КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

















КОНСПЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

Оглавление
13 TOC \o "1-3" \h \z \u 1413 LINK \l "_Toc82258961" 14Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве 13 PAGEREF _Toc82258961 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc82258962" 14Базовые понятия электронной техники. Источник тока. Источник напряжения. Согласование источника с нагрузкой. Пассивные элементы электрической цепи и их параметры. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и их соединение. Трансформаторы. Типы пассивных элементов, их особенности и области применения. Коэффициент нагрузки. Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях 13 PAGEREF _Toc82258962 \h 14101515
13 LINK \l "_Toc82258963" 14Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса 13 PAGEREF _Toc82258963 \h 14161515
13 LINK \l "_Toc82258964" 14Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры 13 PAGEREF _Toc82258964 \h 14181515
13 LINK \l "_Toc82258965" 14Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода 13 PAGEREF _Toc82258965 \h 14181515
13 LINK \l "_Toc82258966" 14Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные 13 PAGEREF _Toc82258966 \h 14251515
13 LINK \l "_Toc82258967" 14Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения 13 PAGEREF _Toc82258967 \h 14251515
13 LINK \l "_Toc82258968" 14Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем) 13 PAGEREF _Toc82258968 \h 14341515
13 LINK \l "_Toc82258969" 14Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации 13 PAGEREF _Toc82258969 \h 14381515
13 LINK \l "_Toc82258970" 14Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах 13 PAGEREF _Toc82258970 \h 14451515
13 LINK \l "_Toc82258971" 14Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера 13 PAGEREF _Toc82258971 \h 14501515
13 LINK \l "_Toc82258972" 14Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы 13 PAGEREF _Toc82258972 \h 14561515
13 LINK \l "_Toc82258973" 14Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования. 13 PAGEREF _Toc82258973 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc82258974" 14Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения 13 PAGEREF _Toc82258974 \h 14631515
13 LINK \l "_Toc82258975" 14Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС 13 PAGEREF _Toc82258975 \h 14661515
13 LINK \l "_Toc82258976" 14Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы 13 PAGEREF _Toc82258976 \h 14741515
13 LINK \l "_Toc82258977" 14Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры 13 PAGEREF _Toc82258977 \h 14771515
13 LINK \l "_Toc82258978" 14Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе-понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальная схема стабилизаторов 13 PAGEREF _Toc82258978 \h 14831515
13 LINK \l "_Toc82258979" 14Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция-демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на БПТ и ПТ. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме синфазного и противофазного сигнала и при использовании динамической нагрузки 13 PAGEREF _Toc82258979 \h 14881515
13 LINK \l "_Toc82258980" 14Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала 13 PAGEREF _Toc82258980 \h 141011515
13 LINK \l "_Toc82258981" 14Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.). Применение ОУ в робототехнике и системах управления 13 PAGEREF _Toc82258981 \h 141051515
13 LINK \l "_Toc82258982" 14Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ 13 PAGEREF _Toc82258982 \h 141081515
13 LINK \l "_Toc82258983" 14Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ 13 PAGEREF _Toc82258983 \h 141121515
13 LINK \l "_Toc82258984" 14Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Методы и средства построения. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ. Принцип действия и временные диаграммы работы. 13 PAGEREF _Toc82258984 \h 141141515
13 LINK \l "_Toc82258985" 14Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор 13 PAGEREF _Toc82258985 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258986" 14Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазо-импульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания. 13 PAGEREF _Toc82258986 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258987" 14Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения. 13 PAGEREF _Toc82258987 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258988" 14Логические основы цифровых устройств и ЭВМ. Двоичные переменные и переключательные функции, основные логические функции, основные законы алгебры логики, формы представления и минимизация переключательных функций. 13 PAGEREF _Toc82258988 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258989" 14Элементарная база цифровых микросхем. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Базовые логические элементы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики. Логические элементы на однотипных и комплементарных МДП-транзисторах. Логические элементы с тремя выходными состояниями. Микросхемы с открытым коллектором. Совместное применение микросхем разных серий. 13 PAGEREF _Toc82258989 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258990" 14Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления. 13 PAGEREF _Toc82258990 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258991" 14Счетчики импульсов. Двоичные счетчики и счетчики с произвольным коэффициентом счета. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы счетчиков, их основные параметры. Разновидности счетчиков, особенности использования счетчиков при создании цифровых систем управления. 13 PAGEREF _Toc82258991 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258992" 14Регистры. Параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. Структурные схемы, особенности работы и основные параметры регистров различных типов. Применение регистров в цифровых системах управления. 13 PAGEREF _Toc82258992 \h 141171515
13 LINK \l "_Toc82258993" 14Двоичные сумматоры. Одноразрядные двоичные сумматоры. Параллельные многоразрядные сумматоры. Структурные схемы, особенности работы. Основные параметры. 13 PAGEREF _Toc82258993 \h 141171515
15 Роль электроники в создании интегрированных систем управления машинами и механизмами. Социально-экономический аспект создания, развития производства и эффективного использования электронной техники в народном хозяйстве

Электроника это область науки и техники, занимающаяся разработкой и проектированием приборов, использующих движение заряженных частиц в вакууме, газах и твердых телах (в основном в полупроводниках), и созданием устройств на их основе. Это наука, развивающаяся быстрыми темпами с начала ХХ века и оказывающая огромное влияние на развитие цивилизации.
Начало развития электроники (вакуумные лампы: диод 1903 г., триод 1905 г.) тесно связано с необходимостью развития связи и прежде всего радиосвязи. Можно отметить, что до 1939 г. развитие электронных ламп и схем связано с их использованием в основном для нужд радиовещания, которое было в то время самым важным потребителем электроники. В тот период возникло большинство электронных ламп, известных в настоящее время, и основные электронные схемы, используемые и теперь в разных модификациях.
Промышленная электроника, занимающаяся использованием электронных элементов и схем в промышленности, как область техники гораздо моложе. Первые попытки использования ламповых схем в промышленности, прежде всего в измерительных установках, относятся к тридцатым годам прошлого века. Однако они не дали хороших результатов вследствие недолговечности, большой массы и габаритов электронных ламп, хотя другие характеристики этих устройств были удовлетворительные. Результаты этих первых экспериментов были использованы в широком масштабе только во время второй мировой войны, когда возросшие производственные потребности необходимо было удовлетворять в условиях чувствительной нехватки рабочей силы. Автоматизация производства, внедрение которой начато было в тот период, не могла осуществляться без электронных устройств. Электронные схемы также оказались незаменимыми в некоторых измерительных и контрольных установках.
Развитие промышленной электроники значительно ускорилось в послевоенный период, особенно после начала широкого применения полупроводниковых приборов в пятидесятых годах (1947 г. появление первого транзистора). С появлением полупроводниковых приборов стали возможными значительная миниатюризация устройств и уменьшение потребляемой ими мощности, увеличение времени безотказной работы и т. п. Только теперь можно было приступить к построению весьма сложных электронных устройств, например вычислительных машин небольших габаритов, низкой стоимости и высокой надежности, соответствующих промышленным требованиям.
В последние годы определились следующие основные области применения электронных схем в промышленности:
устройства для измерения различных физических величин как электрических, так и неэлектрических;
устройства для исследования материалов, например металлов, электрическими и магнитными методами без их разрушения;
устройства для регулирования и автоматического управления различными процессами или промышленными установками, а также для управления различными объектами хозяйства;
промышленные телевизионные установки, используемые для контроля и наблюдения за различными объектами или процессами;
вспомогательные устройства, используемые в некоторых технологических процессах, например термопроцессах (нагрев токами высокой частоты) или обусловленных ультразвуковым облучением (коагуляция, обработка, очистка поверхности и т. д.).
При измерении электрических величин электронные схемы требуются в тех случаях, когда электрические эффекты настолько незначительны, что исследовать их классическими методами невозможно. Это происходит, например, при измерении малых токов и напряжений, малых изменений емкости и т. д., если чувствительность обычных вольтметров, амперметров или мостов недостаточна для проведения измерений. В этом случае необходимо усилить измеряемую величину до значения, фиксируемого обычными методами. Подобные проблемы часто возникают при измерении неэлектрических величин электрическими методами, когда возникающие в первичном измерительном преобразователе сигналы незначительны. В этом случае усиление производится при помощи электронных схем.
Большое значение имеют также электронные устройства для исследования свойств материалов разными методами. Многие из этих методов основаны на связи между механическими и электрическими или магнитными свойствами исследуемых материалов. Исследование материала можно свести к измерению его характеристик магнитным или электрическим методом, что очень удобно, поскольку такое измерение легко осуществить, его можно автоматизировать и т. д. При этом исследование не приводит к разрушению или повреждению изделия. Это очень важно, так как исследования, приводящие к разрушению испытуемого образца, например разрыву, могут проводиться только на немногих экземплярах изготовленной партии изделий. Следовательно, в этом случае результаты измерений носят случайный характер и не дают полной уверенности в качестве изделий, которые не подвергались испытанию. Неразрушающие методы испытаний более надежны, поскольку их можно применить ко всей изготовленной партии, т. е. проверить каждое изготовленное изделие.
Автоматическое управление и контроль технологических процессов являются теперь одними из наиболее характерных особенностей быстрого развития техники. В этой новой быстро развивающейся области техники электронные устройства являются очень важным, а часто и обязательным элементом, от свойств которого зависит качественная работа всей регулируемой системы. Последние достижения автоматики, связанные с использованием электронных вычислительных машин, были бы при современном уровне развития техники невозможны без электронных схем. Тесная связь автоматики и электроники обусловливает надлежащий прогресс обеих этих областей техники.
Электроника также тесно связана с некоторыми технологическими процессами, в которых электронные устройства обычно используются в качестве источников токов высокой частоты. Это процессы высокочастотного нагрева, а также процессы, связанные с излучением ультразвука большой мощности. Электронная схема в таком устройстве служит для создания токов высокой частоты необходимой мощности, и следовательно, она только косвенно связана с данным технологическим процессом, тем не менее она является обязательной.
Телевизионные устройства могут передавать образ любого промышленного объекта на произвольное расстояние, например к диспетчеру или к обслуживающему персоналу. Промышленное телевидение играет важную роль, там, где из-за условий работы невозможны непосредственные наблюдения, например в отравленной атмосфере, на участках с большим уровнем радиации (атомные реакторы) и т. п.
Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и механики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновременно функции рабочих и информационных машин.
Возникновение робототехники обусловлено потребностями развивающегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населения возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производства. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупносерийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производительность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. В этих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.
Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяющихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творческого содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.
Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого термина? Существует большое число определений понятия "робот". Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропоморфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей средой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулировано следующее определение. Робот это машина-автомат, предназначенная для воспроизведения двигательных и умственных функций человека, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обычные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автоматы для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы универсальные системы многоцелевого назначения; они способны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобучаться с одной операции на другую.
Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленными.
Следует отметить следующие их достоинства.
Повышение безопасности труда это одно из первоочередных назначений роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышленности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, потенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработке хлопка, асбеста и т.п.
При использовании роботов происходит интенсификация рабочего процесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели производства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается качество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процессы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на человека.
Однако эффективность применения робота проявляется только при правильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.
Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудностями.
Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего, обслуживающего технологическое оборудование или совершающего технологическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физического труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.
Основными факторами экономической эффективности роботов, учитываемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социальные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.
Базовые понятия электронной техники.

Источник напряжения
- источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет неизменное напряжение, не зависящее от тока, потребляемого от этого источника.
r – внутреннее сопротивление генератора
R – сопротивление нагрузки
Е – ЭДС генератора
U = Е - I
·r
Это достигается тогда, когда внутренне сопротивление источника близко к 0 или несоизмеримо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки (идеальные условия r = 0). R>>r
Обычно для источников питания электронных устройств для задания неизменных режимов работы принимают R = 10r.
Источник тока
- источник электрической энергии, который отдает во внешнюю цепь ток неизменного значения, независимо от сопротивления нагрузки. Это возможно, когда внешнее сопротивление нагрузки пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника.
13 EMBED Equation.3 1415
Используется в качестве коллекторной нагрузки: (kU=Rк/(Rэ+rэ0); Rк=
·U/
·I; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и в цепи эмиттеров дифференциальных каскадов. Также используется в электрохимии.
Согласование источника с нагрузкой:
максимальная мощность выделяется на нагрузке в том случае, если ее сопротивление равняется сопротивлению источника.
R = r =>Pн =Pmax
Применяются в передатчиках для получения максимальной мощности и в высокочастотных цепях для получения минимального отражения волны от нагрузки.
Пассивные элементы
(резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) представляют на схемах в виде резистивного сопротивления R, ёмкости C, индуктивности L.
Резистивным сопротивлением
называется идеализированный элемент, обладающий только свойством необратимого рассеяния энергии. Математическая модель определяется законом Ома:
13 EMBED Equation.3 1415, где R – сопротивление [R] – Ом; 13 EMBED Equation.3 1415 – проводимость [G] – Сименс.
Мощность участка цепи с сопротивлением:
13 EMBED Equation.3 1415
Энергия, рассеиваемая резистором к моменту времени t:
13 EMBED Equation.3 1415
Резисторы бывают широкого применения и точные. У точных – обычно меньшие уровень собственных шумов и температурный коэффициент напряжения. Резистор характеризуется также максимальной рассеиваемой мощностью, которая не должна превышаться.
Соединение резисторов:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При параллельном соединении общее сопротивление определяется сопротивлением наименьшего 13 EMBED Equation.3 1415; при последовательном – наибольшим 13 EMBED Equation.3 1415.
Катушкой индуктивности
называется идеализированный элемент, обладающий только свойством накопления энергии в его магнитном поле. Математическая модель:
13 EMBED Equation.3 1415, где
13 EMBED Equation.3 1415 – потокосцепление.
[L] – Генри (Гн).
Потокосцепление характеризует суммарный магнитный поток, пронизывающий участок цепи или индуктивную катушку.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415индуктивное сопротивление цепи.
Связь между u и i определяется законом электромагнитной индукции:
13 EMBED Equation.3 1415 Напряжение опережает ток на 90
· по фазе.
Мощность:
13 EMBED Equation.3 1415
Энергия магнитного поля индуктивности к моменту t определяется как интеграл:
13 EMBED Equation.3 1415
Если магнитные потоки само- и взаимоиндукции двух катушек направлены в одну и ту же сторону, то такое включение называется согласным. При согласном включении конец одной катушки совпадает с началом другой, если они намотаны в одну сторону.
13 EMBED Equation.3 1415, где М – коэффициент взаимоиндукции (при согласном включении «+», при встречном – «-»).
13 EMBED Equation.3 1415, k – коэффициент связи между катушками 13 EMBED Equation.3 1415.
Если 13 EMBED Equation.3 1415.
При параллельном соединении катушек индуктивности 13 EMBED Equation.3 1415.
Если 13 EMBED Equation.3 1415.
Ёмкость
характеризует энергию, которая накапливается в электрическом поле конденсатора.
13 EMBED Equation.3 1415 – математическая модель ёмкости; [С] – Фарад (Ф)
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Ток опережает напряжение на 90
· по фазе
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
При последовательном включении конденсаторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, при параллельном 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Конденсатор электролитический обладает самой большой емкостью. Используется в фильтрах питания и в переходных конденсаторах, где изменение емкости на 20 – 30% не играет определяющей роли. Чем больше емкость, тем меньше пульсация (соединение конденсаторов).
Трансформатор
– устройство, основанное на явлении взаимоиндукции и передающее электрическую энергию из одной цепи в другую без непосредственного контакта между ними.
В простейшем случае состоит из двух обмоток, связанных общим магнитным потоком Ф, который замыкается по воздуху или через сердечник.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - магнитный поток;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - ЭДС, наводимая этим магнитным потоком;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.3 1415 – эдс, наводимая в первичной и вторичной обмотках; W1 и W2 – число витков этих обмоток.
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент трансформации:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
КПД трансформатора:
13 EMBED Equation.3 1415 близок к 1 (90 – 95%)
Коэффициент нагрузки характеризует надежность работы. Показывает, какова в процентном отношении реальная нагрузка на данный элемент по сравнению с допустимой.
Для обычных резисторов ~ 0,65
Для конденсаторов ~ 0,7
Для проволочных резисторов ~ 0,75
Для кремниевых диодов ~ 0,5
Для германиевых диодов ~ 0,3
Для кремниевых транзисторов ~ 0,8
Для германиевых транзисторов ~ 0,4

Цифробуквенная система обозначения пассивных элементов на принципиальных схемах и на изделиях.
Резисторы(R, RH, VR) нумеруются на электрических схемах сверху вниз, слева направо.
У резисторов обычной точности – 4 полоски
У резисторов повышенной точности - 5
1-я полоса либо шире других, либо смещена к одному краю
Первые два либо три кольца обозначают величину сопротивления в Омах, следующее кольцо – множитель, далее – допуск.
Если имеется шестое кольцо, то оно обозначает температурный коэффициент сопротивления (ТКС).
По номинальному напряжению и току:
5R1U – 5,1Ом ± 5%
51КС – 51кОм ± 10%
М10Л - 100 кОм (0,1МОм) ± 2%
Г - ГигаОм-109
Т - ТераОм- 1012

На бескорпусных резисторах:
222 - 22
·102Ом - 2,2 кОм
2812 - 281
·102Ом - 28,1 кОм
Обозначение полосками:

цвет
номинальное сопротивление
точность
(%)


1
2
3
множитель


серебристый
-
-
-
10-2
±10%

золотистый
-
-
-
10-1
±5%

черный
-
0
-
1
-

коричневый
1
1
1
10
±1%

красный
2
2
2
102
±2%

оранжевый
3
3
3
103
-

желтый
4
4
4
104
-

зеленый
5
5
5
105
±0,5%

голубой
6
6
6
106
±0,25%

фиолетовый
7
7
7
107
±0,1%

серый
8
8
8
108
±0,05%

белый
9
9
9
109
-






13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Ряд номинальных сопротивлений Е24±5% (10 Ом
·R
·100 Ом):
10, 11, 12, 13, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91.
Число из этого ряда домножается на десять в любой степени.
Например, если при расчете получилось 115 Ом, то мы выбираем либо 110 Ом, либо 120 Ом.
Существуют еще ряды от Е6±20% до Е192. Для рядов Е48 – Е192 существует свой номинал (более точный – 3 значащие цифры).
Мощность резисторов на схемах кодируют с помощью штрихов. 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Буквенное обозначение точности резисторов и конденсаторов:
В(Ж) ±0,1%
С(У) ± 0,25%
D(Д) ± 0,5%
F(P) ±1%
G(JI) ± 2%
I(И) ±5%
Переменные:
К(С) ±10%
М(В) ± 20%
N(Ф) ±30%
Только для конденсаторов:
Q(-) -10 +30%
Т(Э) -10 +50%
Y(Ю) -10 +100%
S(Б) -20 +50%
Z(A) -30 +80%

33,0 = 33µF
33 = 33pF
33n = 33nF
33m = 33mF
223 = 22
·103pF
Конденсаторы имеют температурный коэффициент.
П – положительный, М - отрицательный.
П100 - +ТКЕ 100·10-6 /°С
M1500 - -1500-10-6/°С
МП0 - близок к 0 (для конденсаторов высокой стабильности)
Для нестабильных сегнетокерамических:
Н10 в диапазоне температур -60до +80°С, max изменение ± 10%
Н20
Н50
Н70
Н90
Виды и параметры электрических сигналов. Амплитудное, действующее, среднее значение напряжения и тока электрического колебания. Длительность импульса, период следования, частота, скважность, фронт и спад импульса

Виды электрических сигналов:
синусоидальный
прямоугольный
треугольный
пилообразный


















13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

tи – длительность импульса (меряется по U/2)
tф – фронт импульса (нарастание) от 0,1 до 0,9
tзад.фр – задний фронт импульса (спад) от 0,9 до 0,1
tпауз – длительность паузы
Т = tи+ tпауз – период следования импульса
f = 1/Т – частота импульса
13 EMBED Equation.3 1415 - скважность; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Если для прямоугольных колебаний Q = 2, то есть tи = tпауз, то такие колебания называются меандр.
Колебание пикообразной формы - это колебание, в котором изменение мгоновенного значения протекает во времени по линейному закону. В общем случае нарастания T1 и убывания Т2 мгновенного колебания не равны.

Амплитудное значение - максимальное значение электрического сигнала(Umax).
Действующее значение переменного напряжения (тока) 220В производит такое же
тепловое действие, как и постоянное напряжение данной величины, то есть характеризует
тепловые потери.

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Среднее значение – среднее арифметическое абсолютных значений колебаний в течение одного полупериода. Определяет площадь или произведение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в каждой точке, а следовательно, количество переданного электричества и энергии.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Электрические цепи. Интегрирующие дифференцирующие. Векторные диаграммы напряжений и токов. Прохождение прямоугольного сигнала через них (ФНЧ и ФВЧ). Параллельный и последовательный колебательные контуры. Резонанс тока и напряжения. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики электрических цепей и их параметры

Интегрирующие цепи:




· = R·C

· = L/С


· – постоянная времени, численно равная времени, за которое свободная составляющая уменьшится в е раз.

13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415 13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415 13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415

·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415
max искажения min искажения

Интегрирующие цепи используются в качестве звена фильтра низких частот, а также для синусов сглаживания высокочастотных шумов и импульсных помех.

Дифференцирующие цепи:





· = R·C

· = R/L


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415
·13 EMBED Equation.3 1415

Используются для выделения фронтов сигнала, в том числе импульсных сигналов, а также в качестве звена фильтра высоких частот.
Резонанс – совпадение амплитуд. Следствие резонанса – увеличение амплитуды. При увеличении частоты генератора 13 EMBED Equation.3 1415 увеличиваются, а 13 EMBED Equation.3 1415 уменьшаются. При резонансе 13 EMBED Equation.3 1415.
Параллельный резонанс возникает в цепи, состоящей из катушки индуктивности и конденсатора, соединенных параллельно. Полное сопротивление этой цепи зависит от частоты и наибольшее значение достигается при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, называемой резонансной частотой. Параллельный резонанс – резонанс токов.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 EMBED Equation.3 1415, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - комплексное сопротивление.
Ток в конденсаторе опережает напряжение, так как для возникновения между обкладками напряжения необходимы заряды, которые приносит ток.
Ток в катушке индуктивности отстает от напряжения, так как на любую попытку изменения тока катушка вначале реагирует возникновением встречной ЭДС самоиндукции.
При резонансе токов абсолютные значения токов катушки индуктивности и конденсаторы равны, а направления противоположны, т.е. они компенсируют друг друга, и результирующий ток стремится к 0.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415


Последовательный резонанс возникает в цепи с последовательным соединением конденсатора и катушки индуктивности.
Последовательный резонанс – резонанс напряжений – и напряжение на контуре стремится к нулю.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Колебательные контуры используются в генераторах. Параллельные колебательные контуры применяются в качестве избирательных радиочастотных цепей с целью выделения требуемой полосы частот.
Последовательные - для подавления и усиления сигнала на определённых частотах (частоте сети и ее гармониках при точных измерениях, промежуточной частоте в радиоприемниках и телевизорах).

Амплитудно-частотная характеристика- это график или аналитическое выражение, представляющее для данной цепи или устройства зависимость тока, напряжения или коэффициента усиления от частоты подводимого к нему синусоидального колебания. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоидального сигнала в зависимости от частоты.

13 EMBED Equation.3 1415 - коэффициент передачи
13 EMBED Equation.3 1415 - неравномерность АЧХ.
Добротность 13 EMBED Equation.3 1415
Ширина полосы пропускания цепи – это полоса частот, заключенных между граничными частотами и численно равная разности этих частот. Значения граничных частот составляют 0,707 f0 (резонансной частоты).
13 EMBED Equation.3 1415 - полоса пропускания цепи по уровню 3дБ.
13 EMBED Equation.3 1415
Относительные децибелы (
· – отношение двух величин в децибел):
13 EMBED Equation.3 1415относительные децибелы
Абсолютные децибелы- это отношение данной величины к некоторой фиксированной, например дБР – отношение данной мощности к мощности 1мВт на сопротивлении R=600 Ом, при напряжение UR=0,775 В; дБВ – отношение данного напряжения к UR. За 0 дБ звукового давления принимают нижний порог слышимости.
20дБ – 10 раз
40дБ – 100 раз
14дБ – 5 раз
12дБ – 4 раза
6дБ – 2 раза
3дБ - 13 EMBED Equation.3 1415раз
1,5дБ - 13 EMBED Equation.3 1415раз

Фазо-частотная характеристика - зависимость сдвига фаз выходного сигнала относительно входного от частоты.

Любой периодический сигнал можно однозначно разложить в ряд Фурье на гармонические составляющие с определенными амплитудами и фазовыми сдвигами. Для того, чтобы форма выходного сигнала соответствовала форме входного, необходимо не только одинаковые усиления всех гармонических составляющих, но и одинаковая их задержка по времени.
Основные понятия теории электропроводности полупроводников. Электронно-дырочный p-n-переход. Вольтамперные характеристики. Дрейфовый и диффузионный ток. Барьерная и диффузионная емкость p-n-перехода. Возможность их использования и влияние на характеристики диодов. Виды пробоя p-n-перехода

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.
Полупроводниковые материалы делятся на собственные (чистые) и примесные. При температуре 0
·К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.
Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где n – число электронов, p- число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.
Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.
Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового 13 EMBED Equation.DSMT4 1415и диффузионного токов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 нарушится и через переход будет протекать прямой ток.
Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n-переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.
Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.
При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.
При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.
Плоскостной электронно-дырочный переход.
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.
Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

p-n переход дырки






· ионы
ВАХ p-n-перехода

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

p-n переход - область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов. Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.
Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.
Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.
Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.
Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n-переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n-перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.
Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.
Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n-перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.
Р-n-переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной:
С = Сбар+Сдиф
Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n-перехода и может достигать 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n-переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1:5.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415с
Коэффициент перекрытия по ёмкости
13 EMBED Equation.3 1415
Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n- переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости Сдиф. При обратном включении - обратный ток в начальный момент времени - ток перезаряда Сдиф. Сдиф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение Сдиф существенно больше, чем Сбар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.
Полупроводниковые диоды. Принцип действия. Классификация, параметры. Выпрямительные диоды и мосты. Параллельное и последовательное соединения диодов. Стабилитроны и стабисторы. Варикапы. Диоды Гана, Шотки, туннельные, обращенные, лавинно-пролетные

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и 2-мя выводами, с помощью которых он соединяется с внешней электрической цепью.
В основе классификации диодов лежат различные признаки:
Вид электрического перехода (точечный, плоскостной);
Физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный);
Характер преобразования энергии сигнала (фотодиод, светодиод, магнитодиод и т.д.);
Диапазон рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ диоды);
Конструктивно-технологические особенности (диффузионные, эпитаксиальные, Шотки и т.д.);13 EMBED Equation.DSMT4 1415
В курсе изучения электроники основное внимание будем уделять изучению диодов с точки зрения:
Применяемого исходного материала для изготовления диодов: кремниевые, германиевые, селеновые и т.д.;
Использованию нелинейных свойств p-n-перехода: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, импульсные.
На электронных схемах диоды обозначаются следующим образом:

Выпрямительный


Туннельный



Обращенный

Диоды являются полупроводниковыми приборами, которые пропускают ток в одном направлении. При прикладывании к диоду прямого напряжения («+» к аноду, а «-» к катоду), резко возрастает значение прямого тока, который во много раз больше обратного 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
К основным статистическим параметрам диода относят прямое падение напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при заданном прямом токе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, и постоянный обратный ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при заданном обратном напряжении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Дифференциальное сопротивление диода 13 EMBED Equation.DSMT4 1415характеризует динамические параметры и влияет на крутизну вольтамперной характеристики диода, т.е. само дифференциальное сопротивление зависит от приложенного напряжения и протекающего тока




13 EMBED Equation.DSMT4 1415










Падение напряжения на отдельном диоде зависит от величины прямого тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и температуры и применяется в диапазоне 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 для германиевых диодов, и для кремниевых 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Обратный ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, протекающий через диод, сильно зависит от температуры, и при некотором значении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 приближается к некоторому постоянному значению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415(с увеличением температуры происходит увеличение обратного тока).
Предельное значение температуры для германиевых диодов составляет 13 EMBED Equation.DSMT4 1415; кремниевых диодов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
В электрических схемах диоды включаются в цепь в прямом направлении. Е – напряжение источника питания. В практических схемах в цепь диода всегда включается какая-либо нагрузка, например, резистор. Такой режим работы диода называется рабочим. Его расчет производится по известным значениям 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и ВАХ диода. Расчет производится по формуле 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
В формуле две неизвестных 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Решение производится графически. На ВАХ диода накладывается прямая нагрузка, которая строится по 2-м точкам на осях координат при:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т. А на рисунке.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, что соответствует т. Б.
Через эти точки проводим прямую, которая и является линией нагрузки. Координаты т. Т определяют рабочий режим диода.
Рабочий режим характеризуется следующими параметрами: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415- максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415температурные параметры.
Рассмотрим группу полупроводниковых диодов, особенность работы которых связана с использованием нелинейных свойств p-n-перехода.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты (13 EMBED Equation.DSMT4 1415) в постоянное. Они подразделяются на диоды
малой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
средней 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
большой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 мощности.
Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:
Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;
Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;
Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;
Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;
Рабочий диапазон температур.
В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и отводимая от него 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, рассеиваемой диодом, т.е . 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 . В противном случае наступает тепловой пробой диода.
Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и корпуса диода 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 позволяет при заданном значении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.
Для выпрямления высоких обратных напряжений применяются выпрямительные столбы, в которых диоды включаются последовательно.
Последовательное соединение диодов используется, если максимально допустимое обратное напряжение одного диода меньше напряжения, которое нужно выпрямить.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - число диодов; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - действующее значение; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - коэффициент нагрузки.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где 1.1 –коэффициент, учитывающий 10% разброс значений сопротивления по напряжению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Из-за разброса этого параметра с тем, чтобы обратное напряжение более равномерно распределялось между диодами, диоды шунтируются резисторами с одинаковыми значениями сопротивлений, каждое из которых значительно наименьшего из обратных сопротивлений диодов, но достаточно большим, чтобы не вызвать рост обратного тока. Обычно это значение выбирается в пределах от нескольких десятков до сотен кОМ.
Например, Uн = 624В, а диод имеет следующие справочные данные: Uобр max = 400В, Iобр max = 5
·А. Это параметры, которым должны удовлетворять все диоды данного типа, то есть наихудшие. Более качественный диод данного типа вполне может иметь меньший обратный ток (например, 1
·А). Рассчитаем величину обратных соединений диодов:
R1 обр = 80МОм
R2 обр = 400Мом, при этом U1 обр = 104В, U2 обр = 520В> Uобр max, то есть второго, лучший диод выходит из строя.
Рассчитав по формуле 13 EMBED Equation.3 1415= 8МОм и включив параллельно каждому из диодов резисторы, рассчитанного сопротивления, получим R\обр = 727Мом, при U\1 обр = 301В, U\2 обр = 323В< Uобр max.
Иногда в электрических схемах применяют параллельное соединение диодов для получения прямого тока, значение которого больше предельного значения тока одного диода.
Из-за разброса ВАХ диоды по току получают различную нагрузку. Поэтому для выравнивания значений токов, протекающих через них, применяют добавочные уравнительные резисторы, на которые падает излишнее напряжение. Практически параллельное соединение более 3-х диодов не применяется.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415- среднее падение напряжения на диоде с прямым включением; 13 EMBED Equation.DSMT4 1415Необходим ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415для компенсации напряжения на втором диоде.
Например, есть диоды со следующими данными, взятыми из справочника.
13 EMBED Equation.3 1415
Рассчитываем 13 EMBED Equation.3 1415
Для другого, лучшего диода этого типа 13 EMBED Equation.3 1415 (на переходе падает 0,6В и 0,07 на p и n областях), а значит 13 EMBED Equation.3 1415.
Получаем: 13 EMBED Equation.3 1415 и лучший диод выходит из строя.
13 EMBED Equation.3 1415 и получаем 13 EMBED Equation.3 1415. При этом
13 EMBED Equation.3 1415
Дальнейшее увеличение R нецелесообразно, т.к. ведет к увеличению рассеиваемой на них мощности и уменьшения КПД выпрямителя.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон


Основными параметрами стабилитронов являются:
Uст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;
Iст min - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;
Iст max максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;
Rст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: Rст =(U/(I

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.
Принцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором Rогр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.
При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.
13 EMBED Equation.3 1415
В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: 13 EMBED Equation.3 1415(чем меньше, тем лучше)
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Статическое сопротивление: 13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент качества: 13 EMBED Equation.3 1415=0,01 – 0,05
Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С
Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается 13 EMBED Equation.3 1415 и существенную роль играют шумы.

Стабисторы - это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН при условии непревышения тока самого слаботочного из них
Напряжения при этом складываются. Согласное параллельное включение не используется. Встречное параллельное и последовательное включение позволяет получить при необходимости разные уровни ограничиваемого напряжения для разных полярностей переменного тока, протекающего через нагрузку.

Варикапы - п/п нелинейный управляемый конденсатор. Диффузионная ёмкость в связи с её зависимостью от температуры и частоты, а главное с тем, что она шунтирована низким сопротивлением прямосмещённого р-n перехода использовать не представляет возможным. Барьерная ёмкость при обратном смещении р-n перехода широко используется. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопротивление очень велико.
Добротность: 13 EMBED Equation.3 1415

Применяют в электронных устройствах для настройки частоты параллельных колебательных контуров, в избирательных усилителях и генераторах (например, с целью выбора телевизионных и радиопрограмм).

Туннельные диоды – диоды, в основе которых использован туннельный эффект. Любой двухполюсник, имеющий на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор, но не оправдали надежд, так как подвержены временной деградации.







Обращенные диоды – разновидность туннельных, не имеющие на ВАХ участки отрицательного дифференциального сопротивления, используются для выпрямления малых сигналов (за счет большой крутизны обратной диодной характеристики).










Диод Шотки – диод, полученный путём металлизации p-проводника. У него отсутствует Сдиф, что позволяет увеличить быстродействие диода на порядок, имеет малое прямое напряжение (Uпр < 0,3В), но имеет большие обратные токи (сотни мА) и малое пробивное напряжение (<200В).

В качестве генераторных и усилительных диодов на СВЧ могут так же использоваться лавинно-пролетные диоды и диоды Гана, которые в последнее время были вытеснены арсенид галлиевыми СВЧ полевыми транзисторами за счет их лучших шумовых и усилительных характеристик.

Беспереходные полупроводниковые приборы. Терморезисторы (термисторы, позисторы, терморезисторы с косвенным подогревом), варисторы, тензорезисторы, магниторезисторы, датчик Холла, основные характеристики. Области их применения
Полупроводниковым резистором называется полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления проводника от напряжения, температуры, освещенности и других управляющих параметров.
Терморезисторы - приборы, в которых используется R = f(T).
Термистор – терморезистор с отрицательным ТКС - выполняют функцию защиты выпрямительных импульсных блоков питания от больших зарядных токов конденсаторов, фильтров при включении.
Позистор – терморезистор с положительным ТКС – используются для уменьшения тока через петлю размагничивания кинескопов мониторов и телевизоров через несколько секунд после включения.
Терморезисторы используются так же для измерения температуры, для поддержания температуры в заданных пределах, в системах автоматической регулировки усиления; терморезисторы с косвенным подогревом используются для гальванической развязки двух цепей в системах автоматизации и управления.
Варистор – п/п резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Используется для защиты входных и выходных цепей электронных устройств, а так же ЛЭП от кратковременных всплесков напряжения. В отличие от стабилитронов рассеивает в своем объеме большую импульсную мощность (в стабилитроне – только в узкой области p-n-перехода).

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Тензорезистор - п/п резистор, сопротивление которого зависит от механической деформации. Бывают проволочные, фольговые, полупроводниковые. При механической деформации появляются дополнительные энергетические уровни в запрещенной зоне и уменьшается сопротивление п/п.
Недостаток: низкая температурная и стабильность.
Достоинства: высокая чувствительность.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Используются для измерения деформаций, сил и моментов сил.
Датчик Холла.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Если п/п поместить в магнитное поле и пропустить ток , перпендикулярно этому полю, то согласно правилу левой руки на заряд будет действовать сила, отклоняющая их. В собственном (беспримесном) полупроводнике ЭДС Холла возникает за счет большой подвижности электронов, хотя заряды отклоняются в одну и ту же сторону. Применяется для исследования полупроводников, измерения магнитных полей, во всевозможных датчиках механического перемещения.
Магниторезистор образуется при введении в датчик Холла металлических перегородок. Тогда увеличивается путь носителя заряда, что эквивалентно увеличению электрического сопротивления. Используется аналогично датчику Холла (кроме исследования полупроводников).


Система обозначения отечественных и импортных полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов, электронных микросхем)
В основу системы обозначения положен восьмизначный буквенно-цифровой код по ГОСТ 11.336.919-81:
Х Х Х ХХХ Х - Х
1 2 3 4 5 6 7 8
Первый элемент обозначения (буква или цифра), обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен полупроводниковый прибор: Г (1) - германий и его соединения; К (2) -кремний и его соединения; А (3) - соединения галлия; И (4) - соединения индия. Буква применяется для обозначения полупроводниковых приборов широкого применения, цифра - для обозначения приборов, применяемых в устройствах специального применения.

Второй элемент обозначения - буква, определяет подкласс полупроводнико-вого прибора:
Т - транзисторы (за исключением полевых);
П - транзисторы полевые;
Д - диоды выпрямительные и импульсные, магнитодиоды, термодиоды;
К - стабилизаторы тока;
Ц - выпрямительные столбы и блоки;
С - стабилитроны, стабисторы и ограничители;
В - варикапы;
Л - излучающие оптоэлектронные приборы;
О - оптопары;
Н - тиристорные диоды;
У - тиристорные триоды;
И - туннельные диоды;
Г - генераторы шума;
В - приборы с объемными эффектами (приборы Ганна);
А - сверхвысокочастотные диоды;
OR - резисторные оптопары
ОД - диодные оптопары
ОТ - транзисторные оптопары
ОУ - тиристорные оптопары

Третий элемент обозначения - цифра, определяющая основные функциональные возможности прибора, например, допустимое значение рассеиваемой мощности, граничную или максимальную рабочую частоту. Для биполярных и полевых транзисторов цифра третьего элемента обозначения показывает группу транзисторов по максимальной рабочей частоте и допустимой рассеиваемой мощности в соответствии со следующей таблицей.


НЧ
СЧ
ВЧ
СВЧ
Р ,Вт

ММ
1
2
3
-
<0,3

СМ
4
5
6
-
0,3 – 3

БМ
7
8
9
-
>3

fгр ,МГц

·3
3 - 30
>30
>300


ММ - малая мощность
СМ – средняя мощность
БМ – большая мощность
fгр – граничная частота
Четвертый, пятый, шестой элементы обозначения - трехзначное число (иногда двухзначное число), обозначающее порядковый номер разработки технологического типа, а для стабилитронов и стабисторов - напряжение стабилизации.
Седьмой элемент обозначения - буква, определяет классификационную группу, получаемую при разбраковке изготовленных приборов по каким-либо параметрам.
Восьмой элемент обозначения - одна цифра, обозначающая вид исполнения полупроводникового прибора (только для бескорпусных приборов).Например, цифра - 1 обозначает бескорпусной полупроводниковый прибор с гибкими выводами, цифра -2 - с ленточными выводами, - 3 - с жесткими выводами и т. д.
Примеры:
КД202А - полупроводниковый кремниевый (K) выпрямительный диод средней мощности (Д2), порядковый номер разработки - 02;
КС168А - полупроводниковый кремниевый (K) стабилитрон малой
мощности (C1) с напряжением стабилизации 6,8 В;
2Т3123А-2 - кремниевый для аппаратуры специального назначения (2) маломощный биполярный транзистор с граничной частотой больше 30 МГц (T3), порядковый номер разработки - 123, бескорпусной с ленточными выводами (- 2).

Условные обозначения зарубежных интегральных микросхем

За рубежом существуют различные системы кодирования (обозначения) ИМС, действующие как в международном масштабе, так и внутри отдельных стран и фирм.
В европейских странах система кодирования ИМС аналогична системе, принятой для кодирования дискретных полупроводниковых приборов, и используется примерно 40 фирмами различных стран (Англии, Бельгии, Италии, Испании, Нидерландов, Швеции, ФРГ), выпускающими полупроводники. Основные принципы кодирования, по которым обозначения присваиваются организацией Association International Pro Electron, приводятся ниже.
Код состоит из трех букв, за которыми следует серийный номер (например, ТВА810, SAB2000).
Первая буква (для одиночных схем) отражает принцип преобразования сигнала в схеме: S цифровая схема; Т аналоговая схема; U смешанная аналого-цифровая схема.
Вторая буква не имеет специального значения (выбирается фирмой-изготовителем), за исключением буквы Н, которой обозначаются гибридные схемы.
Для серий (семейств) цифровых схем первые две буквы обозначают: FL, FZ, GD цифровые схемы;
GA маломощные ТТЛ-схемы; GF стандартные ТТЛ-схемы; GJ быстродействующие ТТЛ-схемы; GM маломощные с диодами Шоттки ТТЛ-схемы; НВ комплементарные МОП-схемы 4000А; НС комплементарные МОП-схемы 4500В.
Третья буква обозначает рабочий диапазон температуры или, как исключение, другую важную характеристику:
А температурный диапазон не нормирован;
В от 0 до +70 °С;
С от55 до +125°С;
D от25 до +70°С;
Е от25 до +85 °С;
F от 40 до +85°С;
G от55 до +85°С.
Затем следует серийный номер. Он может быть либо четырехзначным числом или серийным номером, состоящим минимум из четырех цифр существующего внутрифирменного номера. Если последний состоит менее чем из четырех цифр, то количество цифр увеличивается до четырех путем добавления нулей перед ними.
Кроме того, за цифрами может следовать буква для обозначения варианта (разновидности) основного типа.
При двух буквенном обозначении вариантов корпусов (после серийного номера) первая буква отражает конструкцию:
С цилиндрический корпус;
D с двухрядным параллельным расположением выводов (DIP);
Е мощный с двухрядным расположением выводов (с внешним теплоотводом);
F плоский (с двусторонним расположением выводов)
G плоский (с четырехсторонним расположением выводов);
К корпус типа ТО-3;
М многорядный (больше четырех рядов);
Q с четырехрядным параллельным расположением выводов;
R мощный с четырехрядным расположением выводов (с внешним теплоотводом);
S с однорядным расположением выводов;
Т с трехрядным расположением выводов.
Вторая буква показывает материал корпуса:
G стеклокерамика;
М металл;
Р пластмасса;
X прочие.
Обозначения корпусов с одной буквой:
С цилиндрический;
D керамический;
F плоский;
L ленточный кристаллодержатель;
Р пластмассовый DIP;
Q с четырехрядным расположением выводов;
Т миниатюрный пластмассовый;
U бескорпусная ИМС.
В коде, действовавшем до l973 г., первые две буквы обозначают то же, что
и в современном, а третья буква показывает функциональное назначение:
А линейное усиление;
В частотное преобразование/демодуляция;
С генерация колебаний;
Н логические схемы;
J двухстабильные или мультистабильные схемы (делители частоты, триггеры, счетчики, регистры);
К –– моностабильные схемы (одновибраторы);
L –– цифровые преобразователи уровня (дешифраторы, драйверы);
М схемы со сложной логической конфигурацией (например, сумматор)
N двухстабильные или мультистабильные схемы (с длительным хранением информации);
Q оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
R постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
S усилитель считывания с цифровым выходом;
Y прочие схемы.

Примеры:
КМ155ТМ5 - ИМС широкого применения (К), в металлокерамическом корпусе (М), полупроводниковая (1), серия 155, триггер типа Д (ТМ), разработка 5.
КБ537РУ1-1 - ИМС широкого применения (К), бескорпусная (Б), полу- проводниковая (5), серия 537, оперативное запоминающее устройство(РУ), разработка 1, с гибкими выводами (-1).
1800ВБ2 - ИМС специального назначения (1-я группа символов отсутствует), полупроводниковая (1), серия 1800, схема синхронизации для вычислительных устройств (ВБ), разработка 2.
К174УН9А - ИМС широкого применения (К), в корпусе с планарным расположением выводов (2-я группа символов отсутствует), полу- проводниковая (1), серия 174, усилитель напряжения (УН), разработка 9, группа по разбраковке А (ИМС К174УН9 сортируются по коэффициенту нелинейных искажений Кг: группа А - Кг < 1%, группа Б - Кг < 2%).
Фотоэлектрические и излучающие в видимом, ИК и УФ диапазоне полупроводниковые приборы. Полупроводниковые лазеры. Оптоэлектронные пары. Их применение. Системы динамической индикации

Фоторезистор
Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, не имеющий p-n-перехода, сопротивление которого зависит от освещенности. Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от величины приложенного напряжения, ни то его знака.
Работа фоторезисторов основана на явлении изменения сопротивления вещества под воздействием внешнего светового излучения. Конструктивно фоторезистор представляет собой пластину полупроводника, на поверхности которой нанесены электроды. Структура фоторезистора и условное обозначение показаны на рисунке, где 1 -диэлектрическая пластина; 2 - полупроводник; 3 - контакты фоторезистора.







Вольтамперная характеристика - зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U, приложенного к его выводам, при различных значениях светового потока Ф, либо освещенности Е. Ток при Ф=0 называется темновым током Iт, при Ф13SYMBOL 62 \f "Symbol" \s 1414>150 общим током Iобщ. Их разность равна фототоку Iф=Iобщ-Iт.








Энергетическая характеристика - это зависимость фототока от светового потока, либо освещенности при U=const. В области малых Ф она линейна, а при увеличении светового потока рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинации носителей заряда. Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью 13 EMBED Equation.DSMT4 1415световой поток.
Температурный коэффициент фототока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415изменение температуры.
Максимально допустимое рабочее напряжение фоторезисторов до 600В.

Достоинства: высокая интегральная чувствительность.
Недостатки: невысокое быстродействие.
Применяется: в турникетах метро, автоматах уличного освещения, системах автоматической регулировки.
В фотоэлектронном умножителе используется усиление тока фотокатода за счет ударной ионизации электронов при их пролете от одного диода к другому. Ионизация достигается за счет разгона электронов электрическим полем между диодами.

Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор, имеющий один р-n-переход. В основе его работы лежит явление возрастания обратного тока р-n-перехода при его освещении, т.е. световой поток управляет обратным током фотодиода.
Фотодиоды имеют структуру обычного р-n-перехода (см. рис.), где а) - условное обозначение фотодиода, б) - структура фотодиода. Вследствие оптического возбуждения в р и n областях возникает неравновесная концентрация носителей заряда.
На границе перехода неосновные носители заряда под влиянием электрического поля, перебрасываются через переход в область, где они являются основными носителями. Электрический ток, созданный ими есть полный фототок. Если р-n-переход разомкнут, то перенос носителей заряда, генерируемых светом, приводит к накоплению отрицательного в n-области и положительного в р-области зарядов. Новое равновесное состояние соответствует меньшей высоте потенциального барьера, равной (Uк-Еф). ЭДС Еф, возникающую при этих процессах, на значение которой снижается потенциальный барьер Uк в р-n-переходе, называют фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС) В данной ситуации фотодиод работает в режиме фотогенератора, преобразуя световую энергию в электрическую.
Фотодиод может работать совместно с внешним источником (рис. в). При освещении фотодиода поток неосновных носителей заряда через р-n-переход возрастает. Увеличивается ток во внешней цепи, определяемый напряжением источника и световым потоком. Значение фототока можно найти из выражения Iф=SинтФ, где Sинт - интегральная чувствительность.
Фотодиод может включаться двумя способами:
вентильный (гальванический) режим
фотодиодный режим

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Вольтамперные характеристики освещенного p-n-перехода показаны на рисунке.



Энергетические характеристики, которые связывают фототок со световым потоком, являются одними из основных характеристик фотодиода. Причем фотодиод может быть включен без внешнего источника ЭДС (генераторный режим), так и с внешним источником (см. рис.) а) - генераторный режим; б) - при работе с внешним источником).
















Достоинства: большое быстродействие.
Недостатки: невысокая фоточувствительность.

Фототранзистор – транзистор, у которого переход коллектор-база представляет собой фотодиод. На эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное.

Резистор позволяет уменьшать фоточувствительность.
Достоинства: обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод.
Недостатки: повышенная температурная нестабильность.



Основные параметры:
Рабочее напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
Темновой ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415до сотен мкА;
Рабочий ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до десятков мА;
Максимально допустимая мощность рассеяния 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до десятков мВт;
Граничная частота 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в зависимости от технологии изготовления от единиц кГц до единиц МГц.



Фототиристоры имеют четырехслойную структуру (см. рис, а) и управляются световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются током, подаваемым в цепь управляющего электрода.
При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дырки.
Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. В результате происходит увеличение инжекции носителей из переходов П1 и П3. Ток через структуру прибора лавинообразно нарастает, т.е. тиристор отпирается. Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор (см. рис, б).
Достоинства тиристоров: малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения. Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей.


Излучающие полупроводниковые приборы.
Всегда включаются в прямом направлении.

Светодиодами называются полупроводниковые приборы, преобразующие электрические сигналы в оптическую лучистую энергию некогерентного светового излучения.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

При приложении к светодиоду прямого напряжения происходит инжекция носителей заряда, которая в сочетании с рекомбинацией с неосновными носителями вызывает излучение.
Основные параметры:
сила света (десятые доличединицы мКанделл);
яркость (десяткичсотни Кандел на кв.см);
постоянное прямое напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
цвет свечения и длина волны, соответствующие максимальному световому потоку;
максимально допустимый постоянный прямой ток (десятки мА);
максимально допустимое постоянное обратное напряжение (единицы В).

Используются: в оптических линиях связи, индикаторных устройствах, оптопарах.

В лазерном диоде происходит одновременный спонтанный переход электронов с одного энергетического уровня на другой с излучением кванта света. Отличаются высокой направленностью и когерентностью – узкой спектральной полосой – и высокой синфазностью излученной электромагнитной волны.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Всем излучающим ПП элементам свойственна деградация.
Диапазон спектральной чувствительности ПП элементов:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Оптроны – это полупроводниковые приборы, в которых конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой только оптическую связь.
Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник, то он называется оптопарой.
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
Достоинства:
отсутствие электрической связи между входом и выходом;
широкая полоса частот от 0 Гц до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415Гц;
высокая помехозащищенность оптического канала.
Недостатки:
относительно большая потребляемая мощность и невысокий КПД;
низкая температурная стабильность;
ухудшение параметров с течением времени.
Используются: для гальванической развязки управляющих и силовых цепей в различных системах автоматизации, в ключевых источниках питания, в системах АРУ (автоматическое регулирование усиления).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Системы динамической индикации используются с целью уменьшения количества внешних выводов многоразрядных индикаторов. Применяются схемы динамической индикации, в которых в первый момент времени на катоды всех разрядов подается код первой цифры, а питающее напряжение подается только на аноды первого разряда. В следующий момент времени на параллельно соединенные катоды подается код 2-й цепи, но питающее напряжение подается только на аноды 2-го разряда (остальные погашены). Мерцание устраняется выбором достаточно высокой частоты переключения.
Знакосинтезирующий цифробуквенный индикатор
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Для 12 разрядного индикатора при непосредственном подключении необходимо 12*8+1=97 выводов. Количество выводов можно уменьшить, если аноды индикаторов (для индикаторов с общим анодом) соединить с дешифратором номера цифры. Катоды одноименных сегментов всех индикаторов соединяются вместе и подключаются к выходам дешифратора цифры. Цифра числа подается на все индикаторы, но загораться будет тот, на анод которого подано напряжение от дешифратора номера цифры.
Количество выводов = 8+12=20. Выбирая достаточно большой частоту переключения, мы не замечаем мерцания, однако яркость уменьшается в n раз, где n – количество индикаторов.


Тиристоры. Конструкция и принцип действия. Режим работы, классификация, обозначение, параметры. Диодные, триодные, тетродные, запираемые и незапираемые транзисторы. ВАХ тиристора, процесс перехода из закрытого состояния в открытое и обратно. Типы, условные обозначения тиристоров. Работа тиристора в цепях постоянного тока. Фазовое управление тиристорами. Регуляторы и стабилизаторы напряжения на тиристорах

Тиристор – п/п прибор с тремя и более р-n переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Тиристоры бывают:
диодные (динисторы) и триодные (тринисторы)
с управлением по катоду и по аноду
незапираемые и запираемые
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Для использования в цепях переменного тока были разработаны триаки – симметричные тиристоры.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


Структура тиристора
Тиристор имеет А(анод), К(катод) и две базы, к одной из которых подключается управляющий электрод. В результате получаем управление по аноду или по катоду. Для понимания работы тиристора можно воспользоваться 2-хтранзисторной моделью работы тиристора. В которой тиристор представлен как соединение 2-х транзисторов с разными типами проводимостей. Коллектор каждого из этих транзисторов соединен с базой другого.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - статический коэффициент передачи тока эмиттера, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - обратный ток перехода коллектор-база.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Так как 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
При малых напряжениях анод - катод через транзистор протекают токи утечки коллекторных переходов. Пока эти токи малы и коэффициент усиления меньше единицы транзистор остается закрытым. При увеличении этого напряжения токи утечки возрастают, коэффициент усиления по току транзистора начинает превышать единицу и так как коллекторный ток одного из транзистора является базовым током другого и наоборот, происходит лавинообразное открывание обоих.
Наличие управляющего электрода позволяет извне подавать ток, необходимый для открывания тиристоров.



На ВАХ тиристора можно выделить несколько областей с соответствующими режимами работы:
Режим 1 – (0-1) - режим прямого запирания - напряжение на аноде положительно относительно катода, ток незначителен.
Режим 2 – (1-2) - участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Он начинается в т.ВАХ, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, напряжение в этой точке называется напряжением включения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а ток через прибор – током включения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Режим 3 – (2-3) – режим прямой проводимости. Он начинается в т.2. Напряжение в этой точке называется напряжением удержания 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а ток-током удержания 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Это минимальные напряжение и ток, необходимые для поддержания тиристора в открытом состоянии.
Режим 4 – (0-4) – режим обратного запирания, когда напряжение анода относительно катода отрицательно.
Режим 5 – (4-5) – режим обратного пробоя.
По способу управления резисторы бывают однооперационными – выключение которых осуществляется снижением анодного тока ниже тока удержания или за счет включения анодного тока противоположного направления, и двухоперационными, которые включаются подачей на УЭ положительного напряжения, а выключается подачей на этот электрод импульса отрицательной полярности.
Основными параметрами тиристоров являются:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415напряжение и ток включения;

13 EMBED Equation.DSMT4 1415ток выключения (удержания);
13 EMBED Equation.DSMT4 1415максимально допустимый ток в открытом состоянии;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415время задержки включения и выключения;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 класс по напряжению, под которым понимается предельное эксплуатационное напряжение в сотнях вольт, не вызывающее самопроизвольного включения тиристора или разрушения его структуры.

Например:
2Y206A – тиристор p-n-p-n-запираемый. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415при токе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415

КУ108В – тиристор незапираемый.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415при токе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Для запирания незапираемого тиристора недостаточно уменьшить либо инвертировать напряжение на управляющем электроде. Необходимо также либо снизить до нуля, либо инвертировать напряжение на аноде, или, по крайней мере, уменьшить ток анода ниже тока удержания (до каких величин в справочниках не указывается). Запираемый тиристор можно закрыть подачей только на управляющий электрод запираемого тока, сравнимого по величине только с током анода.
Есть Iауд (ток анода удержания), при котором тиристор удерживается открытым (минимальный ток). В схеме с объединенными катодами можно подавать управляющий сигнал от одного устройства управления на оба электрода, разделенные диодами. При этом будет открываться тиристор, смещенный в прямом направлении.
Использование тиристоров на постоянном токе:

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Подачей напряжения на УЭ VD1 отпираем его. Конденсатор заряжается в указанной полярности. Затем подаем напряжение на УЭ VD2, он отпирается, и напряжение на конденсаторе запирает VD1.
Ток конденсатора должен быть больше тока удержания, чтобы тиристор закрылся. VD2 запирается за счет выбора R2 такой величины, чтобы ток анода VD2 был меньше тока удержания. Длительность формируемого импульса определяется Rн, L, C.



Биполярные транзисторы (БПТ). Электрические и эксплуатационные параметры. Входные, выходные и проходные характеристики. Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры. Статистические характеристики (h-параметры) БПТ. Схемы включения БПТ (с общим эмиттером, общим коллектором, общей базой). Их сравнительный анализ и области применения. Уравнение Эберса-Молла, температурный коэффициент тока коллектора, внутреннее сопротивление эмиттера, максимальный коэффициент усиления по напряжению эффект Эрли, эффект Миллера

Биполярные транзисторы – п/п пробор, имеющий три зоны и два p-n-перехода. Прямосмещенный эмиттерный p-n-переход ускоряет электроны из эмиттера в базу. Если база узкая – меньше диффузионной длины – и электрон не успевает рекомбинировать в базе, он пролетает через базу в коллектор, ускоряясь положительным напряжением последнего. Изменяя прямое напряжение эмиттер-база , мы изменяем количество электронов, впрыскиваемых в базу из эмиттера, а значит и ток коллектора.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
В усилительном режиме работы транзистора, эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. Эмиттерный переход сильно легирован, коллектор - обеднен. Коллекторный переход должен быть равномерно легирован и в меньшей степени, чем эмиттер, с целью увеличения пробивного напряжения коллектор-база.
Iэ = Iк+Iб (Так как ток коллектора во много раз больше тока базы, то токи эмиттера и коллектора приближенно равны).
Статические характеристики:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Биполярный транзистор - (в процессе переноса заряда участвуют электроны и дырки) п/п прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, которые служат для усиления или переключения входного сигнала. По порядку чередования переходов различают - р-п-р и п-р-п. Различие у них в полярности подключения источника питания.
Схемы включения БПТ
В режиме работы класса А рабочая точка находится в середине линейного участка проходной характеристики.
Схема с ОБ:
13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415Рабочая точка задается делителями R1 и R2.
13 EMBED Equation.3 1415Uбэ = Uб - Uэ
Uк = Uп - URк
Схема с общей базой не инвертирует фазу сигнала, имеет коэффициент усиления по току h21 < 1, (т к отношение тока коллектора к току эмиттера меньше единицы), коэффициент усиления по напряжению во много раз превышает единицу:
13 EMBED Equation.3 1415 –– зависит от сопротивления источника сигнала.
Входное сопротивление мало. Оно определяется низким сопротивлением прямосмещенного эмиттерного p-n-перехода.
Выходное сопротивление высоко. Оно определяется высоким сопротивлением обратносмещенного коллекторного p-n-перехода.
С1 и С2 необходимы для разделения усилительного каскада с генератором и нагрузкой для исключения протекания через них постоянного тока. СБ необходимо для сглаживания пульсации переменного сигнала и поддержания постоянного напряжения на базе.
Схема с общей базой используется для усиления высокой частоты (т.к. в ней отсутствует эффект Миллера) и в составе каскодных схем (в том числе и в дифферинциальном каскаде).
Каскод - два или более усилительных элемента с гальванической связью, выполняющих роль одного усилительного каскада.
Каскад – независимая усилительная ячейка, которую можно выделить из схемы и обозначить ее свойства.
Недостаток: низкое входное и высокое выходное сопротивление, отсутствие усиления по току.
Достоинства: не инвертируемая фаза.
Схема включения транзистора с общим эмиттером.

Сдвиг по фазе между входным и выходным напряжением равняется
·, т.к. при увеличении напряжения на базе ток коллектора увеличивается и напряжение на коллекторе уменьшается за счёт увеличения падения напряжения на UR коллекторе.
13 EMBED Equation.3 1415 - уравнение Эберса-Молла
13 EMBED Equation.3 1415 - тепловой потенциал
Известно, что ТКUбэ = -2,1mВ/°С.
R - резистор, который выполняет роль отрицательной обратной связи по току.
Uбэ = Uб – Uэ
Iэ = Iк+Iб
13 EMBED Equation.3 1415
Включая конденсатор Сэ || R, мы шунтируем R по переменному току, т.е. делаем переменный потенциал эмиттера равным нулю.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Rэ выбирается из диапазона (0.1 – 0.3)Rк для осуществления температурной стабилизации режима работы каскада. Для переменного тока его влияние ограничено уменьшением максимальной амплитуды неискажённого выходного сигнала.
Достоинства каскада с общим эмиттером: высокие коэффициенты по току h21 и напряжению (десятки, сотни), более высокие (по сравнению с ОБ) Rвх = h21(R+rэ0).
Недостатки: высокое Rвых, инвертирование сигнал (способствует возникновению самовозбуждения и уменьшает коэффициент усиления на высоких частотах вследствие эффекта Миллера), зависимость Кu от Rн;
13 EMBED Equation.3 1415
Применение: предварительные, промежуточные и предвыходные каскады.



Схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Uб=Uэ+0,6
Коэффициент усиления по напряжению стремится к единице (но всегда меньше).
Коэффициент усиления по току:
13 EMBED Equation.3 1415
Rвх = (Rэ+rэо)h21
Uб = Uэ
IбRвх=Iэ(Rэ+rэо)
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Используется во входных каскадах для согласования с высоким сопротивлением источника сигнала; в промежуточных каскадах для согласования, особенно с высоким выходным сопротивлением источников тока, в выходных каскадах для согласования с низким сопротивлением нагрузки и потому, что его коэффициент не зависит от сопротивления нагрузки.

Сравнительный анализ схем включения транзистора
Параметр
ОЭ
ОБ
ОК

Rвх
100Ом – 1кОм
1 – 10Ом
10 – 100кОм

Rвых
1 – 10кОм
100кОм – 1Мом
100Ом – 1кОм

Кi
10 – 100
<1(близко)
10 – 100

КU
10 – 100
10 – 100
<1(близко)

Кp
100 – 10000
10 – 100
10 – 100


·

·
0
0


Схемы замещения транзистора и их дифференциальные параметры
Статические характеристики биполярного транзистора, h-параметры

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства.
Все параметры можно разделить на собственные (первичные) и вторичные.
Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения. К ним относятся: rэ – сопротивление эмиттера, rк – сопротивление коллектора, rб – сопротивление базы. Значения сопротивлений рассматриваются по отношению к переменной составляющей.
С учетом этих параметров транзистор, включенный по схеме с ОЭ, может быть представлен эквивалентной схемой.
Схема замещения:
Генератор тока отражает усилительные свойства схемы, а уменьшение коллекторного сопротивления на 1-
· – тот факт, что к эмиттерному переходу прикладывается часть напряжения Uкэ.







Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную зависимость между токами и напряжениями транзистора.
Статическими характеристиками являются статический коэффициент передачи тока эмиттера
· и статический коэффициент передачи тока базы
·.
13 EMBED Equation.3 1415
С точки зрения системы вторичных параметров транзистор рассматривают как некоторый четырехполюсник со следующей схемой замещения.
Эквивалентная схема с h-параметрами:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
1) Входное сопротивление при коротко замкнутом выходе 13 EMBED Equation.3 1415 при 13 EMBED Equation.3 1415, к.з. на выходе по переменному току, 13 EMBED Equation.3 1415.
2)Коэффициент обратной связи по напряжению 13 EMBED Equation.3 1415 при х.х. на входе, 13 EMBED Equation.3 1415. Этот коэффициент показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие отрицательной обратной связи в нем.
3) Усиление тока при к.з. на выходе по переменному току 13 EMBED Equation.3 1415, при 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415.
Показывает коэффициент усиления переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки.
4) Выходная проводимость при х.х. на входе 13 EMBED Equation.3 1415, при 13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415– часто используют выходное сопротивление.
Представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.

Эффект Эрли
13 EMBED Equation.3 1415
Эффект Эрли заключается в том, что изменение напряжения между коллектором и эмиттером влечет изменение напряжения между базой и эмиттером.

Эффект Миллера
Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению Кu, следовательно, небольшой сигнал напряжения на входе порождает на коллекторе сигнал, в Кu раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Волна проходит через конденсатор, попадает на базу и уменьшает входной сигнал. Из этого следует, что для источника сигнала емкость Скб в (Кu +1) раз больше, чем при подключении Скб между базой и землей. Эффект Миллера часто играет основную роль в спаде усиления, так как типичное значение емкости обратной связи около 4 пкФ соответствует (эквивалентно) емкости в несколько сотен пикофарад, присоединенной на землю.
Униполярные (полевые) транзисторы (ПТ). Принцип действия ПТ с p-n-переходом. Стоковая (выходная) и стоко-затворная (проходная) характеристики ПТ, основные параметры. ПТ металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) и металл – окисел – полупроводник (МОП) со встроенным и индуцированным каналами, конструкция, характеристики и параметры. Полярность подаваемых напряжений и особенности применения ПТ. Схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ). Сравнительный анализ БПТ и ПТ. IGBT транзисторы

Полевые транзисторы (униполярные) - п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.
С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).
С точки зрения управления электрическим полем - полевыми.
Различают схемы включения:
- с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;
- с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;
- с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.
Отличие биполярных от полевых транзисторов: практически бесконечное входное сопротивление, несколько худшие усилительные свойства, лучшие температурные характеристики, возможность параллельного включения с целью увеличения тока, опасность повреждения статическим напряжением.
По способу создания канала различают ПТ с p-n-переходом (канал p- или n-типа), встроенным каналом (МДП) и индуцированным каналом (МОП).
ПТ с управляющим р-n переходом содержит три п/п области одного и того же типа проводимости, называемые истоком - каналом - стоком.
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415 13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 141513 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Движение носителей заряда начинается от истока в направлении стока по каналу, ширина которого зависит от напряжения, приложенного к затвору. Соответственно имеет 3 электрода: затвор, сток и исток. р-n переход является высокоомной областью неподвижных носителей заряда –ионов.
Подавая на затвор запирающее напряжение (в нашем случае "-") мы увеличиваем ширину р-n переходов и соответственно уменьшаем ширину канала и увеличиваем его сопротивление.
13 EMBED Equation.3 1415
Резистор автоматического смещения служит для автоматического создания напряжения смещения. При его увеличении возможно полное запирание. Сопротивление в цепи затвора необходимо для заряда конденсатора.
При подаче на затвор отпирающего напряжения > 0,5В происходит отпирание р-n-перехода, возникает ток затвора и ПТ теряет основное своё преимущество: высокое входное сопротивление.
МОП с изолированным затвором и индуцированным каналом.
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415
При приложении к затвору напряжения положительной полярности определенной величины, в области подложки (наиболее близко расположенная к затвору), под диэлектриком, образуется канал из неосновных носителей зарядов электронов. Для него характерно ещё большее входное сопротивление, но меньшее усиление, так как управляющий затвор находитя на большем расстоянии от канала.
МДП со встроенным каналом.
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.12 1415
При подаче положительного напряжения увеличиваем ширину канала, и ток по нему тоже увеличивается. При подаче отрицательного напряжения уменьшаем ширину канала и ток по нему, вплоть до полного закрытия транзистора.
«+» возможность работы без начального смещения
«-» протекание тока при наличие U3 = О
Чтобы р-п переходы были надёжно заперты относительно подложки (П), мы подаём на П напряжение, противоположное полярности по отношению к напряжению на стоке, т.е. для п - канала это будет "-". В обычных случаях соединяем П и U
КМОП - комплиментарные МОП с п и р переходом.
«+» отрицательный температурный коэффициент мощности, т.е. при нагреве ток стока уменьшается.
ПТ п - типа с р-п переходом не рекомендуется использовать при комбинации больших (20-50В) напряжений на затворах и относительно больших (> 1 мА) тока стока, из-за резкого возрастания тока затвора.
Достоинства ПТ: высокое входное сопротивление.
Недостатки: более низкое, по сравнению с БПТ, усиление по напряжению. Основные параметры и характеристики электронных усилителей. Общие сведения. Основные свойства, классификация и структура усилителя. Амплитудно-частотная, амплитудная и фазовая характеристики. Их основные параметры. Шумы усилителя (тепловой, дробовой, фликкер-шум). Шумы тока и напряжения. Критерии применения ПТ и БПТ исходя из требований минимизации шумов при различных сопротивлениях источника сигнала. Синфазные и противофазные помехи. Способы их уменьшения и экранирования.

Усилители - устройства, предназначенные для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).
Усилитель имеет входную цепь, к которой подводится усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.






УПТ – усилитель постоянного тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
УЗЧ – усилитель звуковых частот 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
УНЧ – усилитель низких частот 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
УВЧ – усилитель высоких частот 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
ШПУ – широкополосные усилители 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
УПУ - узкополосные усилители

·f = fв-fн - полоса пропускания или полоса усиливаемых частот.

Амплитудно-частотная характеристика отражает зависимость модуля коэффициента усиления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, определяемого для синусоидального входного сигнала от частоты. Однако очень редко один усилительный каскад обеспечивает требуемый коэффициент усиления. Поэтому применяют много каскадные усилители с конденсаторной связью между каскадами, общий коэффициент усиления которых определяется как произведение коэффициентов усиления всех каскадов
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Каскады рассчитываются последовательно от оконечного к первому. Оконечный каскад обеспечивает получение требуемой мощности сигнала на нагрузке 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. По коэффициенту усиления оконечного каскада определяют параметры его входного сигнала, являющиеся исходными для расчета предоконечного каскада и.т.д. Наличие в схеме усилителя конденсаторов и зависимость параметров усилителя от частоты приводит к тому, что при изменении частоты входного сигнала напряжение на выходе усилителя изменяется не только по амплитуде, но и по фазе.
Поэтому второй характеристикой усилителей является фазо-частотная характеристика (ФЧХ), определяющая зависимость угла фазового сдвига от частоты.

Усилительный каскад задерживает сигнал на какое-то время. Каждые гармонические составляющие задерживаются на разное время.








Амплитудная характеристика усилителя (реальная):

По амплитудной характеристике можно выделить следующие основные параметры усилителя:
Коэффициент усиления по току 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
Коэффициент усиления по напряжению
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Коэффициент усиления по мощности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
Чувствительность усилителя минимальное значение входного сигнала, при котором полезный сигнал на выходе уже различим на уровне помех (при отношении сигнал - шум) 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Динамический диапазон - отношение амплитуды максимально допустимого выходного напряжения к минимально допустимому, при которых не возникает искажение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Тепловой шум (Джонсона).
Любой резистор генерирует на своих концах шум напряжений. У него горизонтальный частотный спектр (одинаковая мощность шума на всех частотах). Шум с горизонтальным спектром называется «белым шумом».
13 EMBED Equation.3 1415, где k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура в кельвинах; R – сопротивление; В - полоса частот, Гц.
Например, резистор с R=10 кОм, при комнатной температуре в полосе пропускания В=10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение шума в разомкнутой цепи порядк Uш = 1,3 мкВ. Для уменьшения теплового шума можно уменьшить температуру резистора.

Дробовой шум.
Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, определяемым по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415, где
q- заряд электрона, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 ;
I n.т – постоянный ток, проходящий через резистор;
B – ширина полосы частот измерения.
Значение этого шума (в % - м отношении) тем меньше, чем выше ток.

3) Шум 1/f (фликкер - шум).
Дробовой и тепловой шумы – это неуменьшаемые в данных условиях виды шума, происходящие вследствие действия физических законов. Самый дорогой резистор имеет тот же тепловой шум, что и дешевый углеродный резистор с таким же сопротивлением.
Реальные источники имеют различные источники шумов: флуктуации сопротивления, порождающие дополнительные напряжения шума, пропорциональные протекающему току. Этот шум зависит от конструкции резистора, резистивного материала и, в особенности, от концевых соединений. Шум имеет спектр 1/f (постоянная мощность на декаду частоты), иногда его называют «розовый шум».

4) Шум тока базы транзистора и шум катодного тока в электронных лампах.
Биполярные транзисторные усилители могут обеспечить очень хорошие шумовые параметры в диапазоне от 200 Ом до 1 МОм, при токе коллектора менее 1 мкА.
При больших сопротивлениях источника >100 кОм преобладает шум тока транзистора, поэтому лучшим устройством для усиления сигнала с шумом будет ПТ, хотя у него шум напряжения больше чем у БПТ, но ток затвора и его шум исчезающе малы.
При очень малых сопротивлениях < 50 Ом всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. Лучше использовать трансформатор для увеличения уровня и сопротивления источника сигнала.
Для БПТ основное значение имеет шум тока входного, для ПТ – шум напряжения (у них нет входного тока), т.е. при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 предпочтительно использовать БПТ, при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 -ПТ, в диапазоне 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 транзистор выбирается по дополнительным характеристикам, при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415с целью минимизации шумов желательно использовать сигнальные трансформаторы.
С целью уменьшения шумов используется параллельное соединение БПТ. Шумы при этом уменьшаются в 13 EMBED Equation.DSMT4 1415раз, где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415количество параллельно соединенных БПТ.
С целью устранения помех по цепям питания используются помехоподавляющие фильтры, проникающих из атмосферы – различные виды экранирования.
С помощью замкнутых объемов со стенками из материала с высокой проводимостью, мы можем практически полностью экранировать приемник от электростатических помех.
Магнитную составляющую помехи исключить невозможно. Ее можно только уменьшить путем экранирования с использованием материала с высокой магнитной проводимостью (например, пермоллой).
Очень важную роль играет заземление.
Помехи бывают продольные и поперечные.
Подавление продольных помех очень эффективно осуществляется продольным трансформатором – режекторным дросселем.

Здесь по отношению к полезному дифференциальному сигналу трансформатор не является индуктивным сопротивлением благодаря встречному включению обмоток, а продольным синфазным помехам он оказывает индуктивное сопротивление.

Схема полезна для подавления ВЧ помех, когда в качестве сердечника используется небольшое ферритное кольцо, в которое один или несколько раз продевается витая пара сигнальных проводов.
Помехи, порождаемые магнитными полями, пропорциональны площади пересекаемого переменным магнитным потоком контура и зависит от ориентации этого контура по отношению к источнику наводки.
ЭДС, наводимая полем будет создавать поперечную наводку, поэтому дифференциальный вход не помогает.
В схемах 1 – 6 цепи заземлены с двух сторон, возвратные токи источника сигнала проходят через шину земли полностью или частично, поэтому площадь контура велика.
В схемах 7 – 11 проводник возвратного тока расположен близко к сигнальному, поэтому подавление выше.
В схемах 1 – 2 магнитного экранирования нет, т.к. контур не изменился по сравнению с простым проводником. Такое заземление обеспечивает экранирование от электрического поля.
Заземление обоих концов дает малый эффект.


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415










































Усилительные каскады на ПТ и БПТ. Статистический режим работы усилительного каскада, выбор рабочей точки, схемы задания напряжения смещения БПТ. Расчет по постоянному и переменному току каскадов с ОЭ и ОК. Сравнительный анализ каскадов ОЭ, ОК, ОБ. Каскад с ОЭ как преобразователь напряжение-ток, фазоинверсный каскад. Усилительные каскады на ПТ, схемы задания напряжения смещения, особенности их работы и включения. Динамическая нагрузка, источник тока, токовые зеркала и отражатели тока на ПТ и БПТ. Ослабление влияния температуры и эффекта Эрли. Токовое зеркало Уилсона, выходное сопротивление источника тока. Области применения

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n. Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин Rк и RБ по заданным параметрам нагрузки, например, Um вых и Rн, и напряжению источника питания Eк.
Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:
Iкп(Imн(Um вых/Rн
Напряжение покоя обычно выбирается Uкэп=Eк/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.
Уравнение статической линии нагрузки
Iк=13 EMBED Equation.2 1415



Линию нагрузки можно построить в координатах Iк, Uкэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять Iк=0, то Uкэ=Eк. Построение статической линии нагрузки показано на рисунке справа (линия ав).
Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины Rк и RБ:
13 EMBED Equation.2 1415;
13 EMBED Equation.2 1415
При работе каскада в режиме холостого хода и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше Eк/2.
При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно Rк включается Rн. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой
13 EMBED Equation.2 1415;
Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - (iкэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением (iк и подсчитав изменение напряжения (Uкэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рисунке (c-d). Очевидно, что угол между осью Uкэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше Rн (при Rн=0 он составит 90(). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения Uвых пр с уменьшением Rн становится меньше Eк/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение Um вых, больше, чем Uвых пр, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают Iкп и анализ повторяют.
Динамические параметры каскада:
13 EMBED Equation.2 1415;
13 EMBED Equation.2 1415;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.


Расчёт каскада с общим эмиттером по постоянному и переменному току.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Расчёт может осуществляться либо слева направо, либо справа налево. Слева направо.
Дано: Rg = 1кОм
U = 20В
h21 = 100
kU = 20
fн = 200

·н = 6дБ
Найти: R1, R2, Rк, Rэ1, Rэ2, Rн,C1,2, C3.
По постоянному току:
1. 13 EMBED Equation.3 1415
Шина питания по постоянному току эквипотенциальна земле (через Сф)
2. Rвх = Rэ1h21 = 10Rд = 100k => Rэ1 = 1кОм
3. Rэ/Rк = 0,1 – 0,3 => Rк = 5.1кОм
4. RH=l0Rвых = 51кОм
(Rвых = Rкб||Rк)
5. Uк = Uп/2=>Iк = Uп/2·1/Rк = 2мА
6. Uэ = IэRэ1 = 2В
7. Uб =Uэ+ 0,6 = 2,6В
8. R1/R2 = 17,4/2,6 = 6,7
9. 13 EMBED Equation.3 1415=> R2 = 77/6.7 = 11кОм = 12кОм
R1 = 75кОм = 82кОм 10. rэ0 =
·Т/Iк = 25/2 = 12,5Ом

По переменному току:
11. kU = Rк/(Rэ+rэ0) => Rэ+rэ0 = 255Ом => Rэ = 242,5Ом
Rэ1·Rэ2/(Rэ1+ Rэ2) = 242,5Ом
Rэ1 = 1кОм => Rэ2 = 330Ом
12.
·э = 0,5
· = 3дБ
При понижении частоты, ёмкостное сопротивление Сэ возрастает, увеличивается эквивалентное сопротивление в эмиттерной цепи и уменьшается коэффициент усиления.
Z/R =
·2 => R = Xc = Rэ2+rэ0 = 342,5Ом
13 EMBED Equation.3 1415
13.
·1 =
·2 = 1,5дБ
14.
13 EMBED Equation.3 1415 =>XC = 6,44кОм
C1 = 120нФ
15.
·1 =
·2 = 1,5дБ
Rн/Rд = 5 => XC2/XC1 = 5 => C1/C2 = 5 =>C2 =33нФ
Обратные связи (ОС) в усилителях. Положительная (ПОС) и отрицательная (ООС) обратные связи. Коэффициент ОС и глубина ОС. Влияние ОС на параметры и характеристики усилителей. Последовательная и параллельная ООС по напряжению и току, следящая ПОС. Примеры принципиальных схем с ОС

В общем случае обратную связь (ОС) можно определить как связь выходной цепи усилителя или каскада усиления с его входной цепью. Она образуется тогда, когда усиленный сигнал с выхода отдельного каскада усилителя или усилителя в целом передается на его вход через цепи, дополнительно вводимые для этого (внешняя ОС) или уже имеющиеся в нем для выполнения других функций (внутренняя ОС). К последним, например, относятся общая цепь источника питания усилителя, межэлектродные емкости в электронных приборах.
В большинстве случаев внутренняя ОС и непреднамеренно возникшие цепи внешней ОС (например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя) вызывают так называемую паразитную ОС. В реальных устройствах паразитная связь, как правило, приводит к изменению их свойств в худшую сторону и возникновению других нежелательных явлений (в частности, генерацию паразитных колебаний, частоты которых значительно выше или ниже частот усиливаемых колебаний), часто трудно поддающихся контролю и устранению.
На рисунке приведена структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного внешней цепью ОС с коэффициентом передачи
·. Цепь вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС. Стрелками  показаны  направления   прохождения сигнала.
Часть усиленного внешнего сигнала с выхода усилителя (прямая цепь передачи сигналов) поступает по цепи ОС на его вход и складывается там с внешним сигналом. При таком сложении амплитуд сигналов (внешнего и ОС) на входе усилителя возможны два принципиально отличных по конечному действию случая: либо сумма амплитуд сигналов больше амплитуды внешнего сигнала (фазы колебаний с одинаковой частотой на выходе цепи ОС и входной сигнала совпадают, сдвиг фаз равен 0°), либо меньше его (их фазы противоположны, сдвиг фаз равен 180°). В первом случае говорят о ПОС (положительной обратной связи), во втором – о ООС (отрицательной ОС). В большинстве случаев ПОС паразитная.
Обратная связь (ОС), охватывающая один каскад, называется местной, несколько - общей.
Если во входной цепи усилителя вычитается ток в цепи ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной. Если во входной цепи вычитается напряжение входного сигнала из сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной. По способу получения (снятия) сигнала ООС с выхода усилителя различают ООС по напряжению (когда сигнал ООС пропорционален UВЫХ усилителя) и по току (сигнал ООС пропорционален току через нагрузку).

Последовательная ОС по напряжению









При последовательной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки усилителя снимается часть выходного напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, которое во входной цепи алгебраически складывается с 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Напряжение обратной связи Uос =
·Uвых где
· – коэффициент ОС.

· = R2/(R1+R2)
·R2/R1 (обычно R1<Прежде всего рассмотрим влияние последовательной ОС по напряжению на коэффициент усиления по напряжению. Для усилителя, охваченного обратной связью,
кuoс = Uвых/(Uвх±Uос) = Uвых/[Uвх(1±
·кu)]
но коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи кu = Uвых/Uвх, поэтому после проведения преобразования для ООС можно записать:
Киос=ки/(1+
·ки).
При ПОС в знаменателе правой части следует использовать знак «минус».
Введем понятие глубины обратной связи F. Для ООС F = 1+
·кu. Отсюда следует, что глубина ООС возрастает при увеличении
· и Ки, При очень глубокой ООС F =
·кu, , поэтому в данном случае можно записать
кuос = 1/
· = (R1+R2)/R2
Вывод: при глубокой ООС (F>10) удается практически полностью исключить влияние параметров транзистора и всего усилителя на его КиОС. Не будут влиять такие факторы, как изменение температуры, радиационное воздействие, разброс параметров, старение и др. Таким образом, можно утверждать, что введение глубокой последовательной ООС по напряжению обеспечивает стабильность усиления по напряжению.
Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС широко используется для расширения АЧХ усилителя. При отклонении в области НЧ или ВЧ уменьшается Ки, но уменьшается и глубина ООС, т.е. 1+
· Ки. В результате КиОС изменяется слабо и реализуется АЧХ с широкой полосой пропускания.
Улучшение стабильности коэффициента усиления с помощью ООС широко используется для расширения АЧХ усилителя

Входное сопротивление усилителя с ООС Rвх.ос определяется способом подачи сигналов обратной связи во входную цепь. При последовательной ООС по напряжению Rвх.ос можно представить как Rвх.ос = Uвх(1+
·кu)/Iвх = RвхF.
Отсюда следует, что последовательная ООС по напряжению увеличивает входное сопротивление усилителя в F раз.
Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При последовательной ООС по напряжению Uвьч усилителя меньше зависит от тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Для рассматриваемого вида ООС можно записать
Rвых.ос = Rвых/F
Отсюда следует, что последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление в F раз. Таким образом, чем глубже ООС, тем меньше Rвых.ос. Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по напряжению уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по напряжению, снижает как линейные, так и нелинейные искажения, повышает входное сопротивление и уменьшает выходное сопротивление усилителя.


Последовательный усилитель с ОС по напряжению 100% последовательная ОС по напряжению

Последовательная ОС по току

При последовательной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор13 EMBED Equation.DSMT4 1415,
падение напряжения на котором
пропорционально выходному току.


Во входной цепи усилителя это алгебраически складывается с входным напряжением.
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
При глубокой ООС по току эту формулу можно преобразовать к следующему виду:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Последовательная ООС по току, как и по напряжению, уменьшает частотные искажения (расширяет полосу пропускания АЧХ) и нелинейные искажения усилителя. Введение ООС снижает также влияние помех и наводок, проникающих в усилитель.
Входное сопротивление усилителя с ООС определяется способом подачи сигналов во входную цепь
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Наиболее существенное отличие последовательных ООС по напряжению и току проявляется через величину RвыхОС. Выходное сопротивление усилителя с ООС определяется способом снятия сигнала обратной связи с выхода устройства. При этом способ подачи сигнала ООС во входную цепь не играет никакой роли. Для RвыхОС усилителя, охваченного ООС по току, можно записать следующее выражение:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
откуда следует, что выходное сопротивление возрастает. Таким образом, рассматриваемая ООС приводит к увеличению RвьхОС, причем тем в большей степени, чем глубже обратная связь.
Изложенное выше позволяет заключить, что последовательная ООС по току стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при постоянной нагрузке, снижает искажения, повышает входное и выходное сопротивления усилителя.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Параллельная ОС по току

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
При параллельной обратной связи по току в выходной цепи усилителя включается специальный резистор R, падение напряжения на котором пропорционально выходному току. Это напряжение образует во входной цепи ток обратной связи, протекающий через специальный дополнительный резистор Rос. Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение Iос и тока входного сигнала. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току. Здесь 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а коэффициент обратной связи по току 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Глубина ООС по току 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Коэффициент усиления по току
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 где 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - коэффициент усиления по току без ООС. При глубокой параллельной ООС по току
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Отметим также, что введение параллельной ООС по току уменьшает как линейные, так и нелинейные искажения токовых сигналов.
Так как входное сопротивление усилителя в ООС определяется лишь способом подачи сигнала обратной связи во входную цепь, то для параллельной ООС можно записать:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Здесь во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает RвхОС, причем величина RвхОС обратно пропорциональна глубине ООС по току.
Как было выше показано, ООС по току способствует увеличению выходного сопротивления усилителя. Для параллельной ООС по току RвыхОС может быть рассчитано по следующей приближенной формуле:
Изложенное выше позволяет заключить, что параллельная ООС по току уменьшает и стабилизирует коэффициент усиления по току, снижает искажения токовых сигналов, уменьшает входное и увеличивает выходное сопротивления усилителя.

13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 1415

Параллельная ОС по напряжению
При параллельной обратной связи по напряжению с сопротивления нагрузки снимается выходное напряжение, которое во входной цепи образует ток обратной связи, протекающий через специальный резистор. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по напряжению. Хотя во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи, при анализе усилителя с параллельной ООС по напряжению часто используют коэффициент обратной связи по напряжению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. При этом необходимо учитывать шунтирующее влияние входной цепи усилителя, поскольку в данном случае Rвх . Поэтому 13 EMBED Equation.DSMT4 1415можно представить в следующем виде:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Выделение напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 во входной цепи усилителя происходит на сопротивлениях 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
За счет малого Rвх на внутреннем сопротивлении источника сигнала Rг будет теряться солидная доля Ег В результате ко входу усилителя прикладывается напряжение
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Коэффициент усиления по напряжению при глубокой параллельной ООС по напряжению:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
При параллельной ООС по напряжению КиОС стабилен при13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Таким образом, при глубокой параллельной ООС по напряжению можно исключить влияние внешних факторов на величину Ки0с, уменьшить линейные и нелинейные искажения. Однако такой усилитель совершенно не подходит по своим свойствам для входного каскада многокаскадного усилителя, в частности, из-за его высокой, чувствительности к изменению Rг. Усилители с параллельной ООС по напряжению рекомендуется использовать в качестве промежуточных и выходных каскадов.
Вывод: параллельная ООС по напряжению стабилизирует коэффициент усиления по напряжению при постоянном сопротивлении источника сигнала, снижает искажения, уменьшает входное и выходное сопротивления усилителя.

Схема усилителя с параллельной ООС.
13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 1415


Следящие связи. На обоих концах резистора присутствует практически одно и то же переменное напряжение => переменный ток через резистор не течёт, а значит его сопротивление по переменному, току стремиться к бесконечности, а кu = Rк/Rэ стремится к бесконечности.

Пример следящей связи, увеличивающей сопротивление и уменьшающей влияние входной емкости:

13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 1415 Интегральные микросхемы. Интегральный принцип изготовления и применения электронных компонентов. Полупроводниковые интегральные микросхемы, их классификация, назначение, области применения. Аналоговые, цифровые и аналого-цифровые микросхемы
Развитие техники, в которой широко применяются сложные системы автоматического управления, вынудило изготовителей электронных элементов заняться их миниатюризацией и микроминиатюризацией. На первом этапе добивались уменьшения размеров отдельных элементов путем применения лучших материалов, уменьшения электрической нагрузки элементов и т. д. без изменения их конструкции и технологии изготовления. Полученные результаты не дали требуемого эффекта, и поэтому были разработаны принципиально новые методы создания электронных схем, которые с начала шестидесятых годов использовались в военной аппаратуре, а позже в промышленных установках и бытовой технике.
Миниатюрные электронные схемы изготавливают в основном двумя способами:
нанесением на изоляционную подложку тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков таким образом, чтобы их поверхности образовывали резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы; это пленочные интегральные микросхемы;
путем создания в пластине монокристалла кремния диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов за счет введения соответствующих примесей в определенные области, их окисления или металлизации; это полупроводниковые интегральные микросхемы.
Внедрение этих новых технологических решений привело к значительному уменьшению размеров электронных схем и к увеличению плотности монтажа, т. е. количества элементов, находящихся в 1 см3 объема. Для отдельных схем плотность монтажа ориентировочно составляет, 1/см3:
Традиционные ламповые схемы –– 0,030,1
Полупроводниковые схемы с миниатюрными элементами –– 1––3
Интегральные микросхемы (микросборка) –– 300
Интегральные микросхемы (отдельные пластины) ––100тыс.
К сожалению, большая плотность монтажа интегральных микросхем не может быть полностью использована на практике из-за необходимости соединений отдельных схем, охлаждения и т. п.
Часто также применяют гибридные интегральные микросхемы, т. е. схемы, часть элементов которых имеет самостоятельное конструктивное оформление, так как не все элементы можно изготовить способами микроэлектроники. К таким элементам относятся, например, катушки индуктивности, специальные транзисторы и др.
Тонкие пленки обычно получают путем напыления в вакууме соответствующих материалов на подложку (стекло, керамика). Тщательный подбор условий и времени напыления позволяет получить небольшой разброс электрических параметров элементов, например 5% и менее для сопротивлений резисторов.
Резисторы изготавливают путем напыления на подложку (обычное стекло, SiO) резистивного материала в форме прямоугольников соответствующих размеров. В процессе изготовления используется метод фотолитографии. Резистивными материалами могут быть хром, тантал, окиси металлов, специальные сплавы. Сопротивление тонкопленочных резисторов лежит в пределах от долей Ома до 1 МОм при толщине пленки до нескольких микрометров. Контактные соединения выполняют путем напыления золота, меди, чаще всего алюминия, который имеет хорошую адгезию с подложкой из: SiO.
Конденсаторы получают путем последовательного напыления слоя металла (AI), диэлектрика и металла. В качестве диэлектрика используют SiO, SiO2, окиси тантала и титана. Этим способом можно получить низковольтные конденсаторы с емкостями до 0,1 мкФ. На готовые тонкопленочные элементы напыляют изолирующую пленку SiO, герметически покрывающую всю схему.

Активные элементы, работающие совместно с тонкопленочными схемами, изготавливают подобными методами. Среди транзисторов чаще других применяют полевые. Один из таких транзисторов представлен на рис.: на подложку напылена полупроводниковая пленка (CdS или CdSe), затем два металлических электрода исток и сток. Область между этими электродами покрыта слоем диэлектрика (SiO), на который осажден слой металла, образующий затвор. Изменение напряжения затвора вызывает изменение напряженности электрического поля в слое полупроводника, а значит, и тока в цепи исток сток. Однако свойства тонкопленочных транзисторов хуже, чем у обычных, и поэтому последние часто используют в гибридных интегральных микросхемах.
В полупроводниковых интегральных микросхемах используется монокристалл кремния, в котором путем введения примесей, окисления или металлизации определенных областей, а также использования фотолитографии получают необходимые электрические параметры. Каждый элемент такой схемы образует в монокристалле своеобразный островок, изолированный от других элементов. Обеспечение хорошей изоляции отдельных элементов одна из сложных проблем. Два противоположно направленных р-n -перехода, каждый из которых соединен с одним элементом схемы, обеспечивают довольно большое сопротивление изоляции. Другим решением, требующим, однако, овладения сложной технологией, является изоляция каждого элемента пленкой SiO2.
Резисторы изготавливают следующим образом: в пластину кремния р-типа вводят путем диффузии донорные примеси, что приводит к возникновению n-области, являющейся предохранительным переходом n-p-резистора. Внутри n-области путем дальнейшей диффузии образуется область р-типа, к которой присоединяются алюминиевые выводы. Наружная пленка Si02 обеспечивает герметизацию резистора. Сопротивление у таких резисторов можно получить до 50 кОм с разбросом по номиналам ±1020%.

В конденсаторах полупроводниковых микросхем в качестве диэлектрика используется SiO2. В пластине кремния р-типа создается n-область, образующая изолирующий n-р-переход, затем сильно легированная примесями n+ область с большим реактивным сопротивлением, являющаяся нижней обкладкой конденсатора. Второй обкладкой является пленка напыленного алюминия (рис.б). При толщине диэлектрика 0,05 мкм (напряжение пробоя 50 В) емкость около 50 нФ/см2, что ограничивает общую емкость до нескольких сотен пикофарад.
Транзисторы полупроводниковых микросхем изготавливают также путем диффузии примесей (рис. е). Качество транзисторов, полученных по такой технологии, довольно высоко и не отличается от качества типовых планарных транзисторов. Подобным образом изготавливают также планарные диоды.
Благодаря небольшим геометрическим размерам отдельных элементов микросхемы (длина несколько десятков микрометров, ширина несколько микрометров) на 1 ммІ поверхности пластины можно разместить десятки элементов. Нагрузка элементов ограничивается долями милливатта, соответственно малы напряжения (несколько вольт) и токи.
Полупроводниковые микросхемы помещают в металлические корпуса или заливают пластмассой, например эпоксидной смолой, с соответствующими проволочными или ленточными выводами. Корпуса значительно увеличивают габаритные размеры микросхем. Сравнительно большой разброс параметров полупроводниковых микросхем не препятствует их использованию в бинарных схемах, т. е. схемах, имеющих два рабочих состояния, широко применяющихся в цифровых ЭВМ. Применение полупроводниковых микросхем в цифровых и релейных схемах приводит к уменьшению их габаритов, массы и цены. Полупроводниковые микросхемы аналогового типа, например усилители, менее распространены из-за трудностей выдержать допуски на параметры всех элементов.

Важным преимуществом полупроводниковых микросхем является их высокая надежность по сравнению с традиционными схемами, обеспечиваемая конструкцией, значительным уменьшением количества паяных соединений и т. п.
Аналоговые микросхемы прежде всего нужны для усиления сигнала. Но т.к. обработка информации происходит в основном в цифровом виде, то аналоговый сигнал необходимо преобразовать в цифровой. Для этого используются аналого-цифровые преобразователи - АЦП. Для управления чаще всего используется непрерывный аналоговый сигнал. Для получения из цифрового дискретного сигнала непрерывного аналогового используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Источники вторичного электропитания электронных устройств. Классификация и параметры выпрямителей. Однополупериодные и двухполупериодные мостовые и со средней точкой, однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители. Схема Ларионова. Умножители напряжения. Схема Латура. Сглаживающие фильтры
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Однополупериодная.


Достоинства однополупериодной схемы: малое количество выпрямительных диодов, простота схемы, отсутствие сквозных токов.
Недостатки: повышенный уровень пульсации на низкой частоте, сильное подмагничивание сердечника
Применяются в высоковольтных и маломощных схемах (на низкой частоте) и в схемах с бестрансформаторным входом (на частоте 20-100 кГц).

Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Двухполупериодная со средней точкой.

Достоинства: пониженная пульсация на низкой частоте, небольшое количество силовых диодов (2) и меньшие потери мощности на них по сравнению с мостовой схемой.
Недостатки: более сложная конструкция трансформатора, подмагничивание трансформатора, больший расход меди трансформатора (по сравнению с мостовой), присутствуют сквозные токи.
Применение: в мощных низковольтных выпрямителях, в источниках питания с бестрансформаторным входом.

Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Мостовая.

Ток проходит через 1 - VD3 – Rн – VD2 – 2 (2 – VD4 - Rн – VD1 - 1).
Достоинства: пониженный уровень пульсации по сравнению с однополупериодной, упрощённая конструкция трансформатора, нормальный расход меди, отсутствие подмагничивания сердечника.
Недостатки: большое число силовых диодов и повышенный расход мощности на них, присутствуют сквозные токи.
Применение: на низкой частоте 50-400 Гц.
Схема выпрямления однофазного тока. Неуправляемая. Мостовая со средней точкой.

Достоинства: пониженный расход меди, отсутствие подмагничивания сердечника.
Недостаток: отсутствие подмагничивания сердечника.
Схема выпрямления однофазного тока. Управляемая.

В мостовой схеме достаточно заменить 2 диода (но не любых) на тиристоры, т.к. диод и тиристор соединены последовательно и тиристор закрыт, то тока не будет.
Достоинства: простота схемы и отсутствие потерь мощности и напряжения.
Недостатки: повышенный уровень сетевых и радио помех, что требует дополнительного экранирования и фильтраций.

Схема выпрямления однофазного тока. Управляемая с волътодобавкой.

Достоинства: пониженный уровень пульсации и помех.
Недостатки: узкий диапазон регулировки.
Умножители напряжения. Схема Латура.
Схема Латура - схема удвоения напряжения.

Прохождение тока: «+» - VD3 – C1 – «-»
Через VD2, VD4 ток не идёт, они закрыты.
До тех пор, пока лампа выключена, сопротивление газоразрядного промежутка велико, схема работает как схема удвоения напряжения Латура, VD2, VD4 закрыты, напряжение на конденсаторах. После возникновения пробоя, сопротивление лампы резко падает, конденсаторы быстро разряжаются, и схема переходит в режим работы мостового выпрямителя.
Схема умножения напряжения позволяет получить выходное напряжение дольше входного в n раз. Заряжается до амплитудного напряжения.
13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415
Недостаток всех умножителей: невысокая мощность и низкий КПД.

Трёхфазный выпрямитель напряжения. Однополупериодная

Первый диод открыт в тот момент времени, когда напряжение, создаваемое I обмоткой, больше других.
Достоинства: пониженный уровень, повышенная частота пульсации, нет перекоса фаз.
Недостатки: подмагничивание сердечника.

Трёхфазный выпрямитель напряжения. Двухполупериодная (схема Ларионова).

Ток будет протекать через обмотки, имеющие max и min потенциал в данный момент времени. Итоговая пульсация будет ещё меньше, а частота будет в 6 раз больше исходной.
Недостатки: большое число диодов, большие потери мощности на них.
Достоинства: ещё большая частота пульсации.
Регулируемый трехфазный выпрямитель.

Вместо диодов ставим тиристоры в полупериодной схеме.
Если закрыты все три тиристора, то схема работает как однополупериодный выпрямитель. Напряжение управления может подаваться на все 3 тиристора одновременно. Откроется лишь тот, у которого напряжение анод - катод имеет положительное значение.

Регулируемый трехфазный выпрямитель с вольтодобавкой.



Стабилизаторы напряжения и тока. Структурная схема стабилизированного источника питания. Параметрические и компенсационные, параллельные и последовательные, регулируемые и нерегулируемые, однополярные и разнополярные стабилизаторы напряжения и тока. Стабилизаторы на ОУ. Защита по току и напряжению. Ключевые повышающие, понижающие и инвертирующие (повышающе-понижающие) стабилизаторы. Функциональные схемы ключевых стабилизаторов и импульсных блоков питания малогабаритных устройств. Принципиальная схема стабилизаторов

Классификация систем электропитания

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

ПНН (ПНТ) – переключается при нулевых напряжениях (токах)
ШИМ – широтно-импульсная модуляция

Линейный параметрический параллельный

13 EMBED Equation.3 1415
Достоинства: не боится к.з.
Недостаток: низкий кпд.
Применение: маломощные схемы





Линейный параметрический последовательный
Достоинства: высокий кпд.
Недостатки: боится к.з. нагрузки (требует специальных мер по защите от к.з.)
Применение: в схемах, не требующих высокого коэффициента стабилизации.


Линейный компенсационный последовательный
На транзисторах.


VT2 открывается/закрывается таким образом, чтобы поддерживать на выходе напряжение, кот. задаст на базе 5,3В.
Если напряжение на выходе увеличилось, то и напряжение база-эмиттер увеличивается (Uэ=const); это вызывает приоткрывание VT2 и увеличение тока через него, увеличение UR1, а следовательно, уменьшение
·UVT1 и UВЫХ.

Изменяя часть подаваемого на базу напряжения с помощью R3, мы изменяем Uвых.
R4 и VT3 –– для защиты от к.з.
При увеличении выходного тока увеличивается UR4. При достижении им 0,6В VT3 открывается, что препятствует увеличению выходного тока, т.к. Uбэ1 не увеличивается.

2. На ОУ





Линейный компенсационный параллельный

Uвых=Uопорн.
Сопротивление транзистора регулируется таким образом, чтобы напряжение на нагрузке оставалось неизменным и равным Uопорн.
Если Uвых станет большеUопорн , то оно усилится ОУ и приоткроет транзистор, вызывая увеличение тока через Rд, а значит напряжение на нем возвращает Uвых к заданному Uопорн .

Ключевой понижающий с ШИМ.

Uвых =0,1.0,9 Uвх
Достоинство ключевых стабилизаторов: кпд= 95–98%.
Недостаток: сложность, высокий уровень высокочастотных электрических и электромагнитных помех, что требует принятия специальных мер для их подавления и экранирования.
Выходное напряжение сравнивается с эталонным, усиленный сигнал ошибки воздействует на ШИМ, кот. управляет длительностью замкнутого и разомкнутого состояния ключа. Когда ключ замкнут, ток протекает через дроссель в нагрузку и выходной конденсатор. По мере нарастания выходного напряжения до значения эталонного ключ размыкается. В этот момент запасенная в дроссель энергия реверсирует полярность напряжения на нем. Ток протекает через диод в нагрузку, а напряжение на выходе поддерживается конденсатором. Когда вся энергия запасенная в дросселе использована, разряжается конденсатор. Выходное напряжение уменьшается и процесс продолжается таким образом, что выходное напряжение поддерживается на уровне близком к эталонному.
Ключевой повышающий с ШИМ.

Когда ключ замкнут, ток протекает через дроссель, в котором запасается энергия. Когда ключ размыкается, энергия запасенная в дросселе уменьшается и изменяет полярность напряжения на нем таким образом, что напряжение на дросселе складывается с входным. Таким образом, напряжение на дросселе и входное напряжение заряжают конденсатор до напряжения больше, чем входное.

Ключевой инвертирующий с ШИМ.

Когда ключ замкнут, дроссель запасает энергию. Когда ключ разомкнут, запасенная энергия, спадая, вызывает изменение полярности напряжения на дросселе, обеспечивая протекание тока через нагрузку и конденсатор. При этом полярность выходного напряжения оказывается обратной полярности входного.

Функциональная схема ключевого стабилизатора напряжения

Ключевые стабилизаторы бывают с самовозбуждением и, чаще всего, с независимым возбуждением. Выходное напряжение сравнивается с опорным и усиленное напряжение ошибки используется для получения выходных импульсов ШИМ, которые управляют ключом стабилизатора таким образом, чтобы поддерживать вых. напряжение на заданном уровне. Импульсы ШИМ могут быть с фиксированной длительностью замкнутого и изменяющейся длительностью разомкнутого состояния, с изменяющейся длительностью замкнутого и разомкнутого состояний, но с фиксированной частотой.
Принципиальная схема ключевого стабилизатора с защитой от к.з.
VT1 – предварительный усилитель,
VT2 – ключ понижающего преобразователя (стабилизатора).
VT5 приоткрывается при Uвых > 9,7 В (UVD1+UБЭVT5=9.1+0.6=9.7В) и изменяет пороговое напряжение на выводе 5 ДА, шунтируя два нижних резистора внутреннего делителя напряжения ДА. Этим самым мы изменяем длительность импульса на выходе ДА, а следовательно длительность открытого состояния ключа. R7, VT3 и VT4 служат для защиты выхода от к.з., когда UR7 становится
· 0,6В (Iн
· 120mA) VT3, а затем и VT4 открываются, делая U4 ДА меньше 1В, что приводит к аварийному останову микросхемы.





Усилители постоянного тока (УПТ). УПТ с непосредственной связью между каскадами и типа модуляция-демодуляция (МДМ). Способы модуляции. Дифференциальные усилительные каскады (ДУ) на БПТ и ПТ. Способы компенсации смещения и дрейфа. Сравнительный анализ и области применения. Работа ДУ в режиме синфазного и противофазного сигнала и при использовании динамической нагрузки

УПТ предназначены для усиления сигналов медленно изменяющихся во времени. Характерная особенность - отсутствие конденсаторной связи между генератором сигнала, усилительным каскадом и нагрузкой.
Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя.
Причины возникновения дрейфа: нестабильность напряжения питания, температурная и временная нестабильность параметров диодов, резисторов, транзисторов
Напряжение дрейфа определяется при закороченном входе:
eдр =
·Uвых др /кu при Uвх = 0 (режим КЗ). Величина Uвх др определяет диапазон возможного изменения входного напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415усилителя при котором напряжение дрейфа 13 EMBED Equation.DSMT4 1415составляет незначительную часть полезного выходного сигнала. Смещение - максимальное значение выходного напряжения при Uвх = 0
УПТ с непосредственно связью между каскадами.
Непосредственная связь между каскадами обуславливает особенности расчета их режима покоя (напряжения и токов при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415). Параметры режима покоя каскада рассчитываются с учетом элементов, относящихся к выходной цепи предыдущего каскада и входной цепи последующего каскада. В УПТ выводы коллектора и базы транзисторов соседних каскадов соединены непосредственно. При этих условиях резисторы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415каждого последующего каскада, осуществляющие внутрикаскадные ООС по постоянному току, предназначены также для создания необходимого напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415в режиме покоя.
Во входную цепь УПТ последователь с источником входного сигнала включен источник входного компенсирующего напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Его вводят для того, чтобы при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 соответствовало требуемому значению напряжения в режиме покоя и ток через источник был равен нулю. С этой целью 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Коэффициент усиления рассматриваемой схемы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 а коэффициенты каскадов определяются по формулам
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Отсюда видно, что коэффициенты усиления каскадов обратно пропорциональны сопротивлениям резисторов эмиттерных цепей.
Сопротивление 13 EMBED Equation.DSMT4 1415рассчитывается по режиму температурной стабилизации первого каскада, имеет величину от сотен Ом до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415Ком. Так как 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 последующих каскадов используются также для задания режима покоя 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то это вызывает необходимость повышения напряжения в каждом последующем каскаде с целью получения требуемых значений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Однако, это приводит к снижению коэффициента усиления каскада и всего УПТ в целом.
Способ построения УПТ на основе непосредственной связи простейших усилительных каскадов может быть использован для получения сравнительно невысокого коэффициента усиления (порядка нескольких десятков) при относительно большом усиливаемом сигнале 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При необходимости получения больших коэффициентов усиления (сотни и тысячи) этот способ построения УПТ невозможен ввиду сильного проявления дрейфа усилителя, компенсировать который подбором элементов схемы невозможно в условия серийного производства и эксплуатации аппаратуры. Радикальным средством уменьшения дрейфа нуля является применение дифференциальных каскадов усиления.
Существует несколько разновидностей усилителей ПТ. Простейшие - последовательное соединение усилительных каскадов.

Другие - МДМ (модулятор - демодулятор) Демодулятор из переменного делает постоянный сигнал. Недостатки: ограниченный частотный диапазон для механических модуляторов, повышенные шумы за счёт модуляции, искажение сигнала. Третьи - операционные усилители.

Дифференциальный усилитель - симметричный усилитель постоянного напряжения с 2-мя входами и 2-мя выходами. Дифференциальный усилительный каскад выполняется по принципу сбалансированного моста, два плеча которого образованы резисторами 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а два других - транзисторами 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Выходное напряжение снимается между коллекторами транзисторов.
На транзисторе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 собрана схема источника стабильного тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, определяющего сумму токов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 транзисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Транзистор предназначен для повышения стабильности тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в зависимости от изменения температуры.
Если пренебречь током 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и принять 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то можно записать: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Схема дифференциального каскада требует применения близких по параметрам транзисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и равенства сопротивлений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, что легко достигается при интегральном исполнении. Благодаря этому при входных сигналах, равных нулю, достигается баланс моста. Напряжения на коллекторах обоих транзисторов равны, и выходное напряжение, снимаемое с диагонали, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.





























В режиме покоя 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т.е. на входе ДУ подано напряжение общей точки. Ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415делится поровну между транзисторами, т.е. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для управления ДУ дифференциального каскада используется отрицательная обратная связь по току. Для этого в цепь каждого транзистора включается эмиттерный резистор. Коэффициент усиления по напряжению приблизительно определяется соотношением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Если применить 2 источника стабильного тока, то ООС по току можно обеспечить с помощью одного резистора. При отсутствии входного сигнала по нему не будет протекать ток. В связи с этим с его помощью можно варьировать коэффициент усиления без изменения величины входного потенциала при отсутствии входного сигнала.


Из-за разброса параметров полупроводниковых элементов, входящих в схему при равных коллекторных токах напряжения база-эмиттер не совпадают, поэтому разность выходных напряжений не в точности равна 0.
Напряжение разбаланса 13 EMBED Equation.DSMT4 1415представляет собой разность входных напряжений, которую необходимо приложить для того, чтобы выполнялось равенство 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Имеются различные возможности приведения к нулю напряжения разбаланса ДУ.

Если необходим только один вход, то к другому можно приложить постоянное напряжение и тем самым скомпенсировать напряжение разбаланса. Для этой цели служит потенциометр 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Для удобства установки малых напряжений дополнительно подключают необходимый делитель напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Если требуются 2 входа, то различия между напряжениями эмиттер-база устраняют с помощью эмиттерных сопротивлений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Третья возможность выравнивания напряжения база-эмиттер состоит в том, чтобы обеспечить различные значения коллекторного тока. Для этого служит потенциометр 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Этим способом можно отрегулировать напряжение разбаланса до нуля.

Работа дифференциального усилителя в режиме усиления.

Пусть на вход 13 EMBED Equation.DSMT4 1415подается входной сигнал положительной полярности. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Под его воздействием через входные цепи обоих транзисторов будет протекать входной ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, ток базы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 будет возрастать, а ток базы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - убывать. При этом токи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 возрастают, а токи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 убывают. Изменение токов обоих транзисторов происходит на одну и ту же величину, поскольку сумма токов остается неизменной: 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Изменение коллекторных токов вызывает изменение потенциальной диаграммы каскада. Напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 убывает, что вызывает приращение напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 противоположного по знаку напряжению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 возрастает, что создает соответствующее приращение напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 того же знака, что и напряжение входного сигнала.
Следовательно, при таком способе передачи входного сигнала 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 является инвертирующим, а 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - неинвертирующим. Сигнал, снимаемый с обоих коллекторов, называется дифференциальным:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Изменение выходных напряжений под действием сигнала на входе прекращаются, когда под влиянием входного тока ток базы одного из транзисторов (в рассмотренном случае 13 EMBED Equation.DSMT4 1415) становится равным нулю, а ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 протекает только через один из транзисторов (13 EMBED Equation.DSMT4 1415). Выходные напряжения каскада при этом составляют:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Определим коэффициенты усиления по напряжению дифференциального каскада:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - входное сопротивление транзистора.
Входной ток создает приращение коллекторных токов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и напряжение на коллекторах 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
После преобразования 2-х уравнений получаем:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Коэффициент усиления каскада по дифференциальному выходу при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Соотношения (1) и (2) используют для оценки коэффициентов усиления дифференциального каскада. Коэффициент усиления по выходам 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 близки к 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 для одиночного каскада с ОЭ. Коэффициент усиления по дифференциальному выходу 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 близок к значению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 для того же каскада. При подаче 2-х входных сигналов неодинаковой полярности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 дифференциальное выходное напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Входное сопротивление дифференциального каскада 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 равно сумме входных сопротивлений транзисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Эта величина определяет сопротивление нагрузки для источника входного сигнала, поэтому сопротивление 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 целесообразно иметь возможно большим. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 может достигать значения в десятки и сотни Ком.
Существенное повышение (до десятков МОм) входного сопротивления даст выполнение дифференциального каскада на полевых транзисторах. По принципу действия эта схема не отличатся от схемы на БПТ.

Работа дифференциального усилителя в режиме синфазного сигнала.
Режим работы ДУ при подключении ко входу 2-х напряжений одинаковой полярности, т.е. 2-х синфазных сигналов. В этом случае ДУ решает задачу сравнения значений напряжений входных сигналов или увеличения их разности.
При наличии синфазных сигналов дифференциальное выходное напряжение пропорционально разности 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При подаче на входы 2-х сигналов одинаковой полярности необходимо учитывать возможность появления на выходах 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 так называемой выходной синфазной ошибки. Она обусловлена наличием на обоих входах одинакового постоянного напряжения (постоянной составляющей), равного наименьшему из напряжений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415







Если, например, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 то напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 можно рассматривать как синфазное напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, приложенное одновременно к обоим входам, а разность 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - как дифференциальное входное напряжение между входами. При 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 появление синфазной ошибки можно показать на следующем примере.
В дифференциальном каскаде с идеальным источником тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 при 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и общем напряжении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 напряжение баланса 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 не должно изменяться. Однако, наличие синфазного напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 приводит к повышения напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 выходного транзистора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, используемого в качестве источника стабильного тока, что при неидеальности источника вызывает некоторое увеличение тока 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Это обуславливает положительные приращения токов эмиттера и коллектора транзисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и убывание 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 напряжения баланса 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При подаче синфазной ЭДС отрицательной полярности уровень баланса возрастает на 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. При 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 напряжения на коллекторах получают приращения относительно напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Иными словами, 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 проявляется на выходах 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 как величина синфазной ошибки при усилении.
При одинаковых параметрах транзисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 наличие синфазной ЭДС не вызывает появления синфазной ошибки на дифференциальном выходе каскада. Учет синфазных ошибок усиления важен в многокаскадных УПТ с дифференциальным каскадом на входе.
Синфазную ошибку усиления оценивают коэффициентом синфазной передачи каскада:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Обычно 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Качество дифференциального каскада характеризуется отношением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415показывающим способность каскада различать малый дифференциальный сигнал на фоне большого синфазного напряжения.

Работа дифференциального каскада с динамической нагрузкой.
При интегральном исполнении дифференциальных усилительных каскадов вместо резисторов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 широко используют транзисторы, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада. Подобные схемы позволяют обеспечить существенно большие значения коэффициента усиления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 по сравнению с ранее рассмотренными схемами, имеющими резистивные нагрузки, что важно при создании многокаскадных УПТ.

Транзисторы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 p-n-p-типа, выполняющие функцию динамических нагрузок каскада. Близки по параметрам. При этом транзистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415используется в качестве диода. Ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 транзистора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, протекающий также через транзистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, создает напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 определяющее входное напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Поскольку транзисторы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415близки по параметрам, ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 будет близок к 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. В этом главная особенность рассматриваемой схемы. Выходной дифференциальный сигнал снимается с коллектора транзистора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
При 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 схема находится в режиме покоя. Токи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 протекает через транзистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Пусть источник входного сигнала 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 имеет полярность, показанную на рисунке. Под воздействием сигнала 13 EMBED Equation.DSMT4 1415возрастает ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и убывает ток 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Изменение базовых токов вызывает изменение коллекторных токов:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Так как 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. При этом ток нагрузки 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Напряжения на выходе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Подача входного напряжения противоположной полярности вызывает изменения направления токов 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и полярности напряжения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Коэффициент усиления по напряжению:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
При 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
В многокаскадных УПТ 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 является входным сопротивлением последующего каскада, величина которого равна нескольким сотням Ком. Создание такой же величины сопротивления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в схемотехническом исполнении затруднительно. Поэтому дифференциальные каскады с 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 имеют 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 несколько десятков, а с динамической нагрузкой и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - несколько сотен.

Смещение с помощью источника тока. Усиление синфазного сигнала в дифференциальном усилителе можно значительно уменьшить, если резистор 13 EMBED Equation.3 1415 заменить источником тока. При этом действующее значение сопротивления 13 EMBED Equation.3 1415 станет очень большим, а усиление синфазного сигнала будет ослаблено почти до нуля. Представим себе, что на входе действует синфазный сигнал; источник тока в эмиттерной цепи поддерживает полный эмиттерный ток постоянным, и он (в силу симметрии схемы) равномерно распределяется между двумя коллекторными цепями. Следовательно, сигнал на выходе схемы не изменяется. Величина КОСС определяется отношением 100000:1 (100 дБ). Диапазон входного синфазного сигнала ограничен значениями 12 В и +7 В; нижний предел определяется рабочим диапазоном источника тока в эмиттерной цепи, а верхний коллекторным напряжением покоя.



Применения дифференциальных схем в усилителях постоянного тока с однополюсным выходом.
Дифференциальный усилитель может прекрасно работать как усилитель постоянного тока даже с несимметричными (односторонними) входными сигналами. Для этого нужно один из его входов заземлить, а на другой подать сигнал.

Дифференциальная схема обеспечивает компенсацию температурного дрейфа, и, даже когда один вход заземлен, транзистор выполняет некоторые функции: при изменении температуры напряжения 13 EMBED Equation.3 1415 изменяются на одинаковую величину, при этом не происходит никаких изменений на выходе и не нарушается балансировка схемы. Это значит, что изменение напряжения 13 EMBED Equation.3 1415 не усиливается с коэффициентом Kдиф (его усиление определяется коэффициентом Ксинф, который можно уменьшить почти до нуля). Кроме того, взаимная компенсация напряжений 13 EMBED Equation.3 1415 приводит к тому, что на входе не нужно учитывать падения напряжения величиной 0,6 В. Качество такого усилителя постоянного тока ухудшается только из-за несогласованности напряжений 13 EMBED Equation.3 1415 или их температурных коэффициентов. Промышленность выпускает транзисторные пары и интегральные дифференциальные усилители с очень высокой степенью согласования.
Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки.
Использование токового зеркала в качестве динамической характеристики ДУ позволяет получить большие коэффициенты усиления и нейтрализует эффект Миллера.
Транзисторы 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415 образуют дифференциальную пару с источником тока в эмиттерной цепи. Транзисторы 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415, образующие токовое зеркало, выступают в качестве коллекторной нагрузки. Тем самым обеспечивается высокое значение сопротивления коллекторной нагрузки, благодаря этому коэффициент усиления по напряжению достигает 5000 и выше при условии, что нагрузка на выходе усилителя отсутствует. Такой усилитель используют, как правило, только в схемах, охваченных петлей обратной связи, или в компараторах (их мы рассмотрим в следующем разделе). Запомните, что нагрузка для такого усилителя обязательно должна иметь большой импеданс, иначе усиление будет существенно ослаблено.
Дифференциальные усилители как схемы расщепления фазы.
На коллекторах симметричного дифференциального усилителя возникают сигналы, одинаковые по амплитуде, но с противоположными фазами. Если снимать выходные сигналы с двух коллекторов, то получим схему расщепления фазы. Конечно, можно использовать дифференциальный усилитель с дифференциальными входами и выходами. Дифференциальный выходной сигнал можно затем использовать для управления еще одним дифференциальным усилительным каскадом, величина КОСС для всей схемы при этом значительно увеличивается.
Дифференциальные усилители как компараторы. Благодаря высокому коэффициенту усиления и стабильным характеристикам дифференциальный усилитель является основной составной частью компаратора схемы, которая сравнивает входные сигналы и оценивает, какой из них больше. Компараторы используют в самых различных областях: для включения освещения и отопления, для получения прямоугольных сигналов из треугольных, для сравнения уровня сигнала с пороговым значением, в усилителях класса D и при импульсно-кодовой модуляции, для переключения источников питания и т. д. Основная идея при построении компаратора заключается в том, что транзистор должен включаться или выключаться в зависимости от уровней входных сигналов. Область линейного усиления не рассматривается работа схемы основывается на том, что один из двух входных транзисторов в любой момент находится в режиме отсечки.
Методы устранения расбаланса (смещения)


метод - коллекторный (основной).
метод - изменением R1, позволяет закрыть транзисторы, если они открыты.
метод - второй вход не используется, на базу подаётся напряжение смещения от источника питания (выгоден, когда один из входов свободен)
При подаче на оба входа одинакового синфазного сигнала напряжение между коллекторами не изменяется.


Эффект Миллера.
Емкость ограничивает скорость изменения напряжения в схеме, так как любая схема имеет собственные конечные выходные импеданс и ток. Когда емкость перезаряжается от источника с конечным сопротивлением, ее заряд происходит по экспотенциальному закону с постоянной времени RC; если же емкость заряжает идеальный источник тока, то снимаемый с нее сигнал будет изменяться по линейному закону. Схема на рисунке иллюстрирует, как проявляются емкости переходов транзистора. Выходная емкость образует RC-цепь с выходным сопротивлением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Усилитель обладает некоторым коэффициентом усиления по напряжению 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, следовательно, небольшой сигнал на входе порождает на коллекторе сигнал, в 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 раз превышающий входной (и инвертированный по отношению к входному). Из этого следует, что для источника сигнала емкость 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в 13 EMBED Equation.DSMT4 1415раз больше, чем при подключении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 между базой и землей. Эффективное увеличение емкости 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и называют эффектом Миллера.
Существует несколько методов борьбы с эффектом Миллера. Например, он может быть полностью устранен, если использовать усилительный каскад с общей базой. Импеданс источника можно уменьшить, если подавать сигнал на каскад с заземленным эмиттером через эмиттерный повторитель. На рисунке показаны еще 2 возможности. В дифференциальном усилителе (без резистора в коллекторной цепи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415) эффект Миллера не наблюдается; эту схему можно рассматривать как эмиттерный повторитель, подключенный к каскаду с заземленной базой. На второй схеме показано каскадное включение транзисторов. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - это усилитель с заземленным эмиттером, резистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415является общим коллекторным резистором. Транзистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 включен в коллекторную цепь для того, чтобы предотвратить изменение сигнала в коллекторе 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 (и тем самым устранить эффект Миллера) при протекании коллекторного тока через резистор нагрузки. Напряжение 13 EMBED Equation.DSMT4 1415- это фиксированное напряжение смещения, обычно оно на несколько вольт превышает напряжение на эмиттере 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и поддерживает коллектор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 в активной области.


13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415
Интегральные операционные усилители (ОУ) и их применение. Разновидность и обозначение ОУ. Типы входных каскадов. Упрощенная схема ОУ. Назначение каскадов. Коэффициент ослабления синфазного сигнала и влияние напряжения сигнала. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики, основные параметры ОУ. Способы уменьшения напряжений сдвига и дрейфа. Граничная частота усиления и максимальная скорость нарастания выходного сигнала

Операционный усилитель (ОУ)- усилители с гальваническими (безконденсаторными) связями, которые имеют дифференциальный вход, один выход и работают при наличии глубокой ОС, которая практически полностью определяет параметры и характеристики устройств, собранных на них.
Обозначение:

«-» - инвертирующий вход
«+» - неинвертирующий вход




Полное обозначение: В соответствии с ГОСТ 2759-82 обозначение элементов аналоговой техники выполняется на основе прямоугольника.

Не во всех ОУ есть выводы земли, если он не нужен, то его не рисуют.
Fc – выводы для подключения цепей частотной коррекции.
Nc – выводы для подключения цепей коррекции начального смещения.
Разновидность ОУ.
К140УД1, УД2, УД5, УД7, УД9, УД10, УД11, УД12, УД13, УД14, УД17, УД18, УД20;
К153УД1, УД2, УД3, УД4, УД5, УД6;
К154УД1, УД2, УД3, УД4;
К157УД1, УД2;
554УД1, УД2;
551УД1, УД2;
553УД1;
574УД1, УД2, УД3;
710УД1;
740УД1, УД3, УД4, УД5;
К1401УД1, УД2;
К1407УД1, УД2, УД3, УД4;
К1408УД1;
К1409УД1.
Операционный усилитель состоит из 3-х основных каскадов: 1) дифференциальный каскад выполняет роль ослабления синфазного сигнала; 2) каскад с общим эмиттером с источником тока в коллекторной цепи - основной усилительный каскад напряжения Ku=103..105; 3) двухтактный эмиттерный повторитель в режиме класса В – предназначен для согласования высокого входного сопротивления источника тока с невысоким сопротивлением нагрузки, кроме этого обеспечивает усиление мощности выходного сигнала.. Кроме того, ОУ может содержать схему защиты выхода от КЗ, схему защиты входа от перенапряжения.
По типам входных каскадов ОУ делятся:
- на БПТ - широкий диапазон применения, хорошая балансировка, высокое входное сопротивление, больший сдвиг и дрейф;
- на ПТ – высокое входное сопротивление, большой сдвиг и дрейф нуля по сравнению с БПТ;
- на БПТ со сверхвысоким усилением (транзисторы супер
·) - обеспечивают входное сопротивление, сопоставимое с каскадом на ПТ, величина сдвигов, и дрейфов как у обычных БПТ;
- с гальванической изоляцией входа от выхода - используется модуляция или оптические методы, применяется в медицине и технике высоких напряжений;
- на варикапе - имеют очень малый входной ток смещения, используются для усиления тока на фотоумножителях.
Характеристики ОУ:
входное напряжение
max диф. входное напряжение
max синфазное входное напряжение
входной ток смещения
max выходные U и I
параметры смещения
- дрейф (температурный и временный)
- частотные
-динамические
- скорость нарастания выходного напряжения
Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) Uвых=f(Uвх) и амплитудно-частотные (АЧХ) кU(f). Амплитудно-частотная характеристика имеет вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого кU=13 EMBED Equation.2 1415=const, и нелинейный - кU((кU. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ.
Если необходима большая амплитуда на max частоте выходного неискажённого сигнала либо форма сигнала не синусоидальна, а импульсная с большой крутизной фронтов, необходимо применять ОУ с высокой скоростью нарастания напряжения (это осуществляется опережающей внутренней или внешней коррекцией ОУ, что приводит к неустойчивой работе при малых коэффициентах усиления). На некоторой частоте начинает влиять паразитная ёмкость первого усилительного каскада, в дополнение к влиянию ёмкости второго усилительного каскада, который начинает сказываться с частотой несколько сотен Гц.
Частотная характеристика:
Полоса пропускания 1МГц означает, что
кu·f = const.
fгр = 106Гц







Параметры ОУ:
входные
выходные
усилительные
энергетические
дрейфовые
частотные
скоростные


Входными параметрами ОУ являются входное сопротивление, входные токи смещения, разность и дрейф входных токов смещения, максимальные, входные и дифференциальные напряжения. Наличие входных токов смещения обуславливается конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада, а их разность - разбросом параметров транзисторов. Входное сопротивление ОУ рассматривается по отношению к входному сигналу. Для идеального ОУ 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а на практике составляет от 300КОм до 10Мом, если дифференциальный каскад выполнен на БПТ, а если на ПТ, то 13 EMBED Equation.DSMT4 1415Мом.
Входное напряжение, подаваемое на входы ОУ, ограничено максимальным дифференциальным входным напряжением, поэтому для исключения повреждения транзисторов дифференциального каскада между входами ОУ включают встречно-параллельно два каскада или стабилитрона.
Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление, максимальное выходное напряжение и ток. ОУ должен обладать малым выходным сопротивлением для обеспечения высоких значений напряжения на выходе при малых сопротивлениях нагрузки. Диапазон реальных значений выходного сопротивления лежит в пределах от единиц до нескольких сотен Ом. Минимальное значение сопротивления нагрузки приводится в паспортных данных.
Максимальное выходное напряжение близко к напряжению питания 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Максимальный выходной ток ограничивается допустимым коллекторным током от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.
Частотные параметры определяют по АЧХ ОУ, которая имеет спадающий характер в области высокой частоты, начиная от частоты среза. Причиной этого является частотная зависимость параметров транзисторов и паразитных емкостей схемы ОУ. По инвертирующему входу ОУ обычно охватывается ООС. В области высоких частот это приводит к дополнительному (сверх 180
·) фазовому сдвигу, который в пределе может достигать значения в 360
·. Т.о возникает ПОС, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC-цепи и места их подключения к микросхеме указываются заводом изготовителем.
Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения и время установления выходного напряжения. Они определяются по воздействию скачка напряжения на входе на участке изменения выходного напряжения от 0,1 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Энергетические параметры ОУ оцениваются максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью. Примеры построения аналоговых схем на ОУ (инвертирующие и неинвертирующие усилители, повторители, сумматоры, вычитатели, интеграторы, дифференциаторы, фильтры высоких и низких частот, полосовые и режекторные фильтры, гираторы, преобразователи ток-напряжение, точные выпрямители, нуль-органы, электронные реле, выпрямители и др.). Применение ОУ в робототехнике и системах управления
Инвертирующий усилитель:
Если в цепи обратной связи использовать простейший делитель напряжения, то получится базовая схема инвертирующего усилителя.


Потенциал на инвертирующем входе U- =0. Так как ОУ находится в линейном режиме, тогда U- - U+ = Uвых/К0 . Например, при Uвых =5 В, К0 = 2
·105 получаем UА =25мкВ. Такое малое напряжение (оно сравнимо с термо-э.д.с. при
·Т=1єС) даже невозможно измерить обычным цифровым вольтметром. Отсюда следует, что потенциалы на выходах ОУ можно с хорошей точностью считать равными. Если один из входов ОУ заземлить, на втором входе будет также поддерживаться нулевой потенциал, хотя напрямую входы ОУ гальванически не связаны. Этот эффект называется мнимым заземлением. Таким образом, из U+ = 0 следует U-=0, Uвх = UR5 (падение напряжения на R5); Uвых = UR19 (падение напряжения на R19). Поскольку входной ток ОУ очень мал, им можно пренебречь, тогда получим I5 = Uвх/R5= -Uвых/R19. Это означает, что для инвертирующего усилителя Кu = Uвых/Uвх = -R19/R5.
Коэффициент усиления
13 EMBED Equation.2 1415.
Неинвертирующий усилитель:


Так как U+
·U-, то Uвх = U-= UR8 (падение напряжения на R8); Uвых = UR8 +UR20 (падение напряжения на R20 и R8). Поскольку входной ток ОУ очень мал, им можно пренебречь, тогда получим Ioc = Uвх/R8= Uвых/(R20+R8). Это означает, что для неинвертирующего усилителя Кu = Uвых/Uвх = 1+R20/R8.


Интегратор реализует операцию
13 EMBED Equation.2 1415,
где (=R1Cо.с - постоянная времени.
Может служить фильтром НЧ первого порядка



Дифференциатор: выполняет операцию
13 EMBED Equation.2 1415.
Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рисунке, а приведен электрический аналог и на рисунке,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.
Uвых = -IосRос
Iос = C·dUс/dt
Uс = Uвх
Uвых = -R осC·dUвх/dt
Используется для выделения переднего и заднего фронтов сигнала, а так же в качестве звена ФВЧ первого порядка.


Инвертирующий и неинвертирующий сумматоры:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Действие этой схемы в точности соответствует ее названию. Инвертирующий сумматор формирует алгебраическую сумму нескольких напряжений и меняет ее знак на обратный.
Если отдельным входным напряжениям надо придать различные веса, то используется схема суммирования с масштабными коэффициентами. Используется для суммирования сигналов, для цифро-аналогового преобразователя. В сумматоре отсутствует взаимное влияние источников сигналов.
Для инвертирующего сумматора выходное напряжение определяется по формуле
13 EMBED Equation.3 1415.
При равенстве входных сопротивлений R1=R2=R
Uвых=-13 EMBED Equation.3 1415(Uвх.1+Uвх.2+...+Uвх.n) - для инвертирующего сумматора;
13 EMBED Equation.2 1415 - для неинвертирующего сумматора.
В схеме сумматоров переменным параметром является сопротивление обратной связи Rо.с, которое и определяет коэффициент усиления. Формулы приведены для постоянных величин (числовой сумматор) Uвх.1, Uвх.2 и т.д.
Вычитатель:

Условия, выполнение которых необходимо для правильной работы этой схемы сводятся к тому, чтобы сумма коэффициентов усиления инвертирующей части схемы была равна сумме коэффициентов усиления ее неинвертирующей части. Другими словами, инвертирующий и неинвертирующий коэффициенты усиления должны быть сбалансированы.
Для схемы, представленной на рисунке, выходное напряжение пропорционально разности напряжений на входах Uвх1 и Uвх2.
13 EMBED Equation.3 1415. При R9=R11=R10=R21, получаем
13 EMBED Equation.3 1415.
Используются в измерительных дифференциальных схемах.

Формирователи и генераторы импульсных сигналов на ОУ. Компараторы, триггеры Шмитта. Генераторы линейно-измеряющегося напряжения на ОУ
Компаратор – устройство сравнения двух сигналов. Компаратор изменяет скачком уровень выходного сигнала, когда непрерывно изменяющийся во времени выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.
Компараторы бывают цифровые и аналоговые (сравнивает напряжения)
Диоды служат для защиты входов ОУ от перегрузки напряжения. При U = 100В диоды не открываются.
Часто на одном входе компаратора фиксированное Uвх. Компаратор сравнивает входные напряжения и усиливает их разность с Ки = 104 -105. Т.е. при малейшем превышении одного сигнала над другим на выходе получаем max сигнал положительной или отрицательной полярности. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.
Работа компаратора при сравнении двух напряжений поясняется диаграммой:

С целью увеличения быстродействия в специа-лизированные компараторы (СА) вводят дополнительные форсирующие Re цепочки, которые могут приводить к возникновению нелинейности при работе ОУ, что несущественно для компаратора. Т.е. ОУ может работать как компаратор.
Недостаток компаратора: недостаточно чёткое срабатывание при медленно изменяющихся и защищённых входных сигналах.
Для решения этой задачи используется триггер Шмитта.

13 EMBED CorelDRAW.Graphic.9 1415
Напряжение на инвертирующем входе больше, чем на инвертации, что поддерживает на выходе высокий положительный уровень. Т.к. Uвх станет больше +2В, происходит опрокидывание триггера и напряжение на выходе будет -12В.
На инвертирующем входе U=-2B .
Для того, чтобы вернуть триггер в прежнее состояние необходимо подать на вход отрицательное напряжение, превышающее по модулю 2В.
Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину называемую гистерезисом переключения.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

В схеме триггера Шмита гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R27, R28. Если на инвертирующий вход подать большое отрицательное напряжение Uвх, то выходное напряжение компаратора составит Uвых = Uвых.мах. На неинвертирующем входе потенциал будет составлять U+мах=Uвых.мах
·R28/(R28+R27). При повышении входного напряжения Uвх величина выходного напряжения сначала не меняется. Но как только Uвх достигнет значения U+мах выходное напряжение начинает падать, в вместе с ним снижается и потенциал U+мах на неивертирующем входе. Благодаря действию положительной обратной связи Uвых скачком падает до величины Uвых.min, а потенциал U+ принимает значение U+min= Uвых.min
·R28/(R28+R27). Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения Uвых.мах только тогда, когда входное напряжения достигнет значения U+min.
Из выше сказанного следует, что величина гистерезиса переключения определяется по формуле: 13 EMBED Equation.3 1415.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения.
Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
ЛИН характеризуется следующими основными параметрами: периодом Т, длительностью рабочего хода Тр, длительностью обратного хода Тобр, амплитудой Um, коэффициентом нелинейности
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
где |du/dt|t=0 и |du/dt|t=Tp
· соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ГЛИН, используемых на практике, Тр изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, Um
·от единиц до тысяч вольт, Тобр
·от 1 до 50% от Тр. В большинстве реальных схем
·<1%.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. На рисунке приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами Uвх отрицательной полярности. В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов Rб и Rк. При воздействии входного импульса длительностью Тр транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Ек через резистор Rк. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте: Uc=Eк(1
·e-t/(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение Um/Eк мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.
Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Усилители мощности. Режимы работы усилительных каскадов (активный, инверсный, отсечки, насыщения) и их применение. Однотактные усилители мощности. Двухтактные трансформаторные и бестрансформаторные усилители мощности. Выходные каскады комплиментарные и на транзисторах одной проводимости. Фазоинверторы. Емкостная и гальваническая связь с нагрузкой. Нелинейные искажения в усилителях мощности и методы их уменьшения. Режимы работы класса A, B, AB, C, D, сравнительный анализ и области их применения. Способы задания напряжения смещения и температурной стабилизации. Включение транзисторов по схемам Дарлингтона и Шиклаи. Тепловое сопротивление. Обеспечение тепловых режимов выходных каскадов на ПТ и БПТ

Усилитель мощности.
Выходной ток интегральных операционных усилителей обычно составляет не более 20 мА. Существует много способов, с помощью которых можно без особых затрат увеличить этот ток приблизительно в 10 раз.


Для этого можно применить, например, мощные выходные каскады. Для низкочастотных входных сигналов можно использовать двухтактные эмиттерные повторители в режиме В (см. рис.1). При положительных входных сигналах транзистор VT1работает как эмиттерный повторитель, а транзистор VT2 заперт. При отрицательных входных напряжениях – наоборот. Таким образом транзисторы работают попеременно, каждый в течении одного полутериода входного напряжения. При Uвх=0 оба транзистора заперты; следовательно, схема имеет малый ток покоя. Ток, потребляемый как от положительного, так и от отрицательного источника напряжения равен току в нагрузке. Поэтому схема обладает существенно более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с обычным эмиттерным повторителем. Еще одно различие состоит в том, что выходное напряжение при любой нагрузке может достигать ±U, поскольку транзисторы не ограничивают выходной ток. Таким образом, в схеме не требуется согласования нагрузки, и максимальная мощность на выходе определяется лишь предельным током и максимальной мощностью рассеивания используемых транзисторов.
Как уже отмечалось выше, в каждый момент времени открыт только один транзистор. Однако это справедливо только для частот входного сигнала, не превышающих частоту пропускания используемых транзисторов. Из открытого состояния в закрытое транзистор переходит за определенный промежуток времени. Если длительность колебаний входного напряжения меньше этого промежутка времени, оба транзистора могут оказаться открытыми одновременно. При этом через открытые транзисторы от источников питания будет течь большой ток, который может привести к мгновенному разрушению транзисторов. Колебания с такой критической частотой могут возникнуть также в усилителях, охваченных обратной связью, или даже тогда, когда нагрузка эмиттерного повторителя носит емкостный характер. Для защиты транзисторов следует предусмотреть ограничение тока.
Классы усиления сигнала.
В зависимости от положения рабочей точки на проходной характеристике транзистора различают А, В, АВ, С, Д классы усилений.
Класс А:

В этом режиме рабочая точка находится на середине линейного участка проходной характеристики. В этом режиме обеспечиваются минимальные нелинейные искажения, но он имеет низкий КПД (менее 5% для синусоидального сигнала) и высокие потери мощности в режиме отсутствия сигнала. Используются в предварительных и промежуточных каскадах усилителей, а также в усилителях мощности сверхвысокого качества.



Класс В:

В этом режиме рабочая точка находится в начале проходной характеристики Uбэ = 0. Достоинства: достаточно высокий КПД (до 78% при усилении синусоидального сигнала), отсутствие потерь мощности в режиме покоя. Недостатки: высокие нелинейные искажения. Применение: в усилителях мощности невысокого качества и высокой экономичности.

Класс АВ:

В этом режиме рабочая точка находится в начале линейного участка проходной характеристики. Имеет высокий КПД (60-65%), невысокие потери мощности в режиме покоя и относительно невысокие линейные искажения. Необходимо схемоподдержания начального тока коллектора. Используется в усилителях мощности среднего и
высокого качества.
Класс С:
В этом режиме транзистор заперт напряжением смещения на базе и находится в режиме отсечки, т.е. рабочая точка находится левее нуля (в отрицательной области). Транзистор надёжно закрыт обратным смещением. КПД более высокий чем в режиме В, но очень высокие нелинейные искажения. Используется в устройствах, где существенны даже незначительные увеличения КПД, а нелинейные искажения не играют роли, также в генераторах и усилителях, где выделение основной гармоники осуществляется специальными фильтрами, в мощных радиопередатчиках.
Класс Д (ключевой режим):

В этом режиме транзистор либо закрыт, либо открыт. Это импульсный режим работы транзистора. Достоинства: высокий КПД (стремится к 100%). Отсутствуют потери мощности (только на фронтах). Недостатки: нелинейный режим. Применение: импульсные источники питания, наконечники лазеров.




Генераторы гармонических колебаний. Условия самовозбуждения генераторов (баланс фаз и баланс амплитуд). Автогенераторы. Стабилизация частоты и амплитуды в автогенераторах. Мультивибраторы. Симметричные и несимметричные мультивибраторы на ОУ.

Генераторами называются электронные схемы, формирующие переменные напряжения требуемой формы. Генератор можно получить из усилителя, охватив его положительной ОС. Автогенераторами называют генераторами с независимым возбуждением.
Усиление – это процесс преобразования энергии источника питания по закону входного сигнала, а генераторы осуществляют преобразование энергии источника питания в переменное напряжение требуемой частоты.
Для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:
баланс фаз – фазовые сдвиги сигнала, создаваемые усилителем 13 EMBED Equation.3 1415 и звеном ПОС 13 EMBED Equation.3 1415 должны быть кратны 13 EMBED Equation.3 1415. 13 EMBED Equation.3 1415
баланс амплитуд – произведение коэффициента усиления и коэффициента ОС 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, т.е. усилитель должен компенсировать все потери с цепи ОС.
Кроме того, для получения сигнала неискаженной формы необходимо, чтобы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Если 13 EMBED Equation.DSMT4 1415происходит затухание колебаний, если 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то возникает прогрессирующее нарастание амплитуды сигнала на входе и выходе до ее ограничения, обусловленного напряжением источников питания и форма сигнала отлична от синусоидальной.
Равенство соответствует установившемуся режиму и возможно только при некотором соотношении коэф. ООС и ПОС.

Генератор синусоидальных колебаний на ОУ (LC-генератор)
Баланс фаз означает, что колебания в замкнутой системе могут возобновляться только тогда, когда фаза выходного напряжения схемы ОС и фаза входного напряжения совпадают. Баланс амплитуд означает, что для возбуждения генератора усилителю необходимо компенсировать потери в схеме ОС.
Регулируя 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, добиваемся равенства ПОС и ООС, что выражается в наличии на выходе незатухающих и неискаженных гармонических колебаний.
13 EMBED Equation.3 1415
Недостаток: большие масса и объем для частот ниже нескольких кГц.
Для получения колебаний низкой частоты (менее 1 кГц) приходится использовать большие значения L и C, что увеличивает габариты и массу устройства. Для этого используют LC-генератор с мостом Вина.
Мост Вина не осуществляет сдвига фаз на резонансной частоте. Для возникновения незатухающий колебаний необходимо выполнение следующих условий:
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается R3 (термистор) или увеличивается R4 (позистор).
Стабильность такого генератора 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а если необходима более высокая стабильность 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, используется кварцевый генератор.

Условие баланса амплитуд:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415










RC-генераторы.
Для получения гармонических колебаний низкой и инфранизкой частот (от нескольких сотен килогерц до долей герц) применяют RC-генераторы.
Представленная RС-цепь не осуществляет сдвига по фазе передаваемого сигнала на квазирезонансной частоте, т.е. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Эта схема включается между выходом усилителя и неинвертирующим входом ОУ. Элементу 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415предназначены для получения требуемого коэффициента усиления. В схеме возникают автоколебания при соотношении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, частота которых определяется формулой 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 Если 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, то частоту автоколебаний определяют из соотношения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, причем должно быть выполнено условие 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями используют инерционно-нелинейную цепь ООС. Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление 13 EMBED Equation.DSMT4 1415или увеличивается 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Поэтому вместо 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 включается миниатюрный полупроводниковый терморезистор или вместо 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - металлический терморезистор.
Другое представление схемы:
















Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны tи=tn=R2C(ln(1+13 EMBED Equation.2 1415), при R3=R4 tи=tп=R2C(ln3, период повторения импульсов Тп=(tи+tп)=2tи, скважность Q=13 EMBED Equation.2 1415. Изменяя (=R2C и величины R3, R4, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.
Предположим, что на выходе напряжение +12В, а на неинвертирующем входе +2В. Конденсатор заряжается через 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до +2В. Так как напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем входе, происходит переброс триггера Шмита, на выходе устанавливается максимальное отрицательное напряжение (-12В), на неинвертирующем входе -2В. Конденсатор перезаряжается через 13 EMBED Equation.DSMT4 1415до -2В и т.д.



Активные и пассивные фильтры. Фильтры высоких частот (ФВЧ) и низких частот (ФНЧ). Полосовой и режекторный (заградительный), LC и RC фильтры. Полоса пропускания, полоса заграждения, добротность, затухание, крутизна спада на переходном участке. Фильтры Баттерворта, Бесселя, Чебышева и др. Достоинства и недостатки. Фильтр Салена и Кея. Фильтр с параллельной ОС, универсальный и биквадратный фильтр, гиратор

Фильтры низких частот (ФНЧ) пропускают на выход все частоты, начиная от нулевой (постоянный ток) и до некоторой заданной частоты среза 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, и ослабляют все частоты, превышающие 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Диапазон частот от 0 до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 называется полосой пропускания, а диапазон частот, превышающих 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - полосой подавления. Частота среза – это та частота, при которой напряжение на выходе фильтра падает до уровня 0,707 от напряжения в полосе пропускания (т.е. падает на 3 дБ), 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - частота, при которой выходное напряжение на 3 дБ выше, чем выходное напряжение в полосе подавления.








Полосовой фильтр пропускает все частоты в полосе между нижней частотой среза 13 EMBED Equation.DSMT4 1415и верхней 13 EMBED Equation.DSMT4 1415. Все частоты ниже 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и выше 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 ослабляются. Диапазоны частот от 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и от до 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 являются переходными участками.





Фильтры высоких частот (ФВЧ) ослабляют все частоты, начиная от нулевой и до частоты 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, и пропускают все частоты, начиная от 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и до верхнего частотного предела схемы.




Режекторный полосовой фильтр (заграждения) ослабляет вес частоты между 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и пропускает все остальные частоты.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Пассивные фильтры построены из катушек индуктивности, конденсаторов и резисторов. Используемые в пассивных фильтрах катушки индуктивности обладают активным сопротивлением, межвитковой емкостью и потерями в сердечнике, что делает их свойства далекими от идеальных.
Активные фильтры содержат в своей конструкции усилитель.

Достоинства активных фильтров:
в них используются только R и C, свойства которых ближе к идеальным, чем у L;
относительно дешевы;
могут обеспечивать усиление в полосе пропускания;
обеспечивают развязку входа от выхода (высокое входное и низкое выходное сопротивление), следовательно, легко сделать многокаскадными;
легко настраиваются;
фильтры для очень низких частот могут быть построены из компонентов с умеренными значениями параметров.
Недостатки:
нуждаются в источнике питания;
рабочий диапазон частот ограничен максимальной рабочей частотой ОУ и не превышает несколько МГц.

Фильтры характеризуются порядком или количеством полюсов. Каждый полюс дает ослабление ~ 6 дБ/окт или 20 дБ/дек (в зависимости от типа частотной характеристики фильтра может быть > или < 6 дБ/окт).

Типы частотных характеристик фильтров.
Фильтр Баттерворта
АЧХ фильтра Баттерворта в пределах полосы пропускания близка к равномерной и ее называют максимально плоской. Наклон переходного участка 6 дБ/окт на полюс. Фильтр имеет нелинейную ФЧХ, т.е. время, которое требуется для прохождения сигнала через фильтр зависит от частоты. Поэтому ступенчатый сигнал или импульс, поданный на вход, вызывает выброс на его выходе.
Используется тогда, когда нужно иметь одинаковый коэффициент усиления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 для всех частот в полосе пропускания.
13 EMBED Equation.3 1415
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Фильтр Чебышева
АЧХ имеет волнообразные зубцы в полосе пропускания и равномерна в полосе подавления. Количество зубцов тем больше, чем выше его порядок. Амплитуда зубцов может быть задана при конструировании фильтра и обычно устанавливается на уровне 1, причем увеличение допустимой амплитуды зубцов позволяет получить более крутой наклон характеристики фильтра на переходном участке.
13 EMBED Equation.3 1415
где n – порядок фильтра (равен количеству полюсов)

· = (0ч1)- постоянная, характеризующая неравномерность характеристики фильтра в полосе пропускания.
Неравномерности
·=0,5 дБ соответствует величина
· = 0,3493, неравномерности
·=3 дБ -

· = 0,9976.
Если n =1 и 13 EMBED Equation.3 1415дБ/дек
Используется, если желательно иметь очень крутой наклон на переходном участке. Имеет неравномерность в полосе пропускания и еще более нелинейную ФЧХ по сравнению с фильтром Баттерворта.


Фильтр Бесселя
Фильтр с линейной фазой или постоянной задержкой, т.е. запаздывание по фазе выходного сигнала в радианах линейно вырастает с частотой. Почти не дают выброса импульсного сигнала. Имеют наклон переходного участка менее 6 дБ/окт.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Существуют обратный фильтр Чебышева равномерный в полосе пропускания и с зубцами в полосе подавления; эллиптический с очень крутым наклоном на переходном участке, но не равномерный в полосе подавления; и параболический с очень хорошей импульсной характеристикой.
Коэффициент затухания
· определяет форму характеристики на переходном участке и вид выброса характеристики в полосе пропускания вблизи переходного участка.
Одна и та же схема в зависимости от выбора значений ее компонентов может действовать как фильтр Бесселя, Баттерворта или Чебышева и форма ЧХ фильтра определяется коэффициентом затухания.
Добротность Q связывает среднюю частоту полосы пропускания и ее ширину на уровне 3дБ.
Для активных фильтров 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент усиления (передачи) в полосе пропускания 13 EMBED Equation.3 1415
Чувствительностью одного из параметров фильтра по отношению к другому его параметру называется отношение величины изменения первого параметра к величине изменения второго, если изменение 2-го параметра вызывает изменение 1-го.
13 EMBED Equation.3 1415 значит, что
·о уменьшилось на 0,5%, при увеличении R1 на 1%.

Компоненты схем фильтров.
Для обеспечения высокого качества работы активных фильтров в их схеме следует использовать компоненты, параметры которых имеют малый разброс сопротивления и конденсаторы должны иметь малые температурные коэффициенты и малый временной дрейф параметров:
Конденсаторы с допуском ±5%;
Резисторы с допуском ±2%.
Для фильтров более высоких порядков соответственно ±2% и ±1%.
В схемах с активными фильтрами лучше использовать МЛТ (металлопленочные) резисторы с низким уровнем шума и ТКС, конденсаторы полиэстероловые, слюдяные и высококачественные керамические.
Коэффициенты для фильтров 2-го порядка
Тип фильтра

·

·

Баттерворта
1,414
1,000

Бесселя
1,732
0,785

Чебышева
0,5 дБ
1,578
1,390


1 дБ
1,059
1,218


2 дБ
0,886
1,074


3 дБ
0,766
1,000


· используется для унификации формул.
13 EMBED Equation.3 1415
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


Расчет фильтров

Метод Саллена-Кея

Расчет ФНЧ (на примере фильтра Баттерворта 2-го порядка).
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415


Звено Рауха

Расчет ФВЧ (на примере фильтра Бесселя 2-го порядка).
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Фильтры Салена и Кея (УНИН).
УНИН– управляемый напряжением источник напряжения. В схемах Салена и Кея операционный усилитель используется как УНИН. Схемы активных фильтров пропускания нижних и верхних частот Салллена и Кея второго порядка показаны на рисунке.

Фильтр нижних частот Фильтр верхних частот













Эти схемы популярны и недороги, и их легко настраивать. Схемы содержат по две RC-цепи, каждая из которых вносит 6 дб/октава в наклон характеристики на переходном участке. Сопротивления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 определяют коэффициент затухания.


Расчет ФНЧ с равными компонентами (на примере фильтра Чебышева 0,5дБ 2-го порядка).
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Расчет ФВЧ с равными компонентами (на примере фильтра Бесселя).
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка: оба фильтра (верхних и нижних частот) Салена и Кея настраиваются следующим образом:
Величина 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 устанавливается совместным изменением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 и 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Величина 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 устанавливается изменением 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Полосовой фильтр с параллельной ОС
Схема может содержать резистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415(регулируемый коэффициент передачи). Если резистор 13 EMBED Equation.DSMT4 1415в схеме отсутствует -
коэффициент передачи нерегулируемый. Часть характеристики, соответствующая фильтру пропускания нижних частот, формируется с помощью цепи 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, а часть, соответствующая фильтру пропускания верхних частот, - с помощью цепи. Такая обратная связь обеспечивает положение максимума характеристики вблизи частоты 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Для этого фильтра добротность 13 EMBED Equation.DSMT4 1415, R4=R3
Расчет фильтра с параллельной обратной связью и нерегулируемым 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Дано:
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Расчет фильтра с параллельной обратной связью и регулируемым 13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Дано:
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка:
1. fo устанавливается с помощью одновременного изменения С1, С2 или R1, R3;
2. Q устанавливается с помощью изменения величины R3/R1 причем R1·R3=const;
3. коэффициент передачи Кп в полосе пропускания устанавливается с помощью R2.
Недостатки: слишком высокая чувствительность.

Универсальный фильтр с фиксированным усилением

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Два соединенных последовательно интегратора обеспечивают формирование характеристики ФНЧ 2-го порядка. Подавая выходное напряжение 1-го интегратора (с настраиваемым коэф. передачи в цепи ОС {
·=1}) обратно на вход сумматора и складывая его с входным напряжением всей схемы можно осуществить регулировку частотной характеристики вблизи частоты среза. Выходом ФНЧ является выход 2-го интегратора.
Характеристика ФВЧ формируется посредством суммирования взятых в противофазе входного сигнала и сигнала с выхода ФНЧ. На частотах от нулевой до f среза выходной сигнал ФНЧ исчезает, что дает возможность входному сигналу беспрепятственно проходить через сумматор на выход ФВЧ.
Сигнал на выходе ПФ можно рассматривать как интеграл от суммы выходных сигналов ФНЧ и ФВЧ. Ослабление сигнала на выходе ФВЧ уменьшается, когда частота приближается к f среза, а интегрирование обеспечивает ослабление на частотах выше f среза.
Т.к. f среза одинаково для обоих интеграторов, сигнал на выходе ПФ не равен нулю только в случае, когда АЧХ ФНЧ и ФВЧ перекрываются.
Универсальный фильтр легко превратить в фильтр-пробку, просуммировав противофазные сигналы ФНЧ и ФВЧ.




Расчет универсального фильтра с единичным усилением. ФНЧ и ФВЧ.
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка схемы:
1. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается с помощью одновременного изменения С1, С2 или R1, R2;
2. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается с помощью изменения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.
Расчет универсального фильтра с единичным усилением. ПФ.
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка схемы:
1. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается с помощью одновременного изменения С1, С2 или R1, R2;
2. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается с помощью изменения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415.

Универсальный фильтр с регулируемым усилением (независимо от Q)

Расчет универсального фильтра с регулируемым усилением. ФНЧ и ФВЧ.
Дано:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка схемы:
1. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается путем изменения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 или 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
2. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 устанавливается с помощью изменения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
3. 13 EMBED Equation.DSMT4 1415настраивается путем одновременного изменения С1, С2 или R1, R2.
Расчет универсального фильтра с регулируемым усилением. ПФ.
Дано:





Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415 - коэффициент пропорциональности;
13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Биквадратный фильтр – стабильный фильтр, позволяющий в случае полосового получать Q>100. Их легко соединять последовательно для получения многокаскадных фильтров. Одним из свойств является неизменность его полосы пропускания при изменении его средней частоты так, что в настраиваемых биквадратных фильтрах добротность увеличивается с ростом частоты.

Rк1=R2||R1||Rк, Rк2=R1/2, R3=R5
Состоит из суммирующего интегратора, инвертирующего усилителя и второго интегратора. Суммирующий интегратор вычитает из входного напряжения выходной сигнал ФНЧ. Когда частота достигает переходного участка, полной компенсации уже не происходит и на выходе сигнал не равен 0. На частотах выше fo суммарный спад АЧХ двух интеграторов обеспечивает ослабление выходного сигнала.

Расчет биквадратного полосового фильтра.
Дано:
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
Настройка:
1. fo устанавливается с помощью изменения R2;
2. Q устанавливается с помощью изменения 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
3. коэффициент передачи Кп в полосе пропускания устанавливается с помощью R1.


Гиратор – это RC-цепь, включенная в ОС усилителя таким образом, чтобы имитировать катушку индуктивности. Иногда гираторы называют синтезированными индуктивностями. Назначение гиратора состоит в том, чтобы, используя напряжение на конденсаторе заставить I и U на выходах схемы вести себя подобно I и U на катушке индуктивности.
Недостатки: не многие из них могут работать на частотах, превышающих несколько кГц. Схемы гираторов не требующих заземления одного из выводов оказываются очень сложными.
Индуктивное сопротивление XL возрастает при увеличении частоты, поэтому при возрастании частоты растет и напряжение на катушке индуктивности. Повторитель напряжения в схеме гиратора воспроизводит напряжение на сопротивлении 13 EMBED Equation.DSMT4 1415 на своем выходе. При увеличении частоты напряжение на конденсаторе С уменьшается вместе с Xc, следовательно UR1 и вместе с ним Uвых повторителя увеличиваются и по цепи ПОС через R2 подается на вход. Поэтому напряжение на выходе схемы растет с увеличением частоты, т.е. ведет себя аналогично напряжению на катушке индуктивности. В этой схеме величину сопротивления 13 EMBED Equation.DSMT4 1415следует выбирать как можно меньшей.

Расчет гиратора.
Дано:
Расчет:
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415


Модуляция. Виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая. Достоинства, недостатки. Импульсные виды модуляции: амплитудно-импульсная (АИМ), кодо-импульсная (КИМ), широтно-импульсная (ШИМ), фазо-импульсная (ФИМ). Области применения. Структурная схема импульсного блока питания.

Модуляция – изменение одного из параметров сигнала несущей частоты по закону модулирующего сигнала. Изменяемые параметры:
амплитуда
частота и фаза
относительная ширина импульса.
Амплитудная модуляция
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 1415 – глубина модуляции
13 EMBED Equation.3 1415 – амплитуда колебаний в режиме молчания
13 EMBED Equation.3 1415– максимальное приращение амплитуды колебаний при модуляции

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 EMBED Equation.3 1415
Амплитудная модуляция применяется на длинных (ДВ), средних (СВ) и коротких волнах (КВ). Расстояние между станциями 9 кГц. Чем уже полоса занимаемых частот, тем легче при одинаковой мощности передатчика обеспечить дальность или во столько же раз уменьшить шумы.
Схема простейшего демодулятора.
Конденсатор пропускает только низкие частоты. На резисторе имеем демодулированный сигнал.
Достоинства: узкая полоса занимаемых частот, простота модуляции и демодуляции.
Недостатки: высокая подверженность промышленным и атмосферным помехам.

Однополосная модуляция
При однополосной модуляции используется передача только одной боковой полосы; несущая и вторая боковая полосы подавляются. Использование однополосной модуляции позволяет размещать в отведенном диапазоне удвоенное количество каналов связи и, в результате, получить общий теоретический выигрыш мощности радиопередатчика в 16 раз (практически в 10 раз). Используется для специальных видов связи SSB. При однополосной модуляции передается только часть сигнала.
Частотная и фазовая модуляция
13 EMBED Equation.3 1415

где
· – индекс модуляции

13 EMBED Equation.3 1415– функция Бесселя 1-го рода n-порядка от индекса модуляции.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Для составляющих с энергией < 3% от энергии несущей в практический спектр войдут члены с n
·
·

Если
·
·1 –– модуляция узкополосная, в практический спектр, кроме несущей, входят только 2 боковые гармоники и он имеет ту же ширину, что и спектр амплитудно-модулированных колебаний.
Если
·>1 –– модуляция широкополосная.
Достоинства: высокая защищенность от помех при воздействии атмосферных и промышленных помех.
Недостатки: относительно широкая полоса занимаемых частот (
·150 кГц), относительная сложность модуляции и демодуляции.
Применение:
Из-за большой помехоустойчивости линии связи основное применение имеет ЧМ.
ФМ используется как промежуточный вид для получения частотной, т. н. косвенные методы ЧМ.

Импульсная модуляция
В зависимости от того, какой из параметров импульсной последовательности изменяется в процессе модуляции, различают виды модуляции:
Амплитудно-импульсная –– АИМ
Широтно- импульсная –– ШИМ
Фазо импульсная –– ФИМ
Частотно импульсная –– ЧИМ
Кодо импульсная –– КИМ

Модуляция импульсов по фазе состоит в изменении временного положения импульсов относительно опорных или тактовых точек и получается путем дифференцирования ШИМ.
Применение: наиболее часто импульсная модуляция используется в многоканальной радиосвязи и телеметрии. ШИМ используется в импульсных стабилизаторах и преобразователях напряжения, в схемах управления электродвигателем.


Структурная схема импульсного блока питания
C1, C2, C14, C3, L1, L2 –– помехозаграждающий фильтр.
R1–– варистор для защиты от перенапряжения.
R2–– терморезистор с положительным ТКС для ограничения тока заряда C4 с целью защиты диодного моста.
С5 –– для фильтрации высокочастотных импульсов от С4.
VD1, R3, C6 –– защитная цепь.
VD2 –– стабилитрон.
VD3 может быть встроен в полевом транзисторе VT.
R4 –– датчик тока для защиты от к.з.
DA4-DA6 –– трехвыводные стабилизаторы напряжения.
С11-С12 –– для устранения возможности самовозбуждения.
DA3 –– предназначен для регулирования нарастания выходного напряжения.
Ключевые преобразователи напряжения. Прямоугольные и резонансные. Однотактные и двухтактные. С прямым и обратным включением диода. Мостовые, полумостовые, со средней точкой. С независимым и самовозбуждением. Транзисторные и тиристорные. Особенности использования и области применения.

В зависимости от вида возбуждения преобразователи напряжения (ПН) делятся на:
зависимые
независимые
В зависимости от связи с нагрузкой:
трансформаторные
безтрансформаторные
В зависимости от формы сигнала:
прямоугольной формы
синусоидальной (резонансные)

Безтрансформаторные ПН используются при малых мощностях (10-100мВт), т.к. имеют низкий кпд и не обеспечивают гальванической развязки силовой цепи и нагрузки.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

ОПНО – однотактный преобразователь напряжения с обратным включением диода
ОПНП – однотактный преобразователь напряжения с прямым включением диода
ДМ – двухтактная мостовая
ДПМ – двухтактная полумостовая
ССТ – со средней точкой
ПНН – преобразователь напряжения с переключением при U=0
ПНТ – преобразователь напряжения с переключением при I=0


Мультивибраторы на транзисторах (генератор прямоугольных колебаний)
Безтрансформаторный с независимым возбуждением.



Трансформаторный с самовозбуждением



Трансформаторные двухтактные ПН
Двухтактный ПН с самовозбуждением охваченный трансформаторной положительной ОС

При включении питания VT1 приоткрывается, через его половину коллекторной обмотки начинает протекать ток, индуцирующий в его базовой обмотке отпирающее VT1 напряжение. Возникший лавинообразный процесс полностью отпирает VT1, VT2 при этом заперт напряжением на его базовой обмотке. По мере насыщения сердечника, индукция в нем перестает нарастать, что вызывает изменение полярности напряжения на базовой обмотке VT2, который теперь отпирается и запирает VT1.
Частота переключения определяется главным образом параметрами трансформатора. При уменьшении сопротивления нагрузки, а значит, при увеличении потребляемой мощности частота уменьшается, что в свою очередь приводит к уменьшению выходной мощности (это недостаток).


Преобразователи с независимым возбуждением
VD3 предназначен для обеспечения цепи разряда энергии дросселя через нагрузку.









Мостовая схема

Когда открыты VT1 и VT4 (VT2, VT3 – закрыты) ток протекает по цепи (+Uп) – VT1 – 1 – 2 – VT4 –
(-Uп).
При открытых VT3, VT2 (VT1, VT4 –закрыты) ток протекает по цепи (+Uп) – VT3 – 2 – 1 –VT2 – (-Uп).
Перемагничивание сердечника осуществляется по полной петле гистерезиса.

Полумостовая схема
1) (+Uп) – VT1 – 1 – 2 – С2 –
(-Uп).

2) (+Uп) – С1 – 2 – 1 –VT2 – (-Uп).




Однотактный преобразователь с прямым включением диода (ОПНП)

Ток в нагрузку протекает в то время, когда VT открыт. Дополнительная обмотка и VD1 предназначены для размагничивания сердечника, когда VT закрыт.





Однотактный преобразователь с обратным включением диода (ОПНО)

Когда VT открыт – энергия запасается в трансформаторе, а на вторичной обмотке напряжение запирает VD.
Когда VT закрывается, ЭДС Ленца, препятствующая уменьшению тока, прикладывается к диоду в прямом направлении и через нагрузку протекает ток.

Достоинство схемы – не боится к.з.


Сравнительный анализ схем преобразователей

Двухтактные ПН
Однотактные ПН


ССТ
ДМ
ДПМ
ОПНП
ОПНО

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415
min
min
min
middle
max

13 EMBED Equation.DSMT4 1415
2
2
2
2
1

13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415
13 EMBED Equation.DSMT4 1415


Наилучшим использованием трансформатора по току обладают схемы ДПН. При скважности фильтра
·2 и достаточно большой индуктивности фильтра имеем 13 EMBED Equation.3 1415. n – коэффициент трансформации.
Максимальное напряжение на запертом транзисторе 13 EMBED Equation.3 1415.
13 EMBED Equation.3 1415– минимальной емкостью обладают все схемы ДПН.
Количество индуктивных элементов минимально в ОПНО.
Минимальное количество силовых ПП элементов в ОПНО (1VT и 1VD ) и ОПНП (1VT и 2VD); в ДПН ( ССТ и ДПМ – 2VT и 3VD; в ДМ – 4VT и 3VD).
Габариты трансформаторов минимальны в ДПН, в которых происходит разнополярное симметричное перемагничивание. К ним приближается ОПНП с принудительным перемагничиванием от источника обратной полярности.
Для ДПН и ОПН используются разные магнитные материалы, т.к. ОПН работают с постоянным подмагничиванием.

Применение:
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Двухтактные преобразователи обеспечивают перемагничивание сердечника по всей петле гистерезиса, что обуславливает наиболее полное использование данного сердечника. Однако при повышении его рабочей частоты с целью дальнейшего уменьшения объема сердечника либо передаваемой им мощности на первый план выступают потери из-за сквозных токов, которые также уменьшают надежность устройств. Однотактные преобразователи напряжения требуют больших габаритов сердечника для данных частоты и мощности, но в них не возникают сквозные токи.

Резонансные преобразователи
ПНТ: переключаются при нулевом токе ПНН: переключаются при нулевом напряжении


Пример резонансного ПН

Достоинства резонансных преобразователей:
невысокая скорость нарастания напряжения на силовом VT, что позволяет работать на более высоких частотах
меньшая амплитуда высших гармоник, что уменьшает создаваемые радиопомехи
Недостатки:
сложность схем управления и трудность стабилизации выходного напряжения при изменяющемся сопротивлении нагрузки.

Тиристорные преобразователи

В начальный момент времени оба тиристора зарыты.
Затем подаем отпирающее напряжение на УЭ VD1, который отпирается и замыкает цепь заряда конденсатора (+Еп) – Дроссель – 2 – 3 – С –VD1 – (-Еп).
В следующий момент времени управляющее напряжение подаем на УЭ VD2 и открываем его. Напряжение на конденсаторе прикладывается к аноду VD1 в отрицательной запирающей полярности, чем VD и запирается.
Конденсатор перезаряжается по цепи (+Еп) – Др – 2 – 1 – С – VD2 – (-Еп).
Емкость конденсатора должна быть достаточной, чтобы поддерживать запирающий потенциал у тиристора в течение времени, не меньше время запирания.
Используются в сверхмощных преобразователях напряжения.
Недостаток: невысокая частота и кпд.
Логические основы цифровых устройств и ЭВМ. Двоичные переменные и переключательные функции, основные логические функции, основные законы алгебры логики, формы представления и минимизация переключательных функций.

Элементы булевой алгебры
Булевы константы («0» и «1»)
Булевы переменные (Х1,Х2,,Хn)Є{0,1}
Булевы функции y=f(x1,x2,,xn) принимают значения 0 и 1
В отличие от переменной в обычной алгебре логическая переменная имеет толькодва значения, которые обычно называются логическим нулем и логической единицей. В качестве бозначений используются «О» и «1» или просто 0 и 1.
Существуют три основные операции между логическими переменными: конъюнкция (логическое умножение), дизъюнкция (логическое сложение) и инверсия (логическое отрицание). По аналогии с алгеброй чисел в алгебре логики используются следующие обозначения операций.
Конъюнкция 13 EMBED Equation.3 1415
Дизъюнкция 13 EMBED Equation.3 1415
Инверсия 13 EMBED Equation.3 1415
Применительно к логическим операциям существуют теоремы:
Коммутативный закон:
13 EMBED Equation.3 1415
Ассоциативный закон:
13 EMBED Equation.3 1415
Дистрибутивный закон:
13 EMBED Equation.3 1415
Правило склеивания:
13 EMBED Equation.3 1415
Правило повторения:
13 EMBED Equation.3 1415
Правило отрицания:
13 EMBED Equation.3 1415
Правило двойного отрицания:
13 EMBED Equation.3 1415
Теорема де Мограна:
13 EMBED Equation.3 1415
Операции с нулем и единцей:
13 EMBED Equation.3 1415







Таблицы истинности логических функций
x1 x2
f1
f2
f3
f4
f5
f6
f7

0
0
0
0
1
1
1
1
0

0
1
1
0
0
1
0
1
1

1
0
1
0
0
0
0
1
1

1
1
1
1
1
1
0
0
0




·
V
~


|

·


Дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ) 13 EMBED Equation.3 1415
Конъюнкция (логическое умножение, И) 13 EMBED Equation.3 1415
Равнозначность 13 EMBED Equation.3 1415
Импликация 13 EMBED Equation.3 1415
Функция Вебба (стрелка Пирса, ИЛИ-НЕ) 13 EMBED Equation.3 1415
Функция Шеффера (И-НЕ)13 EMBED Equation.3 1415
Функция сложения по модулю два (полусумматор) 13 EMBED Equation.3 1415

Как можно представить логические функции с помощью электрических переключающих схем? Так как логические переменные могут иметь только два дискретных значения, то следует обратить внимание на схемы, которые могут находиться в двух легко различимых рабочих состояниях. Простейшим способом реализации логической переменной является ключ.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Можно условиться, что разомкнутый ключ эквивалентен логическому нулю, а замкнутый –логической единице. Таким образом, ключ реализует переменную х, если он замкнут при х = 1, и переменную 13 EMBED Equation.3 1415, если он разомкнут при х = 1.
Рассмотрим сначала, какая логическая функция будет реализована, если два ключа 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415соединить последовательно.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Значение зависимой переменной у характеризуется тем, будет ли замкнута или разомкнута составная коммутируемая цепь, расположенная между входными клеммами. Очевидно, что рассматриваемая цепь будет замкнута только тогда, когда 13 EMBED Equation.3 1415и 13 EMBED Equation.3 1415 замкнуты, т.е. равны единице. Таким образом, последовательное включение ключей реализует функцию И.
Функция ИЛИ может быть получена, если ключи включить параллельно.
С помощью такой схемной логики можно наглядно показать справедливость ранее приведенных теорем. Рассмотрим это на примере правила повторения.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
На рис. показана реализация обеих частей выражения правила повторения с помощью коммутируемой цепи. Легко заметить, что рассматриваемое тождество выполняется, поскольку два включенных последовательно ключа, замыкание и размыкание которых происходит одновременно, воздействуют на внешние цепи как один такой ключ.

Другой возможностью представления логических переменных является электрическое напряжение, имеющее два различных уровня: высокий и низкий. Этим уровням можно поставить в соответствие логические состояния 1 и 0. Эта система обозначений: высокий = 1 и низкий = 0 – называется позитивной логикой. Но возможна также и обратная система обозначений: высокий = 0 и низкий = 1, которая называется негативной логикой.
Основные логические функции могут быть реализованы с помощью соответствующих электронных схем. Эти схемы имеют один или несколько входов и один выход. Как правило, они называются логическими элементами. Уровень выходного напряжения определяется уровнями напряжения на входах и характером логической функции. Для реализации одной и той же логической функции существует большое число различных электронных схем. Поэтому с целью упрощения документации были введены символы, которые обозначают лишь только логическую функцию и не раскрывают внутреннее строение схемы.

В цифровой технике задача, как правило, формулируется в форме таблицы переключений, которая называется также таблицей истинности. Прежде всего требуется найти такую логическую функцию, которая соответствовала бы этой таблице. На следующем этапе эту функцию преобразуют в простейшую форму, которую потом реализуют с помощью соответствующей комбинации базовых логических схем. Логические функции записывают, как правило, в дизъюнктивной совершенной нормальной форме (ДСНФ). При этом поступают следующим образом.
В таблице истинности выделяют строки, в которых выходная переменная у имеет значение 1.
Для каждой такой строки составляют конъюнкцию всех входных переменно причем записывают сомножитель 13 EMBED Equation.3 1415, если рассматриваемая переменная принимает значение 1, в противном случае записывают 13 EMBED Equation.3 1415. Таким образом, составляется столько произведений, сколько имеется строк с у = 1.
Наконец, записывая логическую сумму всех найденных произведений, получают искомую функцию.

Формулы склеивания:
13 EMBED Equation.3 1415
Формулы поглощения:
13 EMBED Equation.3 1415

Минимизация методом Карно
При минимизации методом Карно логическую функцию в виде карты. При размещении различных комбинаций значений входных переменных следует выбирать таким, чтобы при переходе от одной ячейки к соседней изменялась только одна переменная (используют код Грэя). Склеивание возможно, если одинаковые значения функции располагаются рядом.
Желательно образовывать контуры возможно большей протяженности. Контуры могут охватывать 1, 2, 4,8 и т.д. единиц (или нулей). В результате исчезает та переменная, которая меняет знак при обходе контура. При организации контуров следует считать, что карту можно навернуть на цилиндр.
Если обхватывать контурами единицы, то результат получим в ДСНФ, если нули – то в КСНФ (конъюнктивная совершенная нормальная форма).
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
f

0
0
0
0

0
0
1
1

0
1
0
0

0
1
1
1

1
0
0
0

1
0
1
1

1
1
0
1

1
1
1
1

2-х разрядная карта Карно
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Результат: 13 EMBED Equation.3 1415

Элементарная база цифровых микросхем. Логические элементы И, ИЛИ, НЕ на диодах, биполярных и полевых транзисторах. Базовые логические элементы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики. Логические элементы на однотипных и комплементарных МДП-транзисторах. Логические элементы с тремя выходными состояниями. Микросхемы с открытым коллектором. Совместное применение микросхем разных серий.


Эволюция цифровой логики:
РТЛ – резисторно-транзисторная логика.
ДТЛ – диодно-транзисторная логика.
ТТЛ –транзисторно-транзисторная логика.
Элемент три «И-НЕ» на ДТЛ.
Напряжение <0.4B считается логическим нулем, при U>2.4 – логическая единица.
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415
Элементы на основе ТТЛ.
В основе – многоэммитерный транзистор.
Серия 155.
Если на всех входах «1» , то на коллекторе 13 EMBED Equation.3 1415 эмиттерный переход закрыт, а коллекторный открыт и напряжение на базе VT1=1.8 В. VT2 и VT5 открыты, VD4 –предназначен для надежного запирания VT4. R3, R4 и VT3 действуют как резистор и предназначены для увеличения помехоустойчивости.
Если на любом из входов «0», то VT1 переключается из инверсного в активный режим и отпирается. В этом случае напряжение на его коллекторе (0,8В) уже недостаточно для отпирания VT4 и VT5. VT4 при этом открыт и на выходе появляется логическая единица.
R5 предназначен для защиты выходов при кратковременном замыкании на землю.



Серия повышенного быстродействия.
VT1, VT2 – VT5 – используются транзисторы Шотке.

Следующим шагом к повышению быстродействия стало использование транзистора Шотке.



Если на базу подать большое напряжение, то транзистор может войти в режим насыщения и его быстродействие уменьшается.
У диода Шотке напряжение отпирания 0,3-0,4 В. Напряжение на базе транзистора Шотке не может превышать напряжение на его коллекторе более, чем на 0,4 В, т.е. коллекторный переход никогда полностью не открывается транзистор не заходит в режим насыщения, что резко увеличивает его быстродействие.

Каскад с открытым коллектором.

Обычная нагрузочная способность равна 10 входам, которые можно подключить к одному входу. Повышенная нагрузочная способность = 30. В логических элементах входы должны быть обязательно к чему-нибудь подключены. Если схема «И» – вход подключить к «1». Если «ИЛИ» – подать «0».
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

В схемах с общим коллектором неиспользуемые входы могут оставаться неподключенными.
Выходы двух обычных элементов объединять нельзя, за исключением находящихся в одном корпусе с целью увеличения выходной мощности. В схемах с общим коллектором можно объединять выходы и делать монтажные ИЛИ.
Недостаток: малый ток высокого уровня, ограниченный коллекторным резистором.

Расширение по «И».
См. на рисунках дополнительные входы.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


2И-2ИЛИ-НЕ
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

К и Э предназначены для расширения по ИЛИ.
Расширитель по ИЛИ.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Существуют элементы с открытым коллектором, допускающие подачу повышенного напряжения (15-30 В) через резистор на коллектор выходного транзистора, что позволяет коммутировать различную нагрузку.



Логические элементы с тремя выходными состояниями (Z-состояние).
Когда VT3 заперт, схема действует подобно обычному логическому элементу 2И-НЕ, т.к. VD1 смещен в обратном направлении. Если VT3 открыт, VD1 также открыт. U в точке А близко к нулю и VT6 заперт. VT5 также заперт, т.к. на эмиттере VT4, который связан с коллектором VT3, логический ноль. Следовательно, VT7 также заперт, и выходной вывод окажется отсоединенным от входных цепей и обеих шин питания. При этом уменьшается также потребляемая микросхемой мощность.


Сравнительные характеристики серии логических микросхем.
Элементы КМОП и ЭСЛ
серия
параметр
нагрузка
вид

отеч.
зарубеж.
Рпотр,мВт
tзд, нс
Епотр,мДж
Сн, пФ
Rн, кОм


134
74L
1
33
33
50
4
базовые

155(133)
74
10
9
90
15
0,4


131
74H
22
6
132
25
0,28


555
74LS
2
9,5
19
15
2
Шотки

531
74S
19
3
57
15
0,28


1533
74ALS
1,2
4
4,8
15
2
мод. Шотки

1531
74F
4
3
12
15
0,28


(~1530)
74AS
8,0(30)
1,75
14(55)
-
-
сверх быстр. Шотки

1554
74AC
0,025
3,5
0,009
500
0,2
КМОП с возм. ТТЛ

1564
74HC
0,025
10
0,025
500
0,2


1561
H4000
0,025
40
0,1
50
4
КМОП обыч.мод.


Eпотр = Pпотрtзд =>если tздуменьшить в nраз, то Pпотр увеличится в 2nраз.





ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

U0 = -0,7 ч -0,95
· -0,8
U1 = -1,45 ч -1,95
· -1,6
Высокое быстродействие достигается тем, что транзисторы дифференциального каскада и другие не входят в режим насыщения, а также малой разницей между уровнем логического «0» и логической «1» (0,8В). Последнее, в свою очередь, ухудшает помехоустойчивость. Для согласования микросхем различных видов логики используются микросхемы преобразования уровня.

КМОП.
Стандартный КМОП допускает использование Uп от 5В до 15В. Быстродействие изменяется в три раза, возрастает и мощность. Это позволяет непосредственно соединить схемы КМОП и ОУ.

Двунаправленный ключ.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
При изменении входного сигнала сопротивление каналов транзистора с n и p каналом изменяется в противоположную сторону. Специальные схемные решения позволяют сделать эквивалентное сопротивление ключа независимым от величины и направления входного сигнала. Величина сопротивления канала ключа достигает единиц Ом. При отсутствии отпирающего напряжения на затворе сопротивление велико (десятки МОм), что равносильно разрыву цепи. Омический характер сопротивления канала позволяет использовать двунаправленные ключи не только для переключения логических сигналов, но и (в отличие от ТТЛ) для переключения аналоговых сигналов, а также для регулировки последних, используя ключ в этом случае в качестве переменного резистора, управляемого напряжением.

Инвертор КМОП


13 EMBED Equation.3 1415
Защитные диоды обязательно присутствуют во всех логических элементах КМОП, так как они подвержены разрушающему воздействию статического электричества. В инверторе VD3, VD5, VD6 защитные элементы от отрицательных импульсов. Диоды VD1, VD2, VD4 защищают вход и выход от положительных выбросов и ограничивают его на уровне Uп+0,6. Для дополнительной защиты входов, особенно при длинных входных проводах, и для устранения паразитных колебаний последовательно с входом включают резистор для ограничения тока заряда включения емкости.

Схема И-НЕ
При логической «1» n-каналы VT3 и VT4 открыта, а p-канальные VT1 и VT2 – заперты на входе логического «0». При подаче хотя бы одного логического «0» на вход, оказывается запертым одним из VT3 или VT4 и открытым хотя бы один из VT1 и VT2, что даст логическую «1» на выходе.







Схема ИЛИ-НЕ

При двух логических «0» входы VT1 и VT2 закрыты, а VT3 и VT4 открыты. На выходе – логическая «1». При логической «1» на любом из выходов по крайней мере один из n-каналов и хотя бы один из последовательных соединений p-каналов закрыт. На выходе 0.












Существует логические элементы с открытым стоком.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Не использованные входы КМОП надо включать так, чтоб не нарушались условия работы микросхемы в целом. В отличие от ТТЛ можно подключить к Uп напрямую. Нельзя оставлять неподключенными. При случайном соединении выхода с системой питания или с общей линией через открытие. Транзистор пропускает ток, ограниченный только сопротивлением канала и внутренним сопротивлением источника питания. Ток короткого замыкания и мощность рассеивания увеличиваются с ростом напряжения питания. При напряжении питания не более 5В и комнатной температуре 25
·С микросхема не выходит из строя при достаточно долговременном коротком замыкании.

Сопряжение КМОП и ТТЛ.
При сопряжении КМОП и ТТЛ к выходу КМОП можно подключить два входа ТТЛ 155серии и до девяти входов 555 серии. При подключении выхода ТТЛ ко входу КМОП необходимо включить резистор с выхода ТТЛ на источник питания (2кОм) с целью повышения уровня логической «1».

Разновидности функциональных схем:
- комбинационные схемы
- последовательные устройства
Комбинационные схемы характеризуются отсутствием памяти (память – свойство системы сохранять в течении требуемого времени значение сигнала, характеризующее внутреннее состояние цифрового устройства). Сигнал на выходе комбинационного устройства в любой момент времени однозначно определяется сочетанием сигналов на входе и не зависит от его предыдущего состояния. Схемным признаком таких схем является осуществление в цепи обратной связи. Примеры: логические элементы, эл. ключи, дешифраторы, арифметические устройства.
Последовательные схемы обладают памятью и при смене цифр на входе, для предсказания сигнала на выходе, необходимо знать о состоянии, в котором устройство было до этого. В этих устройствах есть обратная связь. Простейшие из них – триггеры, счетчики, резисторы, запоминающие устройства.
Параметры цифровых элементов:
1)надежность – интенсивность отказов13 EMBED Equation.DSMT4 1415, наработкой на отказ Т, вероятность безотказной работы 13 EMBED Equation.DSMT4 1415;
2)стойкость к механическим и климатическим воздействиям - вибрации, ударам, центробежным силам, воздействиям атмосферы и т.д.
3) быстродействие – прямо пропорционально потребляемой мощности;
4) мощность рассеивания;
5) нагрузочная способность - при исполнении микросхем разных серий количество входов будет различным. Оно может быть указано в таблице, либо рассчитано по входным и выходным токам;
6) помехоустойчивость;
7) степень интеграции.
Интегральные триггеры. Асинхронные и синхронные триггеры. RS-, JK-, D- и Т-триггеры. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы триггерных схем, их основные параметры. Применение триггерных схем для создания цифровых систем управления.

Триггеры – класс устройств, общим свойством которых является способность длительно оставаться в одном из двух (или нескольких возможных) устойчивых состояний и скачком чередовать их под воздействием внешних сигналов. Одно из основных применений – запоминание информации.
Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в заданном состоянии и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит или помнит один разряд двоичного числа.

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415


Rn
Sn
Q
13 EMBED Equation.3 1415

1
0
0
13 EMBED Equation.3 1415



0
1
1
0


1
0
0
1


1
1
н/о
н/о

2
0
0
н/о
н/о


0
1
1
0


1
0
0
1


1
1
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415














13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Недостаток: неопределенное состояние.
Для исключения неопределенного состояния разработаны модификации RS-триггеров, у которых при запрещенных входных комбинациях выходной сигнал принимает следующие значения:
R-триггер - 0
S-триггер - 1
E-триггер – Qn
JK-триггер - 13 EMBED Equation.3 1415

Триггерные системы - RS-триггер как ячейка памяти и УУ.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
J, K, V, (T)C – внешние входы; Ra, Sa – внешние входы ячейки памяти; Q, 13 EMBED Equation.3 1415 - внешние выходы; S', R' – внутренние входы.

Функциональное назначение внешних входов
усл. обозн.
назначение

информационные входы

S
вход раздельной установки триггера в состоянии «1»

R
вход раздельной установки триггера в состоянии «0»

J
вход установки JK-триггера в состоянии «1»

K
вход установки JK-триггера в состоянии «0»

T
вход счетного триггера

D
вход установки D- или DV-триггера в состоянии «1» или «0»

управляющие входы

V
подготовительный вход разрешения приема информации

C
вход синхронизации (тактирующий)


УУ – комбинационное устройство, преобразующее входную информацию в комбинацию сигналов под воздействием которых ячейка памяти принимает одно из двух устойчивых состояний. Изменяя схему УУ и способы ее связи с ячейкой памяти можно получить триггеры с различными функциональными свойствами. Сигнал на информационном входе определяется информацией, которая будет записываться с триггер. С помощью подготовительного сигнала можно в нужный момент прервать действие триггера или группы триггеров, сохраняя информацию на выходе (V-сигнал). Исполнительные сигналы (С-сигнал) задают момент приема входной информации и служат для синхронной работы ряда устройств, образующих функциональные узлы.

Асинхронные и синхронные триггеры
По способу ввода информации бывают асинхронные и синхронные триггеры.
Асинхронные триггеры имеют только информационный вход и срабатывают непосредственно за изменением сигналов на входе.
У синхронных триггеров смены информации на информационных входах недостаточно для срабатывания. Необходим дополнительный импульс, подаваемый на тактирующий вход.
Синхронные сигналы вырабатывают специальными генераторами тактирующих импульсов, которые задают частоту смены информации.
Основной недостаток – незащищенность перед опасными состязаниями сигналов, то есть возникновение временных сдвигов из-за различных задержек распространения сигнала, проходящего по различным цепям, низкая помехоустойчивость.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Срабатывание синхронных триггеров происходит при поступлении тактовых импульсов, длительность которых гораздо меньше их периода. В остальное время на входной сигнал триггер не реагирует, то есть, по сравнению с асинхронным, обладает более высокой помехоустойчивостью.

Способы управления, в зависимости от параметра синхронного входа сигнала, используемых для записи информации, триггеры бывают:
со статическим управлением записью (управление по уровню входного сигнала);
с динамическим управлением записью (по фронту или срезу);
двухступенчатое управление.
Способ управления со статическим управлением записью имеет недостаток – триггер в период действия синхронного импульса ведет себя подобно асинхронному. Срабатывает в момент, когда входной сигнал достигает порогового уровня, то есть продолжает действие тактового импульса. Смена сигнала на информационный вход вызывает новое срабатывание.
При динамическом управлении по фронту или по спаду тактового импульса триггер переключается только при переходе от 0 к 1, или от 1 к 0.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Возможность задержки момента опрокидывания триггера на время длительности тактового импульса позволяют по фронту производить считывание, а по срезу – запись информации.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Двухступенчатые триггеры содержат две ячейки памяти, запись информации в которые происходит последовательно в различные моменты времени. Эту структуру называют «ведущий-ведомый» или MS-структура (Master-Slave).
Первая ступень – промежуточная запись входной информации. Вторая ступень – последовательная запись и хранение.
Формирование нового состояния происходит за два такта.
Ввод информации в ведущую ступень происходит с приходом С1. Перезапись соответственно из ведущего в ведомый – с приходом С2, в это же время происходит обновление информации на Q или 13 EMBED Equation.3 1415.
Управлять можно и одним тактовым импульсом. Запись в ведущую по фронту 0-1, перезапись в ведомую – по фронту 1-0.
Динамические двухступенчатые триггеры называют флип-флоп. Статические – лэт.


Асинхронные RS-триггеры.
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
V
13 EMBED Equation.3 1415

0
0
1
13 EMBED Equation.3 1415

0
1
1
0

1
Х
1
1

Х
Х
0
Z









X – не имеет значения
Z – высокоимпедансное значение выхода (выход отключен от обеих шин источника питания и выходных клемм)
Отсутствие запрещенного состояния обусловлено тем, что не введены выводы 13 EMBED Equation.3 1415.





Синхронные RS-триггеры.

При С = 0 на выходах DD2 и DD1 логическая «1» и RS-триггер на DD3 и DD4 находится в состоянии хранения информации (и не реагирует на изменение R и S). При С = 1, информация на управляющих входах RS-триггера зависит от состояния входа R и S, проинвертированных DD2 и DD1. Входы SaЇ и RaЇ предназначены для асинхронной установки триггера в заданное состояние.

Двухступенчатые RS-триггеры.
При высоком уровне на входе С происходит запись в ведущий RS-триггер на DD1 – DD4. Ведомый триггер на DD6 – DD9 блокирован низким уровнем с выходом DD5. При низком уровне на входе С блокируется ведущий триггер (переходит в состояние хранения информации). Высокий уровень с выхода DD5 разрешает перезапись с выхода ведущего на вход ведомого.


JK-триггеры

JK-триггеры не имеют неопределенных состояний. При всех входных комбинациях, кроме J = K = 1, они действуют подобно RS-триггеру. Причем J играет роль S, а К=R.
При J=K=1 в каждом такте происходит опрокидывание триггера и выходные сигналы меняют свое значение.
JK-триггеры относятся к универсальным устройствам (регистры, счетчики, делители), но кроме того, путем определенных соединений выводов, легко преобразуются в триггеры других типов.
По схеме JK-триггеры отличаются от RS-триггеров наличием обратной связи с выхода на вход, поэтому состояние JK-триггера зависит не только от сигналов на входах J и K, но и от логической связи с ними сигнала с выходов Q и QЇ. Элементы временной задержки играют роль стабилизированного состояния триггера и на его функциональные свойства не влияют. Назначение – создание временного сдвига между моментом ввода входной информации JnQnЇ или KnQn и начала выхода Qn+1 и Qn+1Ї.
Без этих цепей во время действия комбинации Jn = Kn = 1 началась бы генерация для предотвращения которой задержка должна быть превыше длительности тактирующих импульсов.
Действие JK-триггера: Qn+1 = Jn QnЇVKnЇQn.


Триггер организован по принципу ведущий-ведомый и имеет по 3 входа J и K, связанных операцией &, синхронный вход С, а также асинхронные входы 13 EMBED Equation.3 1415 и 13 EMBED Equation.3 1415для установки триггера в состояние «0» и «1» независимо от сигналов информационных и тактовых входов.

1553ТВ6 – 1553ТВ9
У ТВ6 отсутствует вход 13 EMBED Equation.3 1415, у ТВ10 отсутствует вход 13 EMBED Equation.3 1415. У ТВ11 объединены входы С и 13 EMBED Equation.3 1415 для двух триггеров. У ТВ15 – вход 13 EMBED Equation.3 1415, что позволяет преобразовывать эти триггеры путем объединения J и 13 EMBED Equation.3 1415.









RS-триггер. ( в скобках R-триггер)

Е-триггер

D-триггеры


D–триггеры имеют только один информационный вход. Сигнал на выходе Q в такте n+1 повторяет входной сигнал Dn в предыдущем такте n и сохраняет это состояние до следующего тактирующего импульса, то есть осуществляется задержка на один такт информации, существующей на входе D (Delay).
Qn+1 = Dn







ТМ7

D–триггеры серии ТМ7 со статическим управлением внутренними, объединенными попарно, синхронизирующими входами используются в качестве четырехразрядного регистра хранения информации с попарным тактированием разряда, а также в качестве буферной памяти и элемента задержки.
У ТМ5 отсутствует инверсный выход.
ТМ8 – с динамическим управлением.

DV-триггеры


У DV-триггера разрешающий уровень появляется до сигнала. Если V = 1, то триггер функционирует как D-триггер, при V = 0 – переходит в режим хранения информации. Это расширяет функцию D-триггера, который не может хранить информацию более одного такта.

T- и TV-триггеры.
T-триггер – счетный триггер, который имеет один информационный вход и меняет свое состояние всякий раз, когда меняет свое значение входной сигнал. В зависимости от того, фронт или срез используется для управления, считается, что триггер имеет прямой или инверсный вход. Единственный вид триггера, состояние которого определяется состоянием в предыдущем такте, а не от входной информации. Выполняет операцию сложения по модулю 2. Легко получается из D- или JK-триггера.





TV-триггер Сихронный TV-триггер


Несимметричные триггеры (Триггеры Шмита).
13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 141513 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
13 EMBED Equation.3 1415

Триггер Шмитта на транзисторах. Нужен для ускорения сигнала.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415



13 EMBED Equation.3 1415

КМОП
ТТЛ

R1
(1013 EMBED Equation.3 141550)k
(20013 EMBED Equation.3 1415500)k

R2
(0,113 EMBED Equation.3 14151)k
(2,213 EMBED Equation.3 14153,3)k


Счетчики импульсов. Двоичные счетчики и счетчики с произвольным коэффициентом счета. Принцип действия, структурные и принципиальные схемы, временные диаграммы работы счетчиков, их основные параметры. Разновидности счетчиков, особенности использования счетчиков при создании цифровых систем управления.

Счетчиком называется устройство, сигналы на выходе которого в определенном коде отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. Счетчик, образованный цепочкой из m триггеров может подсчитать в двоичном коде 13 EMBED Equation.3 1415 импульсов. Каждый из триггеров называется разрядом счетчика. Число 13 EMBED Equation.3 1415 называется коэффициентом или модулем счета.
Информация может сниматься с прямых и инверсных выходов триггеров. Когда число входных импульсов 13 EMBED Equation.3 1415, то при n входа равном Kсч происходит переполнение, счетчик возвращается в нулевое состояние и повторяет цикл. Каждый разряд счетчика делит частоту входных импульсов пополам. Для периодических сигналов 13 EMBED Equation.3 1415.
Коэффициент счета называют коэффициентом деления, следовательно каждый счетчик может использоваться как делитель частоты.
Обозначения:
СТ 2 – двоичный
СТ10 – двоично-десятичный
СТ2/10 – переключающийся
Основные параметры: емкость и быстродействие. Емкость численно равна коэффициенту счета и характеризует число импульсов, доступных счету за 1 цикл. Быстродействие определяется двумя параметрами: разрешающей способностью и временем установления.
Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя сигналами, при которых еще не возникают сбои в работе tразр.сч.
Время установления кода tуст равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое состояние.
Счетчики классифицируются следующим образом:
по модулю счета:
двоичные
двоично-десятичные
с произвольным фиксированным модулем счета
с переменным модулем
по направлению счета:
суммирующие
вычитающие
реверсивные
по способу организации внутренних связей
с последовательным переносом (асинхронные)
с параллельным переносом (синхронные)
с комбинированным переносом
кольцевые
Классификационные признаки независимы и могут встречаться в разных комбинациях.
Число, записанное в счетчик, определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
где m – номер триггера,
Q – может принимать значение «1» и «0»,
13 EMBED Equation.3 1415 – вес младшего разряда.
Введением дополнительных логических связей (обратных и прямых) счетчики могут быть обращены в недвоичные, для которых 13 EMBED Equation.3 1415. Например, двоично-десятичные с Ксч=10 (двоичный по коду счета, десятичный по числу состояний). Организуется из 4-х разрядных двоичных путем исключения избыточных состояний за счет введения дополнительных связей. Когда счетчик используется в качестве делителя, направление счета роли не играет.
Счетчики с последовательным переносом представляют собой цепочку триггеров, в которых импульсы, подлежащие счету, поступают на вход 1-го триггера, а сигнал переноса передается последовательно от одного разряда к другому.
Достоинства: простота схемы и увеличение разрядности.
Недостатки: низкое быстродействие из-за последовательного принципа работы.
Счетчики с параллельным переносом.
У них счетные импульсы подаются одновременно на все тактовые входы, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующему только источником информационных сигналов. Срабатывание триггеров параллельного счетчика происходит синхронно, а задержка переключения всего счетчика равна задержке одно триггера.
В счетчике с параллельно-последовательным переносом триггеры соединены в группы так, что отдельные группы образуют счетчики с параллельным переносом внутри группы, а группы соединяются в счетчик с последовательным переносом. Общий коэффициент счета равен произведению коэффициентов счета всех групп.


Счетчики ТТЛ с последовательным переносом
Состоят из 4-х одинаковых JK-триггеров, которые могут использоваться как по прямому назначению, так и в качестве ТК-триггеров. Переброс осуществляется по срезу. Три триггера соединяются в последовательную цепочку, 4-й самостоятельно.
ИЕ5

ИЕ4 (ИЕ5)

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

ИЕ4

ИЕ2

Счетчик ТТЛ с параллельным переносом
Двоично-десятичный суммирующий счетчик.
Имеет 4 входа предварительной установки счетчика при V1=0 независимо от предыдущего состояния и сигналов на входах С, V2, V3. При 13 EMBED Equation.3 1415 происходит нормальный счет, причем переброс осуществляется по переднему фронту. Счет либо от нуля, либо от информации, записанной на входы D.
При «1» на входе V3 на выходе Р формируется импульс логической «1» (перенос) с девятым входным импульсом.
V3 – разрешает перенос.
V2=0 – прерывает счет, однако информация на выходах при этом сохраняется.
V1 – предварительная запись.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Быстродействующий синхронный многокаскадный счетчик

Синхронный многокаскадный

ИЕ6, ИЕ7
4-х разрядные быстродействующие реверсивные счетчики-делители с параллельным переносом между разрядами. По входам предварительной информации D ввод производится при низком уровне на С. Входы +1 и -1 счетные. Последовательность входных импульсов подается на один из этих входов в зависимости от того, в каком направлении (прямом / обратном) требуется вести счет. На выходе
·15 (
·9) появляется импульс при выходной комбинации «1111» («1001»). На выходе
·0 – при «0000». Меньше нуля – для режима вычитания.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Наращивание счетчиков
Последовательный.



13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Последовательный быстродействующий

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

ИЕ8
6-разрядный двоичный делитель числа входных импульсов с перестраиваемым коэффициентом деления или программируемый преобразователь кодов в число импульсов.
ИЕ14 (ИЕ15)
Функциональные микросхемы аналогичны ИЕ2 и ИЕ5. Имеют входы предварительной установки D высоким уровнем на Е.


Регистры. Параллельные, последовательные и параллельно-последовательные регистры. Структурные схемы, особенности работы и основные параметры регистров различных типов. Применение регистров в цифровых системах управления.
Регистры – функциональные узлы, предназначенные для приема, хранения, передачи и преобразования информации.
Используются в качестве управляющих и запоминающих устройств генераторов и преобразователей кодов, счетчиков и делителей частоты, узлов временной задержки. Строятся на синхронных триггерах с динамическим или статическим управлением. Занесение информации в регистр называется операцией ввода или записью. Выдача информации к внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывание. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления.
Регистры делятся на:
сдвигающие
накопительные (памяти, хранения)
универсальные.
Регистры памяти предназначены для хранения двоичной информации небольшого объема в течение короткого промежутка времени. Представляют собой набор синхронных триггеров, каждый из которых хранит один разряд двоичного числа. Ввод и вывод информации производится одновременно во всех разрядах параллельного кода. Ввод обеспечивается тактовым командным импульсом. Считывание может производиться в прямом и обратном коде (с инверсных выходов).
Регистры сдвига. Сущность сдвига – с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования «0» и «1». При сдвиге вправо бит из более старшего разряда сдвигается в младший. При сдвиге влево – наоборот.
Сдвигающие регистры классифицируются:
по способу ввода и вывода информации на:
параллельные
последовательные
комбинированные
по направлению сдвига на:
однонаправленные
реверсивные
Обозначаются: RG , и (влево, вправо и реверсивные)
Универсальные в зависимости от управляющих сигналов могут выполнять как операцию хранения, так и сдвиг.

4-х разрядный сдвигающий регистр с последовательным вводом.
Допустим, что в регистр последовательно вводится начиная с младшего разряда двоичный код 1101, который поступает с внешнего устройства синхронно с тактовыми импульсами. С первым тактовым импульсом в триггер DD1 записывается «1» младшего разряда. Со следующим тактовым импульсом эта «1» будет сдвинута в триггер DD2 и окажется на его выходе. Одновременно в 1-ый триггер запишется «0». После 4-х тактовых импульсов параллельный код на выходах Q1Q4 будет соответствовать последовательному входному. После пятого тактового импульса сигнал, бывший на выходе Q4 выводится из регистра и пропадает. После 8 тактов регистр полностью очищен.
Дополнительная логика позволяет вводить информацию параллельно и снимать последовательно.
Сдвигающийся регистр может быть использован в качестве кольцевого счетчика или счетчика Джонса, который применяется для последовательного вывода информации без ее стирания.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Для этого информация с выхода регистра по цепи ОС снова вводится на вход. Пока на V единица, информация вводится в регистр по входу D и обратная связь не действует. За n тактов запоминается n разрядный код. Затем на V устанавливается «0» тактовыми импульсами по входу С. Информация с выхода Qn снова вводится в регистр одновременным последовательным (возможно и параллельным) считыванием и через n тактов находится в исходном состоянии.


ИР-1
Четырехразрядный регистр сдвига с последовательным или параллельным вводом информации и параллельным выводом (может быть и последовательным). Он может выполнять:
ввод информации параллельным кодом
ввод информации последовательным кодом со сдвигом влево
ввод информации последовательным кодом со сдвигом вправо
хранение.
Регистр имеет:
2 тактовых входа С1 и С2.
управляющий вход выбора режима V2
5 информационных входов (V1 для ввода в последовательном коде, D1-D4 для записи в параллельном коде)
4 выхода Q1-Q4.
Ввод информации параллельным кодом осуществляется при V2=1 и C2=0. Сдвиг информации в триггерах происходит по перепаду 1-0 на С2. Входы V1 и C1 при этом блокированы. В этом же режиме по входам V2, С2 производится преобразование последовательного кода в параллельный со сдвигом влево. В этом случае поток информации происходит в обратном направлении. Для этого соединяют Q4 – D3, Q3 – D2, Q2 – D1. Информация подается на D4. Сдвиг влево по перепаду 1-0 на С2.
V2
V1
С1
С2


1
X
X
1(0
запись параллельного кода, сдвиг влево

0
вход
1(0
X
запись последовательного кода, сдвиг вправо



Во избежание сбоев при смене состояний V2 должна происходить при C1=C2=0.
Ввод информации последовательным кодом: входная информация подается на V1, а тактовые импульсы на С1. Сдвиг вправо происходит при каждом перепаде 1(0 тактовых импульсов.

ИР-13
Универсальный 8-ми разрядный регистр сдвига.
R
С
S1
S0
DR
DL
Режим работы

1
0(1
1
1
*
*
параллельный ввод

1
1
0
0
*
*
хранение

1
1
1
0
*
0
сдвиг влево Q8=0
Q8=1

1
1
1
0
*
1


1
1
0
1
0
*
сдвиг вправо Q1=0
Q1=1

1
1
0
1
1
*


0
*
*
*
*
*
установка нуля



ИР-15
4-х разрядный регистр хранения.
При Е1=Е2=0 – параллельный ввод, иначе хранение.
EZ – выводы.
При EZ1= EZ2=0 – вывод информации, иначе выходы отключены от шин питания и от схемы управления.








ИР-17
12-разрядный регистр последовательного приближения
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

ИР-26
Регистровый файл на четыре 4-х разрядных слова.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


Другие регистры:
ИР-11 – 4-х разрядный сдвиговый регистр.
ИР-12 – 4-х разрядный параллельный сдвиговый регистр.
ИР-16 – универсальный 4-х разрядный сдвиговый регистр.
ИР-18 – 6-х разрядный параллельный регистр с D-триггерами.
ИР-19 – 4-х разрядный параллельный регистр с O-триггерами.
ИР-20 – 4-х разрядный двухкодовый регистр.
ИР-21 – 4-х разрядное сдвигающее устройство.




Двоичные сумматоры. Одноразрядные двоичные сумматоры. Параллельные многоразрядные сумматоры. Структурные схемы, особенности работы. Основные параметры.

Сумматоры –– функциональные узлы, выполняющие сложение чисел. Подразделяются на:
комбинационные (нет памяти)
накопительные
Каждый из этих групп может быть последовательного и параллельного типа.
Сложение чисел в последовательных сумматорах осуществляется поразрядно последовательно во времени. В сумматорах параллельного типа сложение всех разрядов многоразрядных чисел происходит одновременно.
Как последовательные, так и параллельные сумматоры строятся на основе одноразрядных суммирующих схем. Сумматоры, выполненные в виде самостоятельных микросхем, являются комбинационными.
Полусумматор имеет 2 входа и 2 выхода. Используется для суммирования младших разрядов, т.к. не имеет выхода для переноса.




13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Состоит из двух полусумматоров: 1-й служит для сложения двух чисел, принадлежащих одному разряду, 2-й складывает промежуточную сумму с переносом. Входы можно менять местами.






Последовательный сумматор.
При последовательном вводе используется один полусумматор с дополнительной цепью задержки. Оба слагаемых в последовательном коде подаются на снимаются тоже в последовательном. Цепь задержки обеспечивает хранение импульса переноса на время одного такта, т.е. до прихода пары следующего разряда, с которым он будет просуммирован. Задержку обеспечивает D-триггер. Для хранения и ввода слагаемых А и В, а также для преобразования параллельного кода в последовательный и наоборот применяют регистр сдвига.
Достоинства: малые аппаратные затраты.
Недостатки: низкое быстродействие.

Разработаны схемы более быстродействующих сумматоров, например:
n-разрядный параллельный сумматор с последовательным переносом. Быстродействие его ограничено задержкой переноса, т.к. формирование сигнала переноса на выходе старшего разряда не может произойти до тех пор, пока сигнал переноса младшего разряда не распространится последовательно по всей системе.
n-разрядный параллельный сумматор с параллельным переносом с использованием специальных узлов блоков сквозного переноса.

Сумматоры ТТЛ.
Предназначен для построения многоразрядных схем сложения и вычитания с параллельной обработкой входной информации и последовательной передачей сигналов переноса. Для каждого слагаемого А и В имеется по 4 входа.
Элементы входной логики объединены цепью монтажное &, поэтому сигналы на входы А3 и В3 должны поступать с устройств с открытыми коллекторами.
Благодаря усложненной входной логике, сумматор обладает большими функциональными возможностями. Многоразрядные сумматоры и вычитатели на его основе организуются без дополнительных элементов и могут работать в положительной и отрицательной логике. Удобен для схем с последовательным суммированием. Прямые и инверсные входы принадлежащие каждому из слагаемых одновременно не используются. Когда в работе А1, А2, В1, В2 на А3, А4, В3, В4 подаем высокий уровень. При использовании в качестве рабочих А3, А4, В3, В4 на остальные подаем «0».

Входы
Выходы

Ро
А
В
13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415
S

0
0
0
1
1
0

0
0
1
1
0
1

0
1
0
1
0
1

0
1
1
0
1
0

1
0
0
1
0
1

1
0
1
0
1
0

1
1
0
0
1
0

1
1
1
0
0
1

ИМ2 – двухразрядный полный сумматор. ИМ3 – четырехразрядный полный сумматор.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Действие основано на параллельном суммировании данных в разных разрядах при последовательном переносе из разряда в разряд. Вход переноса оставлять открытым нельзя.

Чтобы сделать из сумматора вычитатель нужно инвертировать одно из слагаемых.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Сумматор-вычитатель (сложение 13 EMBED Equation.3 1415, вычитание 13 EMBED Equation.3 1415)
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415











Умножитель
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415


Для умножения, в т.ч. чисел большей разрядности могут использоваться специальные микросхемы умножители.
Деление аппаратными средствами сложнее других арифметических действий. Часто применяют методы основанные на последовательном вычитании делимого из делителя с помощью вычитателя.

ИМ5 – 2 одноразрядных двоичных полусумматора.
ИМ6 – 4х-разрядный полусумматор с ускоренным переносом.
ИМ7 – 4 одноразрядных последовательных тактируемых сумматора-вычитателя.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415










13 PAGE 141615


U

f, кГц


·-
·
·
·+
·

4,5 4,5

U

f


·


·-
·


·+
·


·-2
·


·+2
·

Однотактн.

Резонансн.

Прямоуг.

ПН

Двухтактн.

Двухтактн.

Однотактн.

ОПНО

ОПНП

ССТ

ДПМ

ДМ

ПНН

ПНТ

ПНН

ПНТ

ОЭ

ОК

ОБ

Комбинир.

или

ДПН или ОПНП

ДПН

ОПНО

ОПНП

1 10 100 1000 10000 Р,Вт

10

100

Еп, В 1000

- - - + - + +
- n - + - p
- - - + - + +



+Uп



Вентильный режим

В вентильном режиме работает как батарея. Создает напряжение 0,6–0,7 В
Достоинства: не требует источника питания



+



Фотодиодный режим

Всегда включается в обратном направлении.
При освещении p-n перехода генерируется пара электрон-дырка, кот увеличивают обратный ток.

+



Излучающий диод можно использовать как фотодиод в некотором диапазоне с достаточно высокой чувствительностью.
Имеет малое Uобр.max 1 - 4В

+

I

U

Ф1

Ф2>Ф1

Удельная чувствительность
13 EMBED Equation.3 1415
где Ф – поток света

S


·, нм

0.4 0.7 1.2 1.5

Si

Ge

Резисторные

Диодные

Транзисторные

Фототиристорные

а

b

c

d

e

f

j

h

8 катодов

12 индикаторов

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

~

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Кп

f

ФВЧ

ПФ

ФНЧ

ПФ

НЧ

ВЧ

Uвх

-
-
+


·


·


·

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

f3дБ

fсреза f3дБ

Чебышева

f

Ku

0.7

Ku

0.7

f

Бесселя

Баттерворта

Бесселя

Баттерворта

Чебышева

1


0,7

Кu

сигналы разной частоты проходят через фильтр за разное время

возникает запаздывание

t


·

Ку

f

f

f

усилитель

2 ступень

1 ступень


·f – полоса пропускания

·f ’– полоса заграждения (режекции)

13 EMBED Equation.3 1415

f1 f2




·f = f1ч f2

Ku

f



Заградительный (режекторный) фильтр


·f = f1ч f2

·f = f1’ч f2’

f1 f1’ f2’ f2

Ku

f

13 EMBED Equation.3 1415

fb

ФВЧ
фильтр высоких частот


·f = fн ч
·

fср

Ku

f

13 EMBED Equation.3 1415

f'2

f'1

f2

ПФ
полосовой фильтр


·f = f1ч f2

f1

Ku

f

13 EMBED Equation.3 1415

Источники электропитания

Линейные
(рассеивающие)

Ключевые (нерассеивающие)

Параллельные

Последовательные

Параметрические

Компенсационные

Прямоугольной формы (с ШИМ)

Синусоидальной формы (резонансные)

Понижающие

Повышающие

Понижающе-
повышающие
(инвертирующ.)

ПНН

ПНТ



КС515

200



20mA

30mA
15В

25В

15В

3mA

50mA

ВАХ стабилитрона





+Uвх



D
регистр сдвига Qn
C

1

&

&



Qn

D

V

C

С1
С2
V1
V2

D1
D2
D3
D4

Q1

Q2

Q3

Q4

RG


RG


E1
E2
D1


D4
C

EZ1
EZ2

K

Q1

Q4





Q8

Q1

RG


С

DR
DL
S1
S0


D1



D8

R

D

S

E

C

CC
D0




D11

RC

D1


D4

SEWA

SEWB

EWR

SEP

С1

Q1

Q2

Q3

Q4


D1
D2
D3
D4
V1

C
V2
V3

R

1
2
3
4

P

CT10

CT2

P

1
2
3
4


D1
D2
D3
D4
V1

C
V2
V3

R

ИЕ9

ИЕ10

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

Q1
Q2
Q4
Q8


·15


·0

Q1
Q2
Q4
Q8


·9


·0

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

CT2

CT10

ИЕ7

ИЕ6

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

Q1
Q2
Q4
Q8


·


·0

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

Q1
Q2
Q4
Q8


·


·0

CT2

CT10

Q1
Q2
Q4
Q8


·


·0

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

D1
D2
D4D8
C

+1
-1
R

Q1
Q2
Q4
Q8


·


·0

CT

CT

1

1

CT10

Q1
Q2
Q4
Q8


D1
D2
D4D8

Е
R

C1
C2

Е
R

C1
C2

CT2

Q1
Q2
Q4
Q8


D1
D2
D4D8

ИЕ14

ИЕ15

T

R

S

1)

1

1

R

S

Q

13 EMBED Equation.3 1415

2)

13 EMBED Equation.3 1415

Q

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

T

13 EMBED Equation.3 1415

&

&

13 EMBED Equation.3 1415

УУ

J

K

V

(T)C

Ra

Sa

Q

13 EMBED Equation.3 1415

R`

S`

S

R

Q

Q

R

S

C

Асинхронный

Синхронный

С

С

С

Управляющие входы по переднему фронту

С

С

С

Управляющие входы по заднему фронту

S

R

S

R

C

C

C1

C2

Q

13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

Q

C1

C2

D

C

Q

S

X1

X2

X

X

X

00

01

11

10

0

1

1

0

U, B

GaAs

Si

Ge

1

1


1

0

+

+

u

U

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

1

0

I



U2

W1

W2

R'

R

U1

~

0.1Umax

0.5Umax

0.9Umax

Umax

Umax выбр

t спада

t пауз

t имп

t фр

f

UR

UC

UL

I

Rc

V

X

L

C

0.0625 Вт

0.125 Вт

0.25 Вт

0.5 Вт

1 Вт

2 Вт

5 Вт

10 Вт

50 Вт

100 Вт



допуск

множитель

величина сопротивления в Омах

U

C

Cmin

Cmax

Uобр. max

3B

Uвх

Uвых

2,4

0,4

0,8

1,6

Для КМОП:
ТЛ1

Для ТТЛ :
ТЛ1 ТЛ2 ТЛ3

&

13 EMBED CorelPhotoPaint.Image.12 1415

диод Шотке

&

&

+Uп

1

1

&

&

K
Э

Y

X1

X21

X31

X41

1

X1

X2

X3

Y1

Y2

+Uп

-Uп

y(x)

x(y)

V

V

n

p

m

Rпр

2

1.5

1

0.5

0

-6 -4 -2 0 2 4 6

13 EMBED CorelDraw.Graphic.9 1415

13 EMBED CorelDraw.Graphic.9 1415

n-канал

р-канал

Uзи



&

&

HS



А

В

S

P

=1

&

А

В

S=A
·B

P=AB

SM



Ai

Bi

Pi

S

P

=1

=1

&

&

1

Ai

Bi

Pi-1

Ai
·Bi


Ai
·Bi


Si

Pi-1
·(Ai
·Bi)


Pi=Ai
·BiVPi-1
·(Ai
·Bi)


Bi

Ai



SM

Pi-1

S

P

A1
A2
A3
A4
B1
B2
B3
B4

Po

SM


S


S


P1

SM

Po
A1
B1
A2
B2


S1
S2
P2

S1

S2

S3

S4

P4


Po
A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4

SM

1

2

ИМ2

ИМ3

1

=1

А1

1

S1

S2

S3

S4

P4


Po
A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4

SM

1

1

1

=1

=1

=1

S1

S2

S3

S4

P4


Po
A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4

SM

Элемент суммирование по модулю два может работать как повторитель и как инвертор

=1

0

(0, 1)

(0, 1)

(1, 0)

(0, 1)

1

=1

повторитель

инвертор

А4

А3

А2

А1

&

&

&

&

В2

А4

А3

А2

&

&

&

&

S1

S2

S3

S4

P4


A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4
Po

SM

В1

В3

А4

А3

А2

А1

&

&

&

&

S1

S2

S3

S4

P4


A1
B1
A2
B2
A3
B3
A4
B4
Po

SM

М1

М2

М3

М4

М5

М6

М7

A
B
Pn

SM

S

Pn+1

S

Pn+1

SM

A
B
Pn

SM

A4
B4

A3
B3

A2
B2

A1
B1

Po


P4

S4

S3

S2

S1



A1
B1
C
R
M11



S1



S2

A2
B2
C
R
M2





S3

A3
B3
C
R
M3




S4

A4
B4
C
R
M4



P4

ИМ5

ИМ6

ИМ7

М – управляющие входы
(1 – суммирование
0 – вычитание)

L

С

Ег



~

Z

f

f0

IR

U

IL

Ic

Rc

L

С

Ег



~

Z

f

f0

u

T

u

T

u

T

Uвых

Uвх

Uвх

Uвых

Uвх

Uвых

R2

Rэ1

Rэ2

R4

R3

Rк2

Rк1



R1

б)

а)

13 EMBED MSPhotoEd.3 1415

Uвш1>Uвш2>Uвш3





Ф



ВАХ фоторезистора

Ф1<Ф2<Ф3

+



динистор

аналог динистора

незапираемый тиристор с управлением по катоду

запираемый тиристор с управлением по катоду

U

I

Ф0

Ф1

Ф2

Ф3

Входная

Проходная

Выходная

Uбэ

Uбэ

Uкэ







Uк=0

Uк>0

Iк=0

Iк>0


·


·

U

~

~

вх

вых

U

~



r

I

~

вх

б

вых

I

1

1

h

~

1

2

вых



I

U

h

~

2

1

вх

вх

I

h

э

r

)

1

(


·


·

к

r

~

вх

вх

U

~



U

I2

U

~

вх

I1

I

U1

U2



VD2



VD1

+

электролитический

неэлектролитический

Достоинства:
Высокая чувствительность, имеет резистивный характер сопротивления, самая простая.
Недостатки:
Большая инерционность, лампочки ненадежны

Чувствительность выше, чем у диодных, но хуже температурная стабильность. Работает медленнее диодных.

Переменный резистор позволяет уменьшать чувствительность

Используется в управляемых выпрямительных устройствах. По сравнению с импульсными трансформаторами дешевле, технологичнее, менее подвержены помехам.


·R/R, %


·l/l
·103

0

4

8

-8

-4

0

20

40

60

-20

-40

-60

p-тип

n-тип

L

С



+

-

C

VD2

VD1

R2

R1

Транзистор боится перегрузок







+

+





Б

К

Э


P


N


N

11)

63дБ





77дБ

10)





70дБ

9)





55дБ

8)





20 вит/м

80дБ

7)





28дБ

6)





13дБ

5)

20 вит/м





3)





13дБ
Витая пара

4)





27дБ

Ослабление
шумов

0дБ

2)





0дБ

1)

Ослабление
шумов

экран





1/f

f



+

-



C

C2

C1

+U





Rэ2

Rэ1

R2

R1



f верх

f нижн

Kп

Uвых

Uвх

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Сос

Rос

Ег



Rос

Евых

Rвх

Rвых



~

~

R



Rос

Iвых

Rвх

Rвых



~

~

Ег



Rос

Евых

Rвх

Rвых



~

~

(U

Uстаб

(I

I

-U

ВАХ стабилитрона
ВАХ стабилитрона

Iстаб

незапираемый тиристор с управлением по аноду

запираемый тиристор с управлением по аноду



Uкомп вх

~

~



Rвых

Rвх

Евых

R1

R2



Ег

13 EMBED CorelDRAW.Graphic.11 1415

1


·Kп

Рис.8.11



а)

б)

t

Триггер Шмитта на ОУ и его выходная характеристика

Неинвертирующий сумматор

Инвертирующий сумматор

Триггер Шмитта на транзисторах

Um

T

Tp

Tобр

Импульсы линейно изменяющегося напряжения

U

0

К

С

ic

Функциональная схема ГЛИН

вход

С1



Т



+Ек

выход

+

_

С

а)

uвх

0

t

t

um

uвых

Ек

Тр

0

б)

Принципиальная схема и временные диаграммы простейшего ГЛИН

t



Uоп

+


·

С

R


·

+

Е

uвых


·



0

Uоткр



Uпик

Uвых мах

Uвых

Схема и временная диаграмма ГЛИН на операционном усилителе

1

f



fср

ФНЧ
фильтр нижних частот


·f = 0 ч fв

полоса заграждения

переходн. участок

13 EMBED Equation.DSMT4 1415

Ku



13 EMBED Equation.3 1415



Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativedEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeIEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native LM_1-3Equation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native

Приложенные файлы

  • doc 8750628
    Размер файла: 9 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий