48460

Радиосвязь и электронные приборы

Конспект

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Варисторы Варистор полупроводниковый резистор сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. где U I Напряжения и ток варистора. Для повышения обратного напряжения диоды включаются последовательно. Стабилитроны Полупроводниковый диод напряжение на котором в области пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

Русский

2013-12-17

5.04 MB

59 чел.

31

Элементная база.

Электронно дырочный переход.

Согласно зонной теории к полупроводникам относятся материалы с полностью заполненной валентной зоной и имеющие запрещенную зону. Наибольшее распространение получили германий и кремний. Чтобы получить полупроводники того или иного типа проводимости к ним добавляют примеси. Примеси создающие избыток электронов называются донорами, а полученные в результате полупроводники называются полупроводниками n-типа. Примеси создающие избыток дырок называются акцепторами, а полученные в результате полупроводники называются полупроводниками p-типа.

И электроны и дырки являются носителями заряда. Для n-полупроводников основными носителями заряда являются электроны, а не основными дырки. Для p-полупроводников наоборот.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость.

Перемещение зарядов из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией называется диффузией, а ток диффузионным. На границе возникает p-n переход (за счет диффузионного тока), который характеризуется определенным потенциалом, за счет которого возникает электрическое поле. В то, же время не основные носители  заряда вследствие теплового эффекта могут хаотично перемещаться. Некоторые достигают p-n перехода и перемещаются в область с противоположной проводимостью, увлекаемые полем. Такое перемещение называется дрейфом, а ток дрейфовым. Таким образом возникает равновесие, когда диффузионный ток становится равным дрейфовому току.

Выводы:

До соединения двух полупроводников концентрация электронов "-" в n-области и дырок "+" в p области равны. Концентрация отрицательных ионов "-" в полупроводнике p-типа равна концентрации положительных ионов "+" в полупроводнике n-типа. Кроме того в каждой области имеется небольшое количество не основных носителей.

После соединения происходит диффузия дырок в область n-типа и  диффузия электронов в область p-типа. Как только дырка покинет область p-типа вблизи границы раздела образуется отрицательный заряд иона акцепторной примеси и наоборот. Iдиф=Ipp+Inn (сумма токов образованных дырками области p и электронами области n).

Одновременно с перемещением основных носителей заряда начинается перемещение не основных носителей заряда. Iдр=Ipn+Inp (сумма токов образованных дырками области n и электронами области p). pn  - переход оказывает для них ускоряющее воздействие.

При отсутствии внешнего поля устанавливается динамическое равновесие таким образом, что Iдиф=Iдр. Так как эти токи направлены в разные стороны, то результирующий ток становится равным нулю.

Вольт - амперная характеристика электронно-дырочного перехода.

Если к pn переходу приложить внешнее напряжение, совпадающее с полем неподвижных ионов рис. 1 то это приведет к расширению запирающего слоя. При этом сопротивление перехода велико, а ток через него мал. В этом случае ток называют обратным Iобр., а переход закрытым.

При противоположном напряжении внешнего источника рис 2. ширина запирающего слоя уменьшается и при напряжении 0.3-0.5 В исчезает. В этом случае ток называют прямым, а переход открытым.

Этим обуславливается односторонняя проводимость электронно-дырочного перехода.

1. Евн<Езап. Прямой ток мал.

2. Евн>Езап. Запирающий слой отсутствует.

3. Небольшой ток за счет не основных носителей заряда.

4. Пробой.

Полупроводниковые приборы.

Классификация полупроводниковых приборов.

Полупроводниковыми приборами называются приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств pn-переходов.

1. Полупроводниковые резисторы

2. Полупроводниковые диоды

3. Биполярные транзисторы

4. Полевые транзисторы

5. Тиристоры

6. Полупроводниковые фотоэлектрические приборы.

7. Полупроводниковые микросхемы.

8. Комбинированные полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые резисторы

Классификация:

1. Линейные резисторы

2. Варисторы

3. Терморезисторы (термисторы и позисторы)

4. Тензорезисторы

5. Фоторезисторы.

Линейные резисторы

Линейный резистор - полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия.

Используются в интегральных микросхемах.

Варисторы

Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

Один из основных параметров варистора коэффициент нелинейности., где U I Напряжения и ток варистора. Коэффициент нелинейности для различных типов варисторов лежит в пределах 2-6.

Терморезисторы (термисторы и позисторы)

Терморезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Термистор - сопротивление с ростом температуры падает.

Позистор - сопротивление с ростом температуры растет.

Один из основных параметров терморезистора - температурный коэффициент сопротивления, который выражает процентное изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Для термисторов K=-0.3 - -0.66. У позисторов температурный коэффициент положительный. Применяются в системах регулирования, тепловой защите.

Тензорезисторы

Тензорезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций. Важнейшей характеристикой является деформационная характеристика.

Основными параметрами является номинальное сопротивление R= 100-500 Ом и коэффициент тензочувствительности  

К=-150 - +150.

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с одним pn-переходом. По конструкции классифицируются как плоскостные и точечные.

К точечным диодам относятся:

1. Выпрямительные.

2. СВЧ - диоды.

К плоскостным диодам относятся:

1. Выпрямительные

2. Стабилитроны

3. Туннельные диоды

4. Обращенные диоды

5. Варикапы.

6. Светодиоды

7. Фотодиоды

8. Фотоэлементы.

Выпрямительные диоды.

Это диоды предназначенные для выпрямления переменного тока. По мощности подразделяютя на маломощные, средней и большой мощности.  Вольтамперная характеристика аналогична характеристике pn-перехода. Основные параметры:

- прямое напряжение, которое нормируется при определенном прямом токе.

- максимально допустимый прямой ток

- максимально допустимое обратное напряжение

- обратный ток, который нормируется при определенном обратном напряжении.

Для повышения обратного напряжения диоды включаются последовательно. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу. В  диодных сборках используется параллельное, последовательное, мостовое и другие способы включения диодов.

Стабилитроны

Полупроводниковый диод, напряжение на котором в области пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона видна из его вольт - амперной характеристики.

При увеличении Iн Iс уменьшается, а напряжение остается постоянным  за счет характеристики  стабилитрона. Основными параметрами стабилитрона являются:

1. Напряжение на участке стабилизации Uст

2. Динамическое сопротивление на участке стабилизации

3. Минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее  напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации.

Туннельный диод.

Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника. Из-за высокой концентрации примесей и малой ширины pn-перехода в области перехода появляются так называемые потенциальные ловушки, что приводит к образованию на  вольтамперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением (т.е. при увеличении напряжения ток уменьшается).

Основными параметрами являются:

1. Ток пика Ip

2. Отношение тока пика к току впадины

Обращенные диоды

- Разновидность туннельных диодов. Электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обладают вентильными свойствами при малых напряжениях в той области, где выпрямительные диоды вентильными свойствами не обладают. Туннельные диоды применяются в генераторах высокочастотных колебаний и в импульсных переключателях.

Варикап

Полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости pn-перехода от обратного напряжения. Варикап применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Используется в схемах управления, для автоматической подстройки частоты.

Основные параметры:

Общая емкость при небольшом обратном напряжении Uобр=2-5В и коэффициент перекрытия по емкости . Для большинства варикапов С=10-500 пФ и К=5-20.

В последнее время появилось еще два типа диодов - магнитодиод и тензодиод. Магнитодиод - полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля. Основным параметром является его чувствительность , где dU  и dB приращение прямого напряжения и магнитной индукции. K=(10-50)*103 B/(Тл*мА)

Тензодиод -полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций. В качестве тензодиодов обычно применяются туннельные диоды у которых отдельные участки в/а характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

Классификация:

По типу:

1. p-n-p-тип                                     2. n-p-n-тип

По частоте:

1. низкочастотные f < 3 Мгц

2. среднечастотные 3 МГц < fгр < 30 Мгц

3. высокочастотные 30М Гц < fгр < 300 Мгц

4. сверхвысокочастотные fгр > 300 Мгц

По мощности:

1. малой мощности Рmax < 0.3 Вт

2. средней мощности 0.3 Вт < Рmax < 1.5 Bт

3. большой мощности Рmax > 1.5 Bт

В биполярных транзисторах ток определяется носителями зарядов двух типов: электронов и дырок (отсюда и название биполярный) Транзистор имеет три вывода которые называют база, эмиттер, коллектор. В зависимости от проводимости транзисторы подразделяют на транзисторы прямой проводимости p-n-p и транзисторы обратной проводимости n-p-n. В зависимости от полярности  прикладываемых напряжений транзистор может работать в одном из трех режимов:

1. Режим отсечки. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором обратные.

2. Режим насыщения. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором прямые.

3. Активный режим. Напряжение между эмиттером и базой прямое, а между эмиттером и коллектором обратное.

Рассмотрим работу транзистора в активном режиме.

При действии прямого напряжения Еб эмиттерный переход смещается в прямом направлении (ширина перехода уменьшается) и дырки свободно проходят через pn переход в область базы. База очень тонкая, поэтому основная масса дырок перемещается к коллекторному переходу и лишь незначительная часть рекомбинирует с электронами базы, образуя ток базы Iб. Изменением тока базы можно изменять напряжение на эмиттерном переходе (изменять ширину, а следовательно сопротивление перехода) и таким образом управлять током между эмиттером и коллектором. Следовательно, особенность транзистора состоит в том, что между его электронно дырочными переходами существует взаимодействие - ток одного из переходов может управлять током другого перехода. В этом состоит усилительное свойство транзистора - незначительное изменение тока  базы Iб влечет значительное изменение тока коллектора Iк. Уравнение связи токов в транзисторе имеет вид: Iэ=Iб+Ik+Iко, где Iко - обратный  коллекторный ток. Связь между приращением эмиттерного и коллекторного токов  характеризуется коэффициентом передачи тока:  при Uкб=Const для схемы с общей базой.

Схемы включения транзистора.

Вольтамперные характеристики биполярных транзисторов.

Вольтамперные характеристики делятся на две группы.

1.Входные  Iвх=f(Uвх) при Uвых=0 или Iб=f(Uбэ) при Uкэ=Const

2.Выходные Iвых=f(Uвых) при Iвх=0 или Iк=f(Uкэ) при Iб=Const

Для расчетов цепей с транзисторами пользуются схемами замещения транзисторов. В основном нашли применение Т-образные и П-образные схемы.

Рассмотрим Т-образную схему:

При этом рассматриваются следующие параметры транзистора:

1.Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:  при Uкб=Const (единицы - десятки Ом)

2.Оммическое сопротивление базы rб=100-400 Ом

3.Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:  при iэ =Const (0.1-0.5 МОм)

4.Емкость коллекторного перехода Ск (10-100 пФ)

5.Дифференциальный коэффициент передачи базового тока

Частоту на которой коэффициент базового тока становится равным 1 и усилительные свойства транзистора не проявляются называется граничной частотой передачи тока базы fгр. Рассмотренные параметры называются внутренними параметрами транзистора Они не зависят от схемы включения транзистора, но чтобы их получить нужно правильно составить схему замещения, которая в свою очередь зависит от схемы включения.

h-параметры биполярных транзисторов

Еще один способ расчета и анализа схем на биполярных транзисторах основан на использовании так называемых h-параметров транзистора включенного по схеме с общим эмиттером. Для этого рассмотрим транзистор как четырехполюсник.

Связь между входными и выходными параметрами четырехполюсника выражается в виде системы уравнений. Если за независимые принять токи четырехполюсника, а напряжения считать зависимыми:

U1=f(I1,I2)

U2=f(I1,I2)

то имеем систему r параметров холостого хода ХХ.

Если поступить наоборот:

I1=f(U1,U2)

I2=f(U1,U2)

то имеем систему g параметров или параметров короткого замыкания. В промышленной электронике пользуются системой h -параметров в которой за независимые величины принимают выходное напряжение U2 и входной ток I1.

U1=f(I1,U2)

I2=f(I1,U2)

Дифференцируя величины U1 и I2 по I1 и U2 получим уравнения:

(1)

D-частная производная Введем обозначения:

- входное сопротивление транзистора для переменной составляющей тока.

- коэффициент обратной связи по переменной составляющей напряжения.

- коэффициент передачи переменной составляющей тока

- выходная проводимость транзистора для переменной составляющей тока.

Подставив полученные выражения в формулу 1 и заменив дифференциалы токов и напряжений через приращения получим:

U1=h11*I1+h12*U2

I2=h21*I1+h22+U2 (2)

На основании уравнения 2 можно составить эквивалентные схемы замещения транзистора (П-образные схемы)

Схема генератора напряжения или режима короткого замыкания эквивалентна большой емкости на выходе транзистора. Рис 1. Схема генератора тока или режима холостого хода эквивалентна большой индуктивности на  входе транзистора. Уравнение 2 можно переписать в виде

 

 

где U и I соответствующие малые приращения напряжений и токов транзистора. Отсюда:

при Uкэ=Const

при Iб=Const

при Uкэ=Const

при Iб=Const

Формулы пересчета h-параметров.

H

по известным параметрам в схеме с ОБ

по известным параметрам в схеме с ОЭ

для ОЭ

для ОК

для ОБ

для ОК

h11

h11э

h12

1

1

h21

h22

h21э

Где

dhб=h11б*h22б-h12б*h22б

dhэ=h11э*h22э-h12э*h22э

Внутренние параметры можно выразить через h параметры:

Полевые транзисторы

Название произошло от того что управление этими транзисторами происходит за счет электрического поля, управляющего током канала транзистора.

Каналом называется центральная область транзистора, ток через которую управляется ее поперечным сечением (площадью канала).Электрод из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод через который основные носители уходят  из канала - стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала  называется затвором. В  зависимости от проводимости канала транзисторы делятся на два типа:

  1.  с каналом p-типа
  2.  с каналом n-типа.

Устройство и работа транзистора с каналом n-типа.

Если подать напряжение между истоком и стоком, то по каналу потечет электрический ток. В область затвора ток ответвляться не будет потому, что один из n переходов будет смещен в обратном направлении. Напряжение между И и С можно подавать любой полярности, но обычно у n типа на И+ и на С-. Управляющее напряжение подается между З и И, причем такой полярности, чтобы p-n переход был смещен в обратном направлении. При подаче запирающего напряжения ширина p-n перехода увеличивается, следовательно ширина канала уменьшается и  величина тока через канал также уменьшается и при достижении напряжения достаточно малой величины ток приобретает определенное конечное значение.

Так как переход смещен в обратном направлении транзистор имеет большое входное  сопротивление  при  Uси=Const = (109-1012)Ом.  при Uзи=Const = 50 - 200 КОм. Основным параметром является крутизна характеристики  при Uси=Const.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

 Отличаются тем, что канал отделен от затвора слоем диэлектрика. Их называют МДП - металл диэлектрик полупроводник или МОП - метал оксид полупроводник. Эти транзисторы также могут быть n или p типов Они делятся на 2 группы: транзисторы со встроенным каналом и транзисторы с индуцируемым каналом. Рассмотрим работу транзистора со встроенным каналом.

При подаче напряжения между истоком и стоком через канал начинает протекать определенный ток. Если подать на затвор относительно истока положительное напряжение(p-тип) то под действием электрического поля дырки будут выталкиваться из области канала в область истока-стока и подложки, т.е. канал обедняется носителями заряда и ток через него уменьшается (режим обеднения) Если относительно истока на затвор подать отрицательное напряжение, то дырки будут стягиваться в канал из истока, стока и подложки и ток через канал возрастет (режим обогащения).

Транзистор с индуцируемым каналом.

 При подаче отрицательного напряжения на затвор относительно истока дырки начинают скапливаться в затворе из областей истока стока и подложки. При увеличении этого напряжения количество дырок увеличивается  и при некотором значении напряжения называемым пороговым количество дырок увеличивается настолько, что образует канал p-типа. Если приложить между истоком и стоком напряжение, то через канал потечет ток. У транзисторов с изолированным затвором Rвх на три порядка выше. Пробивное напряжение составляет 50- 60 В. Такие транзисторы могут пробиться от статического электричества.

Тиристоры

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя или более p-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Классификация:

Как диодный так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру. Питающее напряжение подается таким образом,  что переходы П1 и П3 открыты, а П2 закрыт. В этом случае все питающее напряжение приложено к закрытому переходу. При повышении Uпр ток тиристора увеличивается незначительно, пока Uпр не приблизится к некоторому значению Uвкл. После этого наступает лавинообразный процесс и тиристор открывается. Напряжение Uвкл может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой слой прилегающий к переходу П2. Добавочные носители вводятся у триодного тиристора в слой р2 вспомогательной цепью питания Uу. Для этого у тиристора имеется третий электрод  2. В какой мере снижается пробивное напряжение видно из семейства вольтамперных характеристик тиристора. Меняя ток управляющего электрода можно изменить напряжение включения тиристора. В симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь характеристики совпадает с прямой. Это достигается встречно -параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур.

Свето и фотоэлектрические полупроводниковые приборы

Светодиод

Принцип действия основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей зарядов в области pn перехода, к которому приложено прямое напряжение. Цвет излучения определяется материалом из которого изготовлен светодиод. (красные, желтые, зеленые). На базе светодиодов разработаны матричные индикаторы (36 точечных элементов 5 колонок и 7 рядов и одна точка в 7 ряду). - АЛС340А. Они обладают большими возможностями, чем сегментные индикаторы. Кроме светодиодов или световых индикаторов используются жидкокристаллические индикаторы. Они не излучают свет, а преломляют его. Для их использования необходим внешний свет.

Фоторезистор

Принцип действия основан на изменении электрической проводимости под воздействием оптического излучения. Основная характеристика - зависимость фототока резистора Iф от потока излучения Ф выраженного в люменах.

Фотодиод.

- полупроводниковые приборы с внутренним фотоэффектом, имеющим один электронно - дырочный переход и два вывода. В неосвещенном состоянии в/а характеристика совпадает с характеристикой обычного диода, при освещении существенно изменяется лишь обратная ветвь. Если замкнуть фотодиод на резистор, он будет работать в режиме фотогенератора. Если подать на  фотодиод обратное напряжение он будет работать в режиме фотопреобразователя.

Фототранзистор.

Фототранзистор изготовляют как обычный транзистор но лишь с двумя  выводами. Если управление обычным транзистором происходит за счет изменения тока базы, то управление фототранзистором происходит за счет изменения освещенности базы. Чувствительность фототранзисторов  значительно выше чувствительности фотодиода и составляет 0.5-1 А/лм.

Оптроны.

Оптронами называются приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические и передающие эти сигналы индикаторам или фотоэлектрическим преобразователям. К основным типам оптронов относят: фоторезисторные, фототранзисторные фотодиодные и фототиристорные оптроны. Используются для гальванического разделения сигналов.

Микросхемы

Микросхема - микроэлектронное изделие, содержащее активные (транзисторы, диоды) и пассивные (резисторы, конденсаторы, дроссели) элементы, образующие законченную электронную схему выполненную во время единого технологического процесса и заключенную в общий корпус. Функциональная сложность определяется основными параметрами микросхем - плотностью упаковки и степенью интеграции. Плотность упаковки характеризуется количеством транзисторов на 13 см объема. Их число может изменяться от нескольких элементов до нескольких десятков тысяч элементов. Степень интеграции - количество элементов, входящих в состав микросхемы. 1 степень до 10 2 степень 10-100 3 степень 100-1000 и т.д. Современные микросхемы могут достигать 105 э/см3 и достигать шестой степени интеграции.

Существует два больших класса микросхем цифровые микросхемы и аналоговые микросхемы.

Усилительные каскады переменного напряжения и тока.

Структурная схема усилителя.

Простейшим усилительным каскадом является каскад, содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник энергии Е. Увеличение мощности сигнала происходит за счет этого источника. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления УЭ, а следовательно и тока в выходной цепи. Основными параметрами усилительного каскада являются:

- коэффициент усиления по напряжению

- коэффициент усиления по току

- коэффициент усиления по мощности

В зависимости от этого различают усилители напряжения, тока и мощности. Последовательное соединение каскадов усиления образует многокаскадные усилители К=К1*К2...

В зависимости от диапазона частот входных сигналов усилители подразделяются на:

- Усилители постоянного тока УПТ

- Усилители низкой частоты УНЧ

- Усилители высокой частоты УВЧ

- Импульсные усилители или широкополосные ШПУ

- Узкополосные усилители или избирательные.

Основные показатели усилителей

1. Входные данные усилителя - входное напряжение, ток, мощность и сопротивление.

2. Выходные данные - выходное напряжение, ток, мощность и сопротивление.

3. Коэффициенты усиления. Часто модули коэффициентов усиления выражаются в децибелах Ku=20lgKu, Ki=20lgKi, Kp=10lgKp. Тогда общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов.

4. Коэффициент полезного действия выходной цепи усилительного элемента - отношение мощности сигнала на выходе к потребляемой мощности от источника питания .

5. Линейные искажения - искажения вызванные наличием в схеме усилителя линейных элементов - конденсаторы катушки резисторы.

6. Частотные искажения - искажения возникающие из-за неравномерного усиления гармоник основного сигнала.

7. Фазовые искажения - искажения возникающие из-за неравномерного прохождения во времени гармоник основного сигнала.

8. Полоса пропускания - диапазон частот усиливаемых в пределах заданных искажений.

9. Нелинейные искажения - искажения вызванные наличием в схеме усилителя нелинейных элементов - транзисторы, диоды.

10. Собственные шумы - сигналы на выходе усилителя при отсутствии усиливаемых сигналов на входе.

Однокаскадные усилители.

Усилительный каскад с общим эмиттером.

В соответствии со 2 законом Кирхгофа для коллекторной цепи усилителя можно записать Ек=Uк+RкIк (1). Вольтамперная характеристика резистора является линейной, а транзистора нелинейной. Рассчитать такую цепь можно графически по динамическим характеристикам. Для этого на семействе коллекторных характеристик строится нагрузочная линия (вольтамперная характеристика резистора Rк) по двум точкам: на оси абцисс Uк=Eк при Iк=0 и на оси ординат   при Uк=0. Точки пересечения с коллекторными характеристиками дают решение уравнения 1.

Анализ работы  усилительного каскада удобно проводить с помощью переходной характеристики Iк=f(Iб), которую строят по точкам пересечения линии нагрузки с коллекторными характеристиками и соответствующими точками усредненной входной характеристики, повернутой на 90 градусов.

Сопротивление Rк выбирают, исходя из требуемого усиления входных сигналов. В динамическом режиме, когда усилитель нагружен на нагрузку или на вход другого усилителя линия нагрузки проходит круче, т.к. суммарное сопротивление меньше. Чтобы избежать искажений  важно, чтобы проекция входного сигнала попала на прямолинейный участок переходной характеристики. Это достигается выбором рабочей точки и обеспечивается резистором Rб. Сопротивление резистора можно рассчитать по формуле . Откуда Iбп=(Ек-Uбп)*Rб  т.е. при увеличении Rб рабочая точка смещается вверх по входной характеристике транзистора. Емкости служат для разделения постоянной и переменной составляющей входного и выходного сигналов. Благодаря тому, что коллекторный ток намного превышает ток базы, а сопротивление Rк>Rвх, выходное напряжение усилителя по такой схеме получается намного больше входного. При больших входных напряжениях  переменные составляющие токов выходят за пределы линейных участков входной и переходной характеристик в результате могут наблюдаться значительные нелинейные искажения. Выходной сигнал такого усилителя является инверсным, т.е. находится в противофазе с входным  сигналом. Коэффициент усиления, полученный из схемы замещения.

Усилительный каскад с эмиттерной температурной стабилизацией

  

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. В конечном результате это приводит к смещению рабочей точки на коллекторной и переходной характеристиках. Для уменьшения влияния температуры в цепь эмиттера включают резистор Rэ, зашунтированный емкостью Сэ.

В цепи базы для создания начального напряжения смещения Uбэ между базой и эмиттером применен делитель Rб1, Rб2.  (1).

При увеличении температуры увеличивается коллекторный ток. При наличии Rэ увеличение Iэ=Iб+Iк приводит к возрастанию напряжения на  Rэ. Это вызывает снижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера (формула 1), а следовательно к уменьшению токов Iэ и Iк. Введение Rэ при отсутствии С изменяет работу усилителя не только в режиме покоя, но и при наличии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока создает на резисторе падение напряжения которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору. При наличии конденсатора переменная составляющая шунтируется на массу.

Усилительный каскад с коллекторной температурной стабилизацией

В случае коллекторной стабилизации, напряжение обратной связи подается из коллекторной цепи в цепь базы с помощью резисторов Rб1=Rб2. При увеличении температуры коллекторный ток увеличивается, а коллекторное напряжение уменьшается. Это приводит к снижению потенциала  базы, а следовательно к уменьшению тока базы и коллекторного тока, который стремится к своему первоначальному значению. Чтобы переменная составляющая коллекторного тока не попадала в цепь базы используется Т-образный фильтр, реализованный на Сф, который включен между Rб1 и Rб2.

Усилительный каскад с общим коллектором.

В данном каскаде резистор, с которого снимается выходное напряжение включен в эмиттерную цепь. В режиме покоя при Uвх=0, резистор Rб создает начальный ток смещения в цепи базы. Его значение выбирают таким образом, чтобы рабочая точка находилась примерно посредине прямолинейного участка входной характеристики. Коэффициент усиления такого каскада можно приблизительно выразить . Он всегда меньше единицы (0.9 - 0.99). Поэтому его еще называют коэффициентом передачи.

Фаза выходного сигнала, в отличие от каскада с общим эмиттером совпадает с фазой входного сигнала. Поэтому данный каскад еще называют эмиттерным повторителем. Эмиттерный повторитель обладает большим входным и малым выходным сопротивлением, следовательно его коэффициент усиления по току может быть очень высоким. Эмиттерный повторитель используют в тех случаях когда необходимо согласовать высокоомный источник усиливаемого напряжения с низкоомной нагрузкой.

Усилительный каскад с общей базой.

Положение рабочей точки определяется резисторами Rб1 Rб2. Из-за наличия Сб, можно считать, что по переменной составляющей база соединена с общей точкой усилительного каскада. Каскад с общей базой имеет примерно такой же коэффициент передачи по напряжению, как и каскад с общим коллектором, но коэффициент передачи по току значительно меньше. Другим недостатком является малое входное и сравнительно большое выходное сопротивление, поэтому каскады с общей базой применяются редко.

Усилительные каскады на полевых транзисторах.

  Наиболее часто используется усилительный каскад с общим истоком.

Резистор Rc, с помощью которого осуществляется усиление, включен в цепь стока. Rи создает необходимое смещение рабочей точки в режиме покоя. Rз обеспечивает в режиме покоя равенство потенциалов затвора и общей точки. Входное напряжение подается на резистор Rз. При входном сигнале в канале появляются переменные составляющие iи и ic. За счет падения напряжения на Rн от переменной составляющей iи усиливаемое транзистором напряжение может быть значительно меньше входного напряжения: uз=uвх-Rиiи. Это явление ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления. Для его устранения в схему включен конденсатор Си. При этом падение напряжения на цепочке Rи Cи, называемой звеном автоматического смещения, очень небольшое.

Анализ работы каскада проводится графически с помощью вольт-амперных характеристик.

Уравнение электрического состояния для цепи стока и истока в режиме покоя имеет вид Ес=Uс+RсIс. В соответствии с этим уравнением можно построить вольт-амперную характеристику резистора Rc (линию нагрузки) . Эту линию стоят по двум точкам Uc=0 при  и Uс=E при Iс=0. Графическим решением уравнения Ес=Uс+RсIс являются точки пересечения линии нагрузки со стоковыми характеристиками. Определяя по этим точкам значения тока Ic для различных значений напряжения Uз, можно построить динамическую переходную характеристику Iс=f(Uз). При подаче на вход каскада переменного напряжения Uвх появляется переменная составляющая тока стока ic. Изменение этого тока приводит к изменению напряжения Uc. Его переменная составляющая uc, числено равная, но противоположная по фазе падению напряжения на Rc, является выходным напряжением усилительного каскада.

Режимы работы усилительных каскадов.

Режим А.

Характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают на прямолинейном участке входной переходной характеристик. Значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа происходила на линейном участке. В этом случае нелинейные искажения будут минимальными.

Данный режим используется в усилителях напряжения. Основной недостаток - низкий КПД.

Режим B.

Характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают в начале переходной характеристики транзистора. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В переменные составляющие тока и напряжения возникают только в положительные полупериоды входного напряжения. Выходное напряжение, при синусоидальном входном напряжении имеет форму полусинусоиды, следовательно нелинейные искажения очень большие.

Режим В используют как правило только в двухтактных усилителях мощности.

Режим С.

Характеризуется тем, что рабочую точку в режиме покоя выбирают за точкой отсечки и ток в транзисторе возникает только в течение некоторой части положительного полупериода. Этот режим сопровождается большими искажениями, но КПД может быть очень высоким и приближаться к 1.

Режим используется в избирательных усилителях и автогенераторах.

Многокаскадные усилители напряжения и мощности.

Однокаскадные усилители чаще всего имеют коэффициент усиления в несколько десятков, а для большинства устройств требуются усилители с большим коэффициентом усиления. В этом случае используют многокаскадные усилители.

Двухкаскадный усилитель напряжения с резистивно емкостной связью.

Усилитель состоит из двух усилительных каскадов с общим эмиттером, соединенных между собой через конденсатор связи Сс1. Этот конденсатор не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора Т1 в базовую цепь транзистора Т2. Конденсатор Сс2 не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистора Т2 на нагрузочное устройство. В каждом каскаде применена эмиттерная температурная стабилизация, обеспечиваемая элементами Rэ и Сэ. Данный усилитель можно представить следующей эквивалентной схемой:

Здесь С0=Свх2+См=(1+Кu2)Ск2+См, где

Кu2 - коэффициент усиления по напряжению второго каскада.

Ск2 - емкость коллекторного перехода второго транзистора.

См - емкость монтажа.

Rвх представляет собой входное сопротивление второго каскада.

Rвн=Rвых - выходное сопротивление первого каскада.

Коэффициент усиления по напряжению ненагруженного усилителя с общим эмиттером имеет вид:

Тогда выражение для коэффициента усиления всего усилителя имеет вид:

где , tн=Со*(Rвх+Rвых) (1)

- соответственно постоянные времени усилительного каскада на верхних и нижних частотах. Из выражения 1 нетрудно получить модуль коэффициента усиления по напряжению и аргумент, представляющий собой угол сдвига фаз выходным и входным напряжениями.

   

Из полученных выражений видно, что коэффициент усиления зависит от частоты. Наибольшее значение он имеет на средних частотах. Для оценки свойств усилителя на разных частотах пользуются амплитудно-частотными и фазочастотными характеристиками.

Частотные искажения оценивают коэффициентами частотных искажений, которые равны: на нижних частотах Мн=К0/Кн, на верхних Мв=К0/Кв. Частоты Wн.гр. и Wв.гр. соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот между ними - полосой пропускания усилителя. Фазочастотная характеристика показывает, что на нижних частотах выходное напряжение опережает по фазе входное напряжение, а на верхних частотах отстает от него. В общем случае коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов отдельных каскадов.

Обратные связи в усилителях.

   Обратной связью называют подачу части или всего выходного напряжения на его вход. Обратные связи создают специально. Если обратная связь возникает произвольно она называется паразитной. Если напряжение обратной связи складывается с входным напряжением, то такая связь называется положительной ОС.  Если вычитается - отрицательной.

Обратные связи делятся на ОС по напряжению и по току. В усилителях применяется как правило отрицательная ОС. При этом уменьшается коэффициент усиления усилителя, но такой усилитель обладает рядом преимуществ. ОС позволяет расширить полосу пропускания, снижает уровень нелинейных искажений, фон и шумы возникающие внутри усилителя, повышает стабильность коэффициента усиления. В зависимости от типа ОС можно уменьшить или увеличить входное и выходное сопротивление. Коэффициент усиления при введении ОС можно определить по формуле

Усилители мощности.

Очень часто возникает необходимость получения в нагрузочном устройстве максимальной мощности усиливаемого сигнала. Усилительные каскады, обеспечивающие это условие называются усилителями мощности. Нагрузочными устройствами этих усилителей нередко являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей и т.д., имеющие сравнительно небольшое сопротивление.

Получение требуемой мощности обеспечивается прежде всего выбором необходимого транзистора. При выбранном транзисторе и заданном источнике усиливаемого сигнала получение максимальной

мощности в нагрузочном устройстве возможно лишь тогда, когда его  сопротивление равно выходному сопротивлению усилительного каскада.

Выходное сопротивление усилительных каскадов с общим эмиттеом и общим истоком составляет обычно сотни Ом, а сопротивления нагрузочных устройств оказываются в десятки раз меньше. Для согласования этих сопротивлений используются понижающие трансформаторы.

Однотактный усилитель мощности.

Усилитель работает в режиме А. Трансформатор Тр согласует  сопротивление резистора Rн с выходной цепью транзистора Т. Резисторы Rб1, Rб2 и Rэ обеспечивают выбранный режим работы по постоянному току. В мощных усилителях их иногда заменяют источником эдс. Резисторы Rб1, Rб2 фиксируют по постоянному току потенциал базы jб, а на резисторе Rэ создается падение напряжения RэI0, определяющее смещение перехода эмиттер - база.

Для избежания появления отрицательной обратной связи по переменному току служит конденсатор Cэ.

Двухтактный усилитель мощности.

Каскад усиления состоит из двух симметричных плеч. Транзисторы Т1 и Т2 подбирают с максимально близкими характеристиками. Единственным отличием работы плеч усилителя является противофазность токов и напряжений в коллекторных цепях. Входной трансформатор обеспечивает получение двух одинаковых по модулю, но противофазных напряжений Uвх1 и Uвх2. Выходной трансформатор суммирует  выходные переменные токи и напряжения транзисторов.

Такой каскад может работать как в режиме А так и в режиме В. Работа в режиме В в целом подобна работе в режиме А, но каждый из транзисторов открыт и участвует в формировании выходного напряжения только в течение одного полупериода. Транзисторы работают как бы поочередно, образуя гармоническое выходное напряжение из двух полусинусоид.

Бестрансформаторные усилители мощности.

Бестрансформаторные усилители мощности являются двухтактными  усилителями. Их собирают из транзисторов разных типов. Т1 типа  p-n-p, а Т2 типа n-p-n. Транзисторы обычно включают по схеме с общим коллектором, т.к. это обеспечивает минимальное выходное сопротивление, что особенно важно при работе усилителя на низкоомную нагрузку. Независимо от схемы включения транзисторы должны быть подобраны одинаковыми. Конденсатор С1 разделяет по постоянному току источник сигнала и входную цепь усилителя, а С2 - нагрузочный резистор и эмиттерную цепь транзисторов.

На базы транзисторов воздействует одно и то же переменное напряжение Uвх. Однако в силу различной структуры  транзисторов токи в их цепях противофазны. Нагрузочный резистор подключается к общей точке транзисторов, поэтому переменные токи в нем имеют одно и то же направление, а результирующий ток в два раза превышает ток одного транзистора.

Такие каскады могут работать как в режиме А так и в режиме В.

Усилители постоянного тока.

При проведении измерений в электронных устройствах автоматики необходимо усиливать сигналы очень низких частот - порядка долей Герц. Для этого требуются усилители, имеющие равномерную амплитудно - частотную характеристику до самых низких частот. Такие усилители называют усилителями постоянного тока УПТ. В многокаскадных УПТ не могут быть использованы реактивные элементы связи  (конденсаторы, трансформаторы), поэтому используются как правило резисторы. В этом случае возникают трудности, связанные с отделением полезного сигнала от постоянных составляющих напряжения и тока, необходимые для работы транзисторов.

Характеристики УПТ, как и обычных усилителей должны отвечать ряду требований:

1. При отсутствии входного сигнала должен отсутствовать вых. сигнал.

2. При изменении знака вх. сигнала должен изменяться знак вых.  сигнала.

3. Напряжение на нагрузке должно быть пропорционально вх. напряжению.

Второе и третье требование достигается за счет работы усилителя в  режиме А. Для выполнения первого условия необходимо отделить полезный входной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора. В УПТ это производится компенсационным методом.

Такие усилители можно условно подразделить на усилители с одним и двумя источниками питания.

УПТ с одним источником питания.

Усилитель состоит из усилительного каскада на биполярном транзисторе по схеме с общим эмиттером с температурной стабилизацией. Нагрузочный резистор включен между коллектором транзистора и средней точкой делителя R3,R4, а входное напряжение приложено между базой транзистора и средней точкой делителя R1,R2.

Потенциалы средних точек делителя таковы, что при отсутствии входного напряжения jб=j1 и jк=j2, отсутствует ток как во входной цепи, так и ток в нагрузочном резисторе. Для точной подстройки режима служит резистор R5.

При подаче входного сигнала изменяются базовый и коллекторный токи транзистора, что приводит к изменению напряжения на коллекторе транзистора и появлению тока Iн.

Из потенциальной диаграммы видно, что при отсутствии входного напряжения (0<=t<=t1) выходное напряжение uвых=0. В интервале t1<t<t2 при uвх<0 выходное напряжение uвых>0, а в интервале t>t2 uвх>0, а  вых<0.

В УПТ с одним источником питания вместо рассматриваемого усилительного каскада может использоваться эмиттерный повторитель или каскад на полевом транзисторе. Способ включения нагрузочного резистора и подачи входного напряжения при этом не изменится.

УПТ с компенсирующим стабилизатором.

У данного усилителя во входной цепи в цепи связи включены  стабилитроны, на которых выделяется напряжение компенсации. Они выбраны так, что их напряжения стабилизации Uст компенсируют постоянные напряжения в цепи базы и коллектора Т1.

При подаче отрицательного входного напряжения в момент времени t1 потенциал jб1 транзистора Т1 понижается, потенциал коллектора транзистора Т1 повышается и на столько же повышается потенциал базы jб2 транзистора Т2. Входное напряжение и резистор нагрузки подключаются через резисторные делители, аналогично  предыдущей схеме.

УПТ на комплементарных транзисторах.

В схеме используются транзистор Т1 n-p-n типа и транзистор  T2 p-n-p типа. Это дает возможность непосредственного соединения коллектора Т1 с базой Т2. При этом падение напряжения на R6, необходимое для жесткой температурной стабилизации, приблизительно  =, что  согласуется с падением на R4, которое при выборе рабочей точки транзистора Т1 в  середине линейного участка переходной характеристики тоже приблизительно равно.

  Рассмотренные схемы с одним источником питания обладают рядом  недостатков. Нагрузочные резисторы не могут быть соединены с общей  точкой усилителя. Источник входного напряжения тоже не соединен с общей точкой. Применение же стабилитронов требует их подбора и индивидуальной подстройки усилителя.

УПТ с двумя источниками питания.

Вышеперечисленные недостатки исключаются при двухполярном питании УПТ.

Усилитель рассчитывают таким образом, что при отсутствии входного сигнала потенциал базы равен 0 и потенциал эмиттера равен -0.5В. К делителю R3,R4 при отсутствии входного сигнала приложено напряжение Ur3+Ur4=jк-(Eк)=jк+Е2. При этом потенциал средней точки делителя должен быть равен 0, т.к. в этом режиме выходное напряжение должно отсутствовать. Чтобы ток делителя не нарушал режима работы транзистора, его обычно выбирают значительно меньше тока коллектора I=(0.02-0.1)Iк.

Сопротивления резисторов делителя могут быть определены из соотношений , . При подаче входного напряжения возрастает ток базы транзистора, что приводит к увеличению его  коллекторного тока. При этом увеличивается падение напряжения на R1 и снижается потенциал коллектора jк. Снижение потенциала верхнего вывода делителя R3,R4  приведет к снижению потенциала средней точки и появлению отрицательного выходного напряжения. Таким образом делитель R3,R4 компенсирует постоянную составляющую коллекторного напряжения.

Рассмотренная схема допускает непосредственное соединение каскадов усилителей.

Дрейф в УПТ.

Дрейф нуля заключается в том, что с течением времени изменяются токи транзисторов. При этом нарушается компенсация постоянной составляющей и на выходе усилителя появляется напряжение при отсутствии входного сигнала. Это возникает из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, температуры окружающей среды. Для борьбы с дрейфом в основном используют два способа - применение дифференциальных усилителей и преобразование усиливаемого напряжения.

Дифференциальный УПТ.

Такие усилители построены по принципу четырехплечевого моста. Если мост сбалансирован , то при изменении Ек или при пропорциональном изменении сопротивлений R1,R2 или R3,R4 баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе ток равен 0. Если заменить R2 и R3 транзисторами то получим дифференциальную схему УПТ.

На стабильность режима большое влияние оказывает R1. В интегральных микросхемах вместо R1 применяют стабилизатор постоянного тока на 2-5 транзисторах. Rп служит для балансировки схемы. При  изменении эдс Е1 или смещении Е2 изменяются токи обоих транзисторов. Если транзисторы идентичны и сопротивления R2 и R3 равны, то тока в нагрузочном резисторе не будет. Аналогично на изменение нагрузочного тока не повлияет изменения характеристик транзисторов, вследствие изменения температуры. Несимметричный каскад дифференциального усилителя используется в тех случаях когда необходимо получить выходное напряжение относительно общей точки. Для компенсации постоянной составляющей используется делитель R3,R4.

УПТ с преобразованием напряжения.

В модуляторе входное напряжение преобразуется в переменное напряжение, затем усиливается обычным усилителем и после чего демодулятором преобразуется в напряжение Uвых, совпадающее по форме с входным напряжением

Рассмотрим модулятор на микросхеме К1КТ011А.

Он представляет собой транзисторный прерыватель. Управляющее опорное напряжение подается в виде импульсов подается между общим выводом и базами транзисторов. При положительной полярности Uоп микросхема открыта и напряжение Uвых=Uвх. При отрицательной полярности - закрыта и Uвых=0. Таким образом на выходе образуется последовательность модулированных импульсов с огибающей, соответствующей входному напряжению. Конденсатор С1 не пропускает постоянную и низкочастотную составляющую.

В качестве демодуляторов используются как правило фазочувствительные выпрямители.

Операционные усилители.

Операционным усилителем называют дифференциальный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схемах с отрицательной обратной связью.

Операционный усилитель на микросхеме К140УД8.

Здесь первый каскад на полевых транзисторах Т1 Т11 и Т2 Т9 с  каналом р-типа является симметричным дифференциальным каскадом с  нагрузочными транзисторами Т3 Т10. Транзисторы  Т4 Т5 образуют стабилизатор тока в истоковой цепи первого каскада. Второй каскад несимметричный дифференциальный усилитель на двух эмиттерных повторителях выполнен на транзисторах Т7 Т12. Связь между первым и вторым каскадом непосредственная. На составном транзисторе Т15  Т19 выполнен усилитель напряжения, нагрузкой которого служит полевой транзистор Т17. На выходе микросхемы применен бестрансформаторный усилитель мощности на составных транзисторах Т20 Т22 и Т23 Т24. Выходное напряжение микросхемы находится в фазе с напряжением на неинвертируемом входе 4 и в противофазе с напряжением на инвертируемом входе 3.

Обратные связи в операционных усилителях.

При использовании обратных связей на операционных усилителях можно моделировать различные аналоговые процессы.

Неинвертирующий усилитель.

Получается за счет введения ООС по напряжению. Отрицательный характер обратной связи достигается подачей напряжения обратной связи на инвертирующий вход усилителя. Входной сигнал подается на неинвертирующий вход.

Еще один вид неинвертирующего усилителя можно получить введением последовательной ООС по току.

Инвертирующий усилитель.

Получается за счет введения параллельной ООС по напряжению. Входной сигнал подается на инвертирующий вход. .

Сумматор.

Сумматор часто используют как масштабирующий усилитель. , и т.д.

Дифференциатор.

K=J*w*R2*C1

Интегратор.

Компаратор

Модель замкнутой системы управления.

На операционных усилителях 1,2,3,4 собран объект второго порядка с самовыравниванием. На усилителях 5,6,7 собран пропорционально-интегральный регулятор. В зависимости от значений резисторов R1,R3,R4 зависит форма переходного процесса объекта управления. R8 служит для настройки коэффициента пропорциональности регулятора, а R9 для настройки времени интегрирования. Возмущающее воздействие на объект подается через резистор R1. Управляющее воздействие подается на регулятор через резисторы R10,R11.

Избирательные усилители.

    

В рассмотренных выше усилителях стремятся получить возможно более широкую полосу пропускания. Однако на практике часто необходимо осуществлять избирательное усиление, выделяя один полезный сигнал из целого ряда входных сигналов и одновременно ослабляя все остальные, мешающие сигналы.

Резкая зависимость коэффициента усиления от частоты достигается включением специальных фильтров в цепь усилителя или в цепь обратной связи.

 

Избирательные усилители с RC фильтрами в цепях обратной связи.

Широкое применение в этих усилителях нашел двойной Т -образный мост. Коэффициент передачи моста  резко зависит от частоты. При частоте W стремящимся к 0 b стремится к 1, т.к. на очень низких частотах сопротивления конденсаторов становятся большим и все напряжение Uвых через верхний одинарный Т -образный мост (R, 2C, R) передается на вход усилителя в виде ОС Uос. На очень высоких частотах при W стремящемся к бесконечности, а b стремится к 1 вследствие того, что сопротивления конденсаторов становится малым и все напряжение через нижний Т - образный мост (C R/2 C) передается на вход усилителя. На резонансной частоте общий коэффициент передачи = 0. Поскольку на этой частоте каждый из мостов имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты передачи, напряжение ОС Uос=0. При этом коэффициент усиления основного усилителя имеет максимальное значение.

Еще один вариант избирательного усилителя - это усилитель с интегро - дифференцирующей обратной связью (R1, R2, C1, C2).

Такой усилитель имеет резонансную частоту   на которой коэффициент усиления имеет максимальное значение , а полоса пропускания

Параметры избирательного усилителя не зависят в явном виде от коэффициента усиления операционного усилителя. Обычно достаточно, чтобы он был больше 10000 - 100000.

Избирательные усилители с LC фильтрами.

Для работы на высоких частотах f0 > 1-5 МГц. избирательные усилители с RC цепями непригодны из-за слишком малых значений резисторов и емкостей. В этом случае используют усилители с LC фильтрами - резонансными контурами.

Параллельный резонансный контур включается в коллекторную цепь транзистора вместо резистора Rк. Аналогична схема избирательного усилителя на полевом транзисторе. Назначение остальных элементов схемы аналогично схеме однокаскадного усилителя с общим эмиттером.

Контур настраивается на необходимую полосу пропускания усилителя. При этом существует такое понятие как добротность контура. Чем меньшую полосу пропускания обеспечивает контур, тем его добротность выше. Увеличение добротности достигается за счет использования ферритовых сердечников, посеребренных проводников  катушек, параллельного включения конденсаторов с противоположными температурными коэффициентами и т.д.

Электронные генераторы.

Электронным генератором гармонических колебаний называют устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию эл. магнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности.

Условия самовозбуждения автогенератора.

Если считать, что напряжения Uвх и Uвых близки к синусоидальным, то стационарный устойчивый режим в автогенераторе при котором амплитуды Uвх и Uвых имеют неизменное значение, возможен при выполнении условия Kb=1, которое называется условием самовозбуждения. При этом необходима положительная ОС. Рассмотрим процесс возникновения колебаний в автогенераторе.

В данном автогенераторе усилитель собран на полевом транзисторе и включен по схеме с общим истоком. Звеном ОС является катушка Lc, индуктивно связанная с катушкой Lк резонансного контура LкCк. Первоначально колебания возникают при подаче напряжения питания, которые при отсутствии положительной ОС должны были бы прекратиться из-за потерь энергии в контуре. При наличии ОС появившееся на контуре напряжение Uк усиливается транзистором. Эти колебания через Lc, индуктивно связанную с Lк снова возвращаются в контур. Размах колебаний постепенно возрастает (на графике Kb>1). По мере роста напряжения в цепи затвора усилителя из-за  нелинейности его характеристики (участок  ав) коэффициент усиления начинает уменьшаться и произведение Kb становится равным  1.

Условие баланса амплитуд сводится к тому, что на резонансной частоте потери энергии в контуре компенсируются энергией источника питания через Lс. Частота генерируемых колебаний зависит от индуктивности катушек Lс,Lк и емкости Cк. Амплитуда от положения рабочей точки усилителя, которое зависит от Rз и Cз.

По виду элементов, входящих в звенья ОС автогенераторы подразделяют на LC и RC автогенераторы.

LC - автогенераторы.

В LC - автогенераторах LC контур включают либо последовательно с транзистором либо параллельно. Последовательное включение было рассмотрено выше. В этом случае элементы колебательного контура находятся под низким напряжением. При последовательном включение напряжение на контуре выше, зато и выше мощность генерируемых колебаний и кпд генератора.

Недостатком этой схемы является высокое напряжение на конденсаторе контура, что обуславливает его габариты. Чтобы избавится от этого недостатка LC контур включают через разделительный конденсатор Cр.

Конденсатор Cр не пропускает постоянную составляющую тока в индуктивную катушку Lк. Дроссель Lр предотвращает короткое замыкание контура по переменной составляющей через источник питания. Такой генератор называют генератором с параллельным питанием.  Разновидностью этого генератора является трехточечный автогенератор, в котором LC контур  включается не двумя, а тремя точками.

Различают индуктивные трехточки и емкостные трехточки.

Анализ обеих схем показывает, что для создания колебательного контура, настроенного в резонанс, необходимо, чтобы реактивные проводимости противоположных ветвей контура были равны. Для индуктивной трехточки:.

Для емкостной трехточки: .  

Изменение частоты колебаний для индуктивно трехточки осуществляется конденсатором С, а для емкостной трехточки индуктивностью L, поэтому на практике чаще используются индуктивные трехточки.

Часто в качестве конденсатора используется варикап, что значительно упрощает перестройку частоты колебаний. В последнее время применяются автогенераторы на операционных усилителях, но для частоты не выше 15 МГц.

         

RC - автогенераторы.

Используются для генерирования колебаний низкой и инфранизкой частоты. RC генератор также содержит усилитель и звено обратной связи, которое может представлять из себя:

1. Г-образную RC цепочку.

2. Мост Вина.

3. Двойной Т-образный мост.

         

RC - автогенератор c Г-образным RC звеном.

В однокаскадном усилителе без ОС входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180 градусов. Если выходное напряжение такого усилителя подать на его вход, то получиться 100 процентная отрицательная ОС. Для получения положительной ОС выходное напряжение, прежде, чем подать его на вход необходимо сдвинуть по фазе на 180 градусов. Это осуществляется с помощью трех RC звеньев, каждое из которых сдвигает фазу на 60 градусов.

Для изменения частоты  генерации необходимо изменить сразу либо все резисторы, либо все емкости, поэтому такие генераторы работают как правило на фиксированной частоте.

Недостатками являются шунтирование каскада цепью ОС, что уменьшает коэффициент усиления и искажение формы колебаний. Для уменьшения шунтирующего влияния вводят дополнительный каскад - истоковый повторитель.

Включение истокового повторителя позволяет выполнить условие  баланса фаз и в то же время практически исключает шунтирующее влияние цепи ОС. Для улучшения формы колебаний вводят отрицательную ОС с помощью резистора Rи.

RC - автогенератор c мостом Вина.

 Рассмотрим схему такого генератора на операционном усилителе. Мост Вина (R1 C1 R2 C2) включают между выходным выводом ОУ и неинвертируемым входом, чем достигается положительная ОС. Регулировка частоты производится либо одновременным изменением сопротивлений резисторов, либо одновременным изменением емкостей конденсаторов. Резисторы R3 R4 R5 соединяющие выход с инвертирующим входом, являются звеном отрицательной ОС, необходимой для стабилизации формы выходного сигнала. R4 R5 определяют требуемый коэффициент усиления, а терморезистор R3 стабилизирует амплитуду и снижает нелинейные искажения выходного напряжения. (для ОУ 140УД7 R1=R2=50K, C1=C2=3300пФ, R4=8.2K R5=10K - в этом случае диапазон регулирования частоты будет от 1 до 10 КГц)

RC - автогенератор c двойным Т-образным мостом.

Содержит два каскада усиления на T2 Т3. Т1 является эмиттерным повторителем. Цепь положительной частотно независимой ОС выполнена на Rпос. Цепь отрицательной ОС является двойным Т образным мостом.  

Регулировку частоты осуществляют либо изменением сопротивлений всех резисторов, либо изменением емкости всех конденсаторов.  Если включить Т - образный мост без эмиттерного повторителя, то мост будет сильно шунтироваться усилителем и условия самовозбуждения нарушаться.

Автогенераторы на элементах с отрицательным сопротивлением.

Можно показать, что в рассмотренных ранее схемах положительная ОС превращает транзистор в прибор с отрицательным сопротивлением. Такой же эффект можно получить, если параллельно колебательному контуру включить элемент с заведомо отрицательным сопротивлением. Чаще всего в этих случаях используют туннельные диоды.

Рабочую точку диода выбирают посредине падающего участка. Наиболее целесообразно использовать туннельные диоды для генерации СВЧ колебаний.

Стабилизация частоты в автогенераторах.

Нестабильность частоты зависит от ряда факторов, таких как  изменение температуры, влажности, давления, от механических воздействий, колебания напряжения питания, внешних эл. магнитных полей и других факторов.

Для уменьшения нестабильности используют различные способы стабилизации частоты. Различают параметрическую и кварцевую стабилизацию.

Параметрическая стабилизация сводится к уменьшению влияния внешних факторов, а также к подбору элементов генераторов, обеспечивающих минимальные изменения частоты.

Кварцевая стабилизация частоты заключается в применении кварцевых резонаторов.

Кварц обладает пьезоэффектом. При воздействии на кварцевую пластину переменного электрического поля в ней возникают механические упругие колебания, которые в свою очередь приводят к появлению электрических зарядов на ее гранях. Таким образом кварцевый резонатор эквивалентен электрическому колебательному контуру с очень высокой добротностью. В зависимости от геометрических размеров пластины резонансная частота кварца строго фиксирована.  Кварцевый резонатор можно включать в цепь положительной обратной связи как последовательный колебательный контур,или в трехточечный автогенератор как индуктивный элемент колебательного контура. Такой генератор представляет собой емкостную трехточку.

Рассмотренные кварцевые генераторы представляют собой простейшие. Современный кварцевый генератор представляет собой сложное устройство, содержащее стабилизированные источники питания и элементы параметрической стабилизации.

Источники вторичного электропитания.

На вход ИП подается напряжение U1, которое с помощью трансформатора изменяется до требуемого значения U2. После трансформатора переменное напряжение вентильной группой преобразуется в пульсирующее напряжение Uo1.

В выпрямленном напряжении кроме постоянной составляющей присутствует переменная составляющая, которая с помощью фильтра снижается до требуемого уровня. Установленный после фильтра стабилизатор поддерживает неизменным напряжение нагрузки Uн при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления Rн.

Однофазные выпрямители.

Однополупериодный выпрямитель.  

Принцип работы основан на односторонней проводимости диода. В первый полупериод в интервале времени 0 - Т/2 диод открыт т.к. потенциал точки А выше потенциала точки В и под действием напряжения в цепи вторичной обмотки трансформатора возникает ток iн. В интервале Т/2 - Т диод закрыт, ток в нагрузке отсутствует, а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение U2.

 

Основными параметрами выпрямителя являются:

Среднее значение выпрямленных тока и напряжения Iн.ср и Uн.ср

Мощность нагрузочного устройства Pн.ср=Uн.ср*Iн.ср

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения Uосн.m

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Действующие значения первичной и вторичной обмоток U1 I1 U2 I2

Типовая мощность трансформатора S=0.5(U1*I1+U2*I2)

Коэффициент полезного действия

Для однополупериодного выпрямителя:

Uн.ср=0.45U2;

U2=2.22Uн.ср

I2=1.57Iн.ср

S=3.5Pн.ср

р=1.57

 Преимуществом такого выпрямителя является простота, а недостатком большой коэффициент пульсации. Его применяют для питания высокоомных устройств, например электронно-лучевых трубок, допускающих повышенную пульсацию и мощность не более 10-15 Вт.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Состоит из четырех диодов включенных по мостовой схеме. Диоды Д1 Д3 открыты в первый полупериод (интервал 0-Т/2). В интервале Т/2-Т открыты диоды Д2 Д4. В оба полупериода ток через Rн. имеет одно направление.

Для мостовой схемы:

Uн.ср=0.9U2;

U2=1.11Uн.ср

I2=0.78Iн.ср

Uобр.max=1.57Uн.ср

р=0.67

В настоящее время выпускаются диодные сборки в которых могут быть один (КЦ402) или два (КЦ403) электрически не соединенных моста.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом от средней точки

Такой выпрямитель можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей включенных на один и тот же нагрузочный резистор Rн. Выпрямитель имеет те же преимущества, что мостовой, за исключением обратного напряжения на диодах Двухполупериодные выпрямители применяются для питания устройств малой и средней мощности.

Трехфазные выпрямители

Диоды выпрямителя работают поочередно, каждый в течении трети периода. Выпрямленный ток в нагрузочном резисторе создается токами каждого диода, имеет одно направление и равен сумме выпрямленных токов.

Uн.ср=1.17U2ф;

Uобр.max=2.09Uн.ср

р=0.25

Трехфазный мостовой выпрямитель

Данная разработка принадлежит Ларионову, поэтому его называют еще выпрямителем Ларионова. Данный выпрямитель содержит мост из шести диодов.

Диоды Д1 Д3 Д5 образуют одну группу, а диоды Д2 Д4 Д6 другую. Общая точка диодов первой группы образует + на нагрузочном резисторе а вторая минус.

Uн.ср=2.34U2л;

Uобр.max=1.045Uн.ср

р=0.057

Фильтры

Устройства предназначенные для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Для определенных электронных устройств коэффициент пульсации не должен превышать некоторого значения. Так для основных каскадов автоматических систем 10-2 10-3, для выходных усилительных каскадов 10-4 10-5 для автогенераторов 10-5 10-6 для входных каскадов электронных измерительных устройств  10-6 10-7.

Основными элементами фильтров являются емкости, индуктивности, а в последнее время стали использовать транзисторы.

Емкостной фильтр.

В интервал времени t1-t2 конденсатор через открытый диод заряжается до U2 т.к. в этот период U2>Uc. В это время ток ia=ic+iн. В интервале времени t2 t3 U2<Uc и конденсатор разряжается на Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн.

Емкостной фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором Rн при мощности не более нескольких десятков ватт. Коэффициент пульсации .

Индуктивный фильтр.

Ток в цепи с дросселем при переходном процессе зависит от  постоянной времени дросселя . Чем больше постоянная времени тем больше импульс тока. Фильтр работает тем эффективнее, чем больше L и меньше Rн, поэтому индуктивные фильтры применяют в  выпрямителях, работающих на нагрузочные устройства с большими токами. Коэффициент пульсации

Г-образные фильтры.

Если ранее рассмотренные фильтры относились к однозвенным фильтрам то данный фильтр является многозвенным. Он получается при совместном использовании однозвенных фильтров. Такие фильтры могут быть LC типа или RC типа.

Снижение пульсаций LC фильтром достигается совместным использованием емкости и индуктивности. Рассчитать параметры этого фильтра можно исходя из необходимого значения коэффициента сглаживания. . Коэффициент сглаживания является важнейшей характеристикой любого фильтра и определяется отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. .

В маломощных выпрямителях с высоким нагрузочным сопротивлением вместо дросселя используют резистор Rф. При выборе данного резистора исходят из двух соотношений Xc<<Rф  - при этом на Rф создается значительно большее падение от переменных составляющих. =0.5-0.9 - при этом на Rф будет минимальное падение напряжения от постоянной составляющей.

П-образный фильтр.

Состоит из емкостного фильтра и LC или RC фильтра. Цель - добиться максимального коэффициента сглаживания.

Электронные фильтры

Схема последовательного электронного фильтра с включением нагрузочного резистора в коллекторную цепь транзистора.

Принцип действия основан на различии сопротивлений транзистора для постоянной и переменной составляющих коллекторного тока. RбCб - цепочка служит для обеспечении фиксированного значения рабочей точки на выходной характеристике транзистора. Постоянная времени RC должна быть намного больше периода пульсации. обеспечивает термостабилизацию.

 

Для получения более низкого выходного сопротивления фильтра пользуются схемой, где Rн включают в эмиттерную цепь транзистора. Такая схема получила наиболее широкое распространение.

 

В настоящее время широко используются микросхемы. Пульсации во входном напряжении, усиленные операционным усилителем еще более закрывают составной транзистор т.е. еще больше уменьшают выходную проводимость. При этом увеличивается падение напряжения от переменной составляющей на транзисторе и таким образом снижается пульсация в выходном напряжении фильтра. Коэффициент сглаживания равен нескольким тысячам. Недостатки электронных фильтров - медленные изменения напряжения на входе приводят к аналогичным изменениям на выходе.

Стабилизаторы.

Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков

По роду стабилизируемой величины - стабилизаторы напряжения и тока.

По способу стабилизации - параметрические и компенсационные.

В настоящее время широкое распространение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяются на стабилизаторы непрерывного и импульсного действия. При параметрической стабилизации используются приборы с нелинейной вольт - амперной характеристикой. При компенсационном способе постоянство напряжения получается за счет автоматического регулирования выходного напряжения. Это достигается введением обратной связи между выходом и регулирующим элементом.

Основным параметром стабилизатора является коэффициент стабилизации .

Структурная схема компенсационного стабилизатора.

БС - блок сравнения, в который входят источник опорного напряжения (параметрический стабилизатор) и резистивный делитель.

У - Усилитель постоянного тока.

РЭ - регулирующий элемент (транзистор)

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора.

Параметрический стабилизатор выполнен на стабилитроне D1 и резисторе Rб. Резистивный делитель состоит из резисторов R1, R2, R3. Усилитель постоянного тока на маломощном транзисторе T1 и Rк. В качестве регулирующего элемента используется мощный транзистор Т2.

При увеличении входного напряжения стабилизатора или уменьшении нагрузочного тока напряжение Uн повышается. Часть напряжения Uн, равная bUн (b-коэффициент деления резистивного делителя), являющаяся сигналом обратной связи, сравнивается с опорным напряжением Uоп., снимаемым с параметрического стабилизатора. Т.к. Uоп. постоянно, то напряжение между базой и эмиттером Т2 из-за увеличения bUн уменьшается и коллекторный ток Т2 снижается. Это приводит к уменьшению напряжения между базой и коллектором Т1, что равносильно увеличению его сопротивления. Падение напряжения на Т1 возрастает, а напряжение на нагрузке остается постоянным.

Компенсационный стабилизатор тока.

служит для увеличения коэффициента стабилизации  нагрузочного тока Iн. Его работа отличается от работы стабилизатора напряжения тем, что резистор Rрег., входящий в блок сравнения включен последовательно с нагрузочным резистором Rн. Сигнал ОС, снимаемый с Rрег. и пропорциональны нагрузочному току подается на вход усилителя постоянного тока, собранного на Т2. В остальном стабилизатор аналогичен стабилизатору напряжения. Изменяя Rрег. можно в небольших  пределах регулировать ток Iн.

В настоящее время большое распространение получили стабилизаторы непрерывного действия в интегральном исполнении. Их применяют в качестве индивидуальных стабилизаторов для отдельных блоков и каскадов.

Стабилизатор напряжения на микросхеме К142ЕН.

Источник опорного напряжения состоит их стабилитрона Д1 и

полевого транзистора Т1, являющегося для этого стабилитрона баластным сопротивлением. Усилитель постоянного тока на Т3 и Т5 собран по дифференциальной схеме. В него входит также Т4, являющегося динамической нагрузкой Т5. Для согласования  параметрического стабилизатора с усилителем постоянного тока служит эмиттерный повторитель на Т2. Д2 служит для температурной стабилизации параметрического стабилизатора. В качестве регулирующего элемента используется составной транзистор Т6-Т8. В стабилизаторе предусмотрена защита от перегрузок по току. Для этого между выводами 10-11 включен резистор R1. Когда нагрузочный ток превышает допустимое значение падение напряжения на R1 открывает Т9, а он в свою очередь своим малым сопротивлением зашунтирует регулирующий транзистор Т6.

Если надо внешним сигналом выключить стабилизатор, но управляющее напряжение подают на базу Т7 через Д3. При этом Т7 откроется и закроет Т6. Выходное напряжение стабилизатора регулируется резисторами R1,R2,R3. С1 и С2 служат для устранения самовозбуждения стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения.

В импульсном стабилизаторе регулирующий элемент работает в режиме ключа. Именно режим ключа позволяет получить высокий КПД. Однополярные импульсы на выходе РЭ сглаживаются фильтром. Регулирующий элемент и сглаживающий фильтр охвачены ООС которую осуществляют блок сравнения БС и импульсный блок ИБ. Импульсный блок вырабатывает импульсы разной длительности или частоты, в зависимости от величины сигнала поступающего с БС.

Схема импульсного стабилизатора со стабилитроном.

В этом стабилизаторе функции сравнения опорного напряжения с выходным напряжением совмещены с функциями релейного устройства. Те и другие функции выполняет стабилитрон. Релейное устройство через транзисторы Т2 Т3 принадлежащие импульсному блоку управляют регулирующим элементом - транзистором Т1. В качестве фильтра используется Г - образный фильтр Lф. Cф.

Стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией.

Вариант 1.             Вариант 2.

В импульсном блоке таких стабилизаторов имеется генератор импульсов ГИ.

В первом варианте частота генерируемых импульсов определяется параметрами генератора импульсов, а длительность импульсов и пауз изменяется в зависимости от постоянного напряжения подаваемого с блока сравнения.

Во втором варианте генератором импульсов является генератор линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, у которого пилообразные импульсы Ur генерируются с постоянной частотой повторения. Управляющие импульсы Uу имеют разную длительность при неизменной частоте повторения импульсов. РЭ переключается в зависимости от длительности управляющих импульсов и пауз изменяя таким образом среднее значение напряжения на выходе фильтра.

Импульсные устройства.

Импульсный режим имеет ряд преимуществ перед непрерывным: значительная мощность во время действия импульсов, ослабление влияния температуры, повышение пропускной способности и помехоустойчивости.

В импульсных устройствах используются импульсы различной формы:

прямоугольные, трапециидальные, экспоненциальные, колоколообразные, ступенчатые, пилообразные. Их называют видеоимпульсами в отличии от радиоимпульсов, представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний

(прямоугольный, колоколообразный). В импульсной технике применяют как правило видеоимпульсы. Обычно импульсы следуют периодически, с периодом Т, которому соответствует частота повторения.  Отношения длительности импульса к периоду называется скважностью импульсов .

Реальные импульсы искажены, что выражается в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины.

Они характеризуются следующими основными параметрами:

- Амплитудой импульса А

- Длительностью импульса tи.

- Длительностью фронта импульса tф

- Длительностью среза импульса tс

- Спадом вершины импульса DА

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов.

Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (диод, транзистор, тиристор), работающий в ключевом режиме. Простейший тип электронных ключей - диодные ключи.

Последовательный диодный ключ.

При положительном входном напряжении диод открыт и ток через него  равен ,где Rпр прямое сопротивление диода. Выходное напряжение . Обычно Rпр намного меньше R, тогда uвых приблизительно равно uвх. При отрицательном входном напряжении обратный ток через диод , при этом выходное напряжение . Rобр намного больше R и  намного меньше uвх. При изменении полярности включении диода график повернется на угол p вокруг начала координат. В данном случае был рассмотрен нулевой уровень включения диода. Для изменения уровня включения в цепь ключа вводят источник напряжения смещения Eo.

В этом случае при uвх>Eo диод открыт и uвых приблизительно = uвх, а при uвх<Eo - закрыт и uвых=Ео. Если изменить полярность источника, то график приобретет вид, показанный тонкой линией.

Параллельный диодный ключ.

При положительном входном напряжении диод открыт (ключ замкнут) uвых=0. При отрицательном диод закрыт (ключ разомкнут) uвых=uвх. Для изменения уровня включения в цепь вводят источник смещения.

Двойной диодный ключ.

Получается комбинацией двух диодных ключей.

Такой ключ передает входное напряжение на выход ключа, если оно находится в пределах границ, определяемых, уровнями включения первого Uвх1 и второго ключей Uвх2.

Время переключения диодных ключей зависит от емкости p-n перехода, и временем выключения диодов (в обычных диодах tвыкл>0.5мкс, у диффузионных tвыкл=0.05мкс. Диодные ключи не позволяют разделять управляющую и управляемую цепи. В этих случаях используются транзисторные ключи.

Транзисторные ключи.

Ключ мало отличается от усилителя с общим эмиттером, но транзистор здесь работает в ключевом режиме, характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние определяется точкой А1 (режим отсечки). В этом режиме ток базы Iб=0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк=Uк1=Ек. Режим отсечки реализуется при отрицательных потенциалах базы. Второе состояние определяется точкой А2 (режим насыщения). При этом ток базы определяется в основном резистором Rб. ,  и Uк2=0. Из режима отсечки в режим насыщения транзистор переводится воздействием положительного входного напряжения. В данном случае рассмотрен инвертирующий ключ.

Не инвертирующий ключ строится на эмиттерном повторителе. Для увеличения быстродействия применяются ключи на полевых транзисторах. Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. к простейшим формирователям относят ограничители.

Ограничители импульсов.

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет входное, если оно не выходит за уровни ограничения и почти не изменяется если входное напряжение превышает эти уровни. В качестве ограничителей используют рассмотренные электронные ключи.

Например для ограничения сверху можно использовать параллельные или последовательные диодные ключи. Ограничение синусоидального сигнала с помощью параллельного диодного ключа можно проиллюстрировать следующим графиком

Уровень ограничения равен уровню включения ключа. Аналогично получают ограничение снизу. Для двухстороннего ограничения используют двойные ключи. График ограничения с помощью двойного диодного ключа выглядит следующим образом.

Часто в качестве ограничителей применяют устройства с кремниевыми стабилитронами. Используя вольтамперную характеристику стабилитрона можно построить передаточную характеристику ограничителя.

Ограничитель дает двухстороннее ограничение. Уровень ограничения сверху Ео1 равен напряжению стабилизации Uст, а уровень ограничения снизу Ео2=(0.7-0.8)Uпр определяется прямой ветвью характеристики стабилитрона и близок к нулю. Для изменения уровня ограничения сверху необходим другой стабилитрон (с другим Uст), а для повышения уровня ограничения снизу можно использовать последовательное встречное включение стабилитронов.

В этом случае уровни ограничения Ео1 и Ео2 равны соответственно: Ео1=Uст1+Uпр2 Ео2=Uст2+Uпр1. Преимуществом ограничителей на стабилитронах является то, что они не нуждаются в источниках напряжения смещения, недостатками являются неудобство изменения уровня ограничения и большая инерционность, поэтому стабилитроны применяют в низкочастотных цепях, например в цепях защиты электронных устройств от перенапряжении источников питания.

Компараторы на аналоговых элементах.

Компараторами называют устройства предназначенные для сравнения двух напряжений.

Компаратор изменяет уровень выходного сигнала, когда уровни непрерывно меняющихся входных сигналов становятся равными. Схема приведенного компаратора предназначена для сравнения однополярного напряжения Uвых= Uвых max при U1>U2, Uвых min при U1<U2 Благодаря высокому коэффициенту усиления компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений U1 U2. При сравнении больших напряжений разной полярности можно использовать следующую схему компаратора:

Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки "а". Благодаря включению диодов потенциал этой точки не превышает 0.6В (прямое напряжение на открытом диоде) при больших значениях входного напряжения, чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки

В настоящее время компараторы выпускаются в виде микросхем К597СА1 или К521СА4.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмидта. Разница в уровнях называется гистерезисом переключения.

Триггер Шмидта на компараторе с положительной ОС.

Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое отрицательное напряжение то выходное напряжение Uвых=Uвых max. При этом напряжение прямого входа  Если увеличивать Uвх то Uвых не изменится до тех пор, пока Uвх<U+max. При Uвх=U+max. Выходное напряжение за счет действия положительной ОС изменится скачком до U вых min, а напряжение прямого входа до  При дальнейшем увеличении Uвх выходное напряжение не изменится . Если теперь уменьшать Uвх, то Uвых изменится только при Uвх=U+max, скачком возрастая до Uвых max. Гистерезис переключения . Одна из основных областей применения триггера - формирование прямоугольных импульсов из входного напряжения произвольной формы, например из синусоиды.

Рассмотренный триггер  является инвертирующим.

Неинвертирующий триггер имеет следующую схему:

Мультивибраторы и одновибраторы.

Аналоговый мультивибратор можно получить на базе инвертирующего триггера Шмидта, в котором отрицательная обратная связь осуществляется через фильтр нижних частот в виде RC-цепи.

Допустим, что выходное напряжение мультивибратора равно Uвых max. Тогда напряжение на инвертирующем входе (равное напряжению Uc на  конденсаторе) отрицательно, а на прямом входе положительно и равно  Напряжение на конденсаторе Uc=U- возрастает, так как конденсатор начинает перезаряжаться через резистор R, и стремиться к Uвых max. Когда Uc достигнет уровня Uвыкл выключения триггера напряжение Uвых скачком изменяется до Uвых min. Так как Uвых max = - Uвых min= Umax то конденсатор С начнет перезаряжаться от Uвыкл до -Umax и обратное переключение происходит при Uc=Uвкл. Затем процесс периодически повторяется. Можно показать, что длительность импульса мультивибратора ,а период  При R1=R2 T=2.2RC.

Схема одновибратора отличается от мультивибратора наличием прямого входа через С1 и диода Д, включенного параллельно конденсатору С.

Допустим, что входное напряжение одновибратора равно Uвых min. Тогда на инверсном входе напряжение равно прямому напряжению открытого диода Д и близко к 0. На прямом входе напряжение отрицательно и равно . Если на прямой вход поступает короткий положительный импульс, амплитуда которого не менее , то триггер скачком переходит в противоположное состояние и Uвых=Uвых max. Тогда  и конденсатор С начинает заряжаться через резистор R, при этом напряжение на нем стремиться к Uвых max по экспоненте. При U-=Uвыкл происходит обратное переключение триггера, а С начинает перезаряжаться от Uвыкл до Uвых min. Однако, когда напряжение на конденсаторе становиться примерно равным нулю открывается диод Д и дальнейшее изменение Uc не происходит. Таким образом одновибратор возвращается в исходное состояние после появления на выходе одиночного прямоугольного импульса. Длительность импульса одновибратора  не зависит от длительности входного импульса если она меньше tи.

Генераторы линейно меняющегося напряжения (ГЛИН)

Линейно изменяющимся напряжением, называют напряжение, которое некоторое время меняется по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

На транзисторе собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами отрицательной полярности. В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения резисторов Rб,Rк. При воздействии входного импульса длительностью Тр транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Ек через Rк. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте. По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через участок коллектор - эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение мало, в чем состоит основной недостаток данной схемы. Высококачественные ГЛИН создают в основном на операционных усилителях.

Если исключить тиристор схема будет представлять собой интегратор. Когда выходное напряжение превысит Uоп тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение Uc=Uвых снизится до напряжения Uоткр, тиристор закроется и процесс повториться.

Умножители напряжения.

Умножители напряжения - устройства, позволяющие получить на выходе напряжение в N раз большее, чем на входе. Рассмотрим параллельный удвоитель напряжения.

Он представляет собой два однополупериодных выпрямителя, подключенных к одной вторичной обмотке трансформатора. В один из полупериодов входного напряжения Д1 открыт, а Д2 закрыт. В этот момент С1 заряжается до амплитудного значения U2m. В следующий полупериод заряжается С2. Конденсаторы включены последовательно. Полярность напряжений на конденсаторах такова, что выходное напряжение практически равно удвоенному значению напряжения вторичной обмотки если постоянная времени разрядки tразр.=СRн>>T/2, где С=С1=С2, Т-период входного напряжения. В противном случае конденсаторы будут разряжаться в следующие за их зарядкой полупериоды и выходное напряжение будет меньше 2U2m.

Последовательный удвоитель напряжения.

В первый полупериод заряжается С1 через диод Д1 до амплитудного значения U2m. В следующий полупериод заряжается С2 через Д2, но от напряжения, равного сумме напряжений вторичной обмотки трансформатора и напряжения на С1, следовательно напряжение на резисторе Rн  будет равным удвоенному напряжению U2м. Последовательный удвоитель имеет ряд преимуществ: меньшую  пульсацию напряжения и более высокую стабильность.

Кроме того два последовательно соединенных удвоителя дают учетверитель напряжения.

Соединив последовательно два учетверителя можно получить выходное напряжение в восемь раз превышающее входное и т.д. С помощью последовательных умножителей можно получить напряжение до нескольких десятков киловольт. Общим недостатком всех умножителей является их невысокая мощность и низкий КПД. В настоящее время используют умножители в интегральном исполнении, например микросхема К299ЕВ1 является учет верителем напряжения и собрана по вышеприведенной схеме.

Управляемые выпрямители.

Часто возникает необходимость плавного изменения выпрямленного напряжения. Этого можно достичь двумя способами.

- управление входным переменным напряжением с помощью автотрансформаторов и трансформаторов с подмагничиванием сердечников постоянным током. Недостаток такого управления большая масса и габариты выпрямителей.

- управление постоянным напряжением с помощью  потенциометров. Недостаток - низкий КПД.

Более экономичным и удобным способом управления является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор.

Однофазный управляемый выпрямитель на тиристоре.

Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением подаваемым на управляющий электрод. Такой сдвиг фаз называется углом управления a, а способ управления - фазовым. Управление осуществляют с помощью фазовращающей цепи R2,C, позволяющей изменять a от 0 до 90 градусов. При этом выпрямленное напряжение регулируют от наибольшего значения до его половины. Резистором R1 изменяют напряжение подаваемое на управляющий электрод. Диод обеспечивает подачу положительных однополярных импульсов.

Оптимальной формой управляющих импульсов является короткий импульс с крутым фронтом. Такой импульс обеспечивает четкое отпирание тиристора и малый нагрев управляющего электрода. Для формирования таких импульсов служат специальные импульсно-фазовые системы управления.

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель  с импульсно-фазовым блоком управления.

Сдвиг управляющих импульсов, по отношению к анодному напряжению производится с помощью фазовращателя.

При изменении сопротивления R фаза выходного напряжения плавно меняется от 0 до 180 градусов. Напряжение с выхода фазовращателя  поступает на вход усилителей-ограничителей Т1,Т2, причем диоды Д1,Д2 срезают отрицательные полуволны этого напряжения. Выходные напряжения этих усилителей, имеющие трапецеидальную форму, далее дифференцируются цепочками R1,C1 и R2,C2. Появившиеся после этого импульсы с крутыми фронтами и малой длительностью являются двухполярными. Диоды Д3,Д4 не пропускают отрицательные импульсы и таким образом делают их однополярными.

Такая система позволяет плавно менять напряжение от максимального значения до 0.

Преобразователи напряжения.

Преобразователи, у которых на выходе имеется переменное напряжение, называются инверторами. Преобразователи, на выходе которых имеется постоянное напряжение одного или нескольких значений называются конверторами.

Инверторы.

Инверторы классифицируют по ряду признаков, основными из которых являются:

1. тип коммутирующих приборов - тиристорные или транзисторные инверторы

2. принцип коммутации - ведомые сетью и автономные инверторы.

3. род преобразуемой величины - инверторы тока или напряжения.

Инверторы, ведомые сетью осуществляют преобразование энергии постоянного тока, в энергию переменного тока.

Между средней точкой трансформатора и узлом С включен источник постоянного тока Е. Инвертор  ведомый сетью может работать как выпрямитель при a<90. При a =90 среднее напряжение выпрямленного напряжения = 0.

Для передачи энергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток и напряжение находились в противофазе. Такой сдвиг  возможен, если тиристоры будут поочередно открываться при отрицательной полярности напряжений u2a и u2b. При этом происходит поочередное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е.

Однако здесь необходимо учитывать следующее обстоятельство. Если угол управления сделать равным 180 градусам то при открытии одного тиристора второй тиристор не успеет закрыться и в цепи создастся короткое замыкание на время открытия-закрытия тиристора. Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Поэтому угол управления делают меньшим 180 градусов на угол называемый углом опережения отпирания.

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку. Автономные инверторы подразделяются на автономные инверторы тока АИТ, напряжения АИН, резонансные инверторы АРИ.

Автономный инвертора тока.

Источник питания в таком инверторе работает в режиме источника тока, что достигается включением в цепь дросселя Lo c большой индуктивностью. Тиристоры открываются поочередно запускающими импульсами, поступающими от блока системы управления СУ. При появлении импульса  Uвх1 тиристор ТР1 открывается. Вследствие резкого уменьшения сопротивления тиристора левая половина обмотки трансформатора оказывается  подключенной к источнику Е и в ней появляется нарастающий ток, который наводит эдс в правой обмотке трансформатора и во вторичной обмотке  Uвых. При этом коммутирующий конденсатор Ск заряжается до удвоенного напряжения Е. (полярность без скобок). Следующий импульс Uвх2 открывает тиристор ТР2. Аналогично наводятся эдс в обмотках трансформатора, но другого направления. Ск через ТР2 оказывается подключенным к ТР1 (полярность без скобок). Это приводит к запиранию ТР1. С приходом следующего импульса процесс повторяется. Для устойчивой работы схемы необходимо, чтобы ранее открытый тиристор надежно запирался. Это становится возможным, когда ток открытого тиристора iТР1 опережает по фазе напряжение на нем. Для создания такого опережения индуктивное сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора должно быть меньше емкостного сопротивления Ск.

Недостатком схемы является недопустимость работы инвертора на холостом ходу, т.к. возникающие при этом перенапряжения, вызванные появлением эдс самоиндукции могут вывести из строя тиристоры и конденсатор.

Для устранения указанного недостатка применяют АИТ с отсекающими диодами.

Включение диодов Д1,Д2 между конденсатором Ск и первичной обмоткой трансформатора препятствует разрядке конденсатора через трансформатор, исключая тем самым влияние нагрузки на инвертор.

Автономный инвертор напряжения.

Если в инверторе тока последовательно источнику включают индуктивность, то в инверторе напряжения параллельно источнику подключают конденсатор. Схема представляет собой однофазный мостовой преобразователь.

Напряжение на активно-индуктивной нагрузке Z появляется при попарном включении тиристоров ТР1,ТР4 и ТР2,ТР3, которые управляются входными импульсами, поступающими от СУ. При переключении тиристоров, согласно первому закону коммутации ток не может измениться скачком. Поэтому он сохраняет свое направление в течение некоторого времени dt, плавно уменьшаясь до 0. В такие интервалы времени ток не может пройти через тиристоры, так как одна пара тиристоров вообще закрыта, а для другой ток имеет еще противоположное направление. Включенные параллельно тиристорам диоды предназначены для прохождения тока нагрузки в моменты времени dt. В противном случае возникающие в эти моменты большие токи самоиндукции могут вывести тиристоры из строя.

Автономный резонансный инвертор.

Используется для преобразования постоянного напряжения в переменное повышенной частоты 103-105 Гц. Управляющие импульсы открывают поочередно пары тиристоров ТР1,ТР4 и ТР2,ТР3. Форма кривой нагрузочного тока iн определяется колебательным процессом в контуре с частотой: . При этом, чем выше добротность LC контура , тем ближе к синусоидальной будет форма нагрузочного тока. В рассматриваемом инверторе частота управляющих сигналов  fy должна быть меньше собственной частоты последовательного контура fo. Это необходимо для того, чтобы перезарядка конденсатора заканчивалась до отпирания очередной пары тиристоров.

Конверторы.

Конвертором называют преобразователь постоянного напряжения одного значения в другое. В настоящее время применяют два типа конверторов.

1. Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением.

2. Импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Рассмотрим структурную схему конвертора первого типа.

Преобразователь с самовозбуждением ПС преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до требуемого значения. После выпрямления выпрямителем В оно подается на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка. Далее рассмотрим принцип действия только ПС

Транзисторы включенные по двухтактной схеме работают в режиме ключей. Рассматриваемый преобразователь представляет собой релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы с трансформаторной положительной обратной связью. Для обеспечения такой формы колебаний материал сердечника трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. При подаче на конвертор напряжения от источника Е в транзисторах появляются токи iк1, iк2, которые не будут равны из-за технологического разброса параметров деталей. Допустим, что iк1>iк2. Тогда результирующая магнитодвижущая сила F=w1iк1-w2iк2 создаст в сердечнике магнитный поток Ф такого направления, что наведенная эдс в обмотках обратной связи wo1, wo2  еще больше увеличит ток транзистора Т1 и уменьшит ток транзистора Т2. Процесс происходит лавинообразно до тех пор пока Т1 полностью откроется, а Т2 закроется. На этом заканчивается первый этап работы преобразователя.

Возросший скачком ток iк1 приводит к изменению магнитной индукции сердечника от -Вr, до +Br. При этом в сердечнике появляется магнитный поток, изменяющийся практически по линейному закону. Достигнув участка насыщения +Вr, скорость нарастания магнитного потока уменьшается. Уменьшаются и эдс наводимые в обмотках обратной связи, в результате чего появляется небольшой коллекторный ток iк2, а коллекторный ток открытого транзистора Т1 несколько уменьшается. Направление магнитодвижущей силы в сердечнике меняется на противоположное. Начинает действовать положительная ОС, что приводит к отпиранию Т2 и запиранию Т1. Далее процессы повторяются.

Недостатком является то, что выпрямляется не синусоидальное напряжение, а напряжение прямоугольной формы. Диоды имеют инерционные свойства, поэтому в моменты времени, когда фронты нарастают или происходит спад импульса, диоды теряют свойства односторонней проводимости. Это приводит к уменьшению среднего значения выпрямленного напряжения, а следовательно и кпд выпрямителя.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Данные преобразователи регулируют выходное напряжение путем изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно импульсный или частотно импульсный способы регулирования.

Принцип действия ИРРН (Импульсные преобразователи постоянного напряжения) основан на ключевом режиме транзистора или тиристора, которые периодически прерывают цепь подачи напряжения Uo в нагрузку. При широтно импульсном преобразовании выходное напряжение регулируют изменением длительности импульса tи при неизменном периоде следования импульсов.

Среднее значение выходного напряжения определяется по формуле: . т.е. выходное напряжение можно регулировать от 0 (tи=0) до максимального значения (tи=Т). Рассмотрим схему импульсного преобразователя напряжения.

В качестве ключа в преобразователе служит тиристор. Между нагрузкой Z и тиристором включен сглаживающий LC фильтр. Диод Д, выполняющий  функции обратного диода, необходим для создания электрической цепи для тока нагрузки, когда тиристор выключен. Когда тиристор открыт, все напряжение Uo подается на вход сглаживающего фильтра и с него поступает в нагрузку. При этом диод не пропускает ток. Когда тиристор закрыт ток через нагрузку продолжает проходить за счет энергии, накопленной в дросселе Lф и в катушке Lн. При этом диод закрыт. Во всех импульсных преобразователях отпирание полупроводниковых ключей происходит за счет принудительной подачи на тиристор или транзистор управляющих импульсов. Запирание тиристоров осуществляется периодически заряжаемым конденсатором.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

104. Организация работ по строительству производственного цеха по ремонту механизмов 827.5 KB
  Определение продолжительности строительства, объёмов и трудоёмкости работ. По конструктивному решению здание представляет собой рамную, каркасную конструкцию. Прямые затраты на выполнение проекта.
105. Технические характеристики электропогружчиков логистического предприятия 339 KB
  Определение потребности в ресурсах при проведении работ по разгрузке и приемке товара. Выводы по состоянию охраны труда на предприятии и предложения по улучшению организации службы охраны труда. Напольное, стеллажное и мелкоячеистое хранение.
106. Теорія електричних та магнітних кіл 575 KB
  Розрахунок вторинних параметрів та А-параметрів електричної лінії. Аналіз частотного електричного фільтра. Типовими вузлами тракту передачі є лінія зв‘язку, якою сигнал розповсюджується з пункту передачі до пункту прийому, і електричний фільтр.
107. Економічне обґрунтування рішення щодо налагодження власного виробництва і реалізації на вітчизняному ринку електрогрилів 614.5 KB
  Вибір товару для просування на ринок і оцінювання його конкурентоздатності. Розрахунок витрат на виробництво по роках життєвого циклу проекта виробництва і реалізації товару. Розрахунок узагальнюючих показників ефективності реалізації бізнес-ідеї.
108. Особливості роботи редакторів растрової та векторної графіки 615.5 KB
  Редактор растрової графіки Adobe Photoshop, програма верстки Adobe PageMaker, редактор векторної графіки Corel DRAW. Найбільш широке поширення на комп’ютерах IBM PC одержали монітори типу MDA, CGA, Hercules, EGA і VGA.
109. Загальна теорія лінійних операторів 598.5 KB
  Лінійні оператори в комплексному Евклідовому просторі. Основний вигляд матриці лінійного оператора. Одним з найважливіших моментів у створенні основ цих математичних дисциплін є введення поняття функція.
110. Расчёт технологии прокатки листа 16х2000х5000 из стали 3 на стане 2800 ОАО АМК 518 KB
  Расчет режима обжатий в черновой и чистовой клетях. Расчет скоростного режима прокатки на клети Кварто. Определение допустимого момента при прокатке на клети Дуо. Определение допустимых усилий на валках.
111. Разработка экономических характеристик ООО 7-С Ритейл 89.11 KB
  Изучение и анализ всех видов деятельности предприятия в условиях перехода к рыночной экономике. Анализ экономических процессов, выбор и обоснование управленческих решений в конкретных производственных ситуациях.