Электронные приборы и устройства

Электроника – область науки и техники, изучающая и применяющая устройства, работа которых основана на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Большое быстродействие и высокая надежность электронных устройств обусловили их широкое применение в вычислительной технике, радиотехнике, средствах связи, навигации, в промышленности и т. д. С помощью электронных устройств происходит преобразование электрической энергии источника питания в энергию полезного сигнала (усилители, генераторы сигналов и др.), преобразование переменного тока в постоянный (выпрямители) и постоянного в переменный (инверторы), преобразование видов энергии, регулировка напряжения, частоты и т. д.

В электронных устройствах преобразование электрической энергии и сигналов осуществляется с помощью электронных приборов (электронных активных элементов). Кроме электронных приборов в них используются источники питания и пассивные компоненты: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.

В настоящее время используются в основном полупроводниковые электронные приборы. В них перенос электрических зарядов происходит в твердом теле (полупроводнике). К ним относятся диоды, транзисторы, тиристоры и др.

Полупроводниковый диод (рис. 1) представляет собой двухслойную структуру, которая образуется в одном кристалле. Один слой имеет электропроводность n-типа, а другой р-типа. В целом эта структура называется р-n-переходом или электронно-дырочным переходом. Основным свойством электронно-дырочного перехода является его односторонняя электропроводимость.

Рис.1. Полупроводниковый диод: а) полупроводниковая структура диода;

б) условное графическое обозначение; в) вольт - амперная характеристика

При прямом смешении р-n перехода его электрическая проводимость возрастает и через переход проходит ток, сильно зависящий от приложенного напряжения. При обратном смещении р-n-перехода электрическая проводимость перехода уменьшается и электрический ток через него практически не проходит.

Полупроводниковый диод с обратно смещенным р-n-переходом, у которого при сравнительно малых изменениях обратного напряжения в области, близкой к напряжению пробоя, резко увеличивается обратный ток, называют стабилитроном (рис. 2). Он используется при создании стабилизаторов напряжения.

Рис.2.Полупроводниковый стабилитрон: а) условное графическое обозначение; б) вольт - амперная характеристика

Варикапом называют полупроводниковый диод с обратно смещенным p-n-переходом, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости для электронной настройки частотно-избирательных цепей (рис. 3).

Рис.3. Полупроводниковый варикап: а) условное графическое обозначение;

б) вольт - фарадная характеристика

Полупроводниковые триоды (транзисторы) подразделяются на биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами (рис. 4). Он имеет трехслойную структуру n-р-n- или р-n-р-типа. Средняя область между двумя р-n-переходами называется базой. Толщина ее делается достаточно малой. Соседние области называются эмиттером и коллектором. Соответственно р-n-переход эмиттер-база называется эмиттерным, а переход база-коллектор – коллекторным.

Рис.4. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение биполярных транзисторов: а) n-p-n-типа; б) p-n-p-типа

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется под действием поперечного электрического поля, создаваемого прилегающим к проводящему объему полупроводника управляющим электродом (затвором). Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом (рис. 5) и изолированным затвором (рис. 6).

Рис.5. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с управляющим p-n-переходом: а) с каналом n-типа; б) с каналом р-типа

Рис.6. Полупроводниковая структура и условное графическое обозначение полевого транзистора с изолированным затвором: а) с встроенным каналом; б) с индуцированным каналом

В отличие от биполярных транзисторов, в которых управление переносом зарядов осуществляется изменением тока базы, в полевом транзисторе управление током производится изменением управляющего напряжения, регулирующего ширину канала, по которому проходит ток. Область канала, от которой начинается движение носителей, называется истоком, а область, к которой движутся основные носители, – стоком. Управляющая область в приборе, которая охватывает канал, называется затвором. Изменяя напряжение между затвором и истоком, меняют сечение канала.

Многослойные структуры с тремя p-n-переходами называют тиристорами. Их основным свойством является способность находиться в двух состояниях устойчивого равновесия: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью). По этой причине они выполняют функцию бесконтактного электронного ключа, обладающего односторонней проводимостью. Тиристоры с двумя выводами (двухэлектродные) называются диодными тиристорами (динисторами), а с тремя (трехэлектродные) – или триодными тиристорами (тринисторами), или симметричными тиристорами (симисторами), если они способны проводить ток в обоих направлениях (рис. 7).

Рис.7. Тиристоры: полупроводниковая структура: а) диодного тиристора (динистора); г) тринистора; ж) симметричного тиристора (симистора); условное графическое обозначение: б) диодного тиристора; д) тринистора; з) симистора; вольт- амперные характеристики: в) диодного тиристора; е) тринистора; и) симистора

К полупроводниковым фотоэлементам относятся: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор, светодиод (рис. 8).

Рис.8.Условное графическое обозначение полупроводниковых фотоэлементов: а) фоторезистора; б) фотодиода; в) фототранзистора; г) фототиристора; д) светодиода

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от освещенности. При увеличении освещенности сопротивление фоторезистора уменьшается.

Принцип действия фотодиода основан на возрастании обратного тока р-n перехода при его освещении. Фотодиод применяется без дополнительного источника питания, поскольку сам является генератором тока, причем сила тока пропорциональна освещенности.

В фототранзисторе р-n переход коллектор-база представляет собой фотодиод.

Светодиоды излучают свет при прохождении через них прямого тока. Яркость свечения пропорциональна прямому току.

Если в одном корпусе совместить светодиод и фоточувствительный элемент, например фототранзистор, то входной ток можно преобразовать в выходной с полным гальваническим разделением цепей. Такие оптоэлектрические элементы называют оптронами (рис. 9).

Рис.9.Условное графическое обозначение полупроводниковых оптронов:

а) резисторного; б) диодного; в) транзиторного; г) тиристорного

К роме фоторезисторов к наиболее распространенным полупроводниковым резисторам относятся: терморезисторы и варисторы, сопротивление которых изменяется при изменении температуры и приложенного напряжения соответственно (рис. 10).

Рис.10.Условное графическое обозначение полупроводниковых резисторов: а) терморезистора; б) варистора

С помощью рассмотренных электронных приборов осуществляются необходимые преобразования электрической энергии и сигналов. Наиболее простым видом преобразования является выпрямление переменного тока, более сложными – инвертирование постоянного тока в переменный, усиление, генерирование и преобразование сигналов различной формы.

Выпрямители преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное напряжение на нагрузке (рис. 11). Они применяются в качестве источников вторичного электропитания. Переменное напряжение питающей сети с помощью силового трансформатора понижается или повышается до необходимой величины, а затем выпрямляется с помощью выпрямителя. В результате на выходе выпрямителя образуется напряжение неизменного направления, которое является пульсирующим (т.е. меняется во времени по значению) и поэтому непригодно для питания большинства электронных устройств.

Рис.11.Структурная схема выпрямителя

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя включают сглаживающий фильтр, а в некоторых случаях дополнительно вводят стабилизатор постоянного напряжения.

Основные схемы выпрямителей можно подразделить на однополупериодные (рис. 12) и двухполупериодные (рис. 13).

Рис.12.Схемы и временные диаграммы однополупериодных выпрямителей: а) однофазного; б) трехфазного

Рис.13.Двухполуперодные выпрямители: однофазные выпрямители: а) мостовая схема; б) с выводом от средней точки обмотки трансформатора; в) их временные диаграммы; трехфазный выпрямитель; г) трехфазная мостовая схема; д) ее временная диаграмма

Сглаживающие фильтры пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. В простейшем случае сглаживающий фильтр может содержать только один элемент – либо дроссель с большой индуктивностью, включаемый последовательно на выходе выпрямителя, либо конденсатор с большой емкостью, включаемый параллельно нагрузке (рис. 14).

Рис.14. Сглаживающие фильтры: а) индуктивный; б) емкостной; в) их временные диаграммы

С табилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в определенных пределах (рис. 15). Напряжение, которое поддерживает стабилизатор, задается опорным элементом – стабилитроном (рис. 2).

Рис.15.Схема и временные диаграммы параметрического стабилизатора напряжения

Усилителем называется устройство, предназначенное для увеличения амплитуды и мощности входного сигнала без изменения других его параметров. Повышение амплитуды и мощности сигнала на выходе усилителя достигается преобразованием энергии источника питания постоянного тока в энергию выходного переменного сигнала. В общем случае электронные усилители являются многокаскадными устройствами. Отдельные каскады связаны между собой цепями, по которым передается переменный (усиливаемый) сигнал и не пропускается постоянная составляющая сигнала. Каскады выполняют по схеме с общим эмиттером и с общим истоком, с общим коллектором и с общим стоком, с общей базой и с общим затвором (рис. 16).

Рис.16. Схемы включения транзисторов с общим(ей): а) эмиттером;

б) коллектором; в) базой; г) истоком; д) стоком; е) затвором

Схема любого каскада состоит из источника питания, транзистора и цепей смещения, обеспечивающих режим работы транзистора по постоянному току, т. е. режим покоя (рис. 17).

Многокаскадные усилители представляют собой последовательное соединение однотипных усилительных каскадов.

В усилителях в интегральном исполнении применяют непосредственную связь между каскадами. Такие усилители могут усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы и даже сигналы постоянного тока и поэтому получили название усилителей постоянного тока. Современные усилители постоянного тока усиливают сигналы в очень широком спектре частот и относятся к разряду широкополосных усилителей.

Рис.17.Схемы усилителей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе

Недостатком усилителей с непосредственными связями является изменение выходного напряжения режима покоя (дрейф нуля) вследствие нестабильности напряжения питания, температуры и других факторов. Эффективным способом уменьшения дрейфа нуля в таких усилителях является применение дифференциальных усилительных каскадов.

Д ифференциальный усилитель предназначен для усиления разности двух входных сигналов и представляет собой симметричную двухтранзисторную схему с объединенными эмиттерами, имеющую два входа и два выхода (рис. 18).

Рис.18. Дифференциальный усилитель

Операционный усилитель (рис. 19), как и любой другой усилитель, предназначен для усиления амплитуды и мощности входного сигнала. Название «операционный» он получил от аналогов на дискретных элементах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, умножение, деление, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ. В настоящее время операционный усилитель чаще всего выполняется в виде интегральной микросхемы.

Рис.19.Операционный усилитель

Электронными генераторами называют автоколебательные (самовозбуждающиеся) системы, в которых энергия источника питания (постоянного тока) преобразуется в энергию переменного сигнала нужной формы.

В генераторах синусоидального напряжения транзисторы работают в усилительном режиме. В отличие от них в генераторах импульсов транзисторы работают в ключевом режиме (когда транзистор находится попеременно то в полностью открытом, то в полностью закрытом состоянии). В открытом состоянии транзистор пропускает максимальный ток и имеет на выходе минимальное напряжение, определяемое его остаточным напряжением. В закрытом состоянии его ток минимален, а выходное напряжение максимально и близко к напряжению источника питания. Такой элемент называют транзисторным ключом (рис. 20).

Рис.20.Схемы транзисторных ключей: а) на биполярном транзисторе; б) на полевом транзисторе; в) их временные диаграммы

Мультивибраторы – это импульсные генераторы с положительной обратной связью, в которых усилительные элементы (транзисторы, операционные усилители) работают в ключевом режиме.

М ультивибраторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, поэтому относятся к классу автоколебательных генераторов и выполняются на дискретных транзисторах, интегральных логических элементах и на операционных усилителях (рис. 21).

Рис.21. Схемы автоколебательных мультивибраторов: а) на дискретных элементах; б) на интегральных логических элементах; в) на операционном усилителе; г) их временные диаграммы

Интегральная микросхема (ИМС) представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов и т. п. Она изготовлена в едином технологическом цикле (т. е. одновременно), на одной и той же несущей конструкции – подложке и выполняет определенную функцию преобразования электрических сигналов.

Компоненты, которые входят в состав ИМС и не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются элементами ИМС или интегральными элементами. В отличие от них конструктивно обособленные приборы и детали называются дискретными компонентами, а узлы и блоки, построенные на их основе, – дискретными схемами.

Высокая надежность и качество в сочетании с малыми размерами, массой и низкой себестоимостью интегральных микросхем обеспечили их широкое применение во многих областях науки и техники.

Основу современной микроэлектроники составляют полупроводниковые интегральные микросхемы. В настоящее время различают два класса полупроводниковых интегральных микросхем: биполярные и МДП.

Основным элементом биполярных ИМС является n-р-n-транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Остальные элементы изготовляют одновременно с этим транзистором без дополнительных технологических операций. Например, резисторы изготовляют с базовым слоем n-р-n-транзистора, поэтому они имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используют обратно смещенные р-n-переходы, в которых n-слой соответствует коллекторному слою n-р-n-транзистора, а слой р – базовому слою.

Логическими элементами называют электронные устройства, выполняющие простейшие логические операции: НЕ, ИЛИ, И (рис. 22).

Рис.22. Условное обозначение и таблицы истинности простейших логических элементов: а) НЕ; б) ИЛИ; в) И

Логические функции и логические операции над ними составляют предмет алгебры логики, или булевой алгебры. В основе алгебры логики лежат логические величины, которые обозначают латинскими буквами А, В, С, D и т. д. Логическая величина характеризует два взаимоисключающих понятия: есть и нет, истина и ложь, включено и выключено и т. п. Если одно из значений логической величины обозначено через А, то второе обозначают «не А».

Для операций с логическими величинами удобно применять двоичный код, полагая А=1, «не А»=0 или, наоборот, А=0, «не А»=1. В двоичной системе счисления одна и та же схема может выполнять как логические, так и арифметические операции. Если понятие «не А» обозначить особой буквой, например, В, то связь между В и А будет иметь вид: В= .

Это простейшая логическая функция, которую называют отрицанием, инверсией или функцией НЕ. Схему, обеспечивающую такую функцию, называют инвертором или схемой НЕ.

С хемы ИЛИ (дизъюнктор) и И (конъюнкатор) могут быть выполнены на резисторах (резисторная логика), на диодах (диодная логика), на транзисторах (транзисторная логика). Чаще всего эти схемы применяются в сочетании с инвертором, и тогда они реализуют функции ИЛИ-НЕ, И-НЕ (рис. 23).

Рис.23. Условное обозначение и таблицы истинности:

а) стрелка Пирса; б) штрих Шеффера

Функции ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса) и И-НЕ (штрих Шеффера) – самые распространенные, т. к. на их основе можно реализовать любую другую логическую функцию. Количество переменных, а значит, и количество входов у соответствующих схем может быть равно двум, трем, четырем и более. В логических элементах логические нули и единицы обычно представлены различными значениями напряжения: напряжением (или уровнем нуля) U⁰ и напряжением (или уровнем единицы) U¹. Если уровень единицы больше уровня нуля, то говорят, что схема работает в положительной логике, в противном случае (U¹ < U⁰) она работает в отрицательной логике. Никакой принципиальной разницы между положительной и отрицательной логиками нет. Более того, одна и та же схема может работать и в одной, и в другой логике.

Наиболее широкое применение получила схема И-НЕ типа ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).

Комбинируя логические схемы ИЛИ-НЕ или И-НЕ, можно создать различные устройства, как с памятью, так и без памяти.

К цифровым устройствам с памятью относятся: триггеры, счетчики, регистры.

Триггерами называют устройства, обладающие двумя состояниями устойчивого равновесия и способные скачкообразно переключаться из одного устойчивого состояния в другое каждый раз, когда управляющий входной сигнал превосходит определенный уровень, называемый порогом срабатывания.

Различают несколько типов триггеров: RS, D, T, JK и др., которые выпускаются промышленностью в виде отдельных микросхем, а также выполняются на основе логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ (рис. 24).

Рис.24.Условные графические обозначения триггеров: а) RS-триггер на основе логических элементов ИЛИ-НЕ; в виде отдельных микросхем: б) RS-триггер; в)D-триггер; г) T-триггер; д) JK-триггер

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов (рис. 25,а) и выражаются в виде цифр.

Рис.25.Условные графические обозначения: а) счетчика импульсов;

б) регистра; в) дешифратора; г) шифратора; д) мультиплексора;

е) арифметико-логического устройства

Регистрами называются функциональные узлы цифровых устройств, предназначенные для приема, хранения, передачи и преобразования информации (рис. 25, б).

К цифровым устройствам без памяти относятся: дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры и др.

Дешифратором называется устройство, вырабатывающее единичный сигнал только на одном из своих выходов в зависимости от кода двоичного числа на его n входах (рис. 25, в).

Шифратор (рис. 25, г) выполняет функцию, обратную дешифратору.

Мультиплексором называется устройство для коммутации одного из информационных входов на один его выход в зависимости от двоичного кода на его m адресных входах (рис. 25, д).

Демультиплексор выполняет функцию, обратную мультиплексору.

В зависимости от количества элементов на одном кристалле говорят о разной степени интеграции ИМС. Большая интегральная микросхема (БИС) содержит на одном кристалле (в одном корпусе) несколько миллионов элементов и выполняет функции сложных устройств. Она является функционально законченным изделием.

БИС, в состав которой входят как минимум основные узлы процессора: арифметико-логическое устройство (рис. 25, е), дешифратор команд и устройство управления, называется микропроцессором. В него могут входить и другие блоки, расширяющие возможности микропроцессора. Микропроцессор служит для логической обработки, хранения и преобразования данных. Он является универсальным по своим возможностям полупроводниковым устройством и его можно применять в системах управления сложными устройствами.