Таким образом, современные методы борьбы с помехами в электронных устройствах – электромагнитное и электростатическое экранирование, заземление, селекция и обработка сигнала.

В заключение заметим, что для всех электронных устройств существуют государственные и межгосударственные нормы на уровень допустимых помех, создаваемых этими устройствами. Примеры можно найти в технических описаниях различных электронных устройств.

8. Фильтры для подавления помех. Принцип действия. Пример сетевого фильтра.

Борьба с этими помехами ведется путем уменьшения сопротивления проводов (увеличение диаметра проводов, применение шин большого сечения) и установкой фильтрующих элементов (например конденсатора фильтра C_ф как на рис. 7.13).Мощным средством борьбы с помехами является фильтрация (селекция) сигнала. Современные методы фильтрации позволяют за счет сужения полосы пропускания устройств уменьшить энергию помехи. Фильтрация сигналов осуществляется избирательными усилителями -фильтрами. Важным количественным показателем электронной системы является отношение амплитуды сигнала к шуму. В качественных системах оно должно быть значительно больше 1. Если форма сигнала известна, то с применением корреляционных методов обработки сигнала удается получить полезную информацию даже в тех случаях, когда энергия помехи превышает энергию сигнала, т.е. когда отношение сигнала к шуму меньше 1. Таким образом, современные методы борьбы с помехами в электронных устройствах – электромагнитное и электростатическое экранирование,  заземление, селекция и обработка сигнала.В заключение заметим, что для всех электронных устройств существуют государственные и межгосударственные нормы на уровень допустимых помех, создаваемых этими устройствами. Примеры можно найти в технических описаниях различных электронных устройств.Для снижения уровня этих помех применяют экранирование устройств и установку фильтров в проводах сетевого питания (см. пример на рис.7.14). Такой же фильтр применяется в портативных устройствах для «размножения» сетевых розеток, которые называются «сетевыми фильтрами». 

Рис.7.14. Схема простого сетевого фильтра для подавления высокочастотных помех из сети в приемник и от приемника в сеть.

На рис.7.15. приведены схема модели такого фильтра и его амплитудно-частотная характеристика.

 Рис.7.15. Сетевой фильтр и его АЧХ.

На АЧХ сетевого фильтра рис. 7.15 видно, что он существенно уменьшает уровень помехи из сети при частотах более 100кГц. 

1. Полевой транзистор. Типы, устройства, обозначения на схемах, схемы включения. Выходные и переходные характеристики. Усилительный каскад на полевом транзисторе. Схема, назначение элементов. Определение рабочей точки покоя на переходной и выходной характеристиках графическим методом.

Полевые транзисторы.

Следующая группа компонентов на рис. 8.1 –полевые транзисторы. Свойства полевых транзисторов сильно отличаются от свойств биполярных транзисторов тем, что управляющей величиной является не ток, а напряжение. Поэтому полевые (FET) транзисторы имеют весьма большое входное сопротивление.Полевые транзисторы имеют в основном три вывода: исток, сток и затвор (управляющий электрод). Проводимость канала между истоком и стоком управляется потенциалом затвора. В полевом транзисторе нет p-n перехода, который включен в прямом направлении (как в биполярном транзисторе включен переход база- эмиттер). Поэтому ток затвора практически равен нулю. Бывают p- канальные (проводимость за счет дырок) и n- канальные (проводимость за счет электронов)  ПТ.Управляющие затворы бывают двух типов:

- с p-n – переходом (включен в обратном направлении!),

- с изолированным затвором (МОП или МДП - транзисторы),

Каналы могут быть различаются типами легирования (обогащенный и обедненный) и способом изготовления – встроенный (МДП) или индуцированный (МОП) каналы. Существует большое разнообразие типов транзисторов, которое объясняется многими возможными комбинациями типов затворов и каналов. Ряд типов транзисторов, которые встроены в интегральные схемы имеют четвертый вывод – «подложку».

Примеры схемы включения и вольтамперные характеристики полевых транзисторов с p-n переходом приведены на рис. 8.2 и 8.3.

Рис. 8.2. Схема включения полевого транзистора с каналом n-типа “с общим истоком” (З-затвор, И-исток, С- Сток).

 

Рис. 8.3 . Выходные (а) и передаточные (б)  характеристики полевого МДП-транзистора с каналом n-типа.

Выходные характеристики ПТ – зависимости тока стока от напряжения между истоком и стоком при заданном управляющем напряжении между истоком и затвором.

Здесь функция – ток стока. Аргументом является управляющее напряжение U_ЗИ , которое меняется в источнике V2 пределах -2В…+0.6В, и параметром – напряжение между истоком и стоком U_ИС в интервале 0…12В с шагом 0.5В (источник V1). Из графиков следует, что влиянием напряжения U_ИС можно пренебречь, если U_ИС>3В. Такой же вывод следует из семейства выходных характеристик на рис. 8.4. На переходной характеристике есть линейный участок, на котором связь приращений тока и напряжения может быть выражена крутизной S=dIc/dUзи (мА/В).

При положительном напряжении U_ИЗ наступает насыщение переходной характеристики, что видно на рис. 8.6.

 

 Рис.8.6. Переходная характеристика ПТ при U_ИС=12В.

 Полевые транзисторы имеют очень малый ток затвора (10^-8..10^-9 А), поэтому они используются в программируемых постоянных запоминающих устройствах ППЗУ, например во флэш-памяти. Эти элементы надо особенно защищать от статического электричества. Из-за нулевого тока затвора для ПТ входная характеристика не используется.

         Полевые транзисторы широко используются для усиления сигналов.         

Демонстрационный пример усилителя напряжения (demo8_3) на полевом транзисторе приведен на рис. 8.7.

         В этой схеме включены конденсаторы C1 и С2 для передачи сигналов и исключения зависимостей состояния полевого транзистора от цепей источника и приемника Rn сигналов по постоянным составляющим токов и напряжений. Резисторы R1, R2 и Rs устанавливают состояние транзистора по постоянному току. На резисторе Rc формируется выходное напряжение, которое передается на приемник Rn. Конденсатор С3 повышает коэффициент усиления, так  как он уменьшает сопротивление участка цепи с резистором Ri по переменной составляющей. На рис.8.8 приведены осциллограммы входного (синяя кривая, правая ось ординат) и выходного (красная кривая, левая ось ординат).  

 Рис. 8.7 . Схема усилительного каскада с полевым транзистором с общим истоком.

Рис. 8.8 . Кривые входного (синяя) и выходного напряжений (красная) для усилителя на рис. 8.7.

Коэффициент усиления по напряжению на частоте 1кГц составляет K_U = 670мВ/100мВ = 6.7. Усилитель изменяет фазу сигнала на 180°. Состояние полевого транзистора по постоянному току при заданных параметрах элементов усилителя определяется следующим образом. Так как I_з =0 , то на резисторе R₂ постоянное напряжение U_R2 = E_C*R₂/(R₁+R₂).  Напряжение между затвором и истоком U_ЗИ = U_R2 – R_S*Ic(U_ЗИ). Это выражение представим с переменной Ic в виде U_ЗИ (Ic )= U_R2 – R_S*Ic. В этом выражении слева - функция переходной характеристики, представленная кривой 1 на рис.8.9. Справа линейная ВАХ – прямая линия 2, отсекающая на осях отрезки  U_R2 и U_R2 /R_S . Точка пересечения A определяет постоянные ток «покоя» стока Icп и напряжение «покоя» U_{ЗИ, П}.

Рис. 8.9. К определению рабочей точки покоя в цепи затвора.

 Постоянное напряжение U_CИ,П  определяется по выходной характеристике следующим образом. Известное постоянное напряжение U_{ЗИ, П} позволяет выбрать одну выходную характеристику I_C(U_CИ,П,U_ЗИ,П).Из контурного уравнения для участка E_C, R_C, ПТ, R_s следует:U_CИ,П (I_C,U_ЗИ,П)=E_C –(R_C+ R_S) I_C. Это нелинейное уравнение решается графически на рис.8.10. пересечением выходной харакеристики 1 и линии нагрузки 2, которая отсекает на осях отрезки E_C и E_C/(R_C+ R_S)

Рис.8.10. К определению рабочей точки покоя в цепи стока.

При выборе рабочей точке следуют методике, которая была рассмотрена для усилителя напряжения на биполярном транзисторе.

9. Схема замещения для линейного режима, амплитудная и амплитудно-частотная характеристики усилителя напряжения на полевом транзисторе.

На рис.8.11 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилительного каскада.

Рис. 8.11. demo8_3. Частотные характеристики усилителя напряжения на полевом транзисторе.

В общем виде частотная характеристика усилителя напряжения на ПТ может быть получена с помощью линейной схемы замещения усилителя по постоянной составляющей, которая приведена на рис.8.12.

 

-источник тока i_С=Su_ЗИ,  отражающий усилительные свойства ПТ (S – крутизна переходной характеристики ПТ),- внутреннее сопротивление ПТ R_i, которое определяется наклоном выходных характеристик ПТ R_i= dU_СИ/dI_C при неизменном напряжении U_ЗИ,- емкостный элемент С₀, отражающий инерционные свойства транзистора.

Из схемы  замещения следует, что при низких частотах сигнала сопротивления емкостных элементов С1 и С2 велико и амплитуда напряжения на выходе усилителя U_ВЫХ,m небольшая. На средних частотах сопротивлением всех емкостных элементов можно пренебречь и U_ВЫХ,m наибольшее, на высоких частотах сказывается уменьшение сопротивления элемента С₀ и U_ВЫХ,m  уменьшается.  

Приведенное описание свойств усилителя напряжения на полевом транзисторе показывает общее его сходство с усилителем на биполярном транзисторе.