Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Электроника и микропроцессорная техника

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
2.45 Mб
Скачать

_ .. _ ^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 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 напряжение 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.

Соседние файлы в папке книги