9. 6. Операционный усилитель в режиме компаратора
Компаратор сравнивает два напряжения и выдает на выходе одно из двух состояний в зависимости от того, какое из входных напряжений больше, рис. 9.9.
VS + — положительное напряжение питания;
VS − — отрицательное напряжение питания
Рис. 9.9. Компаратор.
9.7. Логарифмический усилитель
Логарифмический усилитель даёт на выходе напряжение, пропорциональное логарифму входного напряжения рис. 9.10.
Рис. 9.10. Логарифмический усилитель
Отношение между входным vin и выходным vout напряжениями представлено следующей формулой:
где IS - ток насыщения.
Предположив, что операционный усилитель идеальный и инвертирующий вход виртуально заземлен, ток, протекающий через резистор от источника (и далее через диод на выход), через входы операционного усилителя не протекает, его значение описывается следующей формулой:
где ID - ток, протекающий через диод. Как известно, отношение между током и напряжением для диода:
Когда напряжение больше нуля, эта формула может быть преобразована в:
Рассмотрение этих двух формул вместе и предположение, что выходное напряжение Vout является обратным по отношению к напряжению на диоде, является доказательством формулы.
Учтите, что расчеты не учитывают температурную стабильность и другие эффекты, присущие реальным устройствам.
Экспоненциальный усилитель
Экспоненциальная зависимость выходного сигнала от входного, рис. 9.11, обеспечивается включением диода во входную цепь.
Рис. 9.11. Экспоненциальный усилитель
Отношение между входным vin и выходным напряжениями vout представлено следующей формулой:
где IS - ток насыщения.
В предположении, что операционный усилитель идеальный и инвертирующий вход виртуально заземлен, ток через диод описывается выражением:
Когда напряжение больше нуля, эта формула может быть преобразована в:
Выходное напряжение в этом случае будет:
Приложение 1
Вольтметры переменного тока
Напряжение переменного тока характеризуется следующими параметрами: средним значением, амплитудой, средним выпрямленным значением и средним квадратичным или эффективным значением. Соотношения между этими величинами выражаются
через коэффициент амплитуды Кампл и коэффициент формы Кформ. Эти коэффициенты определяются следующим образом:
,
.
Среднее значение переменного тока с периодом Т
,
следовательно среднее выпрямленное
.
Эффективное значение
.
Для синусоидального сигнала последние два выражения могут быть привычным образом выражены через число π.
В приведённых выражениях амплитуда А является постоянной величиной и может быть вынесена за знак интеграла
,
.
Получим численные значения Uср.выпр и Uэфф.
.
Таким образом,
Следовательно коэффициент амплитуды
,
а коэффициент формы
.
Эффективное значение синусоидального сигнала составляет 0,707107А.
Эти расчёты позволяют сделать следующие выводы:
Знание коэффициента формы позволяет относительно простой вольтметр средних значений (линейный) проградуировать в эффективных значениях синусоидального сигнала.
Такой вольтметр для сигналов, отличных от синусоидального, будет давать неверные результаты, так как другие сигналы, имеют другой коэффициент формы.
Так как эффективное (среднее квадратичное) значение непосредственно получается в приборах с квадратичной характеристикой, то такие приборы пригодны для исследования сигналов любой формы.
Приложение 2
Схемы усилителей на биполярных транзисторах
Схема с ОК и делителем в цепи базы
Схема с ОК и стабилизацией рабочей точки с помощью базового тока
Рис. . Схема усилителя с ОК стабилизацией РТ с помощью базового тока. (Показаны потенциалы в основных точках схемы: потенциал базы приблизительно 0,7 В, потенциал коллектора приблизительно 5 В). Транзистор 1N2222.
Постоянный ток через резистор R2 равен 26,6 мкВ, а ток цепи коллектора (через резистор R1) – 5,2 мА.
Рис. . напряжения на коллекторе и на левой обкладке конденсатора. Напряжение на коллекторе в вольтах (0,513 В). Амплитуда входного сигнала в милливольтах (10 мV). Коэффициент усиления каскада 51,3.
Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики представлены на рис. .
Рис. . Амплитудно – частотная (в db) и фазо-частотная (в градусах) характеристики.
Стабилизация рабочей точки с помощью отрицательной обратной связи по току.
Улучшение стабильности рабочей точки транзистора достигается при использовании отрицательной обратной связи на низких частотах [7]. Обратная связь создаётся путём введения в цепь эмиттера резистора и конденсатора.
Приложение 3
Английские и русские термины, сокращения
BETA (β) – бета, коэффициент усиления по току (транзистора) в схеме с общим эмиттером
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)– логические схемы на дополняющих (комплементарных) полевых транзисторах (КМОП)
ECL (Emitter-Coupled Logic) эмиттерно-связанная логика, ЭСЛ технология, используемая в микросхемах с высокой скоростью переключения элементов (0,5 - 2 нс)
TTL (transistor-transistor logic) – транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
СТОРОННИЕ СИЛЫ – сторонние силы в электродинамике, силы неэлектрического происхождения, действующие на заряды со стороны источников тока и вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного или переменного тока. Сторонние силы действуют лишь внутри источников тока и могут быть обусловлены действием света, химическими процессами (аккумуляторы, гальванические элементы) и т.п.
Литература
1. БСЭ, третье издание, т. 30, 1978.
2. БСЭ, третье издание, т. 25, 1976.
3. БСЭ, третье издание, т. 28, 1978.
4. БСЭ, третье издание, т. 19, 1975.
5. Кроуфорд Р. Схемные применения МОП-транзисторов. Мир, М.: 1970. – 188 с.
6. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 320 с.
7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – 512 с.
8. Пиз А. Роберт. Практическая электроника аналоговых устройств. Поиск неисправностей и отработка проектируемых схем: Пер. С англ. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 320 с.
9. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов / Под ред. О.П. Глудкина,– М.: Горячая линия – Телеком, 1999. – 768 с.
10. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника. Учебное пособие. 2-е изд., – М.: Гелиос АРВ, 2004. – 336 с
11. Балахничев И.Н. и др. Экспериментальная электроника. Вып. 1 / Мн.: ОМО "Наш город", 1999. – 128 с.
12. БСЭ, третье издание, т. 12, 1973.
13. БСЭ, третье издание, т.18, 1974.
14. Плеухова Л.Ф., Ситников Ю.К. Программное обеспечение ЭВМ: Электронные таблицы. Казань, 2004. – 82 с.
15. Веденеев Г.М., Вершин В.Е. Кремниевые стабилитроны, М. — Л., Госэнергоиздат, 1961.– 96 с.
16. Скарлетт Дж. Транзисторно-транзисторные интегральные схемы и их применение. Пер. с англ. М.: Мир, 1974. – 288 c.
17. Садов В.С. Цифровая электроника: Конспект лекций. Мн.: БГУ, 2002. – 50с. (0-736450). (Принцип построения ключевых схем).
18. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник. Под ред Горюнова Н.Н. – М.: Энергоиздат, 1982. –744 с.
19. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: "Энергия", 1977. — 672 с.
20. Шульц Е.Г., Андерсон Л.Т. Руководство к лабораторным работам по радиотехнике. Л.-М.: ГЭИ, 1948. – 339 с.
21. Янсен Й. Курс цифровой электроники: в 4-х т. Т. 1. Основы цифровой электроники на ИС. Пер. с голланд. – М.: Мир, 1987. — 334 с.
22. Фрике К. Вводный курс цифровой электроники. М.: Техносфера, 2003. – 432 с.
23. Асеев Б.П. Фазовые соотношения в радиотехнике. 2-е изд. М.: Связьиздат, 1954. – 279 с.
24. Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. /Авторы: В.И. Бойко, А.Н Гуржий, В.Я. Жуйков, А.А. Зори, В.М. Спивак/ – СПб.: БХВ-Петербург, 2004. – 496 с.
25. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред. А.В. Голомедова. — М.: Радио и сязь, 1988. — 528 с.
26. Бэйкер, Бонни. Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике. М.: Додэка-ХХ1, 2010. – 360 с
27. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники, М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2008. — 448 с.
Содержание
Введение……………………… … … … … … ……………………….3
Схемы ………………………………………………...........................3
Основные понятия …………………………………………………..4
Элементная база электронных устройств ………………………….6
3.1. Резисторы … … … … … … … … … … … … … … … … … … 7
3.2. Конденсаторы … … … … … … … … … … … … … … … … …8
3.3. Катушки индуктивности … … … … … … … … … … … … … ..9
3.4. Диоды … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 10
3.4.1. Полупроводниковые диоды … … … … … … … … ……… 10
3.4.2. Типы полупроводниковых диодов …………………………… 15
3.4.2.1. Выпрямительные диоды ………………………………….. 17
3.4.2.2. Импульсные диоды ………………………………………….. 17
3.4.2.3. Сверхвысокочастотные диоды ……………………………….18
3.4.2.4. Стабилитроны и стабисторы ………………………………… 18
3.4.2.5. Варикапы ……………………………………………………… 19
3.4.2.6.Туннельные диоды ……………………………………………. 19
3.4.2.7. Излучающие диоды ………………………………………… 20
3.4.2.8. Фотодиоды ……………………………………………………. 21
Вопросы для самопроверки ………………………………………….. 21
4. Транзисторы ………………………………………………………….23
4.1. Биполярные транзисторы ………………………………………..23
4.1.1. Режимы работы биполярных транзисторов …………………… 26
4.1.2. Схемы включения биполярных транзисторов……………………27
4.1.3. Основные параметры и характеристики ………………………… 28
2. Полевые транзисторы …………………………………………...32
4.2.1. Типы и работа полевых транзисторов ………………………… 32
4.2.2. Основные параметры полевых транзисторов ………………… 36
Вопросы для самопроверки ………………………………………… 37
6. Источники напряжения и тока ………………………………………38
7. Детализация принципиальных схем …… …………………………37
8. Ветвь, узел, контур ………………………………………………….38
9. Делители напряжения ..……………………………………………..42
10. Источники питания ………………………………………………..47
11. Усилительные устройства с транзисторами ……………………..61
12. Обратные связи в активных четырёхполюсниках ……………… 78
13. Генераторы колебаний ………………………………………….. 84
Логические и цифровые устройства ………………………………. 91
Интегральная микросхемотехника ………………………………… 95
Интегральные операционные усилители ………………………… 112
Электроника
Схемой
Функциональная схема
Принципиальная схема
Структурная схема
Схема соединений
схеме подключения
схемотехника
Элементная база
Характеристика
параметром
Резисторы
Конденсаторы
Катушки индуктивности
Полупроводниковые диоды
Типы диодов
Выпрямительные диоды
Импульсные диоды
Сверхвысокочастотные диоды
Стабилитроны и стабисторы.
Варикапы
Туннельные диоды
Излучающие диоды
Фотодиоды
Биполярные транзисторы
Режимы работы биполярных транзисторов
Схемы включения биполярных транзисторов
Источники напряжения и тока
генераторе и нагрузке
второго провода
узлами
ветвями
контуром
цепной
общим
Кирхгофа
Вольтметр
осциллограф
Делители напряжения
Компенсированный делитель напряжения переменного тока
Источники питания 30
Вторичные источники электропитания
электрические вентили
выпрямителями
Источники стабилизированного питания
Параметрические стабилизаторы
стабилитронами
Логические и цифровые устройства
Интегральные логические микросхемы
Транзисторно-транзисторная логика
Базовый элемент ТТЛ 47
Схема Дарлингтона и нелинейное сопротивление в цепи базы выходного транзистора
Схема с открытым коллектором
Схема с тремя состояниями
Вольтметры 50
Литература 52
Перечень 53
1 Электродвижущая сила (ЭДС), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. (Приложение 3).
2 Например, в программе анализа электронных схем MicroCAP.
3 Номинальный – именованный. Здесь указанный (написанный) на компоненте.
4 Диод от ди…и (электр)од.
5 Дырки – название положительных зарядов в полупроводнике.
6 Контактная разность электрических потенциалов возникает между контактирующими телами в условиях термодинамического равновесия.
7 Зарядная, иначе барьерная ёмкость.
8 Переход и диод названы в честь немецкого учёного, разработавшего в 1938-1939 годах основы теории таких диодов.
9 Здесь приведена неполная классификация. Следует смотреть соответствующие справочники, например [25].
10 Тензодатчик, измерительный преобразователь деформации твёрдого тела, вызываемой механическими напряжениями, в (электрический) сигнал.
11 Транзистор от английского transfer – переносить и resistor – сопротивление.
12 Injection – вливание, впрыскивание.
13 Extraction – извлечение, добывание.
14 К этому мы вернёмся в следующем разделе при изучении генераторов тока.
15 Единицы и десятки вольт.
16 Легирование – введение в состав металлических сплавов химических элементов для придания сплавам химических, физических или механических свойств.
17 Инверсия (дословно – перестановка). Здесь - изменение полярности напряжения, приложенного к электродам транзистора.
18 Четырёхполюсник – цепь или её участок с четырьмя зажимами (полюсами), к которым могут подключаться другие цепи или участки цепи. Обычно различают пару входных и пару выходных зажимов.
19 Unipolar – дословно однополярный. Применительно к транзисторам синоним слов "канальный", " полевой".
20 Применяется также название – МОП (металл – оксид - полупроводник) от англоязычного MOS.
21 Так как канал является объёмным объектом, он имеет ширину, толщину и длину. Ширина часто обозначается W, а длина – L.
22 Передаточная характеристика полевого транзистора отражает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток.
23 Области с большей концентрацией носителей заряда (на два порядка и более) отмечают знаком " + ".
24 Электродвижущая сила – физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока.
25 Кирхгоф Густав Роберт (1824-1887). Немецкий физик. Занимался оптикой, электродинамикой, механикой, тепловым излучением. Решил задачу о распределении электрических токов в разветвлённых электрических цепях.
26 Ом Георг Симон (1787-1854). Немецкий физик. Занимался электричеством, оптикой, кристаллооптикой, акустикой. Сформулировал закон Ома для электрической цепи и дал его теоретическое обоснование.
27 В силовых устройствах стоимость аппаратуры, приходящейся на киловатт выходной мощности сравнительно мала. В силовых системах стремятся получить высокий к.п.д.
28 Диаграмма, приведённая на рис. 15 получена моделированием в программной системе MicroCAP.
29 Иногда постоянного тока в переменный.
30 Первичные источники электропитания относятся к области электроэнергетики.
31 В выпрямителях, применяемых для заряда аккумуляторов, сглаживающие фильтры не используются.
32 Диаграммы напряжений получены путём моделирования с помощью программы MicroCAP.
33 Часто на самом деле усиливаются квазигармонические сигналы (quasi – почти).
34 Часто говорят – трансформатор сопротивлений.
35 Обычно Rсм ≤ 1Мом.
36 Для усилителей, выполненных по схеме с общим истоком, входное сопротивление достаточно велико.
37 Схема RC генератора начерчена и смоделирована средствами ППП MicropCAP.
38 На самом деле, сигнал содержит все промежуточные значения, но они на определённом уровне рассмотрения не учитываются.
39 Утверждения автора [22] этого пункта нестроги, хотя во многих случаях оправдываются.
40 complementary – комплементарный, дополняющий
41 Передаточная характеристика отображает зависимость выходного напряжения от входного.
42 Эти обозначения могут быть любыми, в частности, в некоторых программах можно встретить F(alse) и T(rue) или N(o) и Y(es). Применяют также значения ИСТИНА и ЛОЖЬ.
43 Nitric oxide – окись азота
44 Дек – декада – десятикратное изменение частоты.
45 Кирхгоф Густав Роберт (1824 – 1887) – немецкий физик.
46 Согласно первому правилу Кирхгофа сумма токов в узле электрической цепи равна нулю.
47 Использованы результаты моделирования средствами ППП MicroCAP для усилителя LM741.