Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Оренбургский филиал

федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Кафедра МиЕНД

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

«Электроника и схемотехника»

по специальности/направлению подготовки: 11.03.02 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи, профиль Оптические и проводные сети и системы связи

Оренбург 2019

Хлуденев А.В.

«Электроника и схемотехника (Часть 1,2)». Конспект лекций. - Оренбург. 2019 г. - 68 стр.

В конспекте лекций рассматриваются основные вопросы дисциплины «Электроника и схемотехника».

Рецензент:

Горбачев Д.В.. - к.т.н., доцент, доцент кафедры «МиЕНД» ОФ ПГУТИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Оренбургский филиал «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Хлуденев А.В., 2019

Содержание

Список сокращений и обозначений

Введение

Лекция 1

Тема 1. Элементная база

Введение в тему

Раздел 1.1 Полупроводниковые приборы

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 1.2 Интегральные схемы и пассивные элементы

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Лекция 2

Тема 2. Аналоговые устройства

Введение в тему

Раздел 2.1 Основные технические характеристики аналоговых устройств

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 2.2 Обратные связи в аналоговых устройствах

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 2.3 Усилительные каскады

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 2.4 Интегральные аналоговые схемы

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Лекция 3

Тема 3. Элементы и узлы цифровых устройств

Введение в тему

Раздел 3.1 Элементная база цифровых устройств

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 3.2 Функциональные узлы комбинационного типа

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Лекция 4

Тема 4. Цифровые автоматы и полупроводниковая память

Введение в тему

Раздел 4.1 Триггеры, регистры, счетчики

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Раздел 4.2 Интегральные запоминающие устройства

Содержательная часть

Выводы по разделу

Вопросы для самоконтроля

Заключение

Список литературы

Список сокращений и обозначений

полупроводниковый прибор цифровой устройство

АЛУ - арифметическо-логическое устройство

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

АХ - амплитудная характеристика

АЭУ - аналоговое электронное устройство

БИС -большая интегральная схема

БТ - биполярный транзистор

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВЧ - высокая частота

ГСТ - генератор стабильного тока

ДУ - дифференциальный усилитель

ДК - дифференциальный каскад

ДХ - динамическая характеристика

ЕСКД - единая система конструкторской документации

ЗУ - запоминающее устройство

ИП - источник питания ИС - интегральная схема

ИС - интегральная схема

КМОП - комплементарные полевые транзисторы

КОВНИП - коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания

КОСС - коэффициент ослабления синфазного сигнала

КПД - коэффициент полезного действия

МОП - структура “металл-окисел-полупроводник”

НИ - нелинейные искажения

НЧ - низкая частота

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ООС - отрицательная обратная связь

ОС -обратная связь

ОУ - операционный усилитель

ОЭ - общий эмиттер

ПОС - положительная обратная связь

ПТ - полевой транзистор

ПХ - переходная характеристика

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

СЧ - средняя частота

ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика

УГО - условное графическое обозначение

УМ - усилитель мощности

УУ - усилительное устройство

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

ШВ - шина выборки

Введение

Электроника - область науки и техники, связанная с разработкой и практическим использованием приборов и устройств, работа которых основана на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.

Электронные устройства первого поколения строили на электронных лампах - электровакуумных и газонаполненных электронных приборах. Позднее электронные лампы были, в основном, полупроводниковыми приборами в электронных устройствах второго поколения. Электронные устройства третьего поколения реализуются на основе интегральных схем, четвертого поколения на основе больших интегральных схем.

В соответствии с ГОСТ 2.702 - 2011 схема электрическая - документ, содержащий в виде условных изображений или обозначений составные части изделия, действующие при помощи электрической энергии, и связи между ними.

Электрическая структурная схема определяет основные функциональные части изделия (элементы, устройства, функциональные группы), их назначение и связи. Электрическая функциональная схема - служит для разъяснения определенных процессов, протекающих в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом, на ней обычно не указываются элементы и связи, не влияющие на принципы функционирования устройства. Электрическая принципиальная схема определяет полный состав элементов и связи между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы изделия. Она служит основанием для разработки других конструкторских документов.

Схемы не содержат информацию о конструкции изделия и технологии его производства. Поэтому схемотехника это раздел электроники и ее прикладных направлений, связанный с представлением информации о технических объектах функциональной направленности. При работе с электрическими схемами происходит абстрагирование от других аспектов, характеризующих другие свойства технических объектов. Эти свойства принимаются во внимание в рамках конструкторского или технологического аспекта.

Следует отметить, что разнообразные свойства сложных технических средств, к которым относятся телекоммуникационные устройства, тесно взаимосвязаны. Поэтому абстрагирование носит локальный характер. Поэтому на используемые схемотехнические решение существенное влияние оказывают и особенности конструктивного исполнения, и технология производства.

История развития средств электросвязи позволяет наблюдать влияние используемой элементной базы и технологии производства на схемотехнику телекоммуникационных устройств. Появление электронных ламп, транзисторов, интегральных схем сопровождалось коренными изменениями в области схемотехники.

В данном курсе рассматриваются принцип действия элементов электронных устройств и типовые схемотехнические решения на дискретных полупроводниковых приборах и интегральных схемах.

Лекция 1

Тема 1. Элементная база

Введение

Раздел 1.1 Полупроводниковые приборы

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по полупроводниковым приборам.

Содержательная часть

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. В полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или поглощении энергии от другого источника.

Процессы электропроводности в полупроводниках во многом отличаются от процессов электропроводности в металлах. Наиболее важное отличие состоит в том, что в полупроводниках электропроводность осуществляется двумя различными видами движения электронов. Кроме того, проводимость полупроводников можно менять в широких пределах, добавляя малые количества примесей.

Типичными полупроводниками являются германий (Ge) и кремний (Si). В состав атома кремния входят 14 электронов, четыре из которых находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей. На рисунке 1.1 представлена структура кристалла кремния.



Рисунок 1.1

При температуре, равной абсолютному нулю, свободные носители заряда в кристалле отсутствуют. При повышении температуры тепловые колебания приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого электроны, участвовавшие ранее в создании валентных связей, отщепляются и становятся электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются и образуют электрический ток.

При освобождении электрона в кристаллической решетке появляется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами получили название дырок. Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но в другом месте появится дырка. В эту новую дырку, в свою очередь, может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов, что равносильно перемещению положительного заряда. Таким образом, в полупроводнике имеются два типа носителей заряда - электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа) и дырочной проводимости (р-типа).

Наряду с переходом электронов из связанного состояния в свободное возможен и обратный переход, при котором электрон проводимости возвращается на одно из свободных мест электрона связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В равновесном состоянии устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках, обусловленный генерацией пар электрон - дырка называется собственной проводимостью. В отличие от металлов собственная проводимость полупроводников быстро возрастает с повышением температуры.

Для увеличения проводимости чистых полупроводниковых материалов применяют легирование - добавление небольших количеств посторонних примесей. Используются два типа примесей. Примеси донорные - состоят из атомов с пятью валентными электронами (рисунок 1.2). Примеси акцепторные - состоят из атомов с тремя валентными электронами (рисунок 1.3).

Полупроводниковые материалы n- и р-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники.

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р-n-переходом. Он обладает очень важным свойством: его сопротивление зависит от направления тока. В области p-n-перехода наблюдается значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области значительно больше их концентрации в p-области. Вследствие этого происходит диффузия электронов из n-области в p-область. В n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Одновременно происходит диффузия дырок из p-области в n-область. За счет этого приграничная р-область приобретает отрицательный заряд, обусловленный отрицательно заряженными ионами акцепторов. Эти прилегающие к переходу области образуют слой объемного заряда, обедненный основными носителями (рисуно. 1.4). Области объемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду основных носителей. В слое объемного заряда возникает контактное электрическое поле. Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Под действием тепла небольшая часть электронов и дырок преодолевает контактное поле, создавая ток диффузии. Одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда р- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Рисунок 1.2



Рисунок 1.3

Рисунок 1.4

Рассмотрим случай, когда к р-п-переходу приложено внешнее напряжение. Сначала предположим, что напряжение имеет такую полярность, что р-область становится положительной по отношению к п-области (рисунок 1.5). Такое напряжение называют прямым. Прямое напряжение уменьшает напряженность контактного поля. В результате возникает ток дырок из р-области и ток электронов из п-области. Результирующий перенос электронов и дырок в противоположных направлениях образует полный ток через переход. Требуется небольшое прямое напряжение (меньше 1 В), чтобы получить большие токи.

Рисунок 1.5

Если к р-п-переходу приложено напряжение противоположной полярности, такое напряжение называют обратным. Обратное напряжение приводит к появлению внешнего поля, совпадающего по направлению с контактным полем. В результате ширина обедненного слоя увеличится, и тока основных носителей практически не будет (рисунок 1.6). В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток). Обратный ток р-п-перехода значительно, на несколько порядков, меньше прямого. Таким образом, р-п-переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это отражает его вольт-амперная характеристика (рисунок 1.7).



Рисунок 1.6

Рисунок 1.7

Полупроводниковый диод - двухполюсный прибор, имеющий один p-n-переход. По функциональному назначению диоды делят на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В специальных типах полупроводниковых диодов используют различные свойства p-n-перехода: явление пробоя, барьерную емкость перехода и т. д. Условное графическое изображение диода приведено на рисунке 1.8.



Рисунок 1.8

Электрод диода, подключенный к p-области, называют анодом (А), а электрод, подключенный к n-области - катодом (К). Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение; ток диода при этом называют прямым. При обратном смещении катод более положителен, чем анод. Обратный ток при этом ограничен малым током насыщения.

Биполярный транзистор - трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n-p-n-типа являются электроны, а в p-n-p-транзисторе - дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n-p-n-типа. На рисунке 1.9 изображена идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора и его условное графическое обозначение. На рисунке 1.10 показаны структура и условное графическое обо- значение p-n-p-транзистора. Заметим, что n-p-n- и p-n-p-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи. Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.



Рисунок 1.9

Рисунок 1.10

Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора:

1) активный (усиления) - эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный - в обратном;

2) отсечки - оба перехода смещены в обратном направлении;

3) насыщения - оба перехода смещены в прямом направлении;

4) инверсный - эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный - в прямом.

Полевой транзистор (ПТ) - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. В отличие от биполярного ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. От напряжения между затвором и истоком зависит проводимость канала, следовательно, и величина тока. Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток. Если амплитуда изменения управляющего сигнала достаточно велика, сопротивление канала может изменяться в очень больших пределах. В этом случае полевой транзистор можно использовать в качестве электронного ключа.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

- с управляющим p-n-переходом;

- с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Транзисторы второго вида называют МДП-транзисторами (металл -диэлектрик - полупроводник). В большинстве случаев диэлектриком является двуокись кремния SiO₂, поэтому обычно используется название МОП-транзисторы (металл - окисел - полупроводник). В современных МОП-транзисторах для изготовления затвора часто используется поликристаллический кремний.

Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными. На рисунке 1.11 приведена структура n-канального полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.



Рисунок 1.11

В МОП транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов. На рисунке 1.12 приведена структура n-канального МДП полевого транзистора.

Рисунок 1.12

МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и обеспечивают малое потребление энергии. Во-вторых, МОП-транзисторы занимают на кристалле интегральной схемы значительно меньшую площадь, чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в МОП- интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций, чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах.

Выводы по разделу

1. В полупроводниках имеются два вида подвижных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные свободные электроны. Соотношением между концентрациями свободных электронов и дырок в полупроводнике можно управлять, добавляя соответствующие примеси. Материалы, в которых основными носителями заряда являются дырки, называются материалами р-типа; а материалы, в которых основными носителями являются электроны, называются материалами n-типа.

2. Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным или р-n-переходом. Электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

3. Полупроводниковым диодом называют двухполюсный прибор, имеющий один p-n-переход.

5. Биполярный транзистор - трехполюсный полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n-p-n- и p-n-p-типов. Основными носителями заряда в транзисторе n-p-n-типа являются электроны, а в p-n-p-транзисторе - дырки.

Каждый из p-n-переходов транзистора может быть смещён либо в прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора: активный, отсечки, насыщения и инверсный.

6. Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением сопротивления проводящего канала с помощью поперечного электрического поля. Ток полевого транзистора обусловлен потоком основных носителей.

Электроды полевого транзистора называют истоком (И), стоком (С) и затвором (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком. Полевой транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением затвор-исток.

По конструкции полевые транзисторы можно разбить на две группы:

- с управляющим p-n-переходом;

- с металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком (МОП-транзисторы).

Вопросы для самоконтроля

Что понимают под электропроводностью?

Как по типу электропроводности подразделяются твердые вещества?

Объясните внутриатомное строение и зонную структуру собственного полупроводника.

Как влияют примеси на проводимость полупроводника?

Примеси какой валентности обеспечивают получение полупроводников p-типа?

Какие подвижные носители являются основными в полупроводнике n-типа?

Объясните возникновение электронной (n-типа) проводимости полупроводника.

Объясните возникновение дырочной (р-типа) проводимости полупроводника.

Чем вызвано наличие объемного заряда в р - n -переходе?

Какое включение р - n -перехода называется обратным?

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода.

Какие полупроводниковые диоды работают в режиме пробоя?

Объясните структуру и принцип действия биполярного транзистора.

Какое явление в транзисторе называется инжекцией?

Какие существуют схемы включения биполярного транзистора?

Что такое режим отсечки, насыщения, активный?

В каких электрических режимах может работать биполярный транзистор?

Отличие полевого транзистора от биполярного. Принцип действия полевого транзистора.

Каковы преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными?

Объяснить принцип действия полевого транзистора с управляющим р - n -переходом.

На чем основано управление током стока в полевом транзисторе?

В каком направлении смещен электронно-дырочный переход полевого транзистора с управляющим р - n -переходом?

Чем принципиально отличается транзистор с изолированным затвором от обычного полевого транзистора с управляющим р - n -переходом.

Какой участок вольт-амперной характеристики полевого транзистора может использоваться для создания управляемого электрического сопротивления?

Раздел 1.2 Интегральные схемы и пассивные элементы

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по интегральным схемам и дискретным электрорадиоэлементам.

Содержательная часть

Интегральная схема - это микроэлектронное изделие, состоящее из большого количества взаимосвязанных элементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т. п.), изготовленных в едином технологическом цикле на одной подложке и выполняющих определенную функцию или набор функций.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные схемы, все элементы которых изготовлены в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины. Пластины толщиной менее 0.25 мм изготавливают из искусственно выращенных монокристаллов кремния.

Основные технологические операции эпитаксия, диффузия, ионная имплантация выполняются через окна в сформированных на поверхности пластины масках. Так как все элементы интегральной схемы изготавливаются в едином технологическом цикле, их параметры в значительной степени коррелированны и согласованы. Изоляция отдельных элементов обеспечивается обратно смещенными p-n-переходами или диэлектрическими пленками (рисунок 1.13). Самыми удобными элементами для изготовления интегральных схем являются МДП-транзисторы. Они имеют минимальные размеры.

Рисунок 1.13

Самыми сложными интегральными элементами являются высокоомные резисторы и конденсаторы емкостью более 30 - 100 пФ. Индуктивные элементы в интегральных схемах практически не используются. Эти особенности интегральных элементов являются причиной необходимости использования специальной схемотехники интегральных схем - микросхемотехники.

Пассивные элементы схемы выполняют либо накопление энергии (конденсатор, катушка индуктивности), либо ее рассеяние (резистор).

Пассивные компоненты характеризуются малыми размерами, малым числом выводов (как правило, два-три), низкой стоимостью и, как правило, достаточно высокой стойкостью к воздействиям при сборке узлов.

В электронных устройствах интегральные микросхемы имеют очень большой удельный вес, но пассивные компоненты являются все же самыми распространенными изделиями электронной промышленности. Это можно объяснить тем, что такие элементы трудно выполнить в интегральном исполнении. Практически невозможно в ИС изготовить конденсаторы большой емкости, резисторы с большим сопротивлением, сложности в разработке интегральных катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того технические характеристики дискретных элементов лучше, чем интегральных.

К пассивным электронным компонентам относятся:

- конденсаторы;

- резисторы;

- варисторы;

- катушки индуктивности, дроссели и трансформаторы;

- фильтры электромагнитных помех;

- пьезоэлектрические компоненты.

Катушка индуктивности -- винтовая, спиральная или винтоспиральная из свёрнутого изолированного проводника, обладает значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Способна накапливать магнитную энергию при протекании электрического тока. Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, а именно, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т.п. Трансформатор электрический - устройство для преобразования энергии переменного тока. В основе действия лежит явление электромагнитной индукции.

Конденсатор -- двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью, устройство, применяемое для накопления энергии электрического поля. Состоит, как правило, из двух обкладок, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Резистор --элемент электрической цепи, основное функциональное назначение которого оказывать известное сопротивление электрическому току с целью регулирования тока и напряжения. В радиоэлектронных устройствах они нередко составляют более половины всех деталей. Резисторы делятся на металлические, углеродистые, металлокерамические и полупроводниковые. Существуют резисторы с постоянным по величине сопротивлением, и с переменным. Величина переменного сопротивления может изменяться в результате механического перемещения движка (реостат) либо вследствие нелинейной зависимости между током и напряжением (варистор, терморезистор).

Выводы по разделу

К АЭУ предъявляются разнообразные требования. Степень выполнения этих требований контролируют по значениям параметров - технических показателей и характеристикам.

Технические показатели и характеристики количественно оценивают их свойства, связанные с выполняемыми функциями, влиянием на источник сигнала, подверженность влиянию нагрузки, вносимые искажения, энергетическую эффективность.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется интегральной микросхемой (ИМС)?

2. Опишите устройство полупроводниковой ИМС и способы ее изготовления.

3. Что понимают под пленочными ИМС?

4. Каковы особенности тонкопленочных и толстопленочных ИМС?

5. Какие ИМС называются гибридными? Их особенности.

6. Какие пассивные и активные элементы входят в ИМС?

7. Что Вы знаете о корпусах ИМС?

На каких принципах основана работа трансформатора? Почему он может работать только на переменном токе?

Лекция 2

Тема 2. Аналоговые устройства

Введение

Аналоговые электронные устройства используются для приема, обработки, передачи аналоговых сигналов. В качестве математической модели аналогового сигнала можно использовать непрерывную функцию. К аналоговым сигналам относятся электрические сигналы снимаемые непосредственно с микрофонов телекоммуникационных устройств, а также полученные путем их обработки без применения преобразований формы информации.

Раздел 2.1 Основные технические характеристики аналоговых устройств

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по комплексу свойств АЭУ и показателей их характеризующих

Содержательная часть

Технические показатели АЭУ представляют собой количественную оценку его свойств. На рисунке 2.1 приведено представление АЭУ в виде эквивалентного четырехполюсника.

Рисунок 2.1

К техническим показателям относятся:

- входное сопротивление . Чаще всего носит емкостной характер;

- выходное сопротивление . Чаще всего носит также емкостной характер;

- коэффициенты передачи:

- по напряжению или просто :

,

- по току : ;

- по мощности : ,

где - фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами.

Значение К на средних частотах рабочего диапазона УУ, обозначаемого как , называют коэффициентом усиления. В логарифмических единицах: .

Коэффициент полезного действия:

,

где - максимальная выходная мощность усилителя; - мощность, потребляемая от источника питания.

Характеристики АЭУ служат для оценки искажения сигнала. Искажения - это отклонения формы выходного сигнала от формы входного.

Вносимые усилителем частотные искажения оценивают по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) и по фазо-частотной характеристике (ФЧХ). АЧХ называется зависимость модуля коэффициента передачи от частоты. Часто используют нормированную АЧХ (рисунок 2.2). Здесь Y - относительный (нормированный) коэффициент усиления:

, .

По АЧХ и допустимой величине частотных искажений определяют нижнюю и верхнюю граничные частоты, полосу рабочих частот , равную .

Зависимость угла сдвига по фазе между входным и выходным сигналами от частоты оценивается по ФЧХ (рисунок 2.3).

Рисунок 2.2 Рисунок 2.3

Амплитудная характеристика усилителя представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4

Динамическим диапазоном входного сигнала усилителя называют отношение (при заданном уровне нелинейных искажений) к (пр

и заданном отношении сигнал/шум на входе):

Нелинейные искажения (искажения формы выходного сигнала) вызываются нелинейностью характеристик усилительных элементов. Количественно нелинейные искажения гармонического сигнала оцениваются коэффициентом гармоник , который представляет собой отношение действующего значения напряжения (тока, мощности) высших гармоник, появившихся в результате нелинейных искажений, к напряжению (току, мощности) основной частоты (первой гармоники) при подаче на вход гармонического колебания основной частоты (при частотно-независимой нагрузке):

Выводы по разделу

К АЭУ предъявляются разнообразные требования. Степень выполнения этих требований контролируют по значениям параметров - технических показателей и характеристикам.

Технические показатели и характеристики количественно оценивают их свойства, связанные с выполняемыми функциями, влиянием на источник сигнала, подверженность влиянию нагрузки, вносимые искажения, энергетическую эффективность.

Вопросы для самоконтроля

Дайте определение входному и выходному сопротивлениям АЭУ.

Как определяются коэффициенты передачи усилителя по напряжению, по току, по мощности?

Приведите определение АЧХ и ФЧХ.

Что такое переходная характеристика?

В чем суть нелинейных искажений и причина их появления?

Дайте определение коэффициента полезного действия.

Что такое амплитудная характеристика?

Как можно определить динамический диапазон АЭУ?

Раздел 2.2 Обратные связи в аналоговых устройствах

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по применению обратных связей в АЭУ.

Содержательная часть

Обратная связь (ОС) находит широкое применение в разнообразных АЭУ, в том числе, в УУ. В УУ введение ОС призвано улучшить ряд основных показателей или придать новые специфические свойства.

Обратной связью называется передача части (или всей) энергии сигнала с выхода на вход устройства. Сниматься сигнал обратной связи может с выхода всего устройства или с какого-либо промежуточного каскада. ОС, охватывающую один каскад, принято называть местной, а охватывающую несколько каскадов или весь многокаскадный УУ - общей. Структурная схема УУ с ОС приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5

Обычно коэффициент усиления УУ и коэффициент передачи цепи ОС носят комплексный характер, что указывает на возможность фазового сдвига в областях НЧ и ВЧ за счет наличия реактивных элементов как в самом УУ, так и в цепи ОС. Коэффициент передачи цепи ОС равен:

.

Согласно классической теории ОС, влияние ОС на качественные показатели УУ определяются возвратной разностью (глубиной ОС).

Согласно элементарной теории ОС, глубина ОС определится как:

.

Тогда

.

Если >0 - ОС носит положительный характер (ПОС), если <0- ОС отрицательная (ООС), в последнем случае

,

.

Нетрудно увидеть, что в случае ПОС фазы входного сигнала и сигнала обратной связи совпадают и амплитуды складываются, что приводит к увеличению коэффициента усиления, в случае же ООС несовпадение фаз входного сигнала и сигнала обратной связи приводит к их вычитанию, и, следовательно, к уменьшению коэффициента усиления.

ПОС находит применение в генераторах. Основное применение в УУ находит ООС. Она позволяет повысить стабильность работы усилителей, а также улучшить другие важные параметры и характеристики. Снижение коэффициента усиления в УУ за счет ООС не является очень значительным фактором.

ООС классифицируется в зависимости от способов подачи сигналов ООС во входную цепь усилителя и снятия их с выхода усилителя. Если во входной цепи вычитается ток ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной (т.к. выход цепи ООС подключен параллельно входу усилителя).

Если же во входной цепи вычитаются напряжения входного сигнала и сигнала обратной связи, то такую ООС называют последовательной (т.к. выход цепи ООС подключен последовательно входу усилителя).

По способу снятия сигнала обратной связи различают ООС по напряжению, когда сигнал ООС пропорционален выходному напряжению усилителя (вход цепи ООС подключен параллельно нагрузке усилителя), и ООС по току, когда сигнал ООС пропорционален току через нагрузку (вход цепи ООС подключен последовательно с нагрузкой усилителя).

Таким образом, следует выделить четыре основных варианта цепей ОС (рисунок 2.6): последовательная по току (последовательно- последовательная, Z-типа), последовательная по напряжению (последовательно- параллельная, H- типа), параллельная по напряжению (параллельно- параллельная, Y-типа) и параллельная по току (параллельно- последовательная,G- типа).



Рисунок 2.6

Влияние различных видов ООС на основные параметры АУЭ приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Выводы по разделу

Введение обратной связи существенно изменяет свойства АЭУ.

В линейных АЭУ используют отрицательные обратные связи.

Вид обратной связи определяется способом подключения цепи ОС к выходу и входу АЭУ.

Введение ОС преследует цель улучшить определенную группу свойств АЭУ при контролируемом снижении коэффициента передачи по току или напряжению.

Вопросы для самоконтроля

Что такое «обратная связь» и для чего она используется в усилительных устройствах?

Назовите виды обратной связи.

Как влияют последовательная и параллельная ООС на коэффициенты усиления?

Как влияет последовательная и параллельная ООС на входное сопротивление?

Как влияют ООС по току и по напряжению на выходное сопротивление?

Раздел 2.3 Усилительные каскады

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по типовым схемотехническим решениям, используемым для построения каскадов предварительного усиления.

Содержательная часть

Среди многочисленных вариантов усилительных каскадов на БТ самое широкое применение находит каскад с ОЭ, имеющий максимальный коэффициент передачи по мощности (рисунок 2.7).



Рисунок 2.7

Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180є.

Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ). Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.

Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному - , переменному - току) понятен из рисунка 2.8

Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:

Рисунок 2.8

Координаты рабочей точки выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности.

Полная электрическая схема усилительного каскада с ОЭ приведена на рисунке 2.9.



Рисунок 2.9

В отличие от ранее рассмотренного каскада (рисунок 2.2) здесь применена эмиттерная схема термостабилизации (), обеспечивающая лучшую стабильность режима покоя. Конденсатор необходим для шунтирования с целью соединения эмиттера транзистора с общим проводом на частотах сигнала (устранения последовательной обратной связи по току на частотах сигнала).

Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей.

Основными задачами при проектировании УМ являются:

- обеспечение режима согласования выходного сопротивления УМ с нагрузкой с целью передачи в нагрузку максимальной мощности;

- достижение минимальных нелинейных искажений сигнала;

- получение максимального КПД.

УМ классифицируются по:

- способу усиления - на однотактные и двухтактные;

- способу согласования - на трансформаторные и бестрансформаторные;

- классу усиления - на классы A, B, AB, C, D.

При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) . Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А, характеризуются невысоким КПД (в идеале - 50%, реально - (35…45)%). Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные НИ, а мощность и КПД не имеют решающего значения.

Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В, характеризующегося (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10

В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала. Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса В значение КПД до 70%. Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса В - большой уровень НИ ().

Режим класса АВ занимает промежуточное значение между режимами класса А и В и применяется в двухтактных УМ. В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя (рабочая точка А₁), выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.

Однотактные трансформаторные УМ имеют КПД 50 % за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора (рисунок 2.11). Сопротивление нагрузки по переменному току равно:

,

где n - коэффициент трансформации, .

Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике УМ из-за ряда существенных недостатков:

- малого КПД;

- больших частотных искажений за счет трансформатора;

- больших НИ за счет тока подмагничивания трансформатора;

- невозможности реализации в виде ИС.

Рисунок 2.11

Двухтактные УМ ввиду возможности использования режимов АВ, В, С и D характеризуются лучшими энергетическими показателями. На рисунке 2.12 приведена схема двухтактного УМ с трансформаторной связью.

Рисунок 2.12

При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора отсутствует. Трансформатор Тр1 осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор Тр2 согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор Тр1 выполняет еще и функции фазоинвертора (см. на рисунке 2.12 фазировку его обмоток).

Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора VT2, второй - усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью VT1. Вследствие того, что каждый транзистор пропускает ток только для одной полуволны гармонического сигнала, режим класса В характеризуется лучшим использованием транзистора по току. Поскольку токи в секциях обмоток трансформаторов протекают в разных направлениях, отсутствует подмагничивание их сердечников.

В современной электронике наиболее широко применяются бестрансформаторные двухтактные УМ. Такие УМ имеют хорошие массогабаритные показатели и просто реализуются в виде ИС.

Лучшими параметрами обладают двухтактные бестрансформаторные УМ, выполненные на комплементарных транзисторах. Такие УМ принято называть бустерами (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13

При подаче на вход бустера положительной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT1 и через нагрузку потечет ток. При подаче на вход бустера отрицательной полуволны входного гармонического сигнала открывается транзистор VT2 и через нагрузку потечет ток в противоположном направлении. Таким образом, на Rн будет формироваться выходной сигнал.

Выводы по разделу

Каскады предварительного усиления предназначены для усиления сигналов до уровня, достаточного для управления оконечным каскадом.

Цепь смещения должна обеспечивать постоянный ток покоя усилительного элемента. В каскадах предварительного усиления уровни сигналов малы, и параметры транзисторов можно считать постоянными, а нелинейные искажения очень малыми.

Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_н при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Основная цель при разработке таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность. При разработке мощных усилителей внимание уделяется повышению коэффициента полезного действия.

Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД -- в режиме классов В или АВ.

Вопросы для самоконтроля

Что называют усилителем?

Объясните принцип электронного усиления на биполярном транзисторе.

Чем отличаются усилители переменного и постоянного тока?

Какие факторы определяют усилительные свойства усилителей?

Какие требования предъявляются к цепям смещения?

Каким образом обеспечивается температурная стабильность рабочей точки транзистора в усилителях переменного и постоянного тока?

Какие специфические требования предъявляются к выходным каскадам?

Перечислите основные виды схем выходных каскадов.

Сравните различные схемы мощных выходных каскадов по к.п.д. и коэффициенту нелинейных искажений.

Какие преимущества имеют каскады с бестрансформаторным выходом?

Раздел 2.3 Интегральные аналоговые схемы

Цель изучения раздела - сформировать информационную основу по типовым схемотехническим решениям, используемым для построения интегральных операционных усилителей.

Содержательная часть

Идеальный ОУ имеет бесконечно большой коэффициент усиления по напряжению (), бесконечно большое входное сопротивление, бесконечно малое выходное сопротивление, бесконечно большой КОСС и бесконечно широкую полосу рабочих частот. Естественно, что на практике ни одно из этих свойств не может быть осуществлено полностью, однако к ним можно приблизиться в достаточной для многих областей мере.

На рисунке 2.14 приведено два варианта условных обозначений ОУ на схемах, которые встречаются в технической литературе. Вариант (б) определен ГОСТ 2.759-82. Выводы питания и цепей частотной коррекции обычно не показывают на функциональных схемах

Рисунок 2.14

На основе требований к характеристикам идеального ОУ можно синтезировать его внутреннюю структуру, представленную на рисунке 2.15.

Рисунок 2.15

Упрощенная функциональная схема ОУ показана на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16

Данная схема содержит входной ДУ (VT1, VT2) с токовым зеркалом (VT3 и VT4), промежуточные каскады с ОК (VT5) и с ОЭ (VT6), и выходной токовый бустер на транзисторах VT7 и VT8. ОУ может содержать цепи частотной коррекци, цепи питания и термостабилизации (VD1, VD2), ИСТ и т.д. Двухполярное питание позволяет осуществить гальваническую связь между каскадами ОУ и нулевые потенциалы на его входах и выходе в отсутствии сигнала.

Основным параметром ОУ коэффициент усиления по напряжению без обратной связи Kuo. В области НЧ и СЧ он может достигать нескольких десятков и сотен тысяч. Важными параметрами ОУ являются его параметры, определяемые входным дифференциальным каскадом:

- напряжение смещения нуля ;

- температурная дрейф нуля ;

- ток смещения ;

- средний входной ток .

Среди параметров ОУ следует отметить КОСС = и коэффициент ослабления влияния нестабильности источника питания КОВНП=.

К частотным параметрам относится частота единичного усиления (fт), т.е. частота, на которой . Иногда используется понятие скорости нарастания и времени установления выходного напряжения, определяемые по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на его входе.

Так как ОУ обычно используют в схемах с ООС, то для обеспечения устойчивости АЧХ ОУ корректируют, при этом в области частот выше частоты среза . Для скорректированного ОУ можно рассчитать на любой частоте f как , а .

Наиболее часто ОУ используется в инвертирующих и неинвертирующих усилителях. Упрощенная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17

При идеальном ОУ разность напряжений на входных зажимах стремиться к нулю, а поскольку неинвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор , то потенциал в точке а тоже должен быть нулевым ("виртуальный нуль", "кажущаяся земля"). В результате можем записать: , т.е. . Отсюда получаем: , т.е. при идеальном ОУ определяется отношением величин внешних резисторов и не зависит от самого ОУ.

Упрощенная схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рисунке 2.18.

Рисунок 2.18

Нетрудно показать, что в неинвертирующем усилителе ОУ охвачен последовательной ООС по напряжению. Поскольку и подаются на разные входы, то для идеального ОУ можно записать:

,

откуда коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя:

.

При замене резистора конденсатором С (рисунок 2.19) получаем устройство, называемое аналоговым интегратором или просто интегратором.



Рисунок 2.19

При идеальном ОУ можно приравнять токи и , откуда следует:

,

или

.

Точность интегрирования тем выше, тем больше.

Выводы по разделу

ОУ - интегральный многокаскадный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

Используемые для построения интегральных ОУ схемотехнические решения, учитывают особенности интегральных элементов и технологии.

Операционные усилители широко используются в самых различных аналоговых электронных устройствах. При использовании минимального числа внешних элементов удается построить схемы, выполняющие разнообразные операции обработки аналоговых сигналов.

Приемы анализа ОУ основаны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Вопросы для самоконтроля

Перечислите основные свойства идеального операционного усилителя?

Охарактеризуйте область применения операционных усилителей?

Приведите основные параметры интегральных ОУ.

Приведите варианты условного обозначения ОУ.

Приведите структурную схему ОУ.

Какие требования предъявляются к каскадам ОУ?

Приведите упрощенную функциональную схему ОУ.

Что называют операционной схемой?

Перечислите известные Вам операционные схемы?

Как выполняется расчет операционных схем?

Приведите схему инвертирующего усилителя на ОУ.

Как можно определить его коэффициент передачи по напряжению?

Приведите схему неинвертирующего усилителя на ОУ.

Как можно определить его коэффициент передачи по напряжению?

Приведите схему инвертирующего сумматора на ОУ.

За счет чего в этой схеме выполняется операция сложения напряжений?

Приведите схему инвертирующего интегратора на ОУ.

За счет чего в этой схеме выполняется операция интегрирования входного напряжения?

Лекция 3

Тема 3. Элементы и узлы цифровых устройств

Введение

На протяжении последних десятилетий разворачивается технологическая революция в области электроники и связанных с ней прикладных направлений, в том числе в области телекоммуникаций. Проявляется она как вытеснение ЭАУ их цифровыми конкурентами. Особенности функционирования цифровых устройств позволяют почти полностью отказаться от использования дискретной элементной базы. Современные цифровые устройства строят в основном на ИС (преимущественно БИС), используемые дискретные элементы выполняют вспомогательные функции.

...