Электронные цепи и микросхемотехника

Размещено на http://www.allbest.ru/

69

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Конспект лекций

Электронные цепи и микросхемотехника

Д.Г. Лобов

Омск

Издательство ОмГТУ 2010

Содержание

Введение

1. Пассивные элементы электрических цепей: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности

2. Полупроводниковые приборы с p-n-переходом: диоды, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды

3. Основные характеристики и параметры усилителей

4. Обратная связь в усилителях

5. Биполярный транзистор и схемы его включения

6. Полевые транзисторы

7. Устройство и принцип работы дифференциального усилителя

8. Операционные усилители

9. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ и её особенности

10. Инвертирующий усилитель на ОУ

11. Операционные схемы на ОУ

12. Генератор синусоидального напряжения на ОУ

13. Компаратор и триггер Шмитта

14. Мультивибратор на операционном усилителе

Библиографический список

резистор конденсатор стабилизатор диод усилитель

Введение

В предлагаемом конспекте лекций приводятся основные принципы работы и схемотехника типовых аналоговых электронных цепей, применяемых при конструировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Большое внимание уделено рассмотрению технических решений на базе аналоговых интегральных микросхем, позволяющих значительно упростить процесс проектирования РЭА.

Настоящий конспект составлен по первой части курса лекций, читаемых автором по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника» на кафедре «Технологии электронной аппаратуры» Омского государственного технического университета для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника».

1. Пассивные элементы электрических цепей: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности

Резисторы

Резимстор - пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, т. е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току, проходящему через него:

U(t) = R•I(t).

На практике резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики [1]. При протекании через резистор тока на нем будет рассеиваться электрическая мощность:

P = U•I = I²•R = U²/R.

Условное обозначение резистора приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное обозначение резистора

Резисторы являются элементами электронной аппаратуры и могут применяться как дискретные компоненты или как составные части интегральных микросхем. Дискретные резисторы классифицируются по назначению, виду ВАХ, характеру изменения сопротивления, технологии изготовления.

По назначению:

· резисторы общего назначения;

· резисторы специального назначения:

o высокоомные (сопротивления от десятка МОм до единиц ТОм, рабочие напряжения 100…400 В);

o высоковольтные (рабочее напряжение - десятки кВ);

o высокочастотные (имеют малые собственные индуктивности и ёмкости, рабочие частоты до сотен МГц);

o прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001 - 1 %).

По виду вольт-амперной характеристики:

· линейные резисторы;

· нелинейные резисторы:

o варисторы - сопротивление зависит от приложенного напряжения;

o терморезисторы - сопротивление зависит от температуры;

o фоторезисторы - сопротивление зависит от освещённости;

o тензорезисторы - сопротивление зависит от деформации резистора;

o магниторезисторы - сопротивление зависит от величины магнитного поля. По характеру изменения сопротивления:

· постоянные резисторы;

· переменные регулировочные резисторы;

· переменные подстроечные резисторы.

По технологии изготовления:

· Проволочные резисторы. Представляют собой кусок проволоки с высоким удельным сопротивлением, намотанный на какой-либо каркас. Могут иметь значительную паразитную индуктивность. Высокоомные малогабаритные проволочные резисторы иногда изготавливают из микропровода.

· Плёночные металлические резисторы. Представляют собой тонкую плёнку металла с высоким удельным сопротивлением, напылённую на керамический сердечник, на концы сердечника надеты металлические колпачки с проволочными выводами. Иногда, для повышения сопротивления, в плёнке прорезается винтовая канавка. Это наиболее распространённый тип резисторов.

· Металлофольговые резисторы. В качестве резистивного материала используется тонкая металлическая лента.

· Угольные резисторы. Бывают плёночными и объёмными. Используют высокое удельное сопротивление графита.

· Интегральные резисторы. Используется сопротивление слаболегированного полупроводника. Эти резисторы могут иметь большую нелинейность вольт-амперной характеристики. В основном используются в составе интегральных микросхем, где применить другие типы резисторов невозможно или не технологично.

Выпускаемые промышленностью резисторы одного и того же номинала имеют разброс сопротивлений. Значение возможного разброса определяется точностью резистора. Выпускают резисторы с точностью 20 %, 10 %, 5 % и т. д., вплоть до 0,01 %. Номиналы резисторов непроизвольны: их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (20 %), E12 (10 %) или E24 (для резисторов с точностью до 5 %), для более точных резисторов используются более точные ряды (например E48, Е96, Е192).

Сопротивление металлических резисторов зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная:

R = R₀(1+б(t - t₀)).

Коэффициент б называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров сопротивления. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, иногда даже экспоненциально, однако в практическом диапазоне температур эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.

Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума. На высоких частотах преобладает тепловой флуктуационный шум, спектр такого шума равномерный («белый шум»).

Уровень шума реальных резисторов выше. В шуме реальных резисторов также всегда присутствует компонента, интенсивность которой пропорциональна обратной частоте, т. е. 1/f-шум или «розовый шум». Этот шум возникает из-за множества причин, одна из главных - перезарядка ионов примесей, на которых локализованы электроны.

Шумы резисторов возникают за счет прохождения в них тока. В переменных резисторах имеются так называемые «механические» шумы, возникающие при работе подвижных контактов.

Конденсаторы

Конденсатор является пассивным электронным компонентом с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Энергия заряженного конденсатора равна

,

где - напряжение (разность потенциалов), до которого заряжен конденсатор, - ёмкость конденсатора, - заряд конденсатора.

Условное обозначение конденсатора представлено на рис. 2.



Рис. 2. Условное обозначение конденсатора

Основная классификация конденсаторов проводится по типу диэлектрика в конденсаторе. Тип диэлектрика определяет основные электрические параметры конденсаторов: сопротивление изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др [1].

По виду диэлектрика различают:

· Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).

· Конденсаторы с газообразным диэлектриком.

· Конденсаторы с жидким диэлектриком.

· Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.

· Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные - бумажно-плёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.

· Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. Такие конденсаторы отличаются от всех прочих типов прежде всего своей огромной удельной ёмкостью. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Вторая обкладка (катод) - это или электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка.

По возможности изменения своей ёмкости:

· Постоянные конденсаторы - основной класс конденсаторов, не меняющих своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).

· Переменные конденсаторы - конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.

· Подстроечные конденсаторы - конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения можно условно разделить конденсаторы на конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры. Традиционно к ним относят наиболее распространённые низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования.

Все остальные конденсаторы являются специальными. К ним относятся высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Также различают конденсаторы по форме обкладок: плоские, цилиндрические, сферические и другие.

Конденсатор обладает комплексным сопротивлением:

Z_C = 1/jщC,

где j - мнимая единица, щ - циклическая частота протекающего синусоидального тока, C - ёмкость конденсатора. Отсюда также следует, что реактивное сопротивление конденсатора равно

X_C = - 1/щC.

Для постоянного тока частота равна нулю, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора бесконечно (в идеальном случае). Важным параметром конденсатора является его температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ). ТКЕ - относительное изменение ёмкости при изменении температуры окружающей среды на один градус Цельсия (Кельвина). Таким образом, значение ёмкости от температуры представляется линейной формулой

С(t) = C_НУ - ТКЕ•С_НУ •?t,

где Дt - увеличение температуры в °C или К относительно нормальных условий, при которых специфицировано значение ёмкости С_НУ.

TKE применяется для характеристики конденсаторов со значительной линейной зависимостью ёмкости от температуры. Однако ТКЕ определяется не для всех типов конденсаторов. Конденсаторы, имеющие нелинейную зависимость ёмкости от температуры, и конденсаторы с большими уходами ёмкости от воздействия температуры окружающей среды в обозначении имеют указание на относительное изменение ёмкости в рабочем диапазоне температур.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности - катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Условное обозначение катушки индуктивности представлено на рис. 3.

Рис. 3. Условное обозначение катушки индуктивности

Конструктивно катушка индуктивности обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах.

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, величина которого равна

X_L = щ?L,

где L - индуктивность катушки, щ - циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её реактивное сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I. Величина этой энергии равна

E = L•I²/2.

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой определяется следующим выражением:

.

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь R_П. Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика - добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Q = щ?L/ R_П.

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида «универсал», применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида «литцендрат».

2. Полупроводниковые приборы с p-n-переходом: диоды, стабилитроны, варикапы, фото- и светодиоды

Диоды

Диоды - полупроводники, которые пропускают ток в одном направлении. Выводы диода называются анодом А и катодом К. На рис. 4 показано условное обозначение диода. Если приложено положительное напряжение U_АК > 0, то диод работает в прямом направлении. При отрицательном напряжении U_АК < 0, диод заперт. Обратный ток всегда на несколько порядков меньше, чем прямой.

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I(U_АК). Типовая характеристика диода представлена на рис. 5.

Рис. 4. Условное обозначение диода

Рис. 5. Типовая ВАХ диода

Прямой ток резко возрастает при малых положительных напряжениях U_АК. Однако он не должен превышать определенного максимального значения I_макс, так как иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряжения U_D при токах порядка 0,1I_макс. Для германия U_D находится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремния - от 0,5 до 0,8 В.

Из рис. 5 видно, что обратный ток при напряжениях | U_АК | > U_{обр.макс} возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области не могут работать, так как в них происходит локальный перегрев, приводящий к выходу их из строя. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах U_{обр.макс} = (10ч10⁴) В.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции [3]:

, (2.1)

где - теоретический обратный ток, Т - абсолютная температура p-n-перехода, - термический потенциал. При комнатной температуре

Поправочный коэффициент m учитывает отклонение от теории диода Шокли. Он находится в пределах 1ч2.

Уравнение (2.1) описывает характеристику реального диода только в прямом направлении и для небольших токов. Реальный обратный ток диода значительно превосходит теоретическую величину .

Величина (рис. 5) часто определяется как прямое напряжение диода в точке перегиба прямой ветви характеристики. Но в действительности перегиб прямой ветви характеристики является кажущимся. Перегиб появляется вследствие отображения экспоненциальной функции (2.1) в линейном масштабе по оси абсцисс. При отображении в логарифмическом масштабе точка перегиба отсутствует.

С помощью формулы (2.1) несложно рассчитать, что при увеличении прямого напряжения на 60 мВ прямой ток возрастает в 10 раз. Поскольку и зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается приближенным соотношением:

,

т. е. при увеличении температуры на 1К прямое напряжение на диоде уменьшается примерно на 2 мВ. Это свойство позволяет использовать диод в качестве датчика температуры.

Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если приложенное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10К. При изменении температуры на 100 К обратный ток соответственно возрастет в тысячу раз.

В динамическом режиме работы переключение диода из проводящего состояния в закрытое происходит не мгновенно, так как при этом р-n-переход должен освободиться от накопленного заряда.

Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шоттки. Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений порядка 100 пс. Другой особенностью этих диодов является малое (по сравнению с обычными кремниевыми диодами) прямое напряжение, составляющее около 0,3 В.

Стабилитроны

В диодах обычного типа обратный ток существенно возрастает при превышении максимального обратного напряжения. Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации . На рис. 6, а показано условное обозначение стабилитрона, а на рис. 6, б приведена его вольт-амперная характеристика.

Рис. 6. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) стабилитрона

Стабилитроны обеспечивают диапазон напряжений стабилизации
3-200 В; их прямое напряжение составляет ~ 0,6 В. Как видно из рис. 6, обратное сопротивление диода при малых обратных напряжениях < велико. При достижении напряжения стабилизации обратный ток резко возрастает. Эффект стабилизации основан на том, что большое изменение тока вызывает малое изменение напряжения . Стабилизация тем лучше, чем круче идет кривая и, соответственно, чем меньше дифференциальное внутреннее сопротивление:

.

Стабилитроны с ? 8 В имеют наименьшее дифференциальное внутреннее сопротивление; с уменьшением это сопротивление возрастает. Таким образом, стабилизирующий эффект при малых напряжениях стабилизации проявляется в меньшей степени [2].

Варикапы

Емкость p-n-перехода диода с увеличением обратного напряжения уменьшается. На рис. 7, а показано условное обозначение варикапа, а на рис. 7, б представлены графики зависимости емкости от напряжения для разных типов варикапов [2].

Рис. 7. Условное обозначение варикапа (а) и зависимость емкости p-n-перехода от напряжения (б)

Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет
5-300 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности варикапы используются для построения колебательных контуров с управляемой напряжением резонансной частотой в области СВЧ.

Фотодиоды

Обратный ток диода возрастает при освещении p-n-перехода. Этот эффект может использоваться для фотометрических измерений. С этой целью фотодиод помещают в корпус с прозрачным окном. На рис. 8, а показано условное обозначение фотодиода, на рис. 8, б представлено семейство вольт-амперных характеристик в зависимости от уровня освещённости [2].



Рис. 8. Условное обозначение (а) и семейство ВАХ (б) фотодиода

Для фотодиодов характерно наличие тока короткого замыкания, который пропорционален его освещенности, поэтому в отличие от фоторезисторов фотодиод может использоваться без дополнительного источника питания. Чувствительность фотодиодов обычно составляет около 0,1 мкА/лк. При подаче на фотодиод запирающего напряжения фототок практически не изменяется. Такой режим работы фотодиода предпочтителен, когда требуется получить большое быстродействие, так как с ростом запирающего напряжения уменьшается собственная емкость р-n-перехода.

При увеличении освещенности напряжение холостого хода кремниевого фотодиода увеличивается приблизительно до 0,5 В. Как видно из характеристик на рис. 8, б, под нагрузкой напряжение на фотодиоде снижается очень незначительно, пока величина тока нагрузки остается меньше величины тока короткого замыкания для данной освещенности. Благодаря этому фотодиоды пригодны для получения электрической энергии. Для этих целей изготавливаются специальные фотодиоды с большой площадью p-n-перехода, которые называются солнечными элементами.

Область спектральной чувствительности кремниевых фотодиодов находится между 0,6 и 1 мкм, а германиевых фотодиодов - между 0,5 и 1,7 мкм. Графики относительной спектральной чувствительности глаза человека и фотодиодов приведены на рис. 9.



Рис. 9. Графики относительной спектральной чувствительности з германиевых и кремниевых фотодиодов

Достоинством фотодиодов является высокое быстродействие. Граничная частота модуляции светового потока для обычных фотодиодов составляет около 10 МГц, а для специальных фотодиодов, используемых в волоконно-оптических линиях связи - порядка нескольких ГГц.

Светодиоды

Светодиоды изготавливаются не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых элементов, а на основе арсенида-фосфида галлия (с валентной связью типа А₃В₅). Эти диоды излучают свет при протекании через них прямого тока. Область спектрального излучения диодов имеет довольно узкие границы. Ее положение зависит от используемого полупроводникового материала. Условное обозначение светодиода показано на рис. 10.

Рис. 10. Условное обозначение светодиода

Основные параметры светодиодов приведены в таблице [2].

Основные параметры светодиодов

Цвет свечения	Длина волны (в точке максимума интенсивности излучения), нм	Материал полупроводника	Прямое падение напряжения при токе 10 мА, В	Сила света при токе 10 мА и угле излучения ±45є, мкд	Мощность излучения при токе 10 мА, мкВт
Инфра-красный	900	Арсенид галлия	1,3...1,5	-	100...500
Красный	655	Арсенид-фосфид галлия	1,6...1,8	0,4...1	1...2
Оранжевый	635	Арсенид-фосфид галлия	2,0...2,2	2...4	5...10
Желтый	583	Арсенид-фосфид галлия	2,0...2,2	1...3	3...8
Зеленый	565	Фосфид галлия	2,2...2,4	0,5... 3	1,5...8

Коэффициент полезного действия инфракрасных светодиодов составляет 1-5 %, у остальных типов светодиодов он не превышает 0,05 %. Яркость свечения в широком диапазоне пропорциональна прямому току светодиода.

Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации, поэтому светодиоды удобно использовать в качестве элементов индикации в полупроводниковых схемах. Светодиодные индикаторы изготавливаются в виде семисегментных или точечных матриц.

Следует отметить, что в последнее время широкое распространение получили сверхъяркие светодиоды и светодиодные индикаторы с мощностью излучения в несколько десятков и даже сотен мВт.

3. Основные характеристики и параметры усилителей

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом , источник питания и нагрузочное устройство с сопротивлением (рис. 11).

Рис. 11. Структурная схема усилительного устройства

Входной сигнал управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы.

Классификация усилителей производится по многим признакам:

· по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов;

· по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности;

· по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители;

· по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой.

Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью.

В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы.

Основными характеристиками любого усилителя являются:

· амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость: . Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат (рис. 12);

Рис. 12. Пример амплитудной характеристики усилителей

· амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты (рис. 13). Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково;

· фазочастотная характеристика (ФЧХ) отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала (рис.13);

Рис. 13. Пример АЧХ (рисунок слева) и ФЧХ (рисунок справа) усилителей

· переходная характеристика - отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1 на рис. 14) либо апериодичным (кривая 2 на рис. 14).

Рис. 14. Пример переходных характеристик усилителей

Важнейшими параметрами усилителя являются:

· коэффициенты усиления по току , напряжению и мощности :

где ,,,,, - действующие значения токов напряжений и мощностей на входах и выходах усилителя;

· полоса пропускания усилителя (рис. 15) характеризует частотные свойства усилителя. Измеряется на уровне 0,707 от , ;



Рис. 15. Определение полосы пропускания по АЧХ усилителя

· входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией частоты:

;

· выходная мощность усилителя - это мощность, которая выделяется на нагрузке;

· искажения сигналов в усилителе - это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные).

Нелинейные искажения возникают в усилите за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом гармоник:

,

где - амплитуда n-й гармоники, - амплитуда основной гармоники выходного сигнала.

Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах.

Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом, как правило, является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность.

4. Обратная связь в усилителях

Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя.

Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена на рис. 16.

Рис. 16. Структурная схема усилителя с обратной связью

В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной. В этом случае

,

где - коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

- коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью; - коэффициент передачи в цепи обратной связи.

Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. При усиление схемы равно .

Отрицательная обратная связь возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 180°.

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току (рис. 17).

Рис. 17. Обратная связь по напряжению (а) и по току (б)

Обратная связь может быть частотно-зависимой и частотно-независимой. В обратной связи могут использоваться как линейные, так и нелинейные элементы.

В электронных усилителях, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, отрицательная обратная связь позволяет улучшить стабильность работы схемы при изменении параметров усилителя и напряжения питания; снижает уровень нелинейных искажений и собственных помех, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление; расширяет полосу пропускания усилителя.

Положительная обратная связь применяется в автогенераторах. В некоторых усилителях для получения требуемой АЧХ используются одновременно и положительная, и отрицательная обратные связи.

5. Биполярный транзистор и схемы его включения

Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа "p-n-p" и "n-p-n" (рис.18).

Рис. 18. Биполярные транзисторы типа «p-n-p» (а) и «n-p-n» (б)

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу.

где, , - токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы.

Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор - и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор :

при

>>1.

Современные транзисторы имеют = (0,9ч0,99) < 1 и = (4ч10000).

Во всех вариантах схем включения транзистора его можно рассматривать как нелинейный активный четырехполюсник (рис. 19).

Рис. 19.Четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор являются:

· коэффициент усиления по току ,

· коэффициент усиления по напряжению ,

· коэффициент усиления по мощности ,

· входное сопротивление ,

· выходное сопротивление .

Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй выходным, а третий общий для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы.

В схеме с ОБ (рис. 20) входной сигнал поступает на эмиттер, а выходной снимается с коллектора.

Рис. 20. Включение транзистора с ОБ

Входным сопротивлением схемы является сопротивление открытого эмиттерного перехода, которое составляет десятки Ом. Выходное сопротивление определяется обратным включенным коллекторным переходом. Поэтому >>.

Коэффициент усиления транзистора с ОБ по току соответствует примерно коэффициенту передачи :

(0,95ч0,99).

Коэффициент усиления транзистора по напряжению:

,

где - входное сопротивление открытого эмиттерного перехода. Так как >>, то >1.

Таким образом, схема включения транзистора с ОБ не обеспечивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по напряжению и мощности. В схеме с ОЭ (рис. 21) входной сигнал поступает на входы база - эмиттер, а выходной снимается с коллектора. Входное сопротивление схемы значительно больше, чем в схеме с ОБ.

>1.

Коэффициент усиления схемы по току :

>>1.

Коэффициент усиления схемы по напряжению :

>1.

Коэффициент усиления схемы по мощности равен произведению коэффициентов и :

>>1.

Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространенной.

В схеме ОК (рис. 22) входной сигнал подается на входы база - коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера.

Входное сопротивление схемы велико и равно .

Коэффициент усиления схемы с ОК по току:

>>1.

Коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению:

<1.

Схему с общим эмиттером часто называют эмиттерным повторителем, так как нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает усиление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (? 0,9…0,99), отличается большим входным сопротивлением и малым выходным >> и широко используется в качестве согласующего каскада.

Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем. Различают входные и выходные статические характеристики транзисторов.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении. На рис. 23 приведены статические характеристики для схемы с ОЭ.

Рис. 23. Статические входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора с ОЭ

На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III - режим насыщения. Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал (рис. 24).



Рис. 24. Схема усилителя с ОЭ (а) и выходная характеристика (б)

В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением . Такой режим работы транзистора называется динамическим. Динамические характеристики строятся на семействе статических при заданных напряжениях источника питания и сопротивления нагрузки . Для построения динамической характеристики используется уравнение, которое представляет собой уравнение прямой (АБВ). Изменение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора и его статические и динамические характеристики. Это может привести к нарушению выбранного режима работы. Поэтому применяются различные методы температурной стабилизации. Эквивалентные схемы транзисторов применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы. Как известно, транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n-переходов. Обычно транзистор заменяется четырехполюсником (рис. 25).

Рис. 25. Схема четырехполюсника (а), эквивалентная схема транзистора для включения с ОЭ (б)

Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. В настоящее время чаще всего применяются малосигнальные эквивалентные схемы в h-параметрах. Такая эквивалентная схема отражает зависимость выходного тока и входного напряжения от входного тока и выходного напряжения транзистора.

Эта зависимость определяется системой уравнений:

,

где и - изменение входного и выходного напряжений, и - изменения соответствующих токов.

Коэффициенты h зависят от схемы включения транзисторов (ОБ, ОЭ, ОК). Для транзисторов, включенных с ОЭ, параметры эквивалентной схемы имеют следующий физический смысл:

· - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе ();

· - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе ();

· - коэффициент передачи тока при короткозамкнутом выходе ();

· - выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе ().

6. Полевые транзисторы

Полевым (униполярным) транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся, - стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором.

Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов.

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которого сделаны два вывода - исток и сток. Вдоль пластины выполнен p-n-переход, от которого сделан третий вывод - затвор (рис. 26) [5].

Рис. 26. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (а) и его условное обозначение (б)

Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а следовательно, и ток, проходящий через канал, зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки . Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока также будет изменяться по тому же закону. Статические характеристики транзистора с управляющим р-n-переходом приведены на рис. 27.

Рис. 27. Входная (а) и выходная (б) характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Максимальный ток стока будет при нулевом напряжении на затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается и при он становится равным 0.

Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами:

· крутизной характеристики при ;

· коэффициентом усиления по напряжению при ;

· выходным сопротивлением при ;

· входным сопротивлением ;

· напряжением отсечки ;

· максимальным током стока .

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы), в отличие от рассмотренных выше, имеют затвор, изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление до (10¹²…10¹⁴) Ом.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля.

МДП-транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП-транзисторы могут быть с каналами n- или р-типа. На рис. 28 приведены конструкция и характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа [5].

Рис. 28. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г) характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа

В МДП-транзисторах со встроенным каналом токопроводящий канал создается технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при = 0 канал существует.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис. 29 приведены конструкция и статические характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом [5].

Рис. 29. Конструкция (а), условные обозначения (б), входная (в) и выходная (г) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом

Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал имеет ту же полярность, что и напряжение .

Полевые транзисторы так же, как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС).

Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы.

7. Устройство и принцип работы дифференциального усилителя

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа [5]. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор (рис. 30).

Рис. 30. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его эквивалентная схема (б)

Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания , а в другую - сопротивление нагрузки . Для балансировки моста необходимо, чтобы выполнялось условие:

,

или

,

где и - выходные сопротивления транзисторов VT1 и VT2.

Таким образом, можно утверждать, что если элементы схемы будут полностью идентичны, то выходное напряжение будет оставаться постоянным:

Дифференциальный усилитель имеет два входа и два выхода, поэтому для выходного напряжения можно записать:

,

где и - соответственно коэффициенты усиления каскадов на транзисторах VT1 и VT2.

В случае когда входные сигналы равны по амплитуде и противофазны, и . При этом выходной сигнал будет равен

где - коэффициент усиления дифференциального усилителя.

В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилителя могут действовать сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы называются синфазными. Появление данных сигналов обусловлено действием различных дестабилизирующих факторов, например, изменением температуры окружающей среды, изменением питающих напряжений наводками внешних электромагнитных полей. Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигналы полностью подавляются, т. е. коэффициент усиления синфазного сигнала будет равен нулю.

В реальных усилителях из-за неидентичности каскадов подавление будет неполным, и поэтому величина будет больше нуля.

Параметром качества дифференциального усилителя является отношение коэффициента усиления дифференциального сигнала к коэффициенту усиления синфазного сигнала. Оно называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала, обычно измеряемым в дБ:

.

Величина в современных дифференциальных усилителях достигает величины (-80…-130) дБ [4]. Значение характеризует дрейф нуля усилителя, т.е. изменение выходного напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличивают . Для увеличения в эмиттерную цепь устанавливается не пассивный резистор, а источник тока на биполярном или полевом транзисторе [2, 3]. Эти схемы при небольшом статическом сопротивлении обладают большим дифференциальным сопротивлением.

Для увеличения коэффициента усиления в современных дифференциальных усилителях вместо резисторов используют активную нагрузку, выполненную на транзисторах [2, 3].

Дифференциальный усилитель на полевых транзисторах

Для многих областей применения необходим дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением. Оно может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов.

Типовая схема дифференциального усилителя, выполненного на полевых транзисторах, представлена на рис. 31.

Рис. 31. Типовая схема дифференциального усилителя, выполненного на полевых транзисторах

Следует отметить, что из-за более значительного технологического разброса параметров симметрия дифференциального усилителя, построенного на полевых транзисторах, несколько хуже, чем у аналогичной схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Поэтому усилители на полевых транзисторах обладают примерно на порядок бульшим значением дрейфа нуля по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах.

Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда требуется усиливать слабые сигналы на фоне значительных шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые или аналоговые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм и многие другие. В этих случаях дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, даже если синфазные помехи в несколько раз превышают его амплитуду.

Дифференциальные усилители широко используют при построении операционных усилителей, речь о которых пойдёт ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т. е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа, что позволяет таким усилителям стабильно работать в широком диапазоне температур.

8. Операционные усилители

По принципу действия операционный усилитель сходен с обычным усилителем. Как и обычный усилитель, он предназначен для усиления напряжения или мощности входного сигнала. Однако, тогда как свойства и параметры обычного усилителя полностью определены его схемой, свойства и параметры операционного усилителя определяются преимущественно параметрами цепи обратной связи.

Операционные усилители выполняют на базе дифференциальных усилителей постоянного тока с нулевыми значениями входного напряжения смещения нуля и выходного напряжения. Они характеризуются также большим коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Ранее подобные высококачественные усилители использовались исключительно в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения таких математических операций, как суммирование и интегрирование. Отсюда и произошло их название - операционные усилители.

В настоящее время операционные усилители выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому операционные усилители практически вытеснили отдельные транзисторы как элементы схем во большинстве областей аналоговой схемотехники.

Чтобы определить, какой тип операционного усилителя подходит для конкретного случая его применения, достаточно, как правило, знания их основных характеристик. Тем не менее для некоторых особых случаев использования операционных усилителей необходимо знание их внутренней структуры.

Рассмотрим основные параметры и характеристики операционных усилителей, прежде всего те, которые используются для описания реально выпускаемых элементов, и приведём основные принципы построения схем на базе операционных усилителей с использованием внешних обратных связей. На рис. 32 представлено обозначение операционного усилителя. Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что операционный усилитель имеет два входа.

...