напряжение и вызывает свечение люминофора. Маска представляет собой металлическую фольгу с прорезями по конфигурации анодов и предназначена для более чёткой конфигурации цифр. Достоинства: наибольшая яркость свечения из всех типов индикаторов, сравнительно низкие питающие напряжения. Недостаток: большой потребляемый ток.

4) Жидкокристаллические индикаторы. Жидкими кристаллами называют материал в виде длинных цепочек с очень высокой подвижностью. За счёт этого в обычном состоянии эти молекулы располагаются хаотично и жидкий кристалл не прозрачен (смотрите рисунок 287). Если поместить жидкий кристалл в электрическое поле, то молекулы ориентируются относительно линии напряжённости поля и жидкий кристалл становится прозрачным (смотрите рисунок 288).

1 2 3 Р ис. Рис. Рис. В состав конструкции (смотрите рисунок 289) входит: 1. стекло;

2. прозрачный электрод;

3. жидкий кристалл;

4. непрозрачный электрод. Прозрачный электрод выполняется в виде сегментов, букв или символов и в зависимости от того между каким из прозрачных электродов и непрозрачным электродом создаётся электрическое поле в этом месте жидкий кристалл становится прозрачным и сквозь него оказывается виден непрозрачный электрод. Достоинства: малое питающее напряжение, чрезвычайно малый потребляемый ток. Недостаток: можно использовать только при внешнем освещении.

Е. А. Москатов. Стр. Заключение Конечно, в столь сжатом описании охватить все детали процессов, наблюдаемых в электронных приборах, невозможно. Остались не рассмотренными даже некоторые радиодетали: однопереходные транзисторы, ионисторы, криотроны, лазеры, мазеры, лампы обратной и бегущей волны, клистроны и магнетроны… Да, много приборов не попало в наше описание. Ознакомиться с этими приборами можно, прочитав книги из списка использованных литературных источников, который можно найти в самом конце этой книги. Но автор и не пытался говорить обо всём. Были выбраны лишь самые важные явления, составляющие ядро электроники, и если пытливый читатель разобрался во всём том, что изложено было выше, то наверняка теперь ему будет более понятен любой технический предмет, любая сложная техническая книга. Автор надеется, что книга оказалась полезной, а её изложение – понятным. С уважением, Е.

А. Москатов Е. А. Москатов. Стр. Приложение Решение типовых задач по курсу “Электронная техника” Задача № Определение неизвестных параметров полупроводникового диода по графику, изображённому на рисунке 290. Найти: Максимальный прямой ток Iпр.max Максимальное прямое падение напряжения Uпр.max Напряжение электрического пробоя Uэл.проб Максимальное обратное напряжение Uобр.max. Определяется как Uобр.max. = ( )Uэл.проб.

Uпр I пр Uобр Ri обр Iобр Ri пр I Iп р.m a x U о б р.m a x U э л.п р о б Iп р U nр Iо б р.m a x Р ис. 2 9 U п р.m a x U Задача № Определение неизвестных параметров стабилитрона по характеристике, изображённой на рисунке 291. Найти: Минимальный прямой ток Iст.min. Максимальный прямой ток Iст.max. Номинальный прямой ток Iст.ном. Определяется по следующей формуле:

Iст.ном r ст.

I ст. max Iст. min Uст. Iст. max Iст. min Напряжение стабилизации Uст. Изменение напряжения стабилизации Uст. (при изменении тока стабилизации от минимума до максимума). Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации. Определяется по следующей формуле:

Е. А. Москатов. Стр. Uст.t 100% Uст. t Uст.t Uст. Uст.

Температурный коэффициент стабилизации. Определяется по следующей формуле:

t t 2 t I U c т. t Uс т Uс т ' Ucт Iс т.m in U Iс т.ном Iс т.m ax t o 2 = 80 o C t o 1 = 20 o C Р ис. Задача № Построение нагрузочной прямой и определение координат рабочей точки по графикам (смотрите рисунок 292). Дано: Eк;

Rк;

Iбo. Определить: Uкэo;

Iкo;

Uбэo. Зная ток Iбo, из графика рисунка 293 определяем Uбэo. Из формулы Iк.нас Iк.нас. Зная Eк и Iк.нас, отложим их значения на осях координат графика, изображённого на рисунке 292.

Iк Iк.нас Iб3 Iб Eк определяем Rк Iб Uкэ= Uкэ> Р.Т. Iко Iб2=Iбо Iбо Iб1 Uкэо Рис. 292 Eк Uкэ Uбэо Uбэ Рис. Е. А. Москатов. Стр. Соединим получившиеся точки прямой линией. Эта линия и есть нагрузочная прямая. Зная из условия Iбo, и зная, в каком месте нагрузочная прямая пересекает требуемый ток базы, определим рабочую точку (РТ). Спроецируем рабочую точку на ось Uкэ и найдём Uкэo.

Задача № Определение h-параметров биполярных транзисторов по графикам (смотрите рисунки 294 – 298). Для рисунка 297 справедливо Iб = Iб3 - Iб2.

Iк Iб Iб Uкэ= Uкэ> Iб Iб Uкэ= Uкэ> Iб Iб Iб=const Iб Uкэ Рис. Uбэ Рис. 296 Iб Iк Uбэ Uбэ Uбэ Рис. Iк U к э = C o ns t Iб Iк Iб Iб Iк Iб Iб Iб Iб Uкэ Iб U к э = c o ns t Р ис. 2 9 U кэ U кэ Р ис. U 1 при U 2 Const I 1 Uбэ h11э при Uкэ Const Iб U 1 h12 при I1 Const U 2 Uбэ h12 э при Iб Const Uкэ I 2 h 21 при U 2 Const I 1 Iк h 21э при Uкэ Const Iб Iк h 22э при Iб Const Uкэ h Е. А. Москатов. Стр. Задача № Определение параметров полевых транзисторов по характеристикам (смотрите рисунки 299, 300).

Iс Uз1= Iк Uз2

Rст Uc Ic Задача № Задача на логические элементы. На рисунке 301 приведена принципиальная схема устройства, состоящего из трёх логических элементов – двух элементов Шеффера (И-НЕ) и одного элемента Пирса (ИЛИ-НЕ). Также условием являются подаваемые на устройство уровни логической единицы и логического нуля. Требуется определить, что будет на выходе элемента DD3 – логический ноль или единица. Решение. На элемент И-НЕ DD1 подаются две единицы, значит, на выходе у него будет ноль. На элемент И-НЕ DD2 подаются ноль и единица, значит, на выходе у него будет единица. На элемент ИЛИ-НЕ DD3 подаются ноль и единица с элементов DD1 и DD2, следовательно, на выходе у него будет ноль. Ответ: ноль.

DD1 "1" & DD DD2 "0" "1" y="?" & Рис. Е. А. Москатов. Стр. Литература 1. Буланов Ю. А., Глаголев Г. И. Основы электроники. – М.: «Высшая школа», 1966, 347 с.: ил. 2. Быстров Ю. А., Мироненко И. Г. Электронные цепи и устройства: Учеб. пособие для электротехн. и энерг. вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 287 с.: ил. 3. Гершунский Б. С. Основы электроники. – Киев, издательское объединение «Вища школа», 1977, 344 с. 4. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк. 1991. – 622с.: ил. 5. Жеребцов И. П. Основы электроники. – 5-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989.-352 с.: ил. 6. Кноль М., Эйхмейер И. Техническая электроника, т. 1. Физические основы электроники. Вакуумная техника, пер. с нем. М., «Энергия», 1971. 7. Силовая электроника: Примеры и расчёты / Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. Пер. с англ. – М.: Энергоиздат, 1982. – 384 с.: ил.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.