книги / Электроника и микропроцессорная техника
..pdf_ .. _ ^ВЫХ |
_ |
|
|
|
|
1 |
1 |
в: |
|
Л'в |
£ |
|||
л |
11
д/к - 1- а
Д'-э При а = 0.95 у= 20, т.е. сигнал усиливается по току и по мощности.
Рис. Г.21 |
|
|
Рис. 1.22 |
3. Счема с общим эмиттером (рис. 1.22): |
|
||
К |
- |
А/к/А/-3 |
<* |
1 Р ~ А /Э- А /К |
|
А/э /А/э - Л/* /А/э |
1- а |
При а = 0,95 р = 19.
Схема усиливает сигнал по току, напряжению и мощности и является самой распро страненной схемой включения.
Анализируя схемы включения транзистора, можно сделать вьШоД, что источник входного сигнала подключается к открытому переходу эмиттер-база, (Задающему малым сопротивлением. Следовательно, биполярный транзистор обладает малым входным сопро тивлением. Это является его основным недостатком.
Статические вольт-амперные характеристики схемы с общим эмиттером Разли чают два семейства характеристик: входные /вх / ( UBX) при Свых const, то есть /р / ( (/Б)
при /Ук |
ccmst (рис. 1.23, а) и выходные /вых ” / ( % ых)-лри /вх = const,, та.есть /к = /(£ 'к) |
при /г> |
const (рис. 1.33-4, б). По выходным характеристикам можно определить |
Рис. 1.23 11
Область |
Состояние р/мюреходов |
|
работы |
эмиттер-база база-коллектор |
|
Насыщения |
Открыт |
Открыт |
Отсечки |
Закрыт |
Закрыт |
Линейная |
Открыт |
Закрыт |
Области-работы пцкиписпнцю. На вы ходных характеристиках можно выделить три области работы транзистора (рис. 1.24): насы щения (I); линейной работы (II); отсечки (III) В области отсечки и насыщения нет прямо пропорциональной зависимости между вход ным и выходным током, эта зависимость на блюдается только в области линейной рабо ты, где Д/к = Р Д/б. (таблица).
Зависимость /пы х=/(/а\)
Нс зависит (транзистор полностью открыт) Не зависит (транзистор полностью закрыт) Прямо-пропорциональная
Персбельподопустимые параметры транзистора. Для нормальной работы транзи стора необходимо укладываться в область, огранйченную предельно допустимыми парамет рами. (Ac(nw\), /k*(nia>c)t
-если UK '' (/к(т*.ч), возможен пробой коллекторногори-перехода;
-если /к Iк(тлх), возможен перегрев эмиттерногор-н-перехода;
- если 1 \ Рщюх), работа транзистора невозможна из-за перегрева коллекторного р-н- перехода (/" - Рк). Область работы транзистора ограничивают все три условия (рис. 1.25).
Пример конструкции биполярного транзистора (рис.1.26). В пластину Gen вплавля ют кусочки акцептора (In). В месте вплавления в результате диффузии получаются участки полупроводника ртипа (Gep).
Рис. 1.25 |
Рис. 1.26 |
ПОЛЕВОЙ (УНИПОЛЯРНЫЙ) ТРАНЗИСТОРэто транзистор, в котором ток через канал регулируется с помощью электрического поля затвора.
Условное обозначение:
С
3
И
Электроды полевого транзистора:
-исток (И) - электрод, через который носители заряда входят в канал,
-сток (С) - электрод, через который носители заряда выходят из канала,
-затвор (3) -электрод, с помощью которого регулируется ток через канал.
Полевой транзистор с каналом п-типа и затвором в виде р-п-перехода. Структура полевого транзистора данного типа, представленная на рисЛ.27, имеет один р-н-переход между затвором и каналом, который включают в обратном направлении, при этом возникает область повышенного сопротивления (заштрихованная область на рис. 1.27).
Под воздействием напряжения £/ис ток через канал протекает только по той части, ко торая не входит в область р-л-перехода. Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем об ласть р-л-перехода, за счет чего изменяется та часть канала, по которой протекает ток (ак тивное сечение канала). Эти изменения вызывают изменение сощхтдоения канала, а следо вательно, и тока через канал, т.е., изменяя напряжение на затворе, можно регулировать ток через канал:
(I t/зи!I<1 Пзт\) => (S] > S2) => {RK\<RKI) => (/ю>1к2),
здесь площадь активного канала сечения, Як - сопротивление канала, /к - ток канала.
Схема с общим истоком (рис. L 28). Источник входного сигнала (ИС) подключен к за крытому р-л-переходу, обладающему большим сопротивлением, следовательно, прибор об ладает высоким входным сопротивлением —это его главное преимущество перед биполяр ным транзистором. Выходные характеристики схемы с общим истоком представлены на рис.1.29.
и зж= OB
Основной параметр рассматриваемого транзистора, характеризующий его усилитель-
р die
ные свойства, S- крутизна характеристики,£ = —— .
«и зи Полевые транзисторы бывают двух типов: с затвором в виде р-л-перехода и с изоли
рованным затвором.
1.1 АТиристоры
Тиристор - это полупроводниковый прибор, обладающий двумя состояниями: вы ключено (сопротивление велико => ток мал) и включено (сопротивление мало ±> ток отно сительно велик). Переход из одного состояния в другое происходит скачком.
|
|
|
|
Существуют следующие разновидности ти |
р |
п |
р |
п |
ристоров: |
- однооперационный тиристор; |
||||
|
|
|
|
- симметричный тиристор (симистор); |
U |
|
|
|
- двухоперационный тиристор; |
|
|
|
- фототиристор. |
|
|
|
R |
|
Структура тиристора включает как минимум |
|
|
|
3 р-л-перехода. |
|
ч |
= |
ъ |
|
|
|
Структура и принцип действия неуправляе |
|||
Рис. 1.30 |
|
мого тиристора (динистора), показаны на рис. |
||
|
|
|
|
1.30, где R - ограничительное сопротивление; I и Ш |
|
|
|
|
р-л-переходы открыты, а П р-л-переход закрыт. |
|
|
|
|
Условное обозначение: |
■ *
Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис.1.31, где участок 0-1 соответству ет состоянию «выключено»; участок 2-3 - состоя нию «включено»; участок 1-2 - переход из состоя ния «выключено» в состояние «включено». При увеличении напряжения тиристор сначала находит ся в состоянии «выключено»; средний р-л-переход
и
включен в обратном направлении, сопротивление всей структуры велико, ток мал. При дос тижении напряжения переключения U„ в закрытом р-л-переходе происходят процессы, внешне напоминающие его пробой, сопротивление среднего д-л-перехода, а следовательно, и всей структуры резко падает и тиристор переходит в состояние «включено». Для выключе ния необходимо снять напряжение. При смене полярности будут закрыты два р-и-перехода и ток через тиристор практически не протекает.
Однооперационный управляемый тиристор имеет управляющий электрод (УЭ). С помощью 1У через УЭ можно включать тиристор. Схема включения однооперационного ти ристора представлена на рис. 1.32.
Условное обозначение:
УЭ Волът-амперная характеристика однооперационного тиристора представлена на
рис. 1.33. С увеличением 1Унапряжение U„уменьшается.
Существует два способа включения однооперационного>управляемого тиристора:
1)1У= О, U > U„ (УЭ не используют).
2)U < Un, 1У> 0 (тиристор включается с помощью УЭ). Способ выключения один - снятие питающего напряжения U .
Применение тиристора в управляемом выпрямителе. Управляемым называется выпрямитель, у которого
можно регулировать £/вых> т. е. t/вых =/(<*)> гДе - некий параметр.
Рассмотрим схему однополупериодного управляемо го выпрямителя (рисЛ .34). Блок управления (БУ) предна значен для подачи управляющих импульсов на управляю щий электрод. Тиристор открывается при подаче импульса от блока управления. Работа выпрямителя иллюстрируется временной диаграммой (рис. 1.35, где а - угол отпирания тиристора).
PNRPU1.1.5. Оптрон
Оптрон - это прибор, состоящий из трех элементов (рис. 1.39):
1)элемента, преобразующего электрический сигнал в световой (например, светодио-
2)элемента, преобразующего свет в электри
ческий сигнал (например, фотодиода);
3)оптического канала, соединяющего первый
ивторой элементы.
Преимущества оптрона: полная электрическая развязка меж^у первым и вторым эле
ментами и отсутствие электромагнитного излучения при передаче информации через свето вой сигнал.
Недостаток: низкий КПД (< 10 %).
Условное обозначение оптопары светодиод - фотодиод:
СИ)
1.1.6. Интегральные микросхемы (ИМС)
Интегральные микросхемы классифицируют:
1)по технологии изготовления:
гибридные;
полупроводниковые.
Гибридная ИМС состоит из диэлектрической подложки, с напыленными фотоспосо бом соединительными дорожками и резистораьш, и навесных, безкорпусных элементов (диодов, транзисторов). Это микросхемы малой степени интеграции. В полупроводниковых ИМС имеется один кристалл полупроводника, разные части которого выполняют различные функции, что позволяет достичь более высокую степень интеграции;
2) по степени интеграции:
ИМС малой степени интеграции (до 30 элементов); ИМС средней степени интеграции (30... 150 элементов);
ИМС большой степени интеграции (более 150 элементов); ИМС сверхбольшой степени интеграции (более 1000 элементов);
У) по назначению:
анало!*овые;
цифровые.
Достоинства ИМС + высокая надежность, малые габариты (1 см3 &до 10 6 элемен тов), малое потребление энергии.
Недостаток -малая выходная мощность.
Пример обозначений ИМС. В качестве примера рассмотрим ИМС «К 140 УД7»: К - ИМС для широкого пользования;
140 - номер серии; первая цифра в номере серии - признак того, какая ИМС: 1,3 - по
лупроводниковая, 2 - гибридная; УД - аббревиатура «запечатанного» устройства —усилитель дифференциальный;
7 - номер разработки.
1.2.Устройства промышленной электроники
1.2.1.Усилители
Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых сигналов за счет энергии источника питания.
Основными параметрами усилителя являются: |
|
|
|
|||
- коэффициент усиления по напряжению |
К и = |
ць^-, в усилителях напряжения |
||||
|
|
|
U пх |
|
|
|
Kr> 1; |
|
|
|
|
|
|
■коэффициент усиления потоку |
- |
—ы* , в усилителях тока Kj > 1; |
|
|||
, , |
|
ьг |
Р BbLX |
^ВЫХ^ВЫХ __ |
ЬГ |
______. w ^ |
- коэффициент усиления по мощности |
К Р = —---- = — — }-----= |
|
, причем л г > |
|||
|
|
|
Р ВХ |
и вх* вх |
|
|
>1 в любом усилителе.
Характеристики уоилителеи:
1.Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) -зависимое^ К ог частоты, К =Ф (/). АЧХ для УНЧ, УТГТ, ИУ приведены на рис. 1.40, 1.41, 1.42. По АЧХ определяется полоса, пропускания частот усилителя А/
_Ко_ К Н =К ВЕРХ ~ Гг = АГ0 -0,707
2.Фазочастотная характеристика (ФЧХ)
Ф -Ф (А
где <р - угол сдвига 'фаз между входным и выходным сигналами. Поскольку усилитель со держит реактивные Элементы, то фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на вы ходе, причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разный.
3.Амплитудная характеристика (АХ)
1Увх - / ( t /вх) I/ = const.
А Х - это зависимость величины выходного напряжения от входного напряжения при/ = const (рис. 1.43).
Классификация усилителей по частотному диапазону:
1.Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), А/ =десятки Гц ... десятки кГц.
2.Усилитель высокой частоты (УВЧ), А/* =десятки кГц ... десятки МГц.
3.Широкополосный усилитель (ШУ), А/' ^десятки Гц ... десятки МГц.
4.Усилитель постоянного тока (УПТ), Д /= 0 ... Мгц.
5.Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) - это усилитель, усиливающий сиг нал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).
Виды искажения сигналов при прохождении через усилитель. Цри прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искаже ния.
Нелинейные искажения (рис. 1.44) связаны с нелинейными характеристиками транзи сторов (область линейной работы сравнительно невелика).
Линейные искажения - это искажения сигнала, связанные с разными К на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру прямоугольной (рис. 1.45).
Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит искажений. Усилитель, обладающий идеальной АЧХ, не вносит линейных искажений.
Понятие о входном и выходном сопро тивлении усилителя. По отношению к источ нику входного сигнала (ИС) усилитель являет ся нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопро тивлением усилителя Двх (рис. 1.46).
По отношению к нагрузке усилитель яв ляется источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутрен ним сопротивлением, последнее является вы ходным сопротивлением ЯВыхЭДС холостого хода Ехх = К С/вх.
УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ - это часть эле ментов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада, и элементы, обеспечи вающие ее работу. Главная усилительная цепь состоит из транзистора и последовательно включенного с ним резистора RK(рис.1.47).
Определим коэффициент усиления в режиме холостого хода К ^ . По закону Ома Wax = Гвх RVK ~ h ^вх»
где Явх - входное сопротивление главной усилительной цепи, т.е. сопротивление р-п- перехода Э - Б.
По второму закону Кирхгофа имеем
|
|
t/вых = Ек -/в ы х^ * = Ек - I KRK, |
|
|||
|
АЕ/вых |
U вых! ~~U вых2 _ (Ек ~ I к\RK ) ~ (Ек ~ Iк г RK ) _ |
||||
lXX |
Д (/Вх |
Е/BXl ~ ElBX2 |
(^Б1^ в х )“ (^п-^вх) |
|||
_ |
RK (T I K\ |
I К2) _ ~Ек(1к\ - I K I ) _ ~ Е к |
А1К __ |
р R-к |
||
|
^вх(^Б1 |
“ ^кг) |
^вх(^Б1 - 1 т ) |
&вх |
AI$ |
RQX |
Знак минус означает, что АЕ/вх и ДЕ/вых разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180°); P » l ; RK= тысячи Ом, Rbx = сотни Ом, поэтому |/^cc| » 1 .
ПерсОипючная характеристика главной усилительной цепи по напряжению есть зави симость И ш \ f ((/их). На данной характеристике можно выделить три области работы транзистора (рис. 1.48):
1 область отсечки;
2 - область линейной работы;
3 - область насыщения
Прохождение синусоида!ьного сигнала через главную усилительную цепь. Режимы усгыения. Используя передаточную характеристику, можно посмотреть, как изменяется фор ма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис.1.49).
Рассмо трим три варианта:
•входной сигнал изменяется вокруг нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;
•входной сигнал целиком укладывается в область линейной работы;
•входной сигнал большой амплитуды занимает все три области.
На рис. 1.49 заштрихована та часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы. Сигнал на выходе будет совпадать по форме с этой частью входного сигнала. Рас смотренным вариантам соответствуют три режима усиления:
Режим В характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется во круг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше по ловины сигнала). Применяется в усилителях мощности.
Режим А характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), прак тическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напря жения.