Транзисторный источник тока

Мы выбираем сопротивление делителя в 10 раз меньше, чем входное сопротивление усилителя. Независимо от R_н, ток на R_н будет равен 1мА.

Используются для :

1. задания неизменных режимов работы транзисторных каскадов, особенно в ОУ

2. в качестве эмиттерной нагрузки дифференциальных каскадов с целью их симметрирования

3. в качестве коллекторной нагрузки каскада с общим эмиттером с целью увеличения коэффициента усиления.

При заданном I_к, U_бэ базы – эмиттер и h₂₁ эмиттер несколько изменяются при изменении U_кэ. Кроме того, они зависят от температуры F(t).

ΔU_бэ=-0.001ΔU_кэ – эффект Эрли.

Каскодный источник тока.

Чтобы подавить эффект Эрли нужно каким-либо способом зафиксировать напряжение на коллекторе транзистора, задающего ток, а необходимое изменение U_н на R_н при изменении величины последней (с целью поддержания неизменного на ней тока) осуществлять с помощью другого транзистора.

Токовые зеркала.

Используются в качестве коллекторной нагрузки, дифференциальных усилителях и дифференциальных входных каскадов, операционных усилителях, что позволяет увеличивать их К_u даже в большей степени, чем при использовании коллекторной нагрузки источника тока.

100

Задавая Iк VT1, мы задаем U_бэ, а значит I_к. Если транзисторы одинаковые и находятся при одинаковой температуре (I_эо1=I_эо2), например на одном кристалле вблизи друг друга, то I_к1 будет равен I_к2.

Недостатки: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, т.е. при изменении R_н, из-за эффекта Эрли ΔU_бэ=-0.001ΔU_кэ.

Можно уменьшить эффект Эрли введением в эмиттерную цепь R, осуществляющее местную связь ООС, либо при использовании токового зеркала Уилсона:

Благодаря VT3, U_к VT1 фиксирован и на 2U_бэ меньше U_пит, что позволяет подавить эффект Эрли VT1. VT3 передает выходной ток нагрузке. VT3 включен по схеме с ОБ.

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 β. 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 U_ВЫХ 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 , которое во входной цепи алгебраически складывается с .

Напряжение обратной связи U_ос = χU_вых где χ – коэффициент ОС.

χ = R2/(R1+R2) ≈R2/R1 (обычно R1<<R2).

Прежде всего рассмотрим влияние последовательной ОС по напряжению на коэффициент усиления по напряжению. Для усилителя, охваченного обратной связью,

к_uoс = U_вых/(U_вх±U_ос) = U_вых/[U_вх(1±χк_u)]

но коэффициент усиления по напряжению усилителя без обратной связи к_u = U_вых/U_вх, поэтому после проведения преобразования для ООС можно записать:

_Киос=к_и/(1+χк_и).

При ПОС в знаменателе правой части следует использовать знак «минус».

Введем понятие глубины обратной связи F. Для ООС F = 1+χк_u. Отсюда следует, что глубина ООС возрастает при увеличении χ и К_и, При очень глубокой ООС F = χк_u, , поэтому в данном случае можно записать

к_uос = 1/χ = (R1+R2)/R2

Вывод: при глубокой ООС (F>10) удается практически полностью исключить влияние пара­метров транзистора и всего усилителя на его К_иОС. 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 К_и, но уменьшается и глубина ООС, т.е. 1+ χ К_и. В результате К_иОС 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 R_вх.ос определяется способом подачи сигналов обратной связи во входную цепь. При последовательной ООС по напряжению R_вх.ос можно пред­ставить как R_вх.ос = U_вх(1+χк_u)/I_вх = R_вхF.

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 U_вьч усилителя меньше зависит от тока нагрузки, что соответствует уменьшению его выходного сопротивления. Для рассматриваемого вида ООС можно записать

R_вых.ос = R_вых/F

Отсюда следует, что последовательная ООС по напряжению уменьшает выходное сопротивление в F раз. Таким образом, чем глубже ООС, тем меньше R_вых.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.

Rос

Сос

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 резистор ,

падение напря­жения на котором

пропорционально выходному току.

Во входной цепи усилителя это алгебраически складывается с входным напряжением.

.

При глубокой ООС по току эту формулу можно преобразовать к следующему виду:

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

Наиболее существенное отличие последовательных ООС по напряжению и току проявляется через величину R_выхОС. 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 R_выхОС усилителя, охваченного ООС по току, можно записать следующее выражение:

откуда следует, что выходное сопротивление возрастает. Таким образом, рассмат­риваемая ООС приводит к увеличению R_вьхОС, 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.

Параллельная ОС по току

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 R_ос. Во входной цепи усилителя происходит алгебраическое сложение I_ос и тока входного сигнала. На рисунке приведена структурная схема усилителя с параллельной обратной связью по току. Здесь , а коэффициент обратной связи по току Глубина ООС по току

Коэффициент усиления по току

где - коэффициент усиления по току без ООС. При глубокой парал­лельной ООС по току

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:

.

Здесь во входной цепи усилителя алгебраически складываются токи. Таким образом, параллельная ООС уменьшает R_вхОС, причем величина R_вхОС обратно пропорциональна глубине ООС по току.

Как было выше показано, ООС по току способствует увеличе­нию выходного сопротивления усилителя. Для параллельной ООС по току R_выхОС 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.

Параллельная ОС по напряжению

П ри 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 . При этом необходимо учитывать шунтирующее влияние входной цепи усилителя, поскольку в данном случае Rвх . Поэтому можно представить в следующем виде:

.

Выделение напряжения во входной цепи усилителя происходит на сопротивлениях .

За счет малого R_вх на внутреннем сопротивлении источника сигнала R_г будет теряться солидная доля Ег В результате ко входу усилителя прикладывает­ся напряжение

.

Коэффициент усиления по напряжению при глубокой параллельной ООС по напряжению:

.

При параллельной ООС по напряжению К_иОС стабилен при Таким образом, при глубокой параллельной ООС по напряжению можно исключить влияние внешних факторов на величину К_и0с, 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 R_г. 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.

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 к_u = R_к/R_э стремится к бесконечности.

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

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 –– 0,03—0,1

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 ±10—20%.

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 мм² 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 – R_н – VD2 – 2 (2 – VD4 - R_н – 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.

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).

Т ок 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.