close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Leksachenko

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Е. В. Лексаченко, А. П. Орлов
ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2015
УДК 621.382(075.8)
ББК 32.85я73
Л43
Рецензенты:
кандидат физико-математических наук, доцент С. Э. Хоружников;
кандидат технических наук, доцент П. В. Трифонов
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Лексаченко, Е. В.
Л43 Прикладная электроника: учеб. пособие / Е. В. Лексаченко,
А. П. Орлов. – СПб.: ГУАП, 2015. – 111 с.: ил.
ISBN 978-5-8088-1023-5
Рассматриваются основные термины и определения по прикладной твердотельной электронике, физические принципы работы полупроводниковых приборов. Представлены основные схемы включения
полупроводниковых элементов. Раскрыты вопросы проектирования
различных устройств на основе полупроводниковых приборов.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям
технического профиля.
УДК 621.382(075.8)
ББК 32.85я73
ISBN 978-5-8088-1023-5
©Лексаченко Е. В., Орлов А. П., 2015
©Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2015
ВВЕДЕНИЕ
Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и
устройств, в которых это взаимодействие используется для передачи, обработки и хранения информации. Естественно возникает
вопрос: что такое электроны и откуда они берутся? Вопрос не такой
уж простой, если учесть, что до конца ХIХ века ученые понятия не
имели о существовании электронов. Такие известные ученые, как
Ампер, Вольта, Кирхгоф, Эдисон и многие другие физики, внесшие
огромный вклад в развитие учения об электричестве, которое было
известно еще в древние времена, понятия не имели об электронах.
В то время считалось, что мельчайшей неделимой частицей материального мира является атом.
Электрический ток ученые представляли как движение дискретных электрических зарядов, величину которых позволили
определить опыты по электролизу, проделанные Г. Гельмгольцем.
В 1891 г. Г. Стоней предложил называть атом электричества электроном, однако природа этого заряда оставалась неясной, т. е. термин появился раньше открытия электрона.
В 1897 г. выдающийся английский ученый Дж. Томсон, работая с вакуумной трубкой, экран которой светился под действием
открытых к тому времени катодных лучей, установил, что катодный луч несет в себе отрицательный заряд. Отклоняя катодный луч
магнитным полем, Дж. Томсону удалось определить такой важный
параметр, как отношение величины заряда к массе отклоняемой
частицы. Сегодня известно, что электрон обладает массой, равной
9,106 ×10-28 грамма. Зародилась новая наука – электроника, которая привела к созданию электронных приборов, позволивших создать современные средства телекоммуникаций.
Первоначально развивалась вакуумная электроника. В 1904 г.
Д. Флеминг изобрел двухэлектродную лампу (диод). В 1907 г. Л. Форест ввел в лампу управляющую сетку; лампа стала трехэлектродной
(триод), что позволило осуществить усиление слабых электрических
сигналов. В тридцатые годы интенсивно велись работы по созданию
передающих телевизионных трубок, что привело к возникновению современного электронного телевидения. В разработке этого вида электронных приборов большая заслуга советского ученого П. В. Шмакова. В эти же годы велись интенсивные исследования свойств полупроводниковых материалов. В развитии этого направления электроники
велика роль советских академиков А. Ф. Иоффе и И. Е. Тамма.
3
В 1948 г. было опубликовано сообщение об изобретении американскими физиками Дж. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли
полупроводникового электронного прибора под названием «транзистор», который можно использовать в радиотехнике вместо
электронных ламп. Началась новая эра электроники – полупроводниковая электроника, интенсивное развитие которой привело
к созданию в 60-х гг. интегральных микросхем (ИМС). Параллельно с интегральной электроникой в 80-е гг. развивалась функциональная электроника, базирующаяся на применении физических
явлений в твердом теле для обработки электрических сигналов.
Возникли такие направления в электронике, как акустоэлектроника, оптоэлектроника и ряд других.
Вступление в третье тысячелетие электроника отмечает зарождением нового направления – наноэлектроники. В начале 90-х гг.
были созданы электронные микроскопы, позволяющие не только
наблюдать атомы, но и манипулировать ими, размещая атомы и
атомные структуры в четком порядке и в точно определенном месте.
4
РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
1.1. Физические основы электронных приборов
Основные свойства полупроводников. Типы проводимости
Основными материалами, применяемыми в полупроводниковой
электронике, являются четырехвалентные кремний (Si) и германий
(Ge), а также арсенид галлия GaAs. Полупроводник, кристаллическая решетка которого не содержит атомов другой валентности, называется собственным полупроводником, или полупроводниками
типа i (от английского intrinsic-собственный). В кристаллической
решетке полупроводника всегда присутствуют примеси, однако их
концентрация столь ничтожна, что ею можно пренебречь.
Кристаллическая решетка собственного полупроводника состоит из элементарных кубических ячеек (рис. 1). Каждый атом,
расположенный в центре куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в углах куба. В свою очередь каждый атом, расположенный в углах куба, связан с четырьмя атомами, расположенными в центрах соседних кубов. Атомы в кристаллической решетке
полупроводника расположены упорядоченно на таких расстояниях друг от друга, что их внешние электронные оболочки перекрываются, и у электронов соседних атомов появляются общие орбиты,
посредством которых образуются ковалентные связи.
Рис. 1. Кристаллическая решетка
собственного полупроводника
5
Определение. Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа, называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решеткой.
На плоскости структуру полупроводника можно представить
следующим образом (рис. 2).
Если электрон получил большую энергию, то он может разорвать ковалентную связь и стать свободным. На его месте образуется вакансия, которая является аналогом положительного заряда, равного по величине заряду электрона и называемого дыркой.
В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi, т. е. ni = pi.
Определение. Процесс образования пары зарядов электрон и
дырка называется генерацией заряда.
Определение. Процесс, при котором свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь, и при этом
излучать избыток энергии, называется рекомбинацией зарядов.
В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы
движется в сторону, обратную направлению движения электронов,
поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда.
Определение. Дырки и свободные электроны, образующиеся
в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счет
собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Рис. 2. Кристаллическая структура кремния
6
Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно
зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники. Если в четырехвалентный
полупроводник ввести пятивалентную примесь, то четыре валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. За счет этого
концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок (рис. 3).
Определение. Примесь, за счет которой ni>pi, называется донорной
примесью. Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником
n-типа. В полупроводнике n-типа электроны называются основными
носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.
При введении трехвалентной примеси три ее валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвертая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация
дырок будет больше концентрации электронов (рис. 4).
Определение. Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью. Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа. В полупроводнике p-типа дырки называются основными
носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.
Si
Si
P
Si
Si
Рис. 3. Кристаллическая структура кремния
с пятивалентной примесью фосфора
7
Si
Si
B
Si
Si
Рис. 4. Кристаллическая структура кремния
с трехвалентной примесью бора
Реальное количество примесей в полупроводнике составляет
примерно 1015 1/см3.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счет которого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются
некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают нескомпенсированные заряды отрицательных
ионов акцепторной примеси (рис. 5). Ширина p-n-перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее элекp
Si
n
Si
Si
B
Si
Si
B
Si
Si
Si
Рис. 5. Процесс рекомбинации в полупроводниках
8
трическое поле p-n-перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.
Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум
напряженности электрического поля – на границе раздела (рис. 6).
p
n
∆X
E
X
ϕ
ϕк
X
Рис. 6. p-n-переход и распределение потенциалов в нем
9
Определение. Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на p-n -переходе называется контактной разностью потенциалов
или потенциальным барьером.
Для того чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-nпереход, его энергия должна быть достаточной для преодоления
потенциального барьера.
Работа р-n-перехода
Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее
электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-nперехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный
барьер, и поэтому через p-n-переход будет протекать сравнительно
большой ток, вызванный основными носителями заряда (рис. 7).
Такое включение p-n-перехода называется прямым, и ток через
p-n-переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении
p-n-переход открыт.
Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область,
а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле,
линии напряженности которого совпадают с внутренним полем p-nперехода. В результате это приведет к увеличению потенциального
барьера и ширины p-n-перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n-переход, и считается, что p-n-переход закрыт.
Оба поля – и внутреннее и внешнее – являются ускоряющими для
неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n-переход, образуя очень маленький
ток, который называется обратным током. Такое включение p-nперехода также называется обратным (рис. 8).
При контакте двух областей n- и p-типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области
вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области – нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух
разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными
разноименными зарядами ионизированных примесей возникает
10
электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт, поэтому устанавливается равновесное состояние (при этом
есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток
неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи
компенсируют друг друга). Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью
потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению
к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов
в данном случае составляет десятые доли вольта.
Eвн
Ep-n
p
n
ϕ
ϕ ¢к
ϕк
∆X
X
∆X
Рис. 7. Прямое включение p-n-перехода
11
Eвн
Ep-n
p
n
ϕ
ϕк
ϕ ¢к
∆X
X
∆X
Рис. 8. Обратное включение p-n-перехода
Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный
барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом
случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер.
Как только эти носители миновали p-n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе
стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию
зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает ско12
рость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.
Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное
смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо
малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются
(для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него
в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки
неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру
и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течет
ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от
напряжения. Таким образом, вольтамперная характеристика p-nперехода обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 9). При
изменении знака U значение тока через переход может изменяться
в 105–106 раз. Благодаря этому p-n-переход может использоваться
для выпрямления переменных токов.
К основным свойствам p-n-перехода относятся:
− свойство односторонней проводимости;
− температурные свойства p-n-перехода;
− частотные свойства p-n-перехода;
− пробой p-n-перехода.
Свойство односторонней проводимости p-n-перехода нетрудно
рассмотреть на вольтамперной характеристике.
Uобр
t2 > t1
I0
Iпр
Uпр
Iобр
Рис. 9. Вольтамперная характеристика p-n-перехода
13
Определение. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего
через p-n-переход тока от величины приложенного напряжения.
I = f(U).
Будем считать прямое напряжение положительным, обратное –
отрицательным. Ток через p-n-переход может быть определен следующим образом:
æ e ¢U ö÷
÷ -1),
I = I0 (expçç
çè kT ÷÷ø
где I0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда; exp – основание натурального логарифма; e′ – заряд электрона; T – температура; U – напряжение, приложенное к p-n-переходу;
k – постоянная Больцмана.
Найдем зависимость тока от напряжения при прямом включении:
æ e ¢U ö÷
÷ -1), Iïð = I0 (expçç
çè kT ÷÷ø
(*)
æ e ¢U ö÷
æ e ¢U ö÷
÷. Поэто÷÷  1, то можно записать Iïð = I0 expçç
так как expçç
çè kT ÷÷ø
çè kT ÷ø
му при увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется
по экспоненциальному закону.
При обратном включении:
æ e ¢U ö÷
÷ -1),
Iîáð = I0 (expçç
çè kT ÷ø÷
æ e ¢U ö÷
÷  1, то можно записать Iïð =так как expççç
I0 .
è kT ÷÷ø
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем
прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-nпереход проводит ток только в одну сторону (рис. 9).
Температурное свойство p-n-перехода показывает, как изменяется работа p-n-перехода при изменении температуры. На p-nпереход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается
термогенерация носителей заряда, что приводит к увеличению как
прямого, так и обратного тока.
Уравнение (*) содержит температурно-зависимые параметры –
I0 и T.
14
I0 – тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода
I0 определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I0
намного меньше обратного тока. Ток I0 сильно зависит от температуры (рис. 10): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению I0 на несколько порядков.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода
определяет максимально допустимую рабочую температуру для
него, которая составляет 80–100 °С для германиевых диодов и 150–
200 °С – для кремниевых.
Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит
в пределах от 60 до –70 °С.
У германиевых переходов ток I0 на шесть порядков больше, чем
у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые
напряжения на 0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,25–0,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов
при повышении температуры вырождается почти в «0»).
На рис. 10 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 °С,
сместилась влево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливается процесс термогенерации. Обратная
же ветвь ВАХ смещается вправо, т. е. с повышением температуры
до +70 °С электрический пробой в переходе наступает раньше, чем
при температуре +20 °С. При увеличении обратного напряжения
мА
Iпр
70°С
20°С
Uпр
B
Uобр
B
70°С
20°С
Iобр
мкА
Рис. 10. Вольтамперная характеристика p-n-перехода
при увеличении температуры
15
к тепловому току добавляется ток термогенерации. В сумме эти два
тока образуют обратный ток Iобр.
При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в два раза у германиевых и в два с половиной
раза у кремниевых диодов.
Частотные свойства p-n-перехода показывают, как работает p-nпереход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n-перехода определяются двумя видами емкости перехода.
P-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор,
обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а
изолятором является область объемного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая емкость
называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного
напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника и увеличение
их объемных зарядов. Поскольку объемные заряды неподвижны и
связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объемного заряда может быть обусловлено только расширением его области Δx
и, следовательно, уменьшением электрической емкости перехода
(рис. 11). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная
емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом на-
Sp-n
p
n
∆X
Рис. 11. Ширина p-n-перехода
16
пряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода.
За счет барьерной емкости работают варикапы.
Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой
диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе
и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов
в области базы. Диффузионная емкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n-переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, т. е. к изменению
заряда. Величина диффузионной емкости пропорциональна току
через p-n-переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад.
Первый вид емкости – это емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной емкостью.
Второй тип емкости – это диффузионная емкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n-переход
при прямом включении:
Q
Ñäèô = ,
Uïð
где Q – суммарный заряд, протекающий через p-n-переход.
Сопротивление Ri очень мало при прямом включении [Ri = 1 ÷
100 м] и будет велико при обратном включении [Riобр = 100 кОм ÷
10 МОм)] (рис. 12).
Если на p-n-переход подавать переменное напряжение (рис. 13),
то емкостное сопротивление p-n-перехода будет уменьшаться с уве-
Ri
Ci
Cp-n = Cбарьврн.+Сдиф
Рис. 12. Эквивалентная схема p-n-перехода
(Ri – внутреннее сопротивление p-n-перехода)
17
U
t
Рис. 13. Входное переменное напряжение
æ
1 ö
личением частоты çççxC = ÷÷÷, и при некоторых больших частотах
è
ωC ø
емкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n-перехода при прямом включении. В этом случае при
обратном включении через эту емкость потечет достаточно большой обратный ток, и p-n-переход потеряет свойство односторонней
проводимости.
Выводы:
− на высоких частотах p-n-переход теряет свои линейные свойства;
− чем меньше величина емкости p-n-перехода, тем на более высоких частотах он может работать.
Пробой p-n-перехода: Iобр = – I0.
При увеличении обратного напряжения энергия электрического
поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это
приводит к сильному увеличению обратного тока (рис. 14).
Явление сильного увеличения обратного тока при определенном
обратном напряжении называется электрическим пробоем p-nперехода. Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при
уменьшении обратного напряжения p-n-переход восстанавливает
свойство односторонней проводимости. Если обратное напряжение
не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и p-n-переход сгорает. Такое явление называется
тепловым пробоем p-n-перехода. Тепловой пробой необратим.
Различают следующие виды пробоев:
− туннельный (при напряженности поля перехода свыше 106 В/см,
до точки «а»). В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, характеризующийся тем, что электроны из области полупроводника одного типа могут переходить в область полупроводника
другого типа, не преодолевая потенциального барьера, если расстояние между зоной проводимости n-области и валентной зоной
p-области небольшое;
18
Iпр
I0
Uпр
a
участок
электрического
пробоя
б
участок
теплового
пробоя
Iобр
Рис. 14. Пробой p-n-перехода
− электрический (вызван ударной ионизацией, после точки
«а»), этот тип пробоя иногда называют лавинным. При этом в переходе идут обратимые процессы и после снятия обратного напряжения он восстанавливает свои рабочие свойства. При электрическом
пробое нарастание тока почти не вызывает изменения напряжения, что позволило использовать эту особенность характеристики
для стабилизации напряжения;
− тепловой возникает в результате сильного разогрева перехода
(после точки «б»); процессы, которые идут при этом в переходе, необратимы, и рабочие свойства перехода после снятия напряжения
не восстанавливаются (вот почему в справочной литературе строго
ограничивается величина обратного напряжения на переходах диодов и транзисторов).
Классификация полупроводниковых электронных приборов
Полупроводниковые приборы разделяют по их функциональному
назначению, а также по количеству электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход – это промежуточный переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых
имеет электронную проводимость (n-типа), а другая – дырочную
19
(p-типа). Вся совокупность полупроводниковых приборов разделяется на беспереходные, с одним, двумя и более переходами (рис. 15).
Применение беспереходных приборов основано на использовании физических процессов, происходящих в объеме полупроводникового материала. Приборы, в которых используется зависимость
электрического сопротивления полупроводника от температуры,
называются термисторами. В эту группу приборов входят терморезисторы (их сопротивление на несколько порядков падает при
увеличении температуры), а также позисторы (их сопротивление
увеличивается с увеличением температуры). Терморезисторы и позисторы применяются для измерения и регулирования температуры, в цепях автоматики и т. д.
В качестве нелинейных сопротивлений применяются полупроводниковые приборы, в которых используется зависимость сопротивления от величины приложенного напряжения. Такие приборы
называются варисторами. Их применяют для защиты электрических цепей от перенапряжения, в цепях стабилизации и преобразования физических величин.
Фоторезистор – это прибор, в светочувствительном слое которого при облучении светом возникает избыточная концентрация
электронов, а значит, его сопротивление уменьшается.
Большую группу представляют полупроводниковые приборы
с одним р-n-переходом и двумя выводами для включения в схему.
Полупроводниковые
электронные приборы
Беспереходные
С одним p-nпереходом
С двумя и
более p-nпереходами
терморезисторы
выпрямительные
позисторы
стабилитроны
биполярные
транзисторы
полевые
транзисторы
варисторы
варикапы
тиристоры
фоторезисторы
..
.
светодиоды
..
.
фототранзисторы
Интегральные
микросхемы
полупроводниковые
гибридные
Рис. 15. Классификация полупроводниковых приборов
по количеству p-n-переходов
20
Полупроводниковые
электронные приборы
Малой мощности
Pдоп < 0,3 Вт
Средней мощности
0,3 < Pдоп< 1,5 Вт
Большой мощности
Pдоп > 1,5 Вт
Низкой частоты
f доп ≤ 3 МГц
Средней частоты
3< fдоп < 30 МГц
Высокой частоты
30< fдоп < 300 МГц
СВЧ
fдоп > 300 МГц
Рис. 16. Классификация электронных приборов
по мощности и частоте
Их общее название – диоды. Различают диоды выпрямительные,
импульсные и универсальные. К этой группе относятся стабилитроны (они применяются для стабилизации токов и напряжений за
счет значительного изменения дифференциального сопротивления
пробитого р-n-перехода); варикапы (емкость их р-n-перехода зависит
от величины приложенного напряжения), фото- и светодиоды и т. п.
Полупроводниковые приборы с двумя и более р-n-переходами,
тремя и более выводами называются транзисторами. Очень большое
количество транзисторов, различающихся по функциональным и
другим свойствам, разделяют на две группы – биполярные и полевые. К этой же группе приборов (с тремя и более р-n-переходами)
можно отнести приборы переключения – тиристоры.
Самостоятельную группу приборов представляют интегральные
микросхемы (ИМС). ИМС – это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования или обработки сигнала (усиление,
генерация, АЦП и т. д.) Они могут содержать десятки и сотни р-nпереходов и других электрически соединенных элементов.
Все интегральные микросхемы делятся на два сильно отличающихся друг от друга класса:
− полупроводниковые ИМС;
− гибридные ИМС.
21
Полупроводниковые ИМС представляют полупроводниковый
кристалл, в толще которого выполняются диоды, транзисторы, резисторы и другие элементы. Они имеют высокую степень интеграции, малую массу и габариты.
Основу гибридной ИМС представляет пластина диэлектрика, на
поверхности которой в виде пленок нанесены компоненты схемы и
соединения (в основном пассивные элементы).
Кроме деления по количеству р-n-переходов и функциональному назначению полупроводниковые приборы разделяются по величинам предельно допустимой мощности и частоты (рис. 16).
1.2. Полупроводниковые диоды
Устройство, классификация и основные параметры
полупроводниковых диодов
Определение. Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n-переход и имеющее два вывода.
Классификация диодов производится по следующим признакам.
1. По конструкции:
− плоскостные;
− точечные;
− микросплавные.
2. По мощности:
− маломощные;
− средней мощности;
− мощные.
3. По частоте:
− низкочастотные;
− высокочастотные;
− СВЧ.
4. По функциональному назначению:
− выпрямительные диоды;
− импульсные диоды;
− стабилитроны;
− варикапы;
− светодиоды;
− туннельные диоды и т. д.
Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:
22
− маркировка диодов;
− условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на
принципиальных электрических схемах.
По старому ГОСТу все диоды обозначались буквой Д и цифрой,
которая указывала на электрические параметры, находящиеся
в справочнике.
По новому ГОСТу маркировка диодов состоит из 4 обозначений:
К С – 156 А
Г Д – 507 Б
I II III IV
I – показывает материал полупроводника.
II – тип полупроводникового диода (рис. 17):
Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;
А – диоды СВЧ;
C – стабилитроны;
В – варикапы;
И – туннельные диоды;
Ф – фотодиоды;
Л – светодиоды;
Ц – выпрямительные столбы и блоки.
III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам.
IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.
Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой.
База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи
при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)


Рис. 17. УГО диодов: а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ,
импульсные и диоды Гана; б) стабилитроны; в) варикапы;
г) туннельные диоды; д) диоды Шоттки; е) светодиоды;
ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки
23
акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n-переход большой плоскости (отсюда название).
Определение. Вывод от p-области называется анодом, а вывод от
n-области – катодом.
Большая плоскость p-n-перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счет большой барьерной емкости они будут низкочастотными (рис. 18).
A
Акцепторная
примесь
База
P
Кристаллодержатель
n
К
Рис. 18. Структура плоскостного диода
A
I
База
Кристаллодержатель
n
K
Рис. 19. Структура точечного диода
24
Вольфрамовая игла
Область p-типа
Область n-типа
p
n
Рис. 20. p-n-переход очень малой площади
К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через нее пропускают импульсы тока силой до 1 А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область (рис. 19, 20).
Получается p-n-переход очень малой площади. За счет этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на
малых прямых токах (десятки миллиампер). Их получают путем
сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n-типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.
Характеристики реального диода
Вольтамперная характеристика реального диода проходит
ниже, чем у идеального p-n-перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении
Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним
полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счет
возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда (рис. 21, 22).
Здесь:
– максимально допустимый прямой ток Iпр max;
25
ВАХ идеального
p-n-перехода
Iпр
ВАХ реального
p-n-перехода
A
Uобр
Ua
Uпр
Iобр
Рис. 21. ВАХ идеального и реального p-n-перехода
Iпр max
Iпр
Iпр
Uэл.проб
Uобр
Uобр max Uобр
Iпр
Uпр
Uпр
Iобр max
Uпр Uпр max
Iобр
Рис. 22. ВАХ реального диода
– прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Uпр max;
2
– максимально допустимое обратное напряжение Uîáð max = Uýë.ïðîá ;
3
2
Uîáð max = Uýë.ïðîá ;
3
– обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр max;
− прямое и обратное статическое сопротивление диода при заданных прямом и обратном напряжениях.
26
1.3. Выпрямительные диоды
Определение. Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в источниках питания.
Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть
германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а
также имеют меньший обратный ток.
В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n-перехода. Эти диоды предназначены для преобразования знакопеременного тока в знакопостоянный. Условное
графическое обозначение выпрямительного диода показано на
рис. 23 (клин указывает направление наибольшей проводимости).
Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (рис. 24).
Рис. 23. Условное графическое обозначение
выпрямительного диода
VD1
VD2
VD3
Rд1
Rд2
Rд3
Рис. 24. Параллельное включение диодов
27
Rш1
Rш2
Rш3
VD1
VD2
VD3
Рис. 25. Последовательное включение диодов
Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков
Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.
Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (рис. 25).
Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм
включают для выравнивания падения напряжения на каждом из
диодов.
1.4. Стабилитроны
Определение. Стабилитроном называется полупроводниковый
диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения.
По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действия стабилитрона основан на том, что у полупроводникового стабилитрона используется слабая зависимость
напряжения на p-n-переходе от протекающего через него тока на
участке электрического пробоя (рис. 26).
Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации Uñò . У стабилитронов с малым напряжением стабилизации (до 5 В) имеет место туннельный пробой, а у стабилитронов
с Uñò > 5 Â – лавинный (при напряжении стабилизации вблизи 5 В
пробой определяется совместным взаимодействием туннельного и
лавинного механизмов).
Рабочий участок ВАХ находится между уровнем Iñò min когда
уже наблюдается устойчивый пробой, и уровнем Iñò max , при котором температура p-n-перехода еще недостаточна, чтобы возник
тепловой пробой. Качество стабилитрона оценивается дифференциальным сопротивлением в области рабочих токов ( rä = ΔU ΔI ),
которое чем меньше, тем лучше (у различных стабилитронов rд составляет от единиц – до сотен Ом). Не менее важным параметром
28
Iпр
Uобр
Uст
Uпр
Iст max
Iст max
Iст max
Iст
Рис. 26. Вольтамперная характеристика стабилитрона
UR
0
R0
VD1
Uвх
Uн = Ucт
Rн
Рис. 27. Схема включение стабилитрона
29
стабилитрона является температурный коэффициент напряжения
стабилизации
ΔU
TKH = ñò ,
Δt
показывающий насколько изменится напряжение стабилизации
при изменении температуры на 1 градус. У стабилитронов с лавинным механизмом пробоя температурный коэффициент положительный (порядка 2 мВ/град), а у стабилитронов с туннельным
механизмом пробоя – отрицательный.
Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением (рис. 27).
1.5. Варикапы
Определение. Варикап – это полупроводниковый управляемый
конденсатор.
Варикапом называется диод, у которого в качестве основного
параметра используется барьерная емкость. Свойство барьерной
емкости p-n-перехода изменять свою величину под воздействием
внешнего напряжения связано с наличием пространственного за-
Cбар
Cmax
Cmin
0
U
Рис. 28. Зависимость емкости варикапа
от обратного напряжения
30
ряда в области p-n-перехода. Поскольку при увеличении обратного
напряжения p-n-переход расширяется (что эквивалентно увеличению расстояния между пластинами плоского конденсатора), барьерная емкость уменьшается (рис. 28).
Основными параметрами варикапа являются:
– минимальная и максимальная емкости Cmin и Cmax ;
– добротность Q;
– температурный коэффициент емкости
ΔCáàð / Cáàð
TKE = ,
Δt
характеризующий величину относительного изменения барьерной
емкости при изменении температуры на 1 градус.
Температурный коэффициент получается наибольшим при нулевом значении обратного напряжения (порядка 1,5 ×10-3 1 ãðàä ),
при увеличении Uîáð он уменьшается (примерно в 10 раз при максимальном Uîáð ). Сравнительно низкая добротность емкости варикапа (Q = 10…1000 в зависимости от рабочей частоты) объясняется
невысокими диэлектрическими свойствами среды, разделяющей
заряды разного знака, а также ненулевым значением сопротивления слоев полупроводника, образующих диод.
1.6. Фотодиоды
Определение. Фотодиодом называется фотогальванический приемник излучения, светочувствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления.
При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает
фотогенерация собственных носителей зарядов (рис. 29), что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных
носителей зарядов.
Фотодиоды могут работать как в режиме фотосопротивления
при обратно смещенном p-n-переходе (рис. 30), так и в режиме генератора фотоЭДС (рис. 31).
В режиме фотосопротивления и в отсутствии освещения (световой поток Φ = 0) обратная ветвь ВАХ фотодиода (рис. 32) точно такая же, как и у выпрямительного диода.
31
Ф
p
n
Рис. 29. Принцип фотогенерации
U
E
Rн
Рис. 30. Включение фотодиода
в режиме фотосопротивления
U
Rн
Рис. 31. Включение фотодиода
в режиме генератора фотоЭДС
32
Iпр
Uобр
Uпр
Ф1=0
Ф2>0
Ф3>Ф2
Iобр=1ф
Рис. 32. ВАХ фотодиода
1Ф
Ф
Рис. 33. Световая характеристика фотодиода
в режиме фотогенерации
Протекающий при этом незначительный обратный ток, образованный неосновными носителями заряда, называется темновым
током. Под действием светового потока (Φ > 0), падающего на p-nпереход, в нем происходит фотогенерация пар электрон-дырка,
т. е. увеличение числа как основных, так и неосновных носителей заряда, причем в отношении последних это будет существенный рост, поскольку при Φ = 0 неосновных носителей заряда в p- и
n-полупроводнике немного. Эти дополнительные неосновные носители заряда под действием приложенного к диоду обратного напря33
Rн1=0
I
Rн1<Rн2<...
Rн2
Rн3
Rн4
Ф
Рис. 34. Световая характеристика фотодиода
в режиме фотоЭДС
жения создадут во внешней цепи фототок, величина которого прямо пропорциональна световому потоку Φ. Это определяет световая
характеристика (рис. 33).
В режиме генератора фотоЭДС образовавшиеся в p-n-переходе
под действием света свободные электроны будут втянуты полем p-nперехода в n-область полупроводника, а дырки – в p-область, создавая на выводах фотодиода ЭДС, под действием которой во внешней
цепи потечет ток. Световая характеристика в этом режиме будет
линейной только при сопротивлении нагрузки Rí = 0 (рис. 34), а
при Rí > 0 она искривляется, причем тем больше, чем больше сопротивление нагрузки.
Основным параметром фотодиода является чувствительность,
определяемая как приращение фототока при изменении светового
потока в 1 люмен (в режиме генератора фотоЭДС – при Rí = 0 ).
1.7. Светодиоды
Определение. Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения.
Процесс рекомбинации носителей заряда при протекании прямого тока через p-n-переход сопровождается выделением фотонов.
34
E
R
Рис. 35. Прямое включение светодиода
Светодиод (излучающий диод) работает при прямом смещении
p-n-перехода (рис. 35), когда прямой ток составляет величину порядка 10…50 мА (при этом напряжение U * светодиода, изготовленного на основе фосфида галлия, примерно равно 1,5 В, а напряжение электрического пробоя – Uïðîá » 4 Â ).
Основной характеристикой светодиода является яркостная характеристика (рис. 36), определяющая зависимость светового потока Φ от протекающего через светодиод прямого тока I.
Конструктивно светодиод выполняется таким образом, чтобы
обеспечить вывод излучения с минимальными потерями. Распределение интенсивности излучения в зависимости от длины волны
Pи = f(λ) называется спектральной характеристикой (рис. 37).
Излучающие диоды выпускаются как для видимой, так и для
инфракрасной части спектра.
Ф
0
I
Рис. 36. Яркостная характеристика светодиода
35
Pи
λ
Рис. 37. Спектральная характеристика светодиода
Iвх
Iвых
Uвых
Uвх
Рис. 38. Диодный оптрон
Светодиод используется не только в качестве индикатора, но и
в качестве источника излучения оптрона (оптопары), приемником излучения которого могут быть фоторезистор, фотодиод, фототранзистор или фототиристор (на рис. 38 приведена схема диодного оптрона).
Преимуществом оптрона является отсутствие гальванической
связи между входной и выходной цепями.
1.8. Определение и классификация транзисторов
Определение. Транзистором называется полупроводниковый
преобразовательный прибор, имеющий не менее трех выводов и
способный усиливать мощность.
36
Классификация транзисторов производится по следующим признакам:
– по материалу полупроводника – обычно германиевые или
кремниевые;
– по типу проводимости областей (только биполярные транзисторы):
с прямой проводимостью (p-n-p-структура);
с обратной проводимостью (n-p-n-структура);
– по принципу действия:
биполярные;
полевые (униполярные);
– по частотным свойствам:
НЧ (<3 МГц);
СрЧ (3–30 МГц);
ВЧ и СВЧ (>30 МГц);
– по мощности:
маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт);
средней мощности СрМ (0,3–3Вт);
мощные (>3 Вт).
Маркировка транзисторов показана на рис. 39.
На рисунке приняты следующие обозначения:
I – материал полупроводника: Г – германий, К – кремний; II –
тип транзистора по принципу действия: Т – биполярные, П – полевые; III – три или четыре цифры – группа транзисторов по электрическим параметрам. Первая цифра показывает частотные свойства
и мощность транзистора в соответствии с табл. 1.
IV – модификация транзистора в 3-й группе.
Г Т – 313 А
К П – 103 Л
I
II-
III
IV
Рис. 39. Маркировка транзисторов
Таблица 1
Мощность
Менее 0,3 Вт
0,3–3 Вт
Более 3 Вт
Частота
менее 3 МГц
3–30 МГц
более 30 МГц
1
4
7
2
5
8
3
6
9
37
1.9. Устройство биполярных транзисторов
Основные понятия
Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который так же, как и
вывод от него, называется базой.
Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным базе типом проводимости,
нежели база.
Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника
с чередующимися типами проводимости: n-p-n или p-n-p (на рис. 40
приведена структура биполярного транзистора типа n-p-n).
Определение. Область, имеющую бoльшую площадь p-n-перехода,
и вывод от нее называют коллектором. Область, имеющую меньшую площадь p-n-перехода, и вывод от нее называют эмиттером.
p-n-переход между коллектором и базой называют коллекторным
переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.
На границах слоев с разным типом проводимости образуются
два встречновключенных p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный), потенциальные барьеры которых создаются ионизированными атомами примесей (“+” и “–“ на рис. 40). У реального транзистора один из крайних слоев (эмиттер) имеет гораздо большую концентрацию примеси по сравнению с другим крайним слоем и является
источником подвижных носителей заряда, тогда как второй крайний слой (коллектор) отличается гораздо большей площадью p-nперехода, что позволяет ему более эффективно собирать носители
заряда, инжектированные эмиттером и прошедшие средний слой,
называемый базой. Чтобы уменьшить в базе вероятность рекомбинации носителей заряда, перемещающихся из эмиттера в коллекn+
p
Э
n
n+
p+
Б
Рис. 40. Идеализированная структура
биполярного транзистора
38
К
тор, базу делают сравнительно высокоомной (с низкой концентрацией примеси) и тонкой.
Обычно в схемах биполярные транзисторы изображаются так,
как показано на рис. 41.
Направление стрелки в транзисторе показывает направление
протекающего тока.
Работа транзистора основана на управлении токами электродов.
В зависимости от полярности приложенных к его переходам напряжений различают режимы:
– линейный (усилительный);
– насыщения;
– отсечки;
– инверсный.
В линейном режиме – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
В инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом, а
эммитерный – в обратном направлениях.
В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном.
В линейном режиме n-p-n-транзистора электроны, основные носители тока в эмиттере, инжектируются через открытый эмиттерный переход в область базы. В базе часть этих электронов рекомбинирует с ее основными носителями заряда (дырками), а часть
диффундирует обратно в эмиттер. Так как база в транзисторе выполняется тонкой, то основная часть электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного перехода. Сильное электрическое поле обратно смещенного коллекторного перехода захватывает электроны (они неосновные носители в базу, и поэтому для
них переход открыт) и проносит их в коллектор. Ток коллектора,
n-p-n
p-n-p
К
К
Б
Б
Э
Э
Рис. 41. Условное графическое обозначение
биполярных транзисторов
39
таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением
небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток
базы IÁ = IÝ - IÊ .
Коэффициент, связывающий ток эмиттера и ток коллектора
IÊ = αIÝ , называется коэффициентом передачи тока эмиттера.
Численное значение коэффициента α = (0,9…0,999), и чем он
больше, тем эффективнее транзистор передает ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер.
Поэтому в диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы IÊ = βIÁ , и коэффициент пропорциональности
α
β=
= (10...1000). Таким образом, изменяя малый ток базы,
1- α
можно управлять большим током коллектора, т. е. биполярный
транзистор является прибором, управляемый током базы.
Включение транзистора, когда входная и выходная цепи имеют общую точку – эмиттер, является наиболее распространенным
и называется включением с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 42). Для
усиления сигнала применяются также схемы включения биполярных транзисторов с общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя осæI
ö÷
ç
новными показателями: коэффициентом усиления по току çç âûõ ÷÷÷;
çè I ø÷
âõ
æ
ö
U
U
входным и выходным сопротивлениями çççRâõ = âõ ; Râûõ = âûõ ÷÷÷.
çè
Iâõ
Iâûõ ø÷
Рассмотрим сравнительные характеристики схем включения биполярного транзистора.
Схема включения с общей базой (ОБ) показана на рис. 43.
æI
I ö÷
ç
Коэффициент усиления по току α = çç âûõ = Ê ÷÷÷ < 1, поэтому схеçè I
IÝ ø÷
âõ
ма не усиливает ток, а усиливает напряжение.
p-n-p-транзистор
n-p-n-транзистор
IК
IБ
IК
IБ
UКЭ
UБЭ
IЭ
UБЭ
UКЭ
IЭ
Рис. 42. Схемное включение транзистора с общим эмиттером
40
VТ1
IЭ
IК
Uвх
Rн
ЕЭ
IБ
ЕК
Рис. 43. Схема включения транзистора с общей базой
Входное сопротивление мало, так как входная цепь транзистора
при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.
Для питания данной схемы необходимо два источника напряжения.
Достоинства схемы с ОБ: хорошие температурные и частотные
свойства.
Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) показана на рис. 44.
Так как Iâûõ = IÊ , Iâõ = IÁ , получаем большой коэффициент
усиления по току β =
IÊ
>> 1.
IÁ
VТ1
Iвых
Uвх
Rн
Iвх
ЕБ
ЕК
Рис. 44. Схема включения транзистора
с общим эмиттером
41
Так как Uâõ = UÁÝ , а Uâûõ = UÊÝ , большое входное сопротивлеU
ние Râõ = ÁÝ .
IÁ
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно
входного.
К недостаткам можно отнести худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с ОБ.
Схема включения с общим коллектором (ОК) показана на рис. 45.
Iâûõ = IÝ , Iâõ = IÁ , а Uâõ = UÁÊ , а Uâûõ = UÊÝ , то схема не усиI
ливает напряжение, а усиливает ток β = Ý > 1; обладает большим
IÁ
входным и малым выходным сопротивлениями. Данную схему называют «эмиттерный повторитель».
Независимо от схемы включения транзистор характеризуется
тремя коэффициентами усиления:
KI = Iвых / Iвх – по току;
KU = Uвых / Uвх = (IвыхRн) / (IвхRвх) = KIRн / Rвх – по напряжению;
KP = Pвых / Pвх = (UвыхIвых) / (UвхIвх) = KIKU – по мощности.
Для схемы с общей базой:
KI = IК / IЭ = α (α<1);
KU = α(Rн / Rвх);
VТ1
Iвых
Uвх
Rн
Iвх
Еб
Ек
Рис. 45. Схема включения транзистора
с общим коллектором
42
Rн ≈ n1 кОм;
Rвх ≈ n10 Ω;
KU ≈ n100;
KP = KU / KI = n100.
Для схемы с общим коллектором:
KI = IЭ / IБ = β + 1 = n;
KU = β(Rн / Rвх) ≈ n;
KU < 1.
Для схемы с общим эмиттером:
KI = IК / IБ = β = n(10÷100);
KU = β(Rн / Rвх);
KP = KIKU = n(1000÷10000)KU = α(Rн / Rвх);
Rн ≈ n1 кОм;
Rвх ≈ n10Ω;
KU ≈ n100;
KP = KU / KI = n100.
Ниже приводится таблица сравнительных данных по этим схемам (табл. 2).
Транзистор по схеме с общим эмиттером описывается семействами выходных и входных характеристик.
Входные и выходные характеристики
Определение. Входные характеристики – зависимости тока
базы от напряжения между базой и эмиттером: IÁ = f (UÁÝ ) при
UКЭ = const (рис. 46, б).
Определение. Выходной или коллекторной ВАХ транзистора
называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером, снятая при неизменном токе базы
IÁ = const. Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на
Таблица 2
Сравнительные данные для схем включения биполярного транзистора
rвх
ОЭ
ОК
ОБ
rвых
KU
Ki
KP
Замечания
Очень
Часто
Среднее Высокое Большое Большое
большое используется
Очень
Очень
Не часто
1
Большое Большое
большое низкое
используется
Очень
Редко
Малое
Большое
1
Большое
высокое
используется
43
рис. 46, а, откуда видно, что ВАХ является нелинейной и состоит
из нескольких участков.
На пологом участке выходной характеристики ток коллектора
практически не зависит от напряжения UКЭ, т. е. транзистор работает в линейном (усилительном) режиме, когда на эмиттерном
переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное. На этом участке транзистор характеризуется как прибор
со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока
IК, значение которого можно изменять путем изменения IБ. Крутой
участок выходных характеристик характеризуется потерей транзистором усилительных свойств, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима
транзистора.
Два ключевых режима транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или
разомкнутый ключ.
Транзисторные ключи находят применение в различных электронных устройствах: измерительных усилителях для коммутации сигналов, в силовых преобразователях частоты и др. Во всех
этих применениях транзистор попеременно переводится из режима
насыщения в режим отсечки и обратно. В связи с этим важным ява)
I К , мА
б)
IБ , мА
IБ = 0,8 мА
1
2
IБ = 0,6 мА
IБ= 0,4 мА
3
IБ = 0,2 мА
IБ = 0
1
0
1
2
3
UКЭ, В
UБЭ, В
– область отсечки;
– область насыщения;
– линейная (активная) область
Рис. 46. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора
44
ляется скорость переключения такого ключа, которая характеризуется временем переключения или частотой коммутации.
В инверсном режиме коллектор и эмиттер меняются местами, и
роль коллектора выполняет эмиттер. Инверсный режим используется в двунаправленных ключах, когда транзистор симметричный
и его усиление практически не изменяется при замене коллектора
и эмиттера. В таких транзисторах области коллектора и эмиттера
имеют одинаковые свойства и геометрические размеры, поэтому
любая из них может работать как эмиттер или коллектор. Если
транзистор несимметричный, то в инверсном режиме падает усиление транзистора.
Достоинство биполярных транзисторов – высокое быстродействие при больших токах коллектора, что находит применение
в электронной технике. Так как биполярные транзисторы управляются током, то они потребляют достаточно большую мощность
от входной цепи, что препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что
является общим недостатком полупроводниковых приборов.
Понятие о динамическом режиме
Динамическим режимом работы транзистора называется такой
режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор,
за счет которого изменение входного тока или напряжения будет
вызывать изменение выходного напряжения.
На рис. 47 резистор RК – это коллекторная нагрузка для транзистора, включенного по схеме с ОЭ, обеспечивающая динамический
режим работы.
EК = URК + UКЭ;
URК = IКRК;
EК = UКЭ + IКRК.
Отсюда следует уравнение, которое называется уравнением динамического режима работы транзистора:
UКЭ = EК – IКRК.
Уравнение динамического режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой
прямую линию и строится на выходных статических характеристиках (рис. 48).
45
IК
RК
URК
VТ1
Rн
UКЭ
Uвх
ЕБ
ЕК
Рис. 47. Схема исследования транзистора
IБ4
IК
IКН
IБ3
IБ2
PT
IКО
IБ1
EК
UКЭО
URК
UКЭ
Рис. 48. Выходные статические характеристики
Две точки для построения прямой находятся из начальных условий. IК при UКЭ = 0 называется током коллектора насыщения.
Выходная динамическая характеристика получила название нагрузочной прямой. По нагрузочной прямой можно построить вход46
ную динамическую характеристику. Но поскольку она очень близка к входной статической характеристике при UКЭ>0, то на практике пользуются входной статической характеристикой.
Точка пересечения нагрузочной прямой с одной из ветвей выходной статической характеристики для заданного тока базы называется рабочей точкой транзистора. Рабочая точка позволяет определять токи и напряжения, реально существующие в схеме.
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. Он увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10 °C. Все это влияет на характеристики транзистора и положение рабочей точки. Ток
коллектора увеличивается, а напряжение UКЭ уменьшается, что
равносильно открыванию транзистора.
Вывод: схемы включения транзисторов с общим эмиттером требуют температурной стабилизации.
Частотное свойство транзисторов
Диапазон рабочих частот транзистора определяется двумя факторами:
− наличие барьерных емкостей на p-n-переходах. Коллекторная
емкость влияет значительно сильнее, так как она подключается параллельно Rн;
− ток коллектора отстает от тока эмиттера на время, требуемое
для преодоления базы носителями заряда.
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
β=
β0
æ f ö2
1 + çç ÷÷÷
çè fãð ÷ø
,
где β0 – коэффициент усиления на постоянном токе; f – частота, на
которой определяется коэффициент усиления β.
47
1.10. Полевые транзисторы
Основные понятия
Определение. Униполярный (полевой) транзистор – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока.
Оба названия транзистора отражают его особенности: прохождение тока в канале обусловлено одним типом зарядов – униполярный; управление током канала осуществляется электрическим полем – полевой.
Определение. Электроды, подключенные к каналу, называются
стоком и истоком, а металлический (управляющий) электрод, создающий эффект поля, – затвором. Истоком служит тот электрод,
из которого в канал поступают основные носители заряда, стоком
– тот, через который эти носители уходят из канала.
Напряжение управления, которое создает поле в канале, прикладывается между затвором и истоком (UЗИ). В зависимости от выполнения затвора униполярные транзисторы делятся на две группы:
− с управляющим p-n-переходом;
− с изолированным затвором (или МДП-транзистор).
Функциональное назначение полевого транзистора такое же,
что и биполярного. Различают три схемы включения полевого
транзистора:
− с общим истоком (ОИ);
− общим стоком (ОС);
− общим затвором (ОЗ).
Наиболее распространены схемы включения транзистора с общим истоком.
Определение. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом –
полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n-переход.
Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом
приведена на рис. 49.
Слой с проводимостью n-типа называется каналом и он имеет
два вывода во внешнюю цепь: С – сток и И – исток. Слои с проводимостью p-типа, окружающие канал, соединены между собой, а
вывод во внешнюю цепь называется затвором З, который служит
для регулирования поперечного сечения канала.
48
а)
IЗ
ЕЗ
Канал n-типа
З
И
IИ
б)
p
И
Канал
С
И
З
RС
С
n
p
IС
UС
Канал p-типа
ЕС
С
З
И
Рис. 49. Устройство полевого транзистор с управляющим р-n-переходом
(а) и его схематическое изображение (б)
В транзисторе с каналом n-типа носителями заряда являются
электроны, которые движутся вдоль канала от истока к стоку, образуя ток стока IС. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-n-переход, образованный n-областью канала
и р-областью затвора. Напряжение, приложенное между стоком
и истоком, UСИ вызывает появление неравномерного обедненного
слоя, который увеличивается в направлении от истока к стоку, т. е.
сечение канала вблизи стока уменьшается. Если одновременно подать напряжения UСИ>0, а UЗИ<0, то толщина обедненного слоя, а
следовательно, и сечение канала будут определяться суммой этих
напряжений. Когда суммарное напряжение достигнет напряжения
запирания UÑÈ + UÇÈ = Uçàï , ширина канала уменьшится, а его
сопротивление возрастет. При определенном значении UЗИ, которое называется напряжением отсечки, ток стока практически не
протекает.
Определение. Напряжением отсечки называется значение напряжения затвор – исток, при котором ток стока практически равен 0.
Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора
(рис. 50) имеют два участка: крутой и пологий.
Пологий участок используется при работе транзистора в усилительных устройствах, а крутой участок – при работе в ключевых
режимах. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом обеспечивает усиление по мощности, току и напряжению.
49
а)
IС , мА
б)
Режим обеднения
UЗИ = 0
UЗИ = –1 В
UЗИ = –2В
UЗИ = –3 В
UЗИ = –4 В
IС , мА
UЗИ, отс
UЗИ, В
UСИ , В
Рис. 50. Стоковые (а) и стоко-затворные (б)
характеристики полевого транзистора
Определение. Полевой транзистор с изолированным затвором –
транзистор, электрод затвора которого изолирован от полупроводникового канала слоем диэлектрика из двуокиси кремния SiO2.
Поэтому наряду с термином МДП-транзистор (металл – диэлектрик – полупроводник) используется термин, отражающий его
структуру: МОП-транзистор (металл – окисел – полупроводник).
Электроды стока (С) и истока (И) располагаются по обе стороны затвора и имеют контакт с полупроводниковым каналом
(рис. 51, а). Подложка (П) соединяется с истоком внутри прибора
или по внешней цепи.
а)
EЗИ
SiO2
И
UЗИ
б)
З
n
З
С
Канал n-типа
И
n
EСИ
в)
Канал p-типа
UСИ
П
З
p-n-переход
Рис. 51. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором
(а) и его схемное изображение: б – со встроенным каналом; в –
с индуцированным каналом
50
Полупроводниковый канал может быть обеднен или обогащен
носителями зарядов. При обедненном канале электрическое поле
затвора повышает его проводимость, и он называется индуцированным. Если канал обогащен носителями зарядов, то – встроенным, а электрическое поле затвора приводит к обеднению канала
носителями зарядов. Таким образом, полевые МДП-транзисторы
могут быть:
− с индуцированным каналом;
− с встроенным каналом.
МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа
С
UЗИ =1 В
UЗИ = 0,5 В
UЗИ = 0
UЗИ = –0,5 В
UЗИ = –1 В
Режим
обеднения
а) I
Режим
обогащения
Рассмотрим принцип действия МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа. Его стоковые (выходные) характеристики
IC = f (UÑÈ ) при UЗИ = const приведены на рис. 52, а. В отсутствии
управляющего напряжения UЗИ = 0 через канал между N-областями
протекает ток стока IС. С увеличением напряжения источника UСИ
р-n-переход между подложкой и каналом смещается в обратном направлении, приводя к преимущественному расширению двойного
электрического слоя вблизи стока и сужению канала, проводящего
ток. По мере роста UСИ увеличивается сопротивление канала, рост
тока стока IС замедляется (при полном перекрытии р-n-переходом
сечения канала ток стока практически не изменяется с ростом
UСИ). В этом режиме процессы аналогичны происходящим в полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом.
UС
б)
IС
Режим
обогащения
Режим
обеднения
UЗИотс
UЗИ
Рис. 52. Стоковые (а) и стоко-затворные (б) характеристики
МДП-транзистора со встроенным каналом
51
При приложении к затвору напряжения UЗИ>0 электрическое
поле притягивает электроны из подложки, которые скапливаются
в области канала, сопротивление канала снижается и ток стока IС
растет. Этот режим называется режимом обогащения. При UЗИ<0
на затворе электрическое поле выталкивает электроны из канала
в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток IС падает.
Этот режим носит название режим обеднения.
МДП-транзисторы с индуцированным каналом
В МДП-транзисторах с индуцированным каналом специальный
канал между областями стока и истока не создается и при напряжении UЗИ = 0 выходной ток отсутствует. Такой прибор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает
носители заряда, которые и создают проводящий канал между стоком и истоком. При напряжении на затворе, меньшем напряжения
отсечки, ток стока IС практически отсутствует.
Достоинство полевых транзисторов – технологичность при производстве интегральных микросхем, недостаток – невысокое быстродействие.
1.11. Тиристоры
Определение. Тиристором называется четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n-типов проводимости.
Тиристоры делятся на:
− тринисторы;
− динисторы;
− симисторы.
Динисторы
Определение. Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды.
Динистор представляет собой монокристалл полупроводника,
обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области
с различным типом проводимости (рис. 53, а). На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы (П1 и
П2) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, –
52
R
а)
б)
U
П1
p1
П2
n1
I
П3
p2
n2
A
К
Рис. 53. Структура динистора (а)
и его условное графическое обозначение (б)
эмиттерами; средний p-n-переход (П2) называется коллекторным.
Внутренние n1- и p2-области структуры называются базами. Область p1, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n2 – катодом (К).
Рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре при подаче
прямого напряжения, т. е. «+» на анод, «–» на катод. В этом случае крайние p-n-переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, средний переход П2 смещен в обратном направлении. Соответственно динистор можно представить в виде двухтранзисторной
структуры (рис. 54). Так как переходы П1 и П3 смещены в прямом
направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области p1, электроны из области n2. Эти носители заряда диффундируют в областях баз n1 и p2, приближаясь к коллекК
а)
б)
n2
К
VТ2
p2
p2
n1
n1
IК1
IК2
VТ1
P1
IА
A
A
Рис. 54. Структура (а) и схема двухтранзисторного
эквивалента динистора (б)
53
торному переходу, и перебрасываются его полем через переход П2.
Дырки, инжектированные из области p1, и электроны из области
n2 движутся через переход П2 в противоположных направлениях,
создавая общий ток I.
При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П2. Поэтому к переходам П1
и П3, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность
потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П2.
При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала изменяется незначительно. При дальнейшем увеличении напряжения,
по мере увеличения ширины перехода П2, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной
ионизации. При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами p-nперехода П2 ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p2, а электроны – в область n1.
Ток через переход П2 увеличивается, а его сопротивление и падение
напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1 и П3, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного
тока и токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П2 становится малым. Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения,
приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и
падение напряжения на нем становится незначительным. На вольтамперной характеристике этому процессу соответствует участок 2
с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 55). После переключения вольтамперная характеристика аналогична ветви
характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок
3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию динистора.
Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока Imax (см. рис. 54), при котором на приборе будет
небольшое напряжение Uоткр. Если уменьшать ток через прибор, то
при некотором значении тока, называемом удерживающим током
Iуд, ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е.
динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. Напряжение между анодом и катодом, при котором
происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют
напряжением включения Uвкл.
54
IA
Imax
3
I уд
2
Iвкл
Uоткр
1
Uуд
Uвкл UAK
Рис. 55. Вольтамперная характеристика динистора
При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный
переход П2 смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы – в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток.
Тринисторы
Определение. Тринисторы – это управляемые переключательные диоды.
Триодный тиристор (тринистор) отличается от динистора наличием вывода от одной из баз. Этот вывод называется управляющим
электродом (рис. 56).
Если подключить внешний источник Uвн так, как показано на
рис. 56, то получим, что p-n-переходы П1 и П3 будут смещены внешним источником в прямом направлении, а средний p-n-переход П2
будет смещен в обратном направлении, и во внешней цепи будет
протекать только исчезающе маленький обратный ток коллекторного перехода П2. Подключим другой внешний источник UУ (источник управления) между катодом и управляющим электродом
(УЭ). Тогда ток управления, протекающий под действием источника управления, при определенной своей величине может привести
к лавинообразному нарастанию тока в полупроводниковой структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором R в цепи источника питания Uвн. Произойдет процесс включения тиристора.
55
УЭ
UУ
К
n1
p1
n2
П1
П2
A
p2
R
П3
Uвк
Рис. 56. Структура тиристора
Для рассмотрения этого явления представим тиристор в виде двух,
объединенных в одну схему транзисторов VT1 и VT2 (рис. 57, а),
типа p-n-p и n-p-n, соответственно. Оба транзистора включены по
схеме с общим эмиттером (рис. 57, б).
При создании разности потенциалов между анодом (А) и катодом
(К) в прямом направлении («+» на аноде, «-» на катоде) оба транзистора будут закрыты, так как базовые токи их будут отсутствовать.
A
а)
VТ1
б)
IA
p1
A
VТ1
n2
n1
p2
p1
УЭ
n2
VТ2
IК1
IК2
IУ
VТ2
К
IК
К
Рис. 57. Структура (а) и схема двухтранзисторного
эквивалента тиристора (б)
56
При подключении источника управления UУ во входной цепи транзистора VT2 потечет базовый ток, являющийся током управления
тиристора IУ. Под действием этого тока в коллекторной цепи транзистора VT2 потечет ток IК2 = β2IУ, где β2 – коэффициент передачи
по току транзистора VT2. Но этот ток IК2 протекает по цепи «эмиттер – база» транзистора VT1 и является его входным, базовым током IБ1 = IК2. Под воздействием тока IБ1 в выходной коллекторной
цепи транзистора VT1 потечет коллекторный ток:
IК1 = β1IБ1 = β1IК2 = β1β2IУ,
т. е. коллекторный ток IК1 является усиленным током управления
IУ, и протекает ток IК1 опять по базовой цепи транзистора VT2, там,
где протекает и ток IУ. Поскольку IК1 оказывается значительно
больше тока IУ, процесс взаимного усиления транзисторами токов
продолжается до тех пор, пока оба транзистора не войдут в режим
насыщения, что соответствует включению тиристора. Описанный
процесс является процессом внутренней положительной обратной
связи, под действием которой и происходит лавинообразное нарастание тока в цепи тиристора.
После того как тиристор включился, он сам себя поддерживает
в открытом состоянии, так как при условии IК2 > IУ внутренняя
обратная связь остается положительной, и в этом случае источник
управления уже оказывается ненужным. Это условие можно записать в виде
β1β2IУ > IУ.
Откуда условие включения тиристора
β1β2 > 1.
Для того чтобы выключить тиристор, необходимо прервать ток,
протекающий в его силовой цепи, на короткий промежуток времени, достаточный для рассасывания неосновных носителей в зонах
полупроводника и восстановления управляющих свойств. Чтобы
снова включить тиристор, необходимо снова пропустить в его цепи
управления ток IУ, чтобы снова запустить процесс внутренней положительной обратной связи. Таким образом, тиристор представляет собой бесконтактный ключ, который может быть только в двух
устойчивых состояниях: либо в выключенном, либо во включенном.
Вольтамперная характеристика тиристора представлена на
рис. 58. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение
включения Uвкл. Ток управления, при котором тиристор перехо57
дит на спрямленный участок вольтамперной характеристики (показано на рис. 58 пунктиром), называют током управления спрямления Iупр.спр.
При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения эмиттерные p-n-переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении, тиристор будет закрыт, а вольтамперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь вольтамперной
характеристики обыкновенного диода.
Таким образом, тиристор представляет собой частично управляемый вентиль, который можно перевести в проводящее состояние
при наличии одновременно двух факторов: положительный потенциал анода относительно катода; подача управляющего сигнала
в виде тока управления в цепи управляющего электрода. Если хотя
бы один из этих факторов отсутствует, то тиристор будет оставаться
в закрытом состоянии.
Частичная управляемость тиристора заключается в том, что после включения тиристора цепь управления становится ненужной,
так как он сам себя поддерживает во включенном состоянии. Выключить обычный тиристор по цепи управления невозможно. Для
запирания тиристора необходимо каким-либо способом снизить
анодный ток до нуля и удерживать его на нулевом уровне в течение
времени рассасывания неосновных носителей, накопившихся в базах транзисторов VT1 и VT2.
IA
IA=Iупр.спр
Iупр2 >Iупр3
Iупр2 >0
Iупр1 = 0
Uобр.проб
0
Uвкл3
Uвкл2
Uвкл1
UAК
Рис. 58. Вольтамперная характеристика тринистора
58
а)
б)
Рис. 59. Условные обозначения незапираемых тринисторов
с управлением по аноду (а), с управлением по катоду (б)
На электрических принципиальных схемах незапираемые тиристоры обозначаются условными графическими обозначениями,
представленными на рис. 59.
Симисторы
Определение. Симисторы – это симметричные тиристоры, т. е.
тиристоры с симметричной ВАХ.
Если подать положительное напряжение на области p1, n1, а
отрицательное – на области p2, n3, то переход П1 закрывается, 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
Eвн1
П4
n3
р2
n2
р1
n1
П1
П2
П3
Рис. 60. Структура симистора
59
I
U
Рис. 61. Вольтамперная характеристика симистора
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 (рис. 60). В результате будет получаться структура в прямом включении, но при обратном напряжении.
ВАХ будет иметь вид, изображенный на рис. 61.
60
Раздел 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Большинство электронных управляющих, измерительных,
вычислительных и других устройств питаются напряжением постоянного тока. Сетевое напряжение переменное, с частотой 50 Гц
одно- или трехфазное. Поэтому практически каждый электронный
прибор снабжен автономным преобразователем напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.
В общем случае преобразователь напряжения может содержать
трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор постоянного напряжения. Основным узлом преобразователя
является выпрямитель.
2.1. Выпрямители
Определение. Выпрямитель – устройство для преобразования
переменного тока (напряжения) в постоянный.
Основным элементом выпрямителя является нелинейный элемент (вентиль). В качестве нелинейного элемента используют
управляемые вентили (тиристоры) или неуправляемые (диоды).
В зависимости от характера нагрузки определяют выходные параметры выпрямителя:
− значение выпрямленного напряжения или тока;
− амплитуду и частоту 1-й гармоники выходного тока;
− коэффициент пульсаций;
− выходное сопротивление;
− нагрузочную характеристику.
Выпрямители классифицируют по следующим признакам.
По виду переключателя выпрямляемого тока:
− механические синхронные с щеточноколлекторным коммутатором тока (применяются в коллекторных генераторах постоянного
тока, в механических выпрямителях при производстве алюминия);
− механические синхронные с контактным переключателем
(выпрямителем) тока;
− с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);
− с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные).
По мощности:
− силовые выпрямители (в силовой электронике, в энергетике);
− выпрямители сигналов (в радиоэлектронике и автоматике).
61
По степени использования полупериодов переменного напряжения:
− однополупериодные – пропускают в нагрузку только одну полуволну. Преимущество – минимум вентильных элементов. Недостаток – нагрузка трансформатора существенно зависит от фазы,
из-за чего возникают дополнительные гармоники на выводах
трансформатора;
− двухполупериодные – пропускают в нагрузку обе полуволны;
− неполноволновые – не полностью используют синусоидальные
полуволны;
− полноволновые – полностью используют синусоидальные полуволны.
По схеме выпрямления: мостовые, с умножением напряжения,
трансформаторные, с гальванической развязкой, безтрансформаторные и т. д.
По количеству используемых фаз: однофазные, двухфазные,
трехфазные и многофазные.
По типу электронного вентиля: полупроводниковые диодные,
полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и т. д.
По управляемости: неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные).
По величине выпрямленного напряжения: низкого напряжения
или высокого.
По назначению: сварочный, для питания микроэлектронной
схемы, для питания ламповых анодных цепей и пр.
По степени полноты мостов: полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые.
По способу соединения: параллельные, последовательные, параллельнопоследовательные.
По способу объединения: раздельные, объединенные звездами,
объединенные кольцами.
По частоте выпрямляемого тока: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.
Неуправляемые выпрямители
Для построения неуправляемых выпрямителей применяют полупроводниковые диоды, а для построения управляемых – тиристоры. Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 62, а. На рис. 62, б приведены соответствующие этой
схеме эпюры напряжения и тока.
62
В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения
u(t) = Um sin ωt, выпрямительный диод и нагрузка Rí . При анализе работы схемы будем полагать, что сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечности. При
таких допущениях через нагрузку протекает несинусоидальный
периодический ток в виде полуволн синусоиды:
ìï Um
ï
sin ωt, ïðè Uâõ > 0
i(t) = ïí R
ïï
îï0, ïðè Uâõ £ 0.
Этот ток создает на сопротивлении Rн падение напряжения
в виде периодических пульсаций. С учетом принятых допущений
амплитудное значение пульсаций равно амплитудному значению
входного напряжения (рис. 62, в). Во время отрицательного полупериода входного напряжения все напряжение источника падает
на бесконечно большом сопротивлении диода. Такое падение напряжения называют обратным напряжением диода, а выпрямитель – однополупериодным.
Рис. 62, б наглядно показывает, что период пульсаций выпрямленного напряжения T равен периоду входного напряжения. Значит и частота пульсаций Fп равна частоте входного напряжения f,
а кратность пульсаций:
m=
Fï
= 1.
f
б) U
вх
а)
t
D
Rн
в) U
R
Um
U0
T
U
t
Um обр
Рис. 62. Схема диодного выпрямителя (а) и соответствующие эпюры (б)
63
Определим интегральные параметры выпрямленного напряжения. Можно показать, что среднее значение тока
1
I0 =
T
T /2
ò
i(t)dt =
0
Im
@ 0,32Im ;
p
напряжения
U0 = 0,32Um .
Действующее значение выпрямленного тока
I=
1
T
T /2
I
2
ò [i(t)] dt = 2m ,
0
а напряжения, соответственно:
U=
Um
.
2
Для оценки качества выпрямленного напряжения применяют
специальный параметр – коэффициент пульсаций Kп. Для однополупериодной схемы выпрямителя
Kï =
Um p
» 1,57.
2Um
Таким образом, рассмотренная схема однополупериодного выпрямителя позволяет получить малые значения среднего и действующего токов и напряжений и обладает большим значением
пульсаций – Kп = 1,57.
Недостатки однополупериодного выпрямителя:
− большой коэффициент пульсаций;
− малые значения выпрямленного тока и напряжения;
− низкий КПД, так как ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.
Значительно лучшими параметрами обладает схема двухполупериодного выпрямителя, разработанная в 1901 г. академиком
Миткевичем (рис. 63). В состав схемы входят: источник синусоидального напряжения, трансформатор с выводом от средней точки
вторичной обмотки, два диода и сопротивление нагрузки Rн. Сопротивление нагрузки включено между катодами диодов и средней
точкой вторичной обмотки.
64
а)
1
б)
D1 i
1
Uвх
Um
Тр
Rн
T
в) U
R
D2
1¢
Um
T/2
U0
U
Рис. 63. Схема двухполупериодного выпрямителя (а)
и соответствующие эпюры (б)
На интервале времени от 0 до Т/2 (рис. 63, б) полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора такая, как показано
на рис. 63, а. К диоду D1 приложено прямое напряжение, а к диоду
D2 – обратное. В цепи вторичной обмотки потечет ток i1 от точки 1,
через диод D1, сопротивление Rн к средней точке вторичной обмотки. Этот ток создаст падение напряжения (пульсацию) на интервале положительного полупериода входного напряжения.
На интервале от Т/2 до Т (отрицательный полупериод) полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную. Теперь к диоду D2 приложено прямое
напряжение, а к диоду D1 – обратное. В цепи вторичной обмотки
потечет ток i2 от точки 1′, через диод D2, сопротивление Rн к средней точке вторичной обмотки. Направление тока через Rн осталось
таким же и во время положительного полупериода. Поэтому этот
ток создаст падение напряжения (пульсацию) на интервале отрицательного полупериода. Именно поэтому рассматриваемый выпрямитель часто называют двухполупериодным.
Рис. 63, в наглядно показывает, что период пульсаций выпрямленного напряжения Тп в два раза меньше периода входного напряжения. Следовательно:
Tï =
2
I0 =
T
F
Ò
; Fï = 2f; m = ï = 2;
2
f
T /2
ò
0
i(t)dt =
2Im
= 0,64Im ;
p
65
U0 =
I=
2
T
2Um
;
p
T /2
I
2
ò [i(t)] dt = m2 = 0,707Im ;
0
U=
Kï =
Um
2
;
Um1
= 0,67,
U0
где Um1 = 0,42Um .
Выражения показывают, что схема Миткевича имеет значительно лучшие параметры, чем однополупериодный выпрямитель.
Однако применение трансформатора с выводом от средней точки
вторичной обмотки не всегда приемлемо.
Свободна от этого недостатка схема мостового выпрямителя
(рис. 64). Схема включает в свой состав источник напряжения u(t),
четыре диода и сопротивление нагрузки Rн, которое включено в диагональ моста.
Пусть во время положительного полупериода входного напряжения полярность контактов 1–1′ такая, как показано на рис. 64.
В этом случае к диодам D1 и D4 приложено прямое напряжение, а
к диодам D2 и D3 – обратное. В цепи выпрямителя потечет ток i1
от контакта 1, через диод D1, сопротивление нагрузки Rн, диод D4
D2
D1
1
1′
+
-
i1
Rн
D3
i2
Рис. 64. Схема мостового выпрямителя
66
D4
к контакту 1′. Этот ток создаст на сопротивлении нагрузки падение
напряжения (пульсацию) на интервале положительного полупериода входного напряжения.
Во время отрицательного полупериода входного напряжения
полярность контакта 1–1′ меняется на противоположную. Теперь
напряжение приложено к диодам D2 и D3, а обратное – к диодам
D1 и D4. В цепи выпрямителя потечет ток i2 от контакта 1′ через
диод D3, сопротивление нагрузки Rн, диод D2 к контакту 1. Видим,
что направление тока через сопротивление Rн не изменилось. Значит форма напряжения на сопротивлении Rн такая, как на рис. 63,
в, а параметры мостового выпрямителя такие же, как параметры
схемы Миткевича. Однако в силу компактности именно мостовая
схема получила широкое распространение.
Сопоставление параметров одно- и двухполупериодных выпрямителей позволяет установить связь между значениями кратности
пульсаций m и коэффициента пульсаций Kп. Так для однополупериодного выпрямителя m = 1, а Kп = 1,57. Для увеличения среднего значения выпрямленного напряжения U0 (а значит, для уменьшения Kп) нужно увеличивать кратность пульсаций m. Значение
m>2 можно получить в многофазных выпрямителях.
Управляемые выпрямители
Изменение выпрямленного напряжения может осуществляться как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока.
Регулирование выпрямленного напряжения с помощью управляемых полупроводниковых вентилей-тиристоров применяется в настоящее время весьма широко, успешно конкурируя с выпрямителями на тиратронах вследствие ряда преимуществ тиристоров
перед тиратронами.
Регулирование выпрямленного напряжения тиристором осуществляется изменением его угла открытия.
На рис. 65, а показан простейший однофазный однополупериодный выпрямитель, аналогичный тому, который изображен на
рис. 62. Однако здесь полупроводниковый диод заменен тиристором.
Так же, как и диод, тиристор не проводит ток в отрицательную
полуволну питающего напряжения (изображена пунктиром на рис.
65, б). Но и в положительную полуволну тиристор открывает цепь
тока не сразу, а только после того, как на управляющий электрод
будет подан импульс напряжения. В этот момент тиристор открывается и в цепи появляется ток. Сопротивление тиристора резко
67
а)
УЗ
uy
б) u
К
А
u
t
Rн
uy
∆t
∆t
t
Рис. 65. Схема управляемого однофазного
однополупериодного выпрямителя (а) и соответствующие эпюры (б)
уменьшается, и все напряжение питания оказывается приложенным к нагрузке.
Естественно, что после этого тиристор теряет управление и закрывается только после того, как анодное напряжение снизится до
нуля. В отрицательную полуволну тиристор не работает. В следующий положительный полупериод опять необходимо подать управляющий импульс, который открывает тиристор, и т. д.
Процесс повторяется каждый период переменного тока.
В результате напряжение на нагрузке будет состоять из кусочков синусоиды, повторяющихся с частотой сети.
График этого напряжения заштрихован на рис. 65, б. На этом
же рисунке обозначено среднее значение выпрямленного напряжения, которое пропорционально заштрихованной площади. Внизу, под графиком напряжения на нагрузке, показаны импульсы
управляющего напряжения. Видно, что они смещены относительно начала положительной полуволны питающего напряжения.
Для того чтобы регулировать величину среднего выпрямленного
напряжения, достаточно просто смещать управляющие импульсы
во времени.
Выпрямитель, показанный на рис. 65, весьма примитивен. Он
имеет большую пульсацию выпрямленного напряжения и редко
применяется. Однако по этому же принципу выполняют и более
сложные и совершенные многофазные управляющие выпрямители.
На рис. 66 показана принципиальная схема симметричного
управляемого выпрямителя.
Рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений управляемого выпрямителя (рис. 67).
68
VS1
Tp
VS3
Lн
S
IL
U1
U2
Udα
Rн
VS2
VS4
Рис. 66. Схема симметричного управляемого выпрямителя
На интервале времени [0; p ] к тиристорам VS1 и VS4 приложено
прямое положительное напряжение. В момент времени α1 на управляющий электрод этих тиристоров подается импульс управления.
Тиристоры открываются и напряжение U2 передается в нагрузку.
При работе на активную нагрузку в момент p (из-за снижения анодного тока ниже тока удержания) происходит запирание тиристоров
VS1 и VS4. На интервале [p; p+α2] в нагрузке напряжение равно
нулю, так как происходит задержка подачи управлющего импульса на угол α2.
U2
π+ α2
0
2π
3π
2π + α3
α1
4π
π+ α 4
ωt
I
Udα
IL
ωt
Рис. 67. Временные диаграммы токов и напряжений
симметричного управляемого выпрямителя
69
При работе на индуктивную нагрузку (ключ S разомкнут) на
интервале [p; p +α2] отрицательное напряжение U2 передается
в нагрузку. Ток в цепи выпрямителя (IL) имеет положительное
значение и тиристоры VS1, VS4 остаются в открытом состоянии;
тиристоры VS2, VS3 не открылись, так как на них не поступили
управляющие импульсы. На этом интервале происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в источник U1. Этот режим называется инверторным режимом работы выпрямителя. Появление
отрицательного «выброса» напряжения в составе выпрямленного
напряжения снижает его уровень. Для исключения этого явления
используют обратный диод, включенный параллельно нагрузке,
или переходят к несимметричной схеме выпрямления.
2.2. Сглаживающие фильтры
Анализ работы рассмотренных схем выпрямителей показал, что
напряжение на их выходе не постоянное, а пульсирующее. Применять такое напряжение непосредственно для питания электронных
устройств нельзя. Существенно снизить уровень пульсаций позволяют сглаживающие фильтры. В основу их построения положено
применение реактивных элементов – индуктивностей и емкостей.
Пульсирующее напряжение на выходе выпрямителей всегда
описывается периодической функцией. Разложение такой функции в ряд Фурье содержит постоянную составляющую (среднее
значение выпрямленного напряжения) и совокупность гармоник.
Идеальный сглаживающий фильтр должен беспрепятственно пропускать в нагрузку постоянную составляющую и не пропускать
гармоники пульсаций. Для решения этой задачи и используются
свойства реактивных элементов – емкости и индуктивности.
Физическая сущность работы в фильтре конденсатора и дросселя состоит в том, что конденсатор и дроссель накапливают энергию,
когда ток в цепи нагрузки превышает среднее значение, и отдают ее,
когда ток стремится уменьшиться ниже среднего значения, что и
приводит к сглаживанию пульсаций выпрямленного напряжения.
Известно, что сопротивление индуктивности XL = ωL прямо
пропорционально частоте. Это значит, что для постоянной составляющей сопротивление идеальной индуктивности равно нулю,
а для гармоник оно тем больше, чем выше номер гармоники. Поэтому индуктивность полезно включать последовательно нагрузке
(рис. 68, а).
70
L
а)
в) L1
б)
C
Rн
Rн
L2
C
Rн
Рис. 68. Схемы сглаживающих фильтров: а – индуктивно-резистивный;
б – резистивно-емкостной; в – комбинированный
Сопротивление емкости XC = 1/ ωC обратно пропорционально
частоте. Для постоянной составляющей это сопротивление бесконечно велико, а для гармоник – мало; тем меньше, чем выше номер
гармоники. Поэтому емкость полезно включать параллельно нагрузке (рис. 68, б). Для повышения качества фильтрации применяются комбинированные LC-фильтры, например, как на рис. 68, в.
Рассмотрим принцип работы простейшего емкостного фильтра,
сглаживающего пульсации однополупериодного выпрямителя
(рис. 69, а).
Собственно выпрямитель (диод D и сопротивление Rн) формирует пульсации напряжения с периодом Т и амплитудным значением
Um (пунктир на рис. 68, б).
Так как сопротивление емкости переменному току значительно
меньше сопротивления нагрузки XÑô  Rí , то прямой ток диода
на интервале пульсации протекает через конденсатор Сф, заряжая
его до напряжения, близкого к Um. При уменьшении напряжения
пульсации диод закрывается. Его сопротивление становится значительно больше Rн. Поэтому емкость Сф начинает разряжаться
а)
D
б)
Cф
+ +
- -
UR
н
Um
Rн
2∆U
U0
t
T
Рис. 69. Схема емкостного сглаживающего фильтра (а)
и соответствующие эпюры (б)
71
через Rн, а напряжение на ее обкладках уменьшается по экспоненциальному закону:
æ t ö÷
UCô (t) = URí = Um expççç- ÷÷÷,
çè τô ø÷
где τô = Cô Rí [C] – постоянная фильтра. В конце периода пульсаций, когда t = T:
æ T ÷ö
UCô (t) = Um expççç- ÷÷÷.
çè τô ÷ø
Очевидно, что чем больше tф, тем меньше напряжение UCф(Т)
будет отличаться от амплитудного – Um. Реальные фильтры имеют
τô ³ 100 Ò. При этом уменьшение выходного напряжения 2∆U за
время одного периода равно разности:
é
æ T ÷öù
ç
2ΔU = Um - UÑô (T) = Um êê1 - expçç- ÷÷÷úú .
êë
èç τô ø÷úû
При малом значении показателя экспоненты разность:
é
æ
öù
ê1 - expçç- T ÷÷ú » T ,
ê
ç τ ÷÷÷ú τ
êë
èç ô øúû
ô
поэтому
2ΔU = Um
T
.
τô
Теперь среднее значение выпрямленного напряжения определим как разность Um - ΔU, т. е.:
æ
T ö÷÷
U0 = Um - ΔU = Um ççç1 ÷.
2τô ÷ø÷
çè
Таким образом, рис. 69, б и полученные выражения показывают, что величина пульсаций выпрямленного напряжения уменьшилась до значения 2∆U. Частота пульсаций осталась прежней;
Fï = 1/ T. Поэтому огибающая выходного напряжения теперь совпадает максимумами с первой гармоникой пульсаций. Значит,
Um1 = ΔU. Поэтому коэффициент пульсаций
72
Kï =
Um1
U0
=
ΔU
=
U0
T
T
»
.
æ
ö
T ÷÷ 2τô
ç
ç
2τô ç1 ÷
çè
2τô ÷ø÷
Легко видеть, что подбором Сф можно обеспечить требуемое значение коэффициента пульсаций, а значит, и качество выпрямленного напряжения. В заключение отметим, что емкостной сглаживающий фильтр эффективен в сочетании с высокоомной нагрузкой
Rн. При низкоомной нагрузке необходимо применять комбинированные фильтры.
2.3. Стабилизаторы напряжения
В измерительных устройствах, в устройствах автоматики и радиотехнических схемах часто необходимо стабилизировать величины
напряжения или тока, т. е. выполнять их независимыми от колебаний питающего напряжения или колебаний сопротивления нагрузки. Для этой цели применяют стабилизаторы напряжения и тока.
Определение. Стабилизатор напряжения – устройство, поддерживающее постоянное значение напряжения на нагрузке с заданной точностью при изменении питающего напряжения в определенных пределах.
Определение. Стабилизатор тока – устройство, обеспечивающее
постоянное значение тока в нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки или напряжения сети в определенных пределах.
Когда сопротивление нагрузки постоянно, стабилизация тока
приводит также и к стабилизации напряжения.
Качество работы стабилизатора оценивается величиной коэффициента стабилизации, представляющего собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному
изменению напряжения (тока) на выходе стабилизатора. Коэффициент стабилизации по напряжению
KU =
ΔUâõ / Uâõ.íîì
,
ΔUâûõ / Uâûõ.íîì
где ΔUâõ = Uâõ max - Uâõ min ; ΔUâûõ = Uâûõ max - Uâûõ min.
73
Коэффициент стабилизации по току
KI =
ΔUâõ / Uâõ.íîì
,
ΔIíàãð / Iíàãð.íîì
где ΔIíàãð = Iíàãð max - Iíàãð min .
Для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока между выпрямителем с фильтром и нагрузкой (потребителем) ставят стабилизаторы постоянного напряжения. Выходное
напряжение стабилизатора зависит как от входного напряжения
стабилизатора, так и от тока нагрузки (выходного тока):
Uвых = f(Uвх, Iвых).
По принципу работы стабилизаторы делятся на два вида:
− параметрические;
− компенсационные – стабилизаторы, работающие по отклонению.
Суть параметрического метода в том, что для стабильного напряжения используется свойство нелинейных сопротивлений изменять свою величину в зависимости от протекающего через них
тока или приложенного напряжения. Примером таких сопротивлений служат стабилитроны, конденсаторы с сегнетодиэлектриком,
трансформаторы с насыщенным магнитопроводом.
Параметрический стабилизатор основан на использовании
элемента с нелинейной характеристикой (рис. 70, б) – полупроводникового стабилитрона. Напряжение стабилитрона на участке обратимого электрического пробоя почти постоянно при значительном изменении обратного тока через прибор. Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 70, а.
Входное напряжение стабилизатора должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона Uст. Для ограничения тока
через стабилитрон устанавливается балластный резистор Rб. Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Часть входного
напряжения Uвх теряется на резисторе Rб, оставшаяся часть приложена к нагрузке:
Uвх = ( Iст+ Iвых) Rб + Uвых.
При увеличении Uвх растет ток Iст, увеличивается падение напряжения на Rб, а Uвых = Uст. При увеличении сопротивления
нагрузки Rн уменьшается ток нагрузки, растет ток через стабилитрон, а падения напряжения на Rб и на нагрузке неизменны. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопро74
а)
б) Uвх
Rб
1
Uвх
Iст
R
Uвых
2
I1
I2
Iвых
Рис. 70. Схема параметрического стабилизатора (а) и характеристика
полупроводникового стабилитрона (б)
тивление переменному току rст = ΔUст /ΔIст – параметр прибора.
Тогда имеем, что
Kñò =
Rá Uâûõ
×
rñò Uâõ
R
= rñò Rá » rñò .
и âûõ
Последние выражения показывают, что параметры стабилизатора определяются параметрами стабилитрона. Обычно для параметрических стабилизаторов Kст не более 20–40, а Rвых – от нескольких Ом до сотен Ом.
Когда такие показатели оказываются недостаточными, применяют компенсационные стабилизаторы – вид стабилизатора,
представляющий собой систему автоматического регулирования
выходного напряжения, работающую по принципу отклонения.
Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает
по иному принципу, нежели параметрический. Принцип действия
КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Рассмотрим структурную схему
типичного КСН последовательного типа (рис. 71).
На рисунке:
РЭ – это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего
используется транзистор ( биполярный или полевой);
СУ – схема управления – собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его
задача – усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ;
Д – делитель напряжения;
ИОН – источник опорного напряжения.
В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так на75
Вход
Выход
РЭ
Д
СУ
ИОН
Рис. 71. Компенсационный стабилизатор напряжения
последовательного типа
зываемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется – последовательная.
Итак, источник опорного напряжения задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на
вход схемы управления. В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ вырабатывается сигнал управления РЭ. Сопротивление РЭ меняется в ту или иную сторону. Если
напряжение на входе увеличилось, то, естественно, увеличение
передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на
схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение
с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление.
В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме
того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо
сглаживает их.
Функции РЭ выполняет транзистор VT1 (рис. 72). ИОН образован резистором R1 и стабилитроном VD1. Напряжение на эмиттере задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода
изменяется и напряжение на нагрузке остается постоянным. Делитель, соответственно, состоит из резисторов R2–R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает
для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение
с делителя. Если изменяется выходное напряжение, то изменяется
и напряжение на базе транзистора VT2. С помощью резистора R3
можно регулировать выходное напряжение.
76
VТ1
VD2
VТ2
R2
R3
Uвх
R1
R4
Рис. 72. Принципиальная схема компенсационного
стабилизатора напряжения
В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки
(не больше 0,1–0,2 А) используются одиночные транзисторы. При
больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.
Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ).
При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2
закрываются. Такая защита от КЗ является кратковременной.
2.4. Усилители
Определение. Усилители в электронике – это устройства, предназначенные для усиления напряжения или мощности сигнала до
уровня, который требуется для нормальной работы подключенного
к усилителю устройства: следующего каскада усилителя, громкоговорителя, записывающей головки и т. п.
Классификация усилителей может быть проведена по следующим признакам:
− характер входного сигнала;
− назначение;
77
− режим работы нелинейного активного элемента;
− тип активного элемента;
− полоса усиливаемых частот.
1. По характеру усиливаемых сигналов различают:
− усилители непрерывных сигналов. Здесь пренебрегают процессами установления. Основная характеристика – частотная передаточная;
− усилители импульсных сигналов. Входной сигнал изменяется
настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются
определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя.
2. По назначению усилители делятся на:
− усилители напряжения;
− усилители тока;
− усилители мощности.
Все они усиливают мощность входного сигнала. Однако собственно усилители мощности должны и способны отдать в нагрузку заданную мощность при высоком коэффициенте полезного действия.
3. С точки зрения выбора режима работы активного элемента
различают:
− режим слабого сигнала. Нелинейный активный элемент работает в квазилинейном режиме. Применяется в усилителях напряжения или тока;
− режим большого сигнала. Применяется в усилителях мощности.
4. По типу используемых активных элементов усилители делятся на:
− ламповые;
− транзисторные;
− диодные;
− параметрические;
− СВЧ-усилители, работающие с помощью специальных СВЧприборов и др.
5. В зависимости от вида частотной передаточной характеристики усилителя и абсолютных значений полосы частот различают:
− усилители постоянного тока (УПТ). Такое название обусловлено тем, что они способны усиливать очень медленные изменения сигналов (в том числе постоянные), т. е. рабочая полоса частот
начинается от нулевой частоты до некоторой верхней граничной
частоты. Величина верхней граничной частоты fв зависит от вида
усиливаемых сигналов. Так, если УПТ используется в канале изо78
K
K0
fв– fн
K0
2f0
≈1
2
fн
f0
f
fв
Рис. 73. Амплитудно-частотная характеристика УНЧ
K
K0
K0
2
f0
f
2∆f0,7
Рис. 74. Амплитудно-частотная характеристика
усилителей радиочастоты
бражения телевизионной системы, то fв составляет 6–6,5 МГц, т. е.
УПТ – это, как правило, широкополосный усилитель;
− усилители низкой частоты (усилители звуковой частоты). Название условное, оно подчеркивает, что нижняя граничная частота
лежит в области низких частот, значительно ниже верхней граничной частоты. Само значение верхней граничной частоты может
быть разным: от единиц-десятков КГц до сотен МГц. АЧХ таких
усилителей имеет вид, показанный на рис. 73;
− усилители радиочастоты (полосовые усилители, усилители
высокой частоты, избирательные усилители). АЧХ таких усилителей имеет вид, показанный на рис. 74.
Полоса частот усилителя значительно меньше средней частоты:
f0
 1.
2Δf0,7
79
Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером
Простейший усилительный каскад по схеме с общим эмиттером
приведен на рис. 75. Пусть необходимо усилить сигнал источника
с внутренним сопротивлением Rвн и ЭДС EС. Пусть источником питания служит ЭДС ЕК.
Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор Rк. Конденсаторы С1 и С2 отделяют цепь постоянного тока
(цепь питания) от цепи источника сигнала и приемника с сопротивлением нагрузки Rн. Резисторы R1 и R2 составляют цепь делителя напряжения, назначение которого – установить постоянное
напряжение на базе транзистора по отношению к земле. Резистор
RЭ и конденсатор СЭ составляют цепь эмиттерной обратной связи.
Напряжение на эмиттерном переходе является разностью двух положительных напряжений: на резисторе R2 и резисторе RЭ:
UÁÝ = UR2 - URÝ .
Резисторы R2 и RЭ, необходимы для стабилизации положения
рабочей точки А при изменениях температуры окружающей среды,
которая влияет на параметры транзистора: увеличиваются токи
базы, эмиттера и коллектора. Ввод резистора RЭ в цепи эмиттера
приводит к увеличению на нем напряжения и одновременно к снижению напряжения UБЭ и тока базы. Таким образом, реализуется
Ек
R1
Rк
C2
iн
Цепь питания
IКп+ iк
IБп+ i Б
С1
VT
CЭ
Eс
Источник
сигнала
u вх
Rвн
R2
IЭп
Rэ
Rн
uвых = uн
ie
Нагрузка
Рис. 75. Усилительный каскад на биполярном транзисторе
по схеме включения с общим эмиттером
80
отрицательная обратная связь и стабилизация режима покоя. Блокировочный конденсатор СЭ устраняет быстрые изменения напряжения на резисторе RЭ.
Виды обратной связи
Определение. Обратной связью (ОС) 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
передается на вход.
Классификация ОС может быть произведена следующим образом.
1. По способу своего возникновения обратная связь может быть:
− внутренней;
− паразитной;
− искусственной.
Внутренняя ОС возникает за счет внутренних свойств элементов схемы. Паразитная ОС возникает за счет паразитных емкостей
и индуктивностей. Внутреннюю паразитную обратную связь стараются уменьшить. Искусственная ОС вводится специально для
улучшения основных характеристик усилителя.
2. По признаку петлевого усиления различают:
− положительную ОС (ПОС);
− отрицательную ОС (ООС).
При ПОС сигнал на вход усилителя через цепь ОС поступает
в фазе с 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.
3. В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается
к выходу усилителя, различают:
− ОС по току;
− ОС по напряжению.
4. В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается
к выходу усилителя, различают:
− параллельную ОС усилителя (рис. 76);
− последовательную ОС усилителя (рис. 77).
U
Здесь β=
âûõ ÎÑ – коэффициент передачи цепи ОС.
Uâõ ÎÑ
Рассмотрим влияние ООС на работу усилителя на примере последовательной ОС по напряжению (рис.78).
81
∼
Uвх
Rн
∼
Uвх
Rн
β
β
Рис. 76. Параллельная ОС
∼
Uвх
Рис. 77. Последовательная ОС
Uвх
Rн
U1
Uвых ОС
β
Uвых ОС
Рис. 78. Последовательная ОС в усилителе
Если в усилителе отсутствует обратная связь, то коэффициент
усиления
U
K = âûõ .
Uâõ
Коэффициент усиления усилителя с ОС
U
Uâûõ
KÎÑ = âûõ = .
U1
Uâûõ ÎÑ + Uâõ
Поскольку
U
U
âûõ ÎÑ = âûõ ÎÑ ,
β=
Uâõ ÎÑ
Uâûõ
то коэффициент усиления можно записать в виде
Uâûõ
Uâûõ / Uâõ
K
KÎÑ = = = .
Uâõ + βUâûõ 1 + βUâûõ / Uâõ
1 + βK
82
Величина 1 + βK называется глубиной отрицательной обратной
связи. Если обратная связь положительна, то глубина определяется как 1 - βK.
Выводы
1. ООС во всех случаях:
− уменьшает коэффициент усиления, повышает его стабильность;
− расширяет полосу пропускания;
− уменьшает нелинейные искажения.
2. Последовательная ООС увеличивает входное сопротивление, а
параллельная ООС уменьшает входное сопротивление независимо
от способа снятия сигнала ОС с выхода усилителя.
3. ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление усилителя, ООС по току увеличивает выходное сопротивление усилителя независимо от способа введения сигнала во входную цепь.
Режимы работы усилительного каскада
В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на
входных и выходных характеристиках, а также величины усиливаемого напряжения различают основные режимы работы усилительных каскадов (классов усиления): A, B, AB, С и D.
Режим A характеризуется выбором рабочей точки (рис. 79) на
линейном участке входной (в средней точке режима покоя выходной) характеристики транзистора. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения минимальны, т. е. ток в выходной цепи протекает в течение всего периода изменения входного
напряжения. Режим А применяют в маломощных каскадах (предварительных усилителях напряжения), но он имеет существенный
недостаток – КПД≤50%.
В режиме В рабочую точку выбирают в начале выходной характеристики транзистора, называемой точкой отсечки. В этом режиме переменные составляющие тока и напряжения усилительного
элемента возникают лишь в положительные полупериоды входного напряжения, т. е. нелинейные искажения очень большие. Для
усиления как положительной, так и отрицательной полуволны
входного сигнала применяются двухтактные усилители, которые
изготавливаются в виде интегральной схемы, что обеспечивает
идентичность параметров транзисторов. Класс В используется
в усилителях средней и большой мощности и характеризуется высоким КПД≈70%.
83
а) I
К
б) I
Б
ЕК/R
IК max
D
IБ max
А
А
IБ min
В
В
IК min
С
UБЭ
ЕК UКЭ
UКЭ min
UКЭ РТ
UБЭ РТ
UБЭ min
UКЭ max
UБЭ max
Рис. 79. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора
Режим АВ занимает промежуточное положение между А и В режимами и характеризуется тем, что ток в выходной цепи протекает
больше половины периода изменения входного напряжения. Используется при построении выходных каскадов усилителей мощности, так как имеет небольшие искажения выходного сигнала и
достаточно высокий КПД.
В режиме С рабочую точку выбирают за точкой отсечки, и ток
в усилительном элементе возникает в течение некоторой части положительного полупериода входного напряжения. Этот режим сопровождается большими искажениями усиливаемого напряжения,
и его применяют в избирательных усилителях (радиопередающих
устройствах), которые благодаря наличию колебательных контуров выделяют из несинусоидального напряжения лишь основную
гармонику, а КПД≈100%.
В режиме D усилительный элемент может находиться только
в состоянии «включено» (режим насыщения транзистора) или «выключено» (режим отсечки). Данный ключевой режим используется в устройствах, основным требованием которых является полу84
чение максимального КПД, т. е. устройствах с автономным питанием, рассчитанных на длительный режим работы.
Выходное напряжение усилителя, работающего в режиме D,
всегда имеет форму прямоугольного импульса.
2.5. Усилители постоянного тока
Определение. Усилителями постоянного тока называют такие
устройства, которые могут усиливать медленно изменяющиеся
электрические сигналы, т. е. они способны усиливать и переменные и постоянные, составляющие входного сигнала.
Усилители постоянного тока имеют много разновидностей (дифференциальные, операционные, усилители с преобразованием
входного сигнала и др.). Поскольку такие устройства пропускают
наряду с переменной составляющей еще и постоянную, то отдельные каскады должны быть связаны между собой либо непосредственно, либо через резисторы, но не через разделительные конденсаторы или трансформаторы, которые не пропускают постоянную
составляющую. Основную проблему усилителей постоянного тока
представляет дрейф нуля – отклонение напряжения на выходе усилителя от начального (нулевого) значения при отсутствии входного сигнала. Основная причина этого явления – температурная и
–EК
RК1
R1
RК2
Uвых1
R3
Uвых2
VТ1
VТ2
Uвых12
R2
R4
RЭ
Uвх1
Uвх2
Рис. 80. Схема дифференциального усилителя
85
временная нестабильность параметров активных элементов схемы
усилителя, резисторов, а также источников питания.
На рис. 80 представлена схема простейшего дифференциального
усилителя.
Сопротивления RК1 и RК2 выбирают равными, а транзисторы
VT1 и VT2 – идентичными. Тогда при отсутствии входного сигнала
Uвых12 также равно нулю. Температурное воздействие будет одинаковым на оба идентичных транзистора, поэтому, хотя их параметры и изменятся, но одинаково и в одну сторону, что не отразится на выходном сигнале, так как разность Uвых1 и Uвых2 останется
неизменной. Если на входы схемы Uвх1 и Uвх2 подать одинаковые
сигналы по величине и фазе, называемые синфазными, то токи обоих транзисторов будут изменяться на одинаковую величину, соответственно будут изменяться напряжения Uвых1 и Uвых2, а напряжение Uвых12 по прежнему будет сохраняться равным нулю. Если
на входы подать одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на
180° сигналы, называемые дифференциальными, то возрастание
тока в одном плече будет сопровождаться уменьшением тока в противоположном, вследствие чего появится напряжение на дифференциальном выходе Uвых12. Изменение температуры, паразитные
наводки, старение элементов и т. п.можно рассматривать как синфазные входные воздействия. Исходя из этого дифференциальный
каскад обладает очень высокой устойчивостью работы и малочувствителен к помехам.
Выводы
1. Дифференциальные усилители предназначены для усиления
сколь угодно медленно изменяющихся во времени сигналов, частотный диапазон которых начинается от 0 Гц.
2. Дифференциальный усилитель имеет следующие достоинства:
малый дрейф нуля; высокая степень подавления синфазных помех.
3. Недостатки дифференциального усилителя: требует двухполярного источника питания; необходима очень высокая симметрия
схемы.
2.6. Операционный усилитель
Определение. Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока, предназначенный для выполнения различного рода операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.
86
4
4
+U
+U
1
3
2
1
4
5
–U
5
3
2
3
2
–U
5
1
FC
+U
–U
FC
NC
NC
Рис. 81. Обозначение ОУ на принципиальных электрических схемах
Любой ОУ имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Варианты обозначения операционных
усилителей на принципиальных схемах представлены на рис. 81
(1 – инвертирующий вход, 2 – неинвертирующий вход, 3 – выход, 4
и 5 – выводы для подключения источника питания).
Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым
подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а
также вывод металлического корпуса (^) для соединения с общим
проводом устройства, в которое входит ОУ.
Для идеального ОУ справедливо:
− коэффициент усиления дифференциального сигнала K бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала;
− коэффициент усиления синфазного сигнала (напряжения общего для обоих входов) Kсинф равен нулю;
− сопротивление по обоим входам бесконечно велико;
− напряжение смещения равно нулю;
− скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика;
− дрейф (изменение во времени выходного напряжения) отсутствует.
Параметры реального ОУ несколько хуже. Однако в большинстве случаев для анализа схем на операционных усилителях можно
использовать оба правила, справедливые для идеального ОУ. Этот
подход и будет использоваться в дальнейшем. Знание реальных
значений параметров конкретного ОУ позволяет оценить погрешность схемы преобразования сигнала и решить вопрос о целесообразности использования данного ОУ в конкретной схеме.
Параметры и характеристики ОУ можно условно подразделить на:
− входные;
87
− выходные;
− характеристики передачи.
К входным параметрам относятся:
− напряжение смещения;
− средний входной ток;
− разность входных токов;
− входные сопротивления;
− коэффициент ослабления синфазного сигнала (синфазного напряжения);
− диапазон синфазных входных напряжений;
− температурный дрейф напряжения смещения;
− температурные дрейфы среднего входного тока и разности
входных токов;
− напряжение шумов, приведенное ко входу;
− коэффициент влияния нестабильности источника питания на
напряжение смещения.
Напряжение смещения Есм – дифференциальное входное напряжение, при котором выходное напряжение усилителя равно нулю.
Средний входной ток Iвх – среднеарифметическое значение
токов обоих входов усилителя, измеренных при таком входном
напряжении Uвх, при котором выходное напряжение Uвых равно
нулю. Эти токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим работы входного дифференциального каскада на биполярных транзисторах. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек. Другими словами, входные
токи – это токи, потребляемые входами ОУ.
Разность входных токов ΔIвх – это разность токов, потребляемых входами ОУ.
Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяются на дифференциальное (для дифференциального сигнала) и синфазное (сопротивление общего вида).
Входное сопротивление для дифференциального сигнала Rвх.диф –
это полное входное сопротивление со стороны любого входа, в то
время как другой вход соединен с общим выводом (заземлен).
Входное сопротивление для синфазного сигнала Rвх.синф характеризует изменение среднего входного тока при приложении к входам синфазного напряжения. Оно на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.
Коэффициент ослабления синфазного сигнала Kос.синф определяется как отношение напряжения синфазного сигнала, поданного
на оба входа, к дифференциальному входному напряжению, кото88
рое обеспечивает на выходе тот же сигнал, что и в случае синфазного напряжения:
Kîñ.ñèíô =
Uâõ.ñèíô
Uâõ.äèô
.
Uâûõ.ñèíô =Uâûõ.äèô
С учетом последней формулы напряжение на выходе ОУ, появляющееся при одновременной подаче дифференциального и син-
æ
Uâõ.ñèíô ö÷
ç
÷÷.
фазного входных сигналов: Uâûõ = K ççUâõ.äèô +
Kîñ.ñèíô ÷÷ø
çè
Для каждого ОУ указывается диапазон изменения Uвх.диф и
Uвх.синф, превышение предельных значений которых может привести к потере работоспособности усилителя.
Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов характеризуют изменения соответствующих параметров с температурой и составляют мкВ/°С и нА/°С. Наиболее важно учитывать данные параметры в прецизионных устройствах, так как компенсация их влияния на выходное напряжение затруднительна.
Температурные дрейфы являются основной причиной появления
температурных погрешностей устройств с ОУ.
Коэффициент влияния нестабильности источника питания
Kп – отношение изменения напряжения смещения ΔЕсм к вызвавшему его изменению одного из питающих напряжений ΔUп.
К группе выходных параметров относятся выходное сопротивление, напряжение и ток выхода.
Коэффициент усиления по напряжению ОУ K – отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению
дифференциального входного напряжения при работе усилителя
на линейном участке характеристики:
ΔU
K = âûõ .
ΔUâõ
Частота единичного усиления f1 – это частота, на которой модуль коэффициента усиления ОУ равен единице.
Скорость нарастания выходного напряжения – это максимальная скорость изменения выходного сигнала при максимальном
значении его амплитуды. Скорость нарастания определяется при
подаче на вход усилителя импульса напряжения прямоугольной
формы.
89
90
Вход инвертирующий
4
9
10
VТ1
R3
VТ3
1 каскад
VТ2
R2
R7
R6
R5
2 каскад
VТ6
VТ4
VТ5
R8
VТ8
Каскад
сдвига
потенциалов
VD1
R9
VТ7
R12
Выходной
сигнал
R10
R11
VТ9
Рис. 82. Электрическая принципиальная схема операционного усилителя К140УД1
Вход неинвертирующий
R1
R4
ОУ К140УД1
1
5
3
2
Выход
12
7
В состав операционных усилителей входит несколько каскадов.
Наиболее простое схемное решение имеет операционный усилитель К140УД1 (рис. 82), изготовленный на кремниевой пластине
размером 1,1×1,1 мм и содержащий 9 транзисторов. Данная схема обеспечивает сравнительно невысокий коэффициент усиления
Ku = 2000, дает ослабление синфазного сигнала Kîñë.ñô = 60 äÁ и
имеет невысокое входное сопротивление Râõ = 4 êÎì.
Последующие разработки позволили улучшить параметры операционного усилителя за счет усложнения схемы. Промышленностью выпускается большое разнообразие операционных усилителей, которые делятся на две группы: общего и частного применения.
2.7. Применение ОУ Применение ОУ в электронике чрезвычайно широко – на ОУ
создаются операционные схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование, выделение
модуля функции и т. п.). Эти схемы находят применение в устройствах автоматического управления, и они составляют основу аналоговых ЭВМ, где наиболее распространенными являются суммирующие и интегрирующие схемы на ОУ.
Суммирующий усилитель
На основе ОУ, у которого коэффициент усиления много больше
единицы (примерно 40 тысяч и более), можно построить схему активного сумматора. Для этого в цепи ОС ставится резистор. Рассмотрим схему двухвходового сумматора (рис. 83).
RОС
i1
U1(t)
i2
U2(t)
R1
R2
еу
Uвых(t)
Рис. 83. Схема аналогового сумматора
91
Схема имеет 2 входа, 1 выход. Входные напряжения U1 (t) и
U2 (t) через резисторы R1 и R2 поступают на вход ОУ. ОУ охвачен
ООС.
Если переменная, подаваемая с выхода на вход, увеличивает
результирующую величину входной переменной, то это ПОС, если
уменьшает, то это ООС.
Рассмотрим график распределения токов в цепи (рис. 84).
По закону Кирхгофа:
i1 + i2 = iÎÑ + iy .
Поскольку ток, проходящий через ОУ, пренебрежимо мал, то
уравнение примет вид
i1 + i2 = iÎÑ .
Запишем уравнение через напряжение:
ey - Uâûõ (t)
RÎÑ
=
U1 (t) - ey
R1
+
U2 (t) - ey
R2
.
Учитывая, что
ey = -
Uâûõ (t)
и Ky >> 1, то ey » 0.
Kó
Таким образом, получим
-Uâûõ (t) U1 (t) U2 (t)
=
+
,
Ky
R1
R2
æR
ö
R
Uâûõ (t) = -ççç ÎÑ U1 (t) + ÎÑ U2 (t)÷÷÷.
R2
èç R1
ø÷
i1
i2
iОС
iy
Рис. 84. Распределение токов в суммирующей цепи
92
Таким образом, в общем виде можно записать, что суммирующий усилитель работает в соответствии с формулой
n
Uâûõ (t) = -å aiUi (t).
i=1
RÎÑ
называется коэффициентом передачи сумматора
R1
R
по первому входу, ÎÑ – коэффициент передачи по второму входу.
R2
Точность операции суммирования определяется погрешностями.
1. Погрешность из-за конечного значения коэффициента усиления ОУ.
n
R
å Ui (t) RÎÑ
i
i=1
.
Uâûõ (t) =
n
æ
RÎÑ ö÷÷
1ç
1 + çç1 + å
÷
K èç
Ri ø÷÷
i=1
Величина
Абсолютная погрешность схемы определяется разностью значений идеального выходного напряжения и реального.
ΔUKy = Uâûõ.èä (t) - Uâûõ.ðåàë (t).
Относительная погрешность
δUKy =
ΔUKy
Uâûõ.èä (t)
.
После некоторых алгебраических преобразований можно получить
δUKy =
n
R ö
1 æç
çç1 + å ÎÑ ÷÷÷.
K èç
Ri ø÷÷
i=1
2. Погрешность из-за дрейфа нуля (рис. 85).
Рассмотрим уравнение токов для заданной цепи:
Uj (t) - ey (t)
Rj
=
ey (t) - Uâûõ (t)
RÎÑ
.
С учетом напряжения дрейфа нуля можно записать
Uâûõ (t) = -K éêëey (t) ± eäð (t)ùúû .
93
lОС
Uвх
RОС
ij
Rj
Uвых(t)
eу(t)
Рис. 85. Схема анализа погрешностей
суммирующего усилителя
Решая эти два уравнения совместно, можно получить
Uâûõ (t) =
Uj (t)
eäð (t)
eäð (t)
.


Rj
Rj
RÎÑ
1
Ri
Ri
1
1
+
+
1
+
+
+
+
Ky RÎÑ RÎÑ Ky RÎÑ RÎÑ Ky Ri Ky
Учитывая что Ky >> 1, получим
Uâûõ (t) = -
Uj (t)RÎÑ
Rj
R
 0 eäð (t)  eäð (t).
R1
3. Погрешность из-за неточности изготовления резисторов определяется формулой
n
¶Uäð (t)
i=1
¶Ri
ΔUR = å
ΔRi +
¶Uäð (t)
¶RÎÑ
.
¶
– обозначение частной производной переменной x.
¶x
Подставляя в данную формулу выражение для идеального суммирования, получим
n
é ΔR
R
ΔRi ùú
ΔUR (t) = -å 0 Ui (t) ê ÎÑ +
.
ê
R
Ri úû
ë RÎÑ
i=1 i
Интегрирующий усилитель
Интегрирующие устройства – это устройства, воспроизводящие
математическую зависимость вида
94
y(t) = ò x(t)dt.
В конденсаторе зависимость I и U описывается следующими выражениями:
iC (t) = Ñ
dU (t)
1
; UC (t) = ò iC (t)dt.
dt
C
На основании свойств конденсатора можно построить различные интегрирующие и дифференцирующие цепи.
Рассмотрим интегрирующую цепь, состоящую из ОУ постоянного тока, охваченного конденсатором ОС (рис. 86).
По закону Кирхгофа уравнение для токов можно записать следующим образом: i1 = iC , поскольку ток усилителя пренебрежимо
мал, то его можно не учитывать. Запишем уравнение для токов через напряжение:
Uâõ (t) - ey (t)
R
=C
d (ey (t) - Uâûõ (t))
dt
.
Входное напряжение усилителя ey (t) выражается через выходное напряжение следующим образом:
ey (t) = -
Uâûõ (t)
,
K
где K – коэффициент усиления усилителя.
iС
R
C
i
Uвх
iy
Uвых
Рис. 86. Схема интегрирующего усилителя
95
Поскольку K>>1 (» 40000), то ey (t) » 0, тогда уравнение примет вид:
dUâûõ (t)
Uâõ (t)
dUâûõ (t)
1
=Uâõ (t).
= -C
или
dt
RC
R
dt
Проинтегрировав обе части, получим
1
Uâûõ (t) = Uâõ (t)dt + U0 .
RC ò
При интегрировании всегда возникает некоторая постоянная
интегрирования, которая зависит от начальных условий. В данном
случае эти начальные условия определяются напряжением, до которого был заряжен конденсатор в момент времени t = 0.
Запишем уравнение для токов: i1 + i2 + ... + in = iC + ió , поскольку iy » 0, то можно записать
n
å ik = iC .
k=1
Запишем это уравнение через напряжение:
n
Uk (t) - ey (t)
k=1
Rk
å
поскольку ey (t) » 0, то
n
U
=C
d (ey (t) - Uâûõ (t))
dt
,
d
å Rk = -C dt Uâûõ (t).
k=1
k
Проинтегрировав, получим
æ n 1
ö÷
ç
Uâûõ (t) = -ò çç å
Uk ÷÷÷dt + U0 ,
çèk=1 Rk C ÷ø
такое устройство называется интегросумматором (рис. 87)
Точность интегрирования определяется следующими погрешностями.
1. Погрешность выходного напряжения из-за конечности коэффициента усиления ОУ.
2. Погрешность из-за разброса параметров элементов схемы.
æ ΔR ΔC ö÷
ΔURC (t) = Uèä (t)çç
+
÷.
çè R
C ø÷
3. Из-за наличия в схеме дополнительного сопротивления утечки (рис. 88).
96
ΔUóò = -
1
Uâûõ (t)dt.
Róò C ò
4. Из-за дрейфа нуля ОУ.
ΔUäð = ±eäð (t) 
iС
U1
R1
1
eäð dt.
RC ò
C
i1
i2
R2
U2
iy
Rn
Uвых
in
Un
Рис. 87. Схема интегросумматора
С
Rут
R
Uвх(t)
Uвых(t)
Рис. 88. Схема интегратора
с дополнительным сопротивлением утечки
97
Дифференцирующий решающий усилитель
Рассмотрим схему, приведенную на рис. 89.
Если рассмотреть распределение токов в схеме, то можно получить следующие соотношения:
i1 = iR ;
C
d (Uâõ (t) - ey (t))
dt
ey (t) = -
=
ey (t) - Uâûõ (t)
R
;
Uâûõ (t)
;
K >> 1; ey » 0;
R
Uâûõ (t)
dUâõ (t)
=C
;
R
dt
Uâûõ (t) = -RC
dUâõ (t)
.
dt
Погрешности в дифференцирующем усилителе возникают по
следующим причинам.
1. Из-за конечности коэффициента усиления ОУ.
RC dUâûõ (t)
ΔUâûõ (t) = .
k +1
dt
2. Из-за разброса параметров резистора и конденсатора.
æ ΔR ΔC ö÷
ΔURC = Uèä (t)çç
+
÷.
çè R
C ÷ø
iR
il
R
Rут
С
Uвх
iy
Uвых
Рис. 89. Схема дифференцирующего усилителя
98
3. Из-за наличия дополнительного сопротивления утечки действующего параллельно конденсатора.
R
ΔUóò = Uâõ (t).
Róò
4. Из-за дрейфа нуля ОУ.
ΔUäð = ±RC
deäð
dt
 eäð (t).
2.8. Компараторы
Определение. Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений.
Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся к передаточной характеристике ОУ (рис. 90, а). ОУ работает в линейном режиме, если
разность (Uâõ1 - Uâõ2 ) = ΔUâõ < Uãð . Когда разность ΔUâõ больше
Uгр, выходное напряжение ограничено значением ±Uвых m. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение Uвых m лишь немного меньше ЭДС питания
Eп, поэтому на передаточной характеристике выделяют область поа)
б)
Uвых
Uвх1
Uвх
Uвх2
Um
t
Umвых
τи
–Uгр
Uгр Uвх1 – Uвх2
–Umвых
Uвых
t
Рис. 90. Передаточная характеристика компаратора (а)
и эпюры входных напряжений (б)
99
ложительного (Uâûõ = Uâûõ m ) и отрицательного (Uâûõ = -Uâûõ m )
насыщения.
Для реальных ОУ значение Uгр не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая Uãð » 0. Тогда при Uâõ1 - Uâõ2 > 0 выходное напряжение
Uâûõ = Uâûõ m . Наоборот, при Uâõ1 - Uâõ2 < 0 выходное напряжение
Uâûõ = -Uâûõ m , т. е. выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит ОУ
в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).
На рис. 90, б приведены эпюры входных напряжений компаратора ( Uâõ1 – синусоида, Uâõ2 – постоянное) и выходного напряжения. Компаратор переключается в момент равенства Uâõ1 = Uâõ2 .
Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Длительность
прямоугольных импульсов зависит от соотношения амплитудного
значения синусоиды Um и Uâõ2 . Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольное или для преобразования U2 в длительность.
Широкое практическое применение находит схема компаратора
с положительной обратной связью. Она приведена на рис. 91, а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на
инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.
На рис. 91, б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ Uâûõ = Uâûõ m . Напряжение на прямом входе ОУ
Uпр формируется двумя источниками – U0 и Uâûõ m . Определим
а)
б)
Uвых
Uвх
R1
Uпр
R2
Uвых
Uвыхm
Uп1
Uп2
U0
Рис. 91. Схема компаратора с ПОС (а)
и его передаточная характеристика (б)
100
Uвх
– Uвыхm
его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений
цепочка R1 R2 выполняет роль делителя:
R1
R2
Uïð = U0
+ Uâûõ m
.
R1 + R2
R1 + R2
Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения (Uâûõ = Uâûõ m ) до тех пор, пока Uвх < Uпр. Порог срабатывания равен напряжению Uпр, поэтому его называют пороговым и
обозначают Uï1.
Когда входное напряжение Uвх становится примерно равным
напряжению Uï1 настолько, что Uï1 - Uâõ < Uãð , ОУ переходит
в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение ΔUâûõ . По цепочке R1 R2 оно
поступает на прямой вход ОУ, уменьшая значение Uпр на величину
R2
-ΔUïð = ΔUâõ
.
R1 + R2
ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его
выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное
¢
приращение ΔUâûõ
> ΔUâûõ . Последнее в свою очередь еще больше уменьшит Uпр. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда
Uâûõ = -Uâûõ m . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.
Так как Uвых после переключения сменило свой знак, то изменилось и значение Uпр, т. е. значение порога – Uï2 .
Uïð = Uï2 = U0
R1
R2
- Uâûõ m
.
R1 + R2
R1 + R2
Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда Uâõ » Uï2 . Передаточная характеристика компаратора имеет
вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса увеличивается
с увеличением отношения R2 R1 .
2.9. Мультивибраторы
Определение. Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов.
101
Мультивибратор может быть выполнен на транзисторах, ОУ или
на логических элементах.
Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ (рис. 92, а). Диаграммы
напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 92, б.
В схеме рис. 92, а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС.
При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения Uвых m (оно открывает диод D1) и –Uвых m (оно открывает диод D2).
Конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют две интегрирующие
цепи. Цепь заряда конденсатора R1C включена, когда открыт диод
D1. Цепь разряда конденсатора R2C включена, когда открыт диод
D2. Источником напряжения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.
Включим питание ОУ в момент времени t1. Выходное напряжение ОУ Uвых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Пусть Uвых получила положительное
приращение ∆Uвых. Через цепь ПОС R3R4 это приращение подается
на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает
приращение ∆U/вых. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t1 на выходе ОУ напряжение скачком принимает
значение Uâûõ = Uâûõ m .
а)
R1
D1
R2
D2
б)
Uвыхm
UОС
– UОС
R3
С
UC
R4
UОС
Uвых
UC
t1
t3
t2
t4
t
– Uвыхm
Uвых
τп
τи
Uвыхm
t
– Uвыхm
Рис. 92. Схема мультивибратора
на ОУ (а) и соответствующие эпюры (б)
102
Положительное напряжение ОУ Uâûõ m открывает диод D1. Начинается заряд конденсатора С через резистор R1. Скорость заряда
определяется постоянной времени τ1 = R1C. Нарастающее по экспоненте напряжение конденсатора UC подается на инвертирующий
вход ОУ.
На прямой вход ОУ через цепь ПОС R3R4 подается напряжение UОС:
R4
UÎÑ = Uâûõ m
.
R3 + R4
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе UC достигает значения UОС. Происходит переключение компаратора. ОУ
скачком переходит в область отрицательного насыщения, когда
Uâûõ = -Uâûõ m .
Одновременно (в момент времени t2) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины:
-UÎÑ = -Uâûõ m
R4
.
R3 + R4
При этом диод D1 закрывается, а диод D2 открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R2 до напряжения
-Uâûõ m . Скорость перезаряда определяется постоянной времени
τ2 = R2 C. Когда напряжение на конденсаторе UC достигает значения – UОС (момент времени t3), происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.
В установившемся режиме (от момента t2 и далее) напряжение
конденсатора изменяется от UОС до – UОС и обратно. На диаграмме
рис. 92, б интервал времени t2 – t3 определяет длительность паузы,
а интервал t3 – t4 – длительность импульса, причем:
æ
U
+ Uîñ
2R ö
= R1C ln ççç1 + 4 ÷÷÷,
τè = R1C ln âûõ m
Uâûõ m - Uîñ
R3 ø÷
èç
æ
U
+ Uîñ
2R ö
= R2C ln ççç1 + 4 ÷÷÷.
τï = R2C ln âûõ m
Uâûõ m - Uîñ
R3 ø÷
èç
Период повторения:
æ
2R ö
T = τè + τï = (R1 + R2 )C ln ççç1 + 4 ÷÷÷.
çè
R3 ÷ø
103
Скважность:
Q=
R + R2
T
= 1
.
τè
R1
Данные выражения позволяют выполнить расчет параметров
мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы
регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты
скважность не должна изменяться. Следовательно, R1, R2 целесообразно оставлять неизменными. Удобно частоту регулировать изменением R3 или R4.
При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R3 и R4, а также (R1 + R2) должны быть
постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки
скважности R1 и R2 следует выполнять как составляющие одного
потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D1 и D2, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.
Наряду с мультивибраторами широкое применение находят
одновибраторы. Это устройства, предназначенные для формирования одиночного прямоугольного импульса заданной длительности
при воздействии на вход короткого запускающего импульса. Такие
схемы часто называют ждущими мультивибраторами. Ждущие
мультивибраторы применяются для формирования импульсов заданной длительности или в качестве узла задержки импульсов на
заданное время.
а)
С2
R5
Uвх
UОС
UОС
UC
С1
D1
Uвх
б)
R
Uвых
D2
R3
R4
UОС
– UОС t1
Uвых
t2
Uвыхm
t3
τп
Рис. 93. Схема ждущего мультивибратора (а)
и соответствующие эпюры (б)
104
– Uвыхm
Uвыхm
Схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 93, а. На
рис. 93, б приведены диаграммы, поясняющие принцип его работы.
В схеме рис. 93, а ОУ и цепь R3 R4 образуют компаратор с ПОС.
Конденсатор С1 и резистор R образуют интегрирующую цепочку. Источником питания этой цепочки служит выходное напряжение компаратора, нагрузкой – инвертирующий вход ОУ. Диод D1 служит для
фиксации начального напряжения на конденсаторе С – UC (0). Конденсатор С2 и резистор R5 образуют дифференцирующую цепочку. Диод
D2 пропускает на прямой вход ОУ только положительные импульсы.
Эти импульсы служат для запуска ждущего мультивибратора.
В исходном состоянии Uâõ = 0. Компаратор находится в отрицательном насыщении, т. е. Uâûõ = -Uâûõ m . Отрицательным напряжением диод D1 открыт и поддерживает на конденсаторе С1 напряжение UC = 0. Напряжение обратной связи отрицательное, причем
-UÎÑ1 = -Uâûõ m
R4 / /R5
.
R3 + R4 / /R5
Так как UÎÑ1 < UC , то исходное состояние устойчиво, одновибратор может находиться в нем как угодно долго.
Пусть в момент времени t1 с выхода дифференцирующей цепочки на прямой вход ОУ поступает короткий положительный
импульс, амплитуда которого больше амплитуды UOC1 . Напряжение на прямом входе становится положительным и компаратор переключается в область положительного насыщения, когда
Uâûõ = Uâûõ m . Этим напряжением диод D1 закрывается, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R. На прямой вход ОУ
подается положительное напряжение обратной связи:
UOC2 = Uâûõ m
R4
.
R3 + R4
Этим напряжением ОУ поддерживается в состоянии положительного насыщения. Значит, входной импульс необходим только
для срабатывания компаратора и может быть очень коротким.
Скорость заряда конденсатора С1 определяется постоянной времени RC1, которая и задает длительность формируемого импульса τè .
Этап формирования импульса завершается в момент времени t2, когда
напряжение на конденсаторе достигает значения UOC2 . В этот момент
компаратор переключается в область отрицательного насыщения.
Длительность формируемого импульса определяется выражением
105
τè = RC1 ln
æ
Uâûõ m
R ö
= RC1 ln ççç1 + 4 ÷÷÷.
Uâûõ m - UOC2
R3 ÷ø
èç
После переключения компаратора в область отрицательного насыщения, напряжение на конденсаторе скачком не изменяется.
Под воздействием UC диод D1 остается закрытым. Поэтому после
момента времени t2 начинается этап восстановления исходного состояния, когда конденсатор С1 разряжается через резистор R от
источника Uâûõ m . Скорость разряда определяется постоянной
времени RC1. В момент времени t3 напряжение на конденсаторе
UC (t3 ) = 0. В этот момент открывается диод D1, который препятствует дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе С1.
Исходное состояние восстановлено. Схема готова к поступлению
нового входного импульса. Длительность этапа восстановления
определяется выражением
τâ = RC1 ln
-Uâûõ m - UOC2
-Uâûõ m
R + 2R4
.
= RC1 ln 3
R3 + R4
Следовательно, максимально допустимая частота входных импульсов для ждущего мультивибратора
Fmax =
1
.
( τè + τâ )
2.10. Генераторы линейно изменяющегося напряжения
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной формы (рис. 94, б), которое необходимо для создания разверток на экранах осциллографов, телевизоров и других индикаторов, для преобразователей аналоговых
а)
I
С
в)
б)
UC
R
С
Iвх
K
Um
t
IC
R
Uвх
U
Uвых
t1
Рис. 94. Схемы ГЛИН (а, в) и соответствующие напряжения (б)
106
величин в цифровые, преобразователей амплитуда-время и для
других целей.
Для формирования линейно изменяющегося напряжения чаще
всего используют заряд или разряд конденсатора постоянным током.
Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 94, а. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока I и
напряжение на нем нарастает по закону:
t
UC =
1
I
Idt = t,
Cò
C
0
т. е. по линейному закону. В момент времени t1 ключ К замыкается
и конденсатор разряжается через резистор R и ключ К по экспоненциальному закону.
Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на ОУ (рис. 94, в). В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа –
компараторы.
Схема интегратора на ОУ приведена на рис. 94, в. Очевидно, что
RâõÎÓ >> R; RâûõÎÓ << 1 ωC . Так как RâõÎÓ ® ¥, то Iâõ = -IC
причем
IC = -
Uâõ
.
R
Известно, что для ОУ напряжение между входами U = Uâõ1 - Uâõ2 » 0.
U = Uâõ1 - Uâõ2 » 0. Поэтому Uвых = UC, причем
Uâûõ = UC =
t
t
0
0
1
1 U (t)
IC (t)dt = - ò âõ dt.
ò
C
C
R
Если напряжение на входе ОУ постоянное, то получаем
Uâûõ = -
Uâõ
t
RC
Это линейно изменяющееся напряжение. Знак приращения –
обратный знаку входного напряжения.
107
Заключение
В данном пособии отражена только малая часть того, что включает в себя современная электроника. Одна из основных проблем,
стоящих перед электроникой, связана с требованием увеличения
количества обрабатываемой информации вычислительными и
управляющими электронными системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путем создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10–15 с; увеличения степени
интеграции на одном кристалле до миллиона транзисторов размером 1–2 нм; использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников; разработки запоминающих устройств емкостью несколько
сотен гигобайт на одном кристалле; применения лазерной и электроннолучевой коммутации; расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к микроЭВМ на одном кристалле); перехода от двумерной
(планарной) технологии интегральных схем к трехмерной (объемной) и использования сочетания различных свойств твердого тела
в одном устройстве; создания электронных приборов, работающих
в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а
также приборов для линий оптической связи; разработки мощных,
с высоким КПД, приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). По мере развития электроники и совершенствования технологии производства электронных приборов расширяются
области использования достижения электроники во всех сферах
жизни и деятельности людей, возрастает роль этой отрасли в ускорении научно-технического прогресса.
Все эти проблемы должны решаться следующими поколениями
специалистов, не забывая об основах этой замечательной науки.
108
Список литературы
1. Москатов Е. А. Электронная техника. Таганрог, 2004. 121 с.
2. Ильинков В. А., Капуро П. А., Румянцев А. В. Схемотехника
устройств и систем телевидения. Ч. 1. Схемная реализация основных преобразований в телевидении: учеб. пособие: в 2 ч. Минск,
2007. 126 с.
3. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М., 2003. 608 с.
4. Шустов М. А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. Кн. 2. М., 2002. 191 с.
5. Лаврентьев Б. Ф. Схемотехника электронных средств: учеб.
пособие. М., 2010. 308 с.
6. Богатырев Е. А., Ларин В. Ю., Лякин А. Е. Энциклопедия
электронных компонентов. Т. 1. Большие электронные схемы.
2006. 248 с.
7. Основы промышленной электроники: учебник / В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков; под
ред. В. Г. Герасимова. М., 2006. 336 с.
109
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................
3
Раздел 1. Электронные приборы....................................................
1.1. Физические основы электронных приборов.............................
Основные свойства полупроводников. Типы проводимости.. Работа р-n-перехода....................................................... Классификация полупроводниковых электронных
приборов...................................................................... 1.2. Полупроводниковые диоды..................................................
Устройство, классификация и основные параметры
полупроводниковых диодов............................................ Характеристики реального диода.................................... 1.3. Выпрямительные диоды.......................................................
1.4. Стабилитроны....................................................................
1.5. Варикапы..........................................................................
1.6. Фотодиоды.........................................................................
1.7. Светодиоды........................................................................
1.8. Определение и классификация транзисторов..........................
1.9. Устройство биполярных транзисторов....................................
Основные понятия......................................................... Входные и выходные характеристики.............................. Понятие о динамическом режиме.................................... Частотное свойство транзисторов..................................... 1.10. Полевые транзисторы........................................................
Основные понятия......................................................... МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа................ МДП-транзисторы с индуцированным каналом................. 1.11. Тиристоры........................................................................
Динисторы................................................................... Тринисторы.................................................................. Симисторы................................................................... 5
5
5
10
Раздел 2. Преобразователи...........................................................
2.1. Выпрямители.....................................................................
Неуправляемые выпрямители......................................... Управляемые выпрямители............................................ 2.2. Сглаживающие фильтры......................................................
2.3. Стабилизаторы напряжения.................................................
2.4. Усилители.........................................................................
Принцип работы каскада по схеме с общим эмиттером........ Виды обратной связи..................................................... Режимы работы усилительного каскада........................... 2.5. Усилители постоянного тока.................................................
2.6. Операционный усилитель.....................................................
110
19
22
22
25
27
28
30
31
34
36
38
38
43
45
47
48
48
51
52
52
52
55
59
61
61
62
67
70
73
77
80
81
83
85
86
2.7. Применение ОУ ..................................................................
Суммирующий усилитель............................................... Интегрирующий усилитель............................................ Дифференцирующий решающий усилитель...................... 2.8. Компараторы......................................................................
2.9. Мультивибраторы...............................................................
2.10. Генераторы линейно изменяющегося напряжения.................
Заключение...............................................................................
Список литературы.....................................................................
91
91
94
98
99
101
106
108
109
111
Учебное издание
Лексаченко Елена Валентиновна,
Орлов Алексей Петрович
ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка С. Б. Мацапуры
Сдано в набор 22.05.15. Подписано к печати 07.10.15.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 5,8.
Уч.-изд. л. 7,0. Тираж 100 экз. Заказ № 363.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
5 896 Кб
Теги
leksachenko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа