.

Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью

Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2:

.

Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.

11. Усилители постоянного тока

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители.

Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов). Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры. Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельно-балансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем.

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1.



Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель

Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение uвых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только uвх.диф.

Дифференциальное входное напряжение определяется выражением

Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением

.

Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина rэ уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя.

Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа МДМ)

В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц.

Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Структура усилителя

Рис. 11.3. Временные диаграммы с МДМ напряжений в усилителе

Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор - фазочувствительный выпрямитель - преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.

Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3.

Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах.

Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике.

Уселители мощности (мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД - в режиме классов В или АВ. электронный транзистор сигнал усилитель

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые - в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Pн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

.

Тогда максимально возможная нагрузки Рн.макс определится выражением

,

Откуда

.

Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых - соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя.



Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R'н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

,

где n - коэффициент трансформации ().

Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой

Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых=R'н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

Трансформаторные усилители мощности

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 11.6).



Рис. 11.6. Трансформаторный усилитель мощности

Трансформаторы ТР1 и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно.

Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а элемент С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Мощность, потребляемая усилителем от источника питания Pпотр=Ек?Iкн.

Следовательно, КПД усилителя

Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя . Реальный же КПД .

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 11.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 11.7,а), либо с ОБ (рис. 11.7,б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R1 и R2 обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 11.8).

Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока Iк0

.

Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В

.

Рис. 11.7. Двухтактный усилитель мощности



Рис. 11.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В

Для идеального усилителя Uкт = Ек, Iкт = I1, зтр = 1, а следовательно, теоретический КПД

.

Реальный же КПД составляет 0,6ч0,7.

Бестрансформаторные усилители мощности

В настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности. Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на биполярных транзисторах различного типа проводимости (комплементарный эмиттерный повторитель, усилитель с дополнительной симметрией) (рис. 11.9). Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения uвх транзистор Т1 работает в режиме усиления, а транзистор Т2 - в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями.



Рис. 11.9. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности

Максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

.

При максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

.

Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя

.

Для уменьшения нелинейных искажений обеспечивают некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 11.10). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.

Рис. 11.10. Двухтактный усилитель АВ-класса

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 11.11). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах Т1 и Т2.

Рис. 11.11. Двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем

Поскольку напряжение на нагрузке Rн примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

12. Электронные фильтры

Фильтром называют устройство, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в полосе задерживания). Фильтры используют для передачи не только синусоидальных сигналов, но, определяя полосы пропускания и задерживания, ориентируются именно на синусоидальные сигналы. Зная, как фильтр передает синусоидальные сигналы, обычно достаточно легко определить, как он будет передавать сигналы и другой формы.

В устройствах электроники, широко использующих фильтры, различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых фильтрах перед обработкой сигналов осуществляют такое преобразование.

Аналоговые фильтры строят на основе как пассивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов), так и активных элементов (транзисторов, операционных усилителей). Для аналоговой фильтрации широко используют также электромеханические фильтры: пьезоэлектрические и механические. В пьезоэлектрических фильтрах используют естественный и искусственный кварц, а также пьезокерамику. Основу механического фильтра составляет то или иное механическое устройство.

Важно различать требования, предъявляемые к фильтрам силовой и информативной (информационной) электроники. Фильтры силовой электроники должны иметь как можно больший коэффициент полезного действия. Для них очень важной является проблема уменьшения габаритных размеров. Такие фильтры строятся на основе только пассивных элементов. К фильтрам силовой электроники относятся сглаживающие фильтры выпрямителей, проходные фильтры силовых трансформаторов и т. д.

Фильтры информативной электроники чаще разрабатывают при использовании активных элементов. При этом широко используют операционные усилители.

Фильтры, содержащие активные элементы, называют активными. В современных конструкциях фильтров обычно не используют катушки индуктивности из-за их больших габаритов и высокой трудоемкости изготовления. Поэтому активные фильтры могут быть изготовлены с применением технологии интегральных микросхем. Нередко активные фильтры оказываются дешевле соответствующих фильтрах на пассивных элементах и занимают меньшие объемы. Активные фильтры способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания. Во многих случаях их достаточно легко настроить.

К недостаткам активных фильтров можно отнести:

· использование источника питания;

· невозможность работы на таких высоких частотах, на которых используемые операционные усилители уже не способны усиливать сигнал.

12.1 Классификация фильтров по виду их амплитудно-частотных характеристик

Фильтры нижних частот. Для фильтров нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются. На рис. 12.1,а показана характеристика идеального (не реализуемого на практике) фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кирпичная стена»). На других рисунках представлены характеристики реальных фильтров.



Рис. 12.1.Амплитудно-частотные характеристики фильтров нижних частот

Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза щс. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(щ) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ).

Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания щз и продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания определяют как частоту, на которой величина А(щ) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз).

Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная частота отсутствует.

Фильтры верхних частот. Фильтр верхних частот характерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот.

На рис. 12.2,а приведена идеальная (нереализуемая) амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот, а на рис. 12.2,б - одна из типичных реальных. Через щс и щз обозначены частоты среза и задерживания.



Рис. 12.2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров верхних частот

Полосовые фильтры (полосно-пропускающие). Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот. Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает.

На рис. 12.3,а приведена амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра и одна из типичных реальных характеристик (рис. 12.3,б). Через щс1 и щс2 обозначены две частоты среза, щ0 - средняя частота. Она определяется выражением

.

Рис. 12.3. Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтраа-идеальная характеристика; б-реальная характеристика

Режекторные фильтры (полосно-заграждающие). Режекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают сигналы с другими частотами.

Амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра приведена на рис. 12.4,а. На рис. 12.4,б показана одна из типичных реальных характеристик.

Рис. 12.4. Амплитудно-частотные характеристики режекторного фильтра

Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры). Эти фильтры пропускают сигналы любой частоты. Такие фильтры используются в некоторых электронных системах для того, чтобы изменить с той или иной целью фазочастотную характеристику всей системы (рис. 12.5).

Рис. 12.5 Амплитудно-частотная характеристика всепропускающего фильтра

Классификация фильтров по передаточным функциям

Рассмотрим эту классификацию на примере фильтров низкой частоты. На практике широко используются фильтры, отличающиеся характерными особенностями амплитудно-частотных характеристик. Это фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя (Томсона) (рис. 12.6).



Рис. 12.6. Амплитудно-частотные характеристики фильтров

Фильтры Баттерворта характеризуются наиболее плоской амплитудно-частотной характеристикой в полосе пропускания. Это их достоинство. Но в переходной полосе указанные характеристики спадают плавно, недостаточно резко.

Фильтры Чебышева отличаются резким спадом амплитудно-частотных характеристик в переходной полосе, но в полосе пропускания эти характеристики не являются плоскими.

Фильтры Бесселя характеризуются очень пологим участками амплитудно-частотных характеристик в переходной полосе, еще более пологими, чем у фильтров Баттерворта. Их фазочастотные характеристики достаточно близки к идеальным, соответствующим постоянному времени замедления, поэтому такие фильтры мало искажают форму входного сигнала, содержащего несколько гармоник.

Активные фильтры

Приведем в качестве примера две схемы фильтров второго порядка. Схема фильтра нижних частот приведена на рис. 12.7. Можно отметить, что на низких частотах (и на постоянном токе) фильтр имеет коэффициент усиления, который описывается следующим выражением:

,

где К - величина, определяющая сопротивление в цепи обратной связи (К-1)?R (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Активный фильтр нижних частот

Приведенное выражение соответствует неинвертирующему усилителю. При увеличении частоты входного сигнала напряжение на выходе уменьшается во-первых, в связи с уменьшением напряжения на неинвертирующем входе (т.е. на емкости С2) из-за уменьшения модуля комплексного сопротивления емкости С2. Во-вторых, уменьшается напряжение uа из-за того, что модуль комплексного сопротивления емкости С1 уменьшается и через эту емкость с выхода усилителя в точку «а» подается ток, который значительно сдвинут по фазе относительно напряжения uвх.

Фильтр верхних частот представлен на рис. 12.8. На высоких частотах коэффициент усиления фильтра равен К. В зависимости от параметров резисторов R1 и R2 и конденсаторов С1 и С2 схема реализует фильтры Баттерворта, Чебышева или Бесселя.

Рис. 12.8. Активный фильтр верхних частот

 Краткая характеристика активных фильтров на переключаемых конденсаторах. Переключаемый конденсатор - это своего рода дозатор, передающий строго определенные заряды из одной электрической цепи в другую. Упрощенная схема, поясняющая работу переключаемого конденсатора, представлена рис. 12.9. Ключи S1 и S2 работают в противофазе, т.е. когда ключ S1 замкнут, ключ S2 разомкнут, и наоборот. После замыкания ключа S1 конденсатор накапливает заряд uвх? С, получая его от источника входного напряжения. После замыкания ключа S2 конденсатор отдает указанный заряд в цепь этого ключа.

Рис. 12.9. Активный фильтр на переключаемых конденсаторах

Чем чаще будут переключаться ключи, тем больший заряд в единицу времени будет передаваться в указанную цепь, т.е. тем больше будет среднее значение тока i. Использование переключаемого конденсатора позволяет изменять среднее значение тока i путем изменения частоты переключения. В этом режиме переключаемый конденсатор играет роль резистора с регулируемым сопротивлением.

Активные фильтры на переключаемых конденсаторах имеют следующие достоинства, позволяющие достаточно часто использовать их на практике:

· они достаточно дешевые, так как при их изготовлении используется относительно простая технология;

· их легко перестраивать на другие частоты, для чего достаточно изменять частоту переключения.

13. Генераторы гармонических колебаний

Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного входного сигнала.

Различают два режима возбуждения генератора: самовозбуждение (мягкий режим) и с внешним начальным сигналом (жесткий режим).

RC-генераторы с мостом Вина. Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Мост Вина

При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f0, напряжение на выходе uвых равно нулю (при ненулевом входном напряжении uвх). Резонансная частота определяется выражением

.

В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение uвых несколько отличалась от нуля. Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R1/R2 несколько отличается от 2 (более точно R1/R2>2).

Схема генератора на операционном усилителе с очень простой схемой автоматической стабилизации амплитуды, которую обеспечивают диоды, представлена на рис. 13.2. Пунктиром показан усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью (ООС) и имеющий коэффициент усиления К. С помощью частотно-зависимой RC-цепи (упрощенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью положительной обратной связи.

Рис. 13.2. Генератор на ОУ с мостом Вина и стабилизатором амплитуды на диодах

На частоте f0 коэффициент передачи упрощенного моста Вина в=1/3. Для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы К?в?1, т.е. R1+R2?2R3.

При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополнительный буферный усилительный каскад.

Кварцевые генераторы. Основой генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый генератор - это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 13.3,а) его удобно заменить эквивалентной схемой (рис. 13.3,б).

Рис. 13.3. Схема кварцевого резонатора (а) и его эквивалентная схема (б)

В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса.

На частоте последовательного резонанса

резонатор имеет минимальное сопротивление RК. Частота параллельного резонанса

.

В диапазоне частот между щк и щ0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность.

Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qк=104 ч 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10-6 ч 10-9).

Упрощенная схема кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Кварцевый генератор с ОУ с последовательным резонансом

На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания.

14. Вторичные источники питания

Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств.

На рис. 14.1 приведена структурная схема источника питания без преобразователя частоты.

Рис. 14.1. Типовая схема вторичного источника питания

Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения.

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее).

Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжений на выходе выпрямителя.

Стабилизатор уменьшает изменения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой. Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне +15…-20 %.

Для уменьшения веса и габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра, работающих на частоте 50 Гц, используют источник питания с преобразователем частоты (рис. 14.2).



Рис. 14.2. Структурная схема вторичного источника питания с преобразователем частоты

В источниках электропитания такого типа напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1 и через сглаживающий фильтр 1 постоянное напряжение подается на инвертор, который вновь преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты (десятки килогерц). Трансформатор, работающий на повышенной частоте, имеет меньшие вес и габариты. Вес и габариты сглаживающего фильтра 2 также незначительны.

В такой схеме инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения.

Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты.

Рассмотрим основные элементы структурной схемы вторичного источника питания с преобразователем частоты. Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, приведенную на рис. 14.3,а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 14.3,б).

Основные параметры однополупериодного выпрямителя:

· среднее значение выходного напряжения

, где ;

· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя

;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения

.

Рис. 14.3. Однополупериодная схема выпрямителя

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 14.4,а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 14.4,б).



Рис. 14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Основные параметры такого выпрямителя:

· среднее значение выходного напряжения

,

где U2 - действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки, U2?1,11?Uср;

· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя

;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения

.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется в технике. Недостаток - необходимость двойного количества витков во вторичной обмотке трансформатора.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 14.5,а) можно считать пределом совершенства бестрансформаторных выпрямителей. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара - это диоды D1 и D2, а другая - D3 и D4.

Рис. 14.5. Однофазный мостовой выпрямителя

Основные параметры такого выпрямителя:

· среднее значение выходного напряжения

,

где Uвх ? 1,11?Uср;

· среднее значение тока на нагрузке выпрямителя;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения



.

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Сглаживающие фильтры. Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры - устройства, уменьшающие эти пульсации (рис. 14.6). Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S.

По определению S=е1/е2, причем е1 и е2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно.

Рис. 14.6. Сглаживающий емкостной фильтр

Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 14.6). Емкостной фильтр подключается параллельно нагрузке (рис. 14.6,а).

На отрезке времени t1…t2 диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 14.6,б). На отрезке t2…t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени ф = Rн?С. Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1…t2). Чем короче отрезок t1…t2, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1…t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя.

Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел.

На практике используют также следующие фильтров (рис. 14.7): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RC-фильтр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RC-фильтр (г).

Рис. 14.7. Схемы фильтров, применяемых в выпрямителях

Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике в силовых цепях применяются другие, более сложные фильтры.

Инверторы - это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный (рис. 14.8), где имеет место соотношение uc1=uc2=1/2uвх. В схеме часто используются электролитические конденсаторы большой емкости.

Рис. 14.8. Инвертор на биполярных транзисторах

Транзисторы работают в ключевом режиме: включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение.

Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они построены на основе однополупериодных (незапираемых) тиристоров (рис. 14.9).

Рис. 14.9. Однофазный двухполупери- Рис. 14.10. Временная диаграмма одный управляемый выпрямитель

Включение тиристоров производится с некоторой задержкой tвкл (рис. 14.10). Угол бвкл=щ?tвкл - угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления. Угол бвкл называют углом управления, который может изменяться в пределах от 0 до 180°.

15. Цифровая и импульсная электроника

Импульсный режим работы и цифровое представление преобразуемой информации. Импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и информативной электроники.

Импульсный режим работы устройств информативной электроники имеет следующие два важнейших преимущества:

· резко повышается помехоустойчивость, так как и при высоком уровне помех обычно не возникает проблемы отличить одно состояние схемы от другого, а именно состояние схемы определяет информацию о преобразуемом сигнале;

· информация о сигнале простым и естественным образом представляется в цифровой форме, что позволяет использовать большие и все возрастающие возможности цифровой обработки информации.

Импульсные сигналы. Основные термины. Обратимся для примера к идеализированному импульсу, который называют трапецеидальным (рис. 15.1,а).

Рис. 15.1. Виды идеализированных импульсов

Участок трапецеидального импульса АВ называют фронтом, участок ВС - вершиной, участок СD - срезом, отрезок АD - основанием. Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок СD - задним фронтом.

На рис. 15.1,б приведены другие идеализированные импульсы характерных форм и даны их названия.

Более сложный по форме, приближенный к реальному, вид импульса показан на рис. 15.2,а.

Рис. 15.2. Характерные параметры импульса

Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называют хвостом импульса, или обратным выбросом.

Для величин, указанных на рис. 15.2, обычно используют следующие названия:

tи - длительность импульса;

tф - длительность фронта импульса;

tс - длительность среза импульса;

tх - длительность хвоста импульса;

Um - амплитуда (высота) импульса;

ДU - спад вершины импульса;

Uобр - амплитуда обратного выброса.

При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных допущений. Например, длительность импульса и фронта импульса часто определяют так, как показано на рис. 15.2,б.

Обратимся к периодически повторяющимся импульсам (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Периодически повторяющиеся импульсы

В этом случае используют следующие параметры:

Т - период повторения импульсов;

f=1/T - частота повторения импульсов;

tи - длительность импульса;

tп - длительность паузы;

Q=T/tи - скважность импульса;

Кз=1/Q=tи/T - коэффициент заполнения.

Цифровое представление преобразуемой информации. Для цифрового представления информации характерно полное абстрагирование от особенностей электрических процессов в электронной схеме, выполняющей обработку сигналов.

В устройствах цифровой электроники в большинстве случаев используется сигналы двух уровней - высокого и низкого. При этом обычно имеется в виду уровни напряжения, а не тока. Важным является не абсолютные значения амплитуд напряжений для высокого и низкого уровня, а их четко различимая разность. Изобразим диаграмму, поясняющую изложенное (рис. 15.4):



Рис. 15.4. Соотношение высокого и низкого уровня сигналов

На этой диаграмме, соответствующей цифровым схемам транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), имеющей напряжение питания 5 В, укажем диапазоны напряжений для входных и выходных сигналов (заштрихованные прямоугольники). Это такие диапазоны, что сигнал, оказавшись в одном из них, безошибочно квалифицируется как сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низкому уровню сигналов ставятся в соответствие логические состояния 1 и 0. Если высокому уровню сигналов ставится в соответствие состояние 1, а низкому - состояние 0, то говорят о так называемой позитивной логике. Если высокому уровню соответствует состояние 0, а низкому - 1, то говорят о так называемой негативной логике.

Транзисторные ключи

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем.

Ключи на биполярных транзисторах. Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 15.5.



Рис. 15.5. Ключ на биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме iк = -iб = Iко (Iко - обратный ток коллектора), iэ ? 0. При этом uRб ? uRк ? 0; uбэ ? -U2; uкэ ? -Ек.

В промежутке времени t1…t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 15.6).



Рис. 15.6. Полевой транзистор с каналом p-типа

Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.

На рис. 15.7 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.

Рис. 15.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе

На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси = Ес. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи.порог транзистора, то он открывается и напряжение uси уменьшается.

Логические элементы

Логический элемент (логический вентиль) - это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 10.8 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов.

Рис. 15.8. Логические элементы

Логический элемент может быть реализован в виде отдельной интегральной схемы. Часто интегральная схема содержит несколько логических элементов.

Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов.

Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):

· резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);

· диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

· транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

· эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);

· транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);

· логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);

· логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);

· интегральная инжекционная логика И2Л;

· логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs.

В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ - К155, КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ - 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ - 100, К500, К1500; КМОП - 564, К561, 1564, КР1554; GaAs - К6500.

Наиболее важные параметры логических элементов:

· Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5Uвх и 0,5ДUвых. Максимальная рабочая частота Fмакс - это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.

· Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Коб (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина Коб - это число логических входов, величина Краз - максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: Коб =2…8, Краз=4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз=20…30.

· Помехоустойчивость в статическом режиме характеризуется напряжением Uпст, которое называется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.

· Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.

· Напряжение питания.

· Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх.1порог и Uвх.0порог, соответствующие изменению состояния логического элемента.

· Выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1 и Uвых0.

Используются и другие параметры.

Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла - базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

· Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 15.9).

Рис. 15.9. Базовый элемент ТТЛ

Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.

· Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент

И-НЕ (рис. 15.10,а), а на рис. 15.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки.

Рис. 15.10. Логический элемент ТТЛШ

Транзистор VT4 - обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения uвх1 и uвх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

· напряжение питания +5 В;

· выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;

· выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;

· помехоустойчивость - не менее 0,3 В;

· среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;

· максимальная рабочая частота 25 МГц.

Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (-4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналами и динамической нагрузкой и на МОП-транзисторах с p-каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика).

Логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs характеризуется наиболее высоким быстродействием, что является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц.

16. Комбинационные цифровые устройства

Логические устройства разделяют на два класса: комбинационные и последовательностные.

Устройство называют комбинационным, если его выходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени.

Иначе устройство называют последовательностным или конечным автоматом (цифровым автоматом, автоматом с памятью). В последовательностных устройствах обязательно имеются элементы памяти. Выходные сигналы последовательностных устройств определяются не только сигналами, имеющимися на входах в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Таким образом, реакция последовательностного устройства на определенные входные сигналы зависит от предыстории его работы.

Шифратор - это комбинационное устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением n=2m, где n - число входов, m - число выходов. Шифратор для преобразования десятиразрядного единичного кода (десятичных чисел от 0 до 9) в двоичный код. Условное изображение такого шифратора и таблица соответствия кода приведены на рис. 11.1. Используя данную таблицу соответствия, запишем логические выражения, включая в логическую сумму те входные переменные, которые соответствуют единице некоторой выходной переменной. Так, на выходе y1 будет логическая «1» тогда, когда логическая «1» будет или на входе Х1, или Х2, или Х5, или Х7, или Х9, т.е. у1=Х1+Х3+Х5+Х7+Х9.



Рис. 16.1. Схема шифратора и таблица соответствия кода

Представим на рис. 16.2 схему такого шифратора, используя элементы ИЛИ.

Рис. 16.2. Шифратор на логических элементах ИЛИ

Если на всех входах - логическая единица, то на всех выводах также логическая единица, что соответствует числу 0 в так называемом инверсном коде (1111). Если хотя бы на одном входе имеется логический ноль, то состояние выходных сигналов определяется наибольшим номером входа, на котором имеется логический ноль, и не зависит от сигналов на входах, имеющих меньший номер.

Основное назначение шифратора - преобразование номера источника сигнала в код (например, номера нажатой кнопки некоторой клавиатуры).

Дешифратором называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному колу. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением m=2n, где n - число входов, а m - число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет неполным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы полным.

Обратимся для примера к дешифратору К555ИД6 серии К555 (рис. 16.3).

Рис. 16.3. Схема дешифратора

Дешифратор имеет 4 прямых входа, обозначенных через А1, …, А8. Аббревиатура А обозначает «адрес». Указанные входы называют адресным. Цифры определяют значения активного уровня (единицы) в соответствующем разряде двоичного числа. Дешифратор имеет 10 инверсных выходов . Цифры определяют десятичное число, соответствующее заданному двоичному числу на входах.

Дешифратор - одно из широко используемых логических устройств. Его применяют для построения различных комбинационных устройств. Шифраторы и дешифраторы являются примерами простейших преобразователей кодов.

Преобразователями кодов называют устройства, предназначенные для преобразования одного кода в другой, при этом часто они выполняют нестандартные преобразования кодов. Преобразователи кодов обозначают через X/Y.

Рассмотрим особенности реализации преобразователя на примере преобразователя трехэлементного кода в пятиэлементный по таблице соответствия кодов, приведенной на рис. 16.4.

Рис. 16.4. Таблица соответствия кодов для преобразователя кодов

Здесь через N обозначено десятичное число, соответствующее входному двоичному коду. Преобразователи кодов создают по схеме дешифратор - шифратор. Дешифратор преобразует входной код в некоторое десятичное число, а затем шифратор формирует выходной код. Схема преобразователя, созданного по такому принципу, приведена на рис. 16.5.

Рис. 16.5. Схема преобразователя кодов

Мультиплексором называют комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX, а также через MS. Функционально мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Кроме информационных входов в мультиплексоре имеются адресные входы и разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n и числом адресных входов m действует соотношение n=2m, то такой мультиплексор называют полным. Если n<2m, то мультиплексор называют неполным.

Рассмотрим функционирование двухвходового мультиплексора (2>1), который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов Х1, Х2 и выхода Y приведено в таблице (рис. 16.6).

Рис. 16.6. Двухвходовый мультиплексор

Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

.

На рис. 16.7 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение. Основой данной схемы является являются две схемы совпадения на элементах И, которые при логическом уровне «1» на одном из своих входов повторяют на выходе то, что есть на другом входе.

...