Пішенін В.О.

Електроніка і мікропроцесорна техніка. Частина 2.

Основи схемотехніки.

У посібнику розглянуто питання вивчення конструкції, створення та розвитку елементної бази електроніки, що використовується в технологічному обладнанні машинобудівних галузей промисловості. Наведені основні параметри та характеристики схем електронних приладів на основі напівпровідникових структур.

Зміст посібника відповідає програмі дисципліни "Електроніка і мікропроцесорна техніка" для студентів машинобудівних спеціальностей з питань використання електронної техніки у технологічному обладнанні та виробах машинобудівних галузей промисловості і застосування набутих знань у вивченні курсів дисциплін "Приводи верстатів та роботів" і "Приводи автоматизованого устаткування".

ЗМІСТ

ВСТУП 4

2 ОСНОВИ СХЕМОТЕХНІКИ ЕЛЕКТРОННИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ ТА ГЕНЕРАТОРІВ КОЛИВАНЬ 6

2.1 Електронні підсилювачі 6

2.1.1 Класифікація і структурні схеми підсилювачів 6

2.1.2 Основні характеристики підсилювачів. 8

2.1.3 Режими роботи підсилювального каскаду 14

2.1.4 Зворотний зв'язок у підсилювачах 16

2.2 Базові елементи лінійних інтегральних підсилювачів 21

2.2.1 Особливості аналогової інтегральної схемотехніки 21

2.2.2 Елементарні каскади підсилення 21

2.2.3 Складений транзистор 31

2.2.4 Диференціальні каскади підсилення 32

2.2.5 Каскади зсуву рівнів напруг 39

2.2.6 Вихідні каскади підсилення 42

2.3 Операційні підсилювачі 42

2.3.1 Призначення та основні властивості операційних підсилювачів 42

2.3.2 Передавальні характеристики операційних підсилювачів 45

2.3.3 Структурні схеми операційних підсилювачів 48

2.3.4 Найважливіші показники операційних підсилювачів 49

2.3.5 Інвертувальне, неінвертувальне та диференціальнене ввімкнення операційних підсилювачів 50

2.3.6 Розв'язувальні пристрої на стандартних операційних підсилювачах 53

2.4 Генератори гармонічних коливань 57

2.4.1 Класифікація та призначення генераторів гармонічних коливань 57

2.4.2 Умови самозбудження автогенераторів 58

2.4.3 LC-автогенератори 59

2.4.4 RC-автогенератори 61

2.4.5 Стабілізація частоти вихідних коливань в автогенераторах 63

ЛІТЕРАТУРА 65

ВСТУП

Прогрес у всіх областях науки і техніки багато у чому обумовлений розвитком електроніки. Електроніка це наука, яка займається створенням та практичним використанням різноманітних пристроїв та приладів основаних на використанні змін концентрації і переміщенні заряджених частинок, в основному електронів, у вакуумі, газі або у твердих тілах.

Комплексна автоматизація виробничих процесів основана на застосуванні електронних пристроїв у мікромініатюрному виконанні. Такі пристрої мають високу чутливість, швидкодію, універсальність і малий об'єм.

Галузь електроніки, яка займається використанням різноманітних електронних схем у промисловості, називають промисловою електронікою. Загалом у промислову електроніку входять такі три складові:

— інформаційна електроніка, що складається із електронних пристроїв і систем контролю, вимірювання і керування виробничими процесами;

— енергетична електроніка, або ще як кажуть перетворювальна техніка, яка містить у собі перетворювачі електричного струму, наприклад, для електроенергетики, електрифікованого транспорту, електроприводу, електротермічних установок тощо.

Сучасна промислова електроніка характеризується розробкою та використанням інтегральної елементної бази, де в одному кристалі напівпровідникового матеріалу (це здебільшого кремній та його окисли) створюється схема електронного пристрою, що складається із резисторів, конденсаторів, мініатюрних індуктивностей (котушок), провідників, напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів тощо).

Виготовлені таким чином інтегральні мікросхеми багато у чому вирішують задачі підвищення надійності роботи, зменшення споживаної потужності, зменшення габаритних розмірів, підвищення швидкодії, спрощення автоматизації технологічних процесів виробництва, зменшення вартості електронної апаратури і машин, в яких ця апаратура використовується. На основі технологій створення і виготовлення інтегральних схем для автоматизації технологічних процесів сучасною електронною промисловістю розробляються і виготовляються програмно керовані пристрої, які називають мікропроцесорами. Мікропроцесор — це пристрій, призначений для обробки цифрової інформації і керування процесом цієї обробки. Мікропроцесор конструктивно виконується у вигляді однієї або декількох схем з високим ступенем інтеграції електронних елементів (більше 30000).

Мікропроцесорна техніка та засоби електроніки настільки міцно увійшли до складу технологічного обладнання, що фахівці з машинобудування повинні мати знання в галузі електроніки та мікропроцесорної техніки. Ці знання інженеру-машинобудівнику допомагають грамотно поставити задачу перед розробниками систем керування верстатами та іншим технологічним обладнанням, яке проектується.

Конструктор механічних систем технологічного обладнання повинен мати достатню ерудицію для спілкування з фахівцями у галузі електроніки для плідної співпраці у створенні прогресивної техніки та засобів реалізації високопродуктивних технологій. Тому студенту-механіку необхідно знайомство з базою мікропроцесорної техніки та промислової електроніки в цілому, знайомство з електронними пристроями, що використовуються у промисловій електроніці.

2 ОСНОВИ СХЕМОТЕХНІКИ ЕЛЕКТРОННИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ ТА ГЕНЕРАТОРІВ КОЛИВАНЬ

2.1 Електронні підсилювачі

Електронний підсилювач це пристрій, що використовують для підвищення потужності вхідного електричного сигналу до значення, яке забезпечує нормальне функціонування електронної системи до складу якої входить цей пристрій. При цьому підсилення малопотужного вхідного сигналу забезпечується надходженням енергії від зовнішнього джерела струму (напруги) значно більшого рівня потужності.

2.1.1 Класифікація і структурні схеми підсилювачів

Структурна схема електронного підсилювача показана на рисунку 2.1. На цій схемі до вхідних затискачів (1, 2) під'єднане джерело вхідного сигналу напруги (рисунок 2.1, а) або джерело струму (рисунок 2.1, б). Зовнішнє навантаження R_Н, яке споживає енергію підсиленого сигналу, під'єднується до виходу підсилювача (затискачі 3, 4). Джерело вхідного сигналу навантажується вхідним опором підсилювача R_ВХ, на якому виділяється потужність вхідного сигналу. Цей сигнал керує енергією джерела живлення значно більшого рівня потужності. Отже, використання активного керуючого елемента (наприклад, транзистора) та більш потужного джерела живлення дає можливість підсилювати потужність вхідного сигналу.

Для вхідного кола підсилювача з джерелом напруги (рисунок 2.1, а), справедлива залежність

, (2.1)

з цього рівняння виходить, що спад напруги на внутрішньому опорі R_Д джерела вхідного сигналу незначний U_ВХ≈Е_Д, якщо виконується умова R_ВХ»R_Д. Для вхідного кола підсилювача (рисунок 2.1, б)

, (2.2)

тобто увесь струм джерела вхідного сигналу відгалужується у вхідний опір підсилювача за умови, що R_Д»R_ВХ. Тобто, при великому вхідному опорі підсилювача керування в навантаженні здійснюють джерелом напруги, а при малому R_ВХ — джерелом струму.

Вихідне коло підсилювача також може бути джерелом напруги K_ПU_ВХ (рисунок 2.1, а), або джерелом струму К_ПI_ВХ (рисунок 2.1, б) з внутрішнім опором R_ВИХ. Ці джерела показують властивості підсилювача, які визначаються коефіцієнтом прямої передачі К_П, що у першому випадку є коефіцієнтом підсилення напруги, а у другому — струму.

В сі електронні підсилювачі підвищують потужність. Але у ряді випадків основним показником є підсилення струму або напруги. Тому електронні підсилювачі умовно поділяють на підсилювачі напруги, струму та потужності. Підсилювач напруги забезпечує на навантаженні вихідної напруги. В такому режимі підсилювач працює, якщо виконуються умови R_ВХ»R_Д та R_Н»R_ВИХ, що забезпечує відносно великі зміни напруги на навантаженні при невеликих змінах струму у вхідному та вихідному колах. В режимі підсилення струму необхідне виконання умов R_ВХ«R_Д та R_Н«R_ВИХ щоб у вихідному колі при малих значеннях напруги протікав струм заданого значення. Для підсилення потужності умови узгодження вхідного кола з джерелом вхідного сигналу та вихідного кола з навантаженням для передавання максимального значення потужності мають вигляд R_ВХ~R_Д та R_Н~R_ВИХ.

За характером зміни вхідного сигналу у часі розрізняють підсилювачі постійного та змінного струмів. Підсилювачі постійного струму працюють при нульовій нижній частоті (f_Н=0). А підсилювачі змінного струму поділяються на підсилювачі низької та високої частоти.

Структура підсилювача визначається смугою частот робочого діапазону. За цією ознакою підсилювачі поділяються на вибіркові, для яких характерне відношення граничних частот f_В/f_Н1,1 (підсилення у дуже вузькому діапазоні частот), та широкосмугові, у яких вищезазначене відношення робочих частот досягає 1000 і більше.

Залежно від форми підсилюваних сигналів розрізняють підсилювачі гармонічних (синусоїдальних) та імпульсних сигналів. Але імпульсні сигнали, наприклад, прямокутної форми, містять у собі широкий спектр частот, імпульсні підсилювачі відносяться до класу широкосмугових. Якщо підсилення одного каскаду недостатньо, то в якості навантаження R_Н використовується вхідне коло другого підсилювального каскаду, вихід якого під'єднується до входу третього каскаду і т. д. Підсилювач, що має декілька ступенів підсилення, називають багатокаскадним. Так, за структурою розрізняють однокаскадні та багатокаскадні підсилювачі, а за способом зв'язку між каскадами — підсилювачі з ємнісним, трансформаторним та гальванічним зв'язком.

Трансформаторний зв'язок використовується лише в кінцевих каскадах підсилення потужності для узгодження підсилювача з навантаженням.

У наш час в підсилювальній техніці переважно використовують операційні підсилювачі в інтегральному виконанні, які одночасно задовольняють багато згаданих вище умов. Такі підсилювачі здебільшого використовують для підсилення напруги та сигналів як постійного, так і змінного струмів у широкому діапазоні частот.