уСТРОЙСТВО транзистора: При нагревании до 500⁰С индий (In) плавится, проникает в германий (Ge) и создает p-области. На рисунке 16 обозначены:

Э – эмиттер;

К – коллектор;

Б – база.

21) Принцип включения:

p-n переход база- эмиттер всегда включается в прямом направлении, база-коллектор в обратном.

Схема включения и работа

Рис.19

1. цепь б-э разомкнута (Iэ=0) следовательно Iк=Iк₀ – очень мал т.к. это ток обратного включения p-n-перехода.

2. цепь б-э замкнута (Iэ ≠0). Под действием источника Е1 дырки из эмиттера входят в базу и за счет диффузии доходят до коллекторного перехода, где мощное поле источника Е2 втягивает их в коллектор, создавая ток коллектора, поэтому Iэ=Iк+Iб, при чем Iб<<Iк – т.к. база мала по размерам, с малой концентрацией примеси.

Основное свойство Б.Т.

Ток эмиттера I_Э, а значит и Iк и Iб заметно зависит от напряжения Uб-э.

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0.9 ÷ 0.999.

Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 ÷ 1000).

Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

22) Три схемы включения б.Т.

Входная и выходная цепь имеет 2+2=4 вывода, а контактов у транзистора – 3, следовательно, один вывод при включении будет общим. Существует три схемы включения биполярного транзистора:

• схема включения БТ с общей базой (ОБ);

• схема включения БТ с общим коллектором (ОК);

• схема включения БТ с общим эмиттером (ОЭ).

Для всех схем включения:

Ток, проходящий через источник входного напряжения, называется входным током - Iвх, а ток, проходящий через Rн называется выходным током - Iвых.

Рассмотрим свойства схем включения.

1. Схема включения БТ с общей базой (ОБ)

Рисунок 20 – Схема с ОБ и распределение тока в ней

В схеме с ОБ:

1. Iвх=Iэ, Iвых=Iк. Iвх ≥ Iвых, следовательно схема с ОБ не усиливает ток;

2. Uвх≈Е1, Uвых≈Е2, при Е2>>E1, следовательно Uвых>>Uвх. Схема с ОБ заметно усиливает напряжение до 100 раз;

3. Iвх = Iэ – наибольший ток, следовательно входное сопротивление наименьшее в схеме с ОБ (до 100 Ом для маломощных транзисторов);

4. Два разных источника напряжения питания;

5. Хорошие температурные и частотные свойства (f_гр – наибольшая).

1. Схема включения БТ с общим коллектором (ОК)

Рисунок 21- Схема с ОК и распределение тока в ней

Схема с ОК:

1. Iвх=I_Б, Iвых=I_Э. Iвх <<Iвых, следовательно схема с заметно усиливает ток до 100 раз.

2. Uвых ≤ Uвх т.к. Uвх через открытый p-n-переход Б-Э действует в нагрузке, схема с ОК повторяет напряжение на выходе.

3. В схеме с ОК Rвх наибольшее (до 10 кОм) т.к. ток входа идет через закрытый p-n переход Б-К.

4. Схему с ОК называют эмиттерный повторитель, т. к. нагрузка включается к эмиттеру и схема повторяет U_вх на выходе.

3. схема включения БТ с общим эмиттером (ОЭ)

+ -

Схема с ОЭ:

1. Iвх=Iб, Iвых=Iк, следовательно Iвых>>Iвх., значит: схема с ОЭ заметно усиливает ток до 100 раз;

2. Uвх ≈ Е1, Uвых ≈ Е2, следовательно, при Е2>>E1 → Uвых>>Uвх. Схема с ОЭ заметно усиливает напряжение до 100 раз;

3. Значит схема с ОЭ больше других усиливает мощность до 10000 раз, поэтому чаще других применяется в усилителях;

4. Можно обойтись одним источником питания.

Характеристики транзисторов

Характеристика любого прибора показывает связь двух или более параметров.

Для БТ различают два вида характеристик:

1. Входная характеристика I₁=f (U₁), при U₂=const,

для схемы с ОЭ:

Iб= f (U_бэ), при Uкэ=const – это зависимость тока базы от Uбэ при Uкэ постоянном.

U_КЭ≠0

При Uкэ≠0 в цепи базы проходит дополнительный ток I_Б0 за счет Е2, направленный против основного тока базы и уменьшающий его. Поэтому характеристика смещена в право.

2. Выходная характеристика.

I₂=f (U₂), при I₁=const

для схемы с ОЭ: Iк=f (Uкэ), при Iб – const

Пример выходной характеристики

Рис.24

Iк почти не зависит от напряжения к-э, т.к. это ток обратного включения p-n перехода. Iк заметно зависит от Iб.

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, которые соответствуют определенному состоянию транзистора.

I – область отсечки – оба p-n перехода закрыты.

II – область насыщения – оба p-n перехода открыты.

III – активная область - p-n переход б-э открыт, б-к закрыт.

Параметры транзисторов

Система h параметров

1. h₁₁=∆U₁/∆I₁, при U₂ – const

h₁₁ – входное сопротивление (Rвх) [Ом], для схемы с ОЭ: h_11оэ=∆Uбэ/∆Iб, при Uкэ= const

2. h₁₂=∆U₁/∆U₂, I₁-const - коэффициент обратной связи по напряжению,

Для схемы с ОЭ: h_12оэ=∆Uбэ/∆Uкэ, Iб=const

3) h₂₁=∆I₂/∆I₁, U₂-const - коэффициент передачи тока (для ОБ h_21ОБ=α, для ОЭ h_21ОЭ = β),

Для схемы с ОЭ: h_21оэ=∆I_K/∆I_Б, U_КЭ=const

4) h₂₂=∆I₂/∆U_2, I₁-const - выходная проводимость транзистора, измеряется в [См] (сименс).

Для схемы с ОЭ: h_22оэ=∆I_K/∆U_КЭ, I_Б=const

Кроме h-параметров в справочниках указывают предельное, допустимое значение: Uбэ_мах, Uкэ_мах, Uкб_мах, Iб_мах, Iк_мах, I_{Э max}.

Наибольшая мощность рассеивания на коллекторе - P_{к мах}. – транзистор может рассеивать такую мощность не перегреваясь.

Граничная частота f_гр – это частота, при которой h_21оэ=1.

Обычно транзисторы используются на частоте 0,1*f_гр.

f_{гр ОБ} > f_{гр ОК} > f_{гр ОЭ}

₂₃₎ Одноперехо́дный транзи́стор (двухбазовый диод, ОПТ) — полупроводниковый прибор с тремя электродами и одним p-n переходом. Однопереходный транзистор принадлежит к семейству полупроводниковых приборов с вольт-амперной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

24) Полевые транзисторы

Полевой, униполярный, канальный транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлено движением основных носителей заряда в канале, управляемый электрическим полем затвора.

Принцип включения:

И-С включается так, что бы основные носители в канале двигались от И к С; p-n переход З-И всегда включается в обратном направлении.

Работа транзистора

В полевых транзисторах с управляющим переходом (ПТУП) для изменения проводимости канала используется эффект изменения ширины области пространственного заряда (ОПЗ) обратно смещенного перехода при изменении приложенного к нему напряжения затвора. На рисунке 25а показана конструкция n - канального транзистора, в котором для управления используется обратносмещенный p⁺n переход

Поскольку ОПЗ обладает высоким сопротивлением, то при увеличении ширины ОПЗ сечение канала уменьшается и его сопротивление возрастает. Самое низкое сопротивление канала и, соответственно, самый большой ток через него будет при нулевом напряжении на затворе (Uзи = 0), затем по мере увеличения ширины ОПЗ при возрастании Uзи и, соответственно, уменьшении сечения канала ток будет падать и при некотором напряжении отсечки Uотс канал полностью перекроется и ток через него перестанет возрастать. Соответствующие вольтамперные характеристики ПТУП приведены на рисунке 26.

Основное свойство:

Iст=Iк заметно зависит от Uз-и

Покажем эту зависимость на стоко-затворной характеристике

Виды и УГО

1. П.Т. с затвором в виде p-n перехода и каналом n-типа

Рис.27

2. П.Т. с затвором в виде p-n перехода и каналом p-типа

Рис.28

25) Тиристор – полупроводниковый прибор, имеющий три p-n-перехода и три вывода: анод (А), катод (К), управляющий электрод (Уэ).

Анод – это вывод крайней «p1»-области;

*Катод-это вывод крайней «n2»-области;

*Управляющий электрод-это вывод средней области.

+

Принцип включения:

На аноде (А) плюс на катоде (К) минус – прямое включение (Uпр.); p-n-переход управляющего электрода (Уэ) включается в прямом направлении.

Работа

а) Ключ S разомкнут, Uпр увеличивается от 0 до Uвкл., при этом p-n-переходы П₁, П₃ – открытый (прямое включение), П₂ – закрытый (обратное включение), поэтому ток нагрузки Iн = Iа (ток анода) очень мал – тиристор закрыт.

б) Ключ S – разомкнут, при Uпр = Uвкл, происходит пробой p-n-перехода П2, Iн определяется Rн – тиристор открывается.

в) Ключ S замкнут, под действием источника Еу электроны из области n2 входят в область p2 и способствуют пробою p-n-перехода П₂. В результате тиристор открывается при меньшем напряжении включения.

Чем больше ток управления Iу, тем Uвкл меньше.

Основное свойство тиристора:

Тиристор имеет три устойчивых состояния:

1. При обратном включении (А «-», К «+») тиристор всегда закрыт;

2. При прямом включении, если U пр. увеличивается от 0 до U вкл., тиристор закрыт;

3. При U пр.= U вкл. тиристор открывается.

Тиристор закрывается, если ток анода Iа станет меньше тока удержания (Iа < Iа уд).

Например, тиристор закрывается при Uа = 0.

Тиристоры применяются:

• в качестве бесконтактных реле;

• в управляемых выпрямителях (регулирует I и U);

• в тиристорных приводах управляющих работой электрических двигателей;

• в инверторах – преобразователях постоянного тока в переменный ток и наоборот.

Виды и уго тиристоров (условные графические обозначения)

1. незапираемый тиристор с управлением по катоду

Рис.41

2. незапираемый тиристор с управлением по аноду

Рис.42

3. Запираемый тиристор с управлением по катоду

Рис.43

4. Запираемый тиристор с управлением по аноду

Рис.44

5. Тиристор без управляющего электрода - динистор

Рис.45

6. Симметричный тиристор – симистор

Рис.46

Симистор – проводит одинаково ток и при прямом и при обратном включении, в отличии от тиристора который выпрямляет ток.

Симистор

   Симистор - полупроводниковый прибор, который широко используется в системах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно он может рассматриваться как управляемый выключатель. В закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симистора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.

   При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.

   Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные

26) Оптрон-это прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения.

Цепь источника излучения называется входной, цепь фотоприемника называется выходной.

Принцип включения: в качестве источника излучения чаще всего ставят светодиод, который включается в прямом направлении. Схема включения фотоприемника зависит от его вида.

Основное свойство оптрона

У оптрона отсутствует электрическая связь между входной и выходной цепью, так же отсутствует обратная связь.

Поэтому оптроны называют приборами гальванической развязкой.

Оптроны применяют для передачи управляющих воздействий из одной цепи в другую, значительно отличающихся по U и по мощности.

Виды и уго оптрона

Оптроны различаются по фотоприемнику.

Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Условное графическое обозначение диодной оптопары показано на рисунке а:

Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

2) Резисторный оптрон

Рис.48

3) оптрон c фотоварикапом

Рис.49

4) Тиристорный оптрон

Рис.50

5)Оптрон с фототранзистором без вывода базы

Рис.51

5.1) Оптрон с фототранзистором с выводом базы

Рис.52

27) Приборы и устройства индикации:

Большую часть информации об окружающем мире человек получает через органы зрения. Развитию индикаторов уделяется особое внимание.

Индикатор- это прибор преобразующий информацию к виду удобному для зрительного восприятия.

Классификация индикаторов:

Индикаторы различаются по явлению люминесценции в основе работы.

1. Вакуумные покалываемые индикаторы – свечения тел накалов в вакууме.

2. Вакуумные накаливаемые индикаторы – явление низковольтной катодно-люминесцентной

3. Газоразрядные индикаторы – свечение газа при электрическом разряде в нем.

4. Полупроводниковый индикаторы – излучение при рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике.

5. электролюминесцентные индикаторы – предпробойная электролюминесценция в диэлектрике

6. Ж.К.И. – оптический эффект в жидком кристалле.

   2. Газоразрядный индикатор

Существует три типа газоразрядных индикаторов:

1. одиночные газоразрядные индикаторы

2. цифровые газоразрядные индикаторы

3. сегментные газоразрядные индикаторы

УГО и схема включения

Рис.53

Роль добавочного резиcтора (Rдоб):

С точки зрения силы тока Rдоб ограничивает ток цепи, чтобы I=U/ Rдоб не превышал допустимого значения для лампы. С точки зрения напряжения Uзажиг>>Uраб, U_R=Uзажиг – Uраб , Rдоб= U_R/I_ном

При подаче напряжения U, пока нет разряда в лампе, все напряжение приложено к лампе, т.к. её сопротивление велико. При возникновении разряда (U загл.) в цепи идет ток и в результате создается падение напряжения.

Ur = I *R добав.

1. 28) Усилитель – это прибор, позволяющий увеличить амплитуду тока, напряжения, мощности, входных электрических колебаний за счет электрической энергии источника питающего усилитель.

Общая структурная схема усилителя

Рис.1

Общая точка – это проводник в цепи, относительно которого подаются и снимаются Uвх, Uвых, Uпит. и все измеряемые напряжения.

АЭ – активный элемент – элемент, сопротивление которого заметно зависит от входного напряжения.

+Е – это «+» ЭДС источника питания. В этом примере “–“ источника питания обязательно соединен с общей точкой.

Работа схемы

R, АЭ образуют на схеме делитель напряжения.

Рассмотрим делитель напряжения на примере двух резисторов.

I

U₂ = I·R₂ = (U/(R₁+R₂)) · R₂ =U/(R₁/R₂+1) (1)

В структурной схеме в соответствии с формулой (1) получаем:

U_вых = (E/(R+R_АЭ)) · R_АЭ = E/((R/R_АЭ)+1) (2),

Следовательно, если E, R = const, то U_вых однозначно зависит от R_АЭ, поэтому E, R = const являются условием усиления сигнала без искажения.

Вся электронная аппаратура питается от источников постоянного тока стабилизированного напряжения.

В данной схеме при E, R = const изменение Uвх вызывает изменение R_АЭ, соответственно изменяется Uвых.

Если R=0, то Uвых = Е и не зависит от Uвх, т.е. без резистора R не образуется делитель напряжения.

2. Классификация усилителей:

1. По частоте:

   1. 1.1 Усилители низкой частоты (УНЧ) - усиливают частоты до 100 кГц;

   2. 1.2 Усилители высокой частоты (УВЧ) - работают от 100 кГц до 300 МГц;

   3. 1.3 Усилители сверхвысоких частот (УСВЧ) - усиливает частоты до 3ГГц.

2. По усиливаемой величине:

   1. 2.1 Усилители тока;

   2. 2.2 Усилители напряжения;

   3. 2.3 Усилители мощности.

Усилитель

Рассмотрим соотношение сопротивлений источника и нагрузки:

Рис.4

1. R_н << r_вн - условие передачи наибольшего тока в нагрузку;

2. R_н >> r_вн - условие передачи наибольшего напряжения в нагрузку;

3. R_н = r_вн - условие передачи наибольшей мощности в нагрузку.

2.1 Для усилителей тока выполняется:

R_вх.ус << R _ист.вх

R_н << R_вых.ус

2.2 Для усилителей напряжения:

R_вх.ус >> R _ист.вх

R_н >> R_вых.ус

3. Для усилителей мощности:

R_вх.ус = R _ист.вх

R_н = R_вых.ус

Чаще всего реализуется R_вх.ус >> R _ист.вх и R_н = R_вых.ус

Согласование сопротивлений обязательно для усилителя.

3. По числу каскадов:

1. 3.1 Однокаскадные усилители

2. 3.2 Двухкаскадные усилители

3. 3.3 Многокаскадные усилители

Каскад усиления – это часть схемы, которая может усиливать сигнал, не зависимо от других элементов.

1. По элементам связи между каскадами:

1. 4.1 усилители с резистивно-емкостной связью;

2. 4.2 усилители с трансформаторной связью;

3. 4.3 усилители с непосредственной связью по постоянному току;

4. 4.4 усилители с оптронной связью.

2. Специальные усилители:

8. 5.1 Широкополосные усилители – имеют достаточно большой интервал усиливаемых частот;

9. 5.2 Узкополосные усилители – имеют узкий диапазон усиливаемых частот;

10. 5.3 Усилители постоянного тока, дифференциальные усилители, операционные усилители.

3. Основные параметры усилителей

   1. Коэффициент усиления:

1. Коэффициент усиления по напряжению

K_U=U_{вых m} / U_{вх m} = U_вых / U_вх , (1)

где U_{вых m} , U_{вх m} - амплитудное, U_вых , U_вх - действующее напряжение.

2. Коэффициент усиления по току

K_I=I_{вых m} / I_{вх m} = I_вых / I_вх (2)

3. Коэффициент усиления по мощности

K_P = Р_вых/Р_вх = K_U ·K_I (3)

Коэффициент усиления напряжения (K_U) показывает во сколько раз Uвых больше Uвх.

Кроме относительных единиц измерения полученных по формулам (1,2,3) существуют логарифмические единицы измерения – называемые дециБелы:

K_U (дБ) = 20 lg K_U

K_I (дБ) = 20 lg K_I

K_P (дБ) = 10 lg K_P

Например:

Выражение Ku в дБ связано с тем, что ухо человека реагирует на звуковые колебания в соответствии с логарифмическими законами. Свое название децибел получил в честь Александера Грейама Белла — изобретателя телефона.

2. Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания по частоте) – это интервал частот, для которых изменение коэффициента усиления Ku не превышает √2 раз.

Диапазон усиливаемых частот удобно показывать и определять по амплитудно-частотной характеристике (АЧХ)

АЧХ – это математическое или графическое представление зависимости коэффициента усиления от частоты.

АЧХ → Ku = f (F)

Пример АЧХ усилителя:

Рис.5

√2 раз взят, потому что при изменении тока в телефоне в √2 раз и менее, человеческое ухо не фиксирует изменения громкости.

Искажение сигнала при усилении

Непрямолинейность АЧХ говорит о наличии частотных искажений.

Частотное искажение – это различный коэффициент усиления для разных частот.

Частотные искажения обусловлены реактивными сопротивлениями цепей.

X_с = 1/(2πfC)

X_L = 2πfL

Частотные искажения характеризуются коэффициентом частотных искажений:

M_F=K_U0/K_UF,

где K_U0 – коэффициент усиления на частоте F0;

K_UF - коэффициент усиления на частоте F.

Частотные искажения называются линейными искажениями, поскольку они вызываются линейными элементами L и С. Эти же элементы вызывают фазовые искажения сигнала при усилении.

Фазовые искажения – это различный сдвиг фаз Uвых от Uвх при разных частотах.

Существуют нелинейные искажения, они обусловлены нелинейными элементами цепи (пример – полупроводниковые приборы). Нелинейные элементы вызывают искажения формы сигнала.

Все виды искажений характеризуются своими коэффициентами.

3. Динамический диапазон входных напряжений удобно определять и показывать на амплитудных характеристиках Uвых m = f (Uвх m) – это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного.

Пример амплитудной характеристики.

D = U_{вх m max} / U_{вх m min} – определение динамического диапазона входных напряжений

U_{вх m max}

4. КПД усилителя

η = Р_вых / Р_ист,

где Р_вых – мощность сигнала на выходе;

Р_ист – мощность выделяемая источником.

29) Режимы работы усилителей

Режим работы усилителя определяет результат усиления, в частности:

1)характер искажений;

2)КПД усилителя.

Режим работы определяется положением рабочей точки на разрешенном участке (М^’N’) нагрузочной прямой.

Режимы работы обозначаются большими буквами A, B, C, D.

Режим А

Рабочая точка выбирается на середине разрешенного участка нагрузочной прямой M’N’

Рис.13

Из графиков видно что в режиме А I_к есть куда увеличиваться и есть куда убывать, поэтому при подаче входного синусоидального сигнала:

1) искажения будут наименьшие,

2)КПД каскада будет мал, т.к. велика постоянная составляющая I_кА.

КПД составляет 30-35 %

Режим В

Рабочая точка выбирается на границе с областью отсечки.

Рис.14

Из графиков следует что:

1. В режиме В I_к может только увеличивается, поэтому искажения очень большие – срезается половина периода входного синусоидального сигнала (см.гр.2);

2. КПД каскада достигает 70-75 % , т.к. I_кА → 0.

Режим С

Рабочая точка выбирается в области отсечки.

Для этого от отдельного источника подается U_бэA, которое закрывает транзистор. Поэтому при подаче входного синусоидального сигнала большая часть периода отсекается, следовательно:

а) искажения сигнала очень большие;

б) КПД еще выше, достигает 90-95 %.

Такой режим называется пороговым.

Режим D (ключевой режим) транзистор находится в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.

См. дисциплину «Импульсная техника».

Рабочая точка (А) – это точка на нагрузочной прямой, соответствующая состоянию покоя схемы.

30) Стабилизация режима работы

Необходимость стабилизации режима работы следует из того, что проводимость полупроводника, а значит и токи в транзисторе заметно зависят от температуры, освещенности, давления, соответственно изменяется положение рабочей точки, т. е. режима работы.

Стабилизация режима работы сводится к стабилизации токов транзистора, например тока эмиттера.

Схема усилителя на БТ с эмиттерной температурной стабилизацией –

(схема № 3).

I_д

Роль R_э:

При U_вх = 0 в R_э проходит I_эА (постоянная составляющая тока эмиттера).

Из схемы следует:

I_д·R₂ = U_бэА + I_эA·R_э при параллельном соединении R₂ и R_э,БЭ

U_бэA = I_д·R₂ – I_эA·R_э (1)

Пример:

С ростом температуры I_эA увеличивается.

Из (1) следует, что U_бэA уменьшается – из основного свойства транзистора следует, что I_э не может расти, значит R_э исключает любое изменение I_э.

Роль Cэ

С_э обеспечивает прохождение i_э (переменная составляющая тока эмиттера) минуя Rэ, если Х_Сэ << R_э. Х_Сэ=1/(2πfC_э) – емкостное сопротивление.

Поэтому i_э (входной сигнал) заметно усиливается.

Расчет Rэ:

Выбираем U_Rэ = (0,1÷0,3)E_к – падение напряжения в R_э.

R_э = U_Rэ/I_эA = U_Rэ/(I_бA+I_кA)

Расчет Сэ:

1 / (2π f_н С_э) = R_э / (3÷5)

С_э = (3÷5) / ( 2π f_н R_э), где f_н – низшая частота сигнала, Гц в нашем примере f_н=100Гц;

R_э, Ом;

С_э, Ф

Уточненный расчет R1, R2 для схемы №3:

R’₁ = (E_к – U_бэА – U_Rэ) / (I_д + I_бА)

R’₂ = (U_бэА+ U_Rэ) / I_д

1. 32) МУ применяется, когда один каскад не обеспечивает заданного коэффициента усиления.

Ku = Ku₁ · Ku₂ ·…· Ku_n

где Ku – коэффициент усиления всего усилителя;

Ku₁- коэффициент усиления 1 каскада… т. д.

Ku(Дб) = Ku₁(Дб) +Ku₂(Дб) +…+ Ku_n(Дб)

Элементы связи между каскадами должны обеспечить:

1. Согласование сопротивлений Rвых1 и Rвх2;

2. Наименьшее искажение сигнала;

3. Малую потерю напряжения сигнала.

1. 33) Обратная связь (ОС) – это дополнительная цепь, через которую часть энергии с выхода усилителя поступает на его вход.

Виды ОС:

1. По элементам образующим ОС:

   1. 1.1 Внешняя ОС – создается дополнительными элементами;

   2. 1.2 Внутренняя ОС – образуется в элементах (основных)

Например С_к (емкость коллекторного перехода соединяет коллектор с базой)

2. По виду элементов ОС:

   1. 2.1 Пассивная ОС – образуется R, L, C

   2. 2.2 Активная ОС – создается или транзисторами или операционными усилителями.

3. По способу получения напряжения ОС - U_ос:

   1. 3.1 ОС по напряжению: признак U_ос ~ U_вых

β

Рис.22

2. 3.2 ОС по току: признак U_ос ~ I_н

β

Рис.23

Правило: если мысленно отключить нагрузку и U_ос = 0, то это ОС по току.

4. По способу подачи U_ос на вход:

   1. 4.1 Параллельная обратная связь (см.пример 3.1)

   2. 4.2 Последовательная ОС (см.пример 3.2)

5. По соотношению фаз U_ос и U_вх:

   1. 5.1 Положительная ОС – признак: U_ос совпадает по фазе с U_вх и увеличивает его, следовательно, Ku↑.

   2. 34) Задача каскада предварительного усиления состоит в максимальном увеличении подводимого к нему электрического сигнала без внесения в него частотных и нелинейных искажений, а также дополнительных составляющих, отсутствующих в подводимом сигнале (фон, наводки). Для усилителей низкой частоты радиовещательной аппаратуры частотный диапазон лежит в пределах от 40 до 16 000 гц. В этом диапазоне предварительное усиление сигнала без частотных искажений для усилителей на лампах выполнить несложно, для усилителей на транзисторах - несколько труднее. В предварительных усилителях частотные искажения в области низших частот вызываются недостаточной емкостью переходных конденсаторов и малым входным сопротивлением следующего каскада. Искажения в области высших частот возникают из-за больших емкостей монтажа, больших сопротивлений нагрузки каскада и паразитных отрицательных обратных связей через монтаж и цепи питания.

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико (однако оно меньше, чем входное сопротивление истокового повторителя), а выходное — мало.

Выходные каскады – это как правило усилители мощности.

В выходных каскадах как правило проходят большие токи, поэтому КПД выходного каскада определяет КПД усилителя. Для выходных каскадов также необходимо выполнить требования – как можно меньшие искажения сигнала.

Выполнение этих требований возможно в схемах:

1. Усилители с трансформаторным включением нагрузки в режиме А.

2. В двухтактных схемах с трансформаторным включением нагрузки в режиме А-В близком к В.

3. В двухтактных схемах с безтрансформаторным включением нагрузки в режиме А-В близком к В.

Двухтактная схема выходного каскада с трансформаторным включением нагрузки.

3

35)

Усилитель постоянного тока (УПТ) — электронный усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту (постоянный ток).

На верхнюю границу частотного диапазона усилителя никаких ограничений не накладывается, то есть она может находиться в области очень высоких частот. Таким образом, термин УПТ можно применять к любому усилителю, способному работать на постоянном токе.

Дифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевыми или баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов^[1][2].

36) Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционный усилитель изначально был спроектирован для выполнения математических операций (отсюда его название), путём использования напряжения как аналоговой величины. Такой подход лежит в основе аналоговых компьютеров, в которых ОУ использовались для моделирования базовых математических операций (сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т. д.). Однако идеальный ОУ является многофункциональным схемотехническим решением, он имеет множество применений помимо математических операций. Реальные ОУ, основанные на транзисторах, электронных лампах или других активных компонентах, выполненные в виде дискретных или интегральных схем, являются приближением к идеальным.

37) Логические элементы — устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого — «1» и низкого — «0» уровней в двоичной логике, последовательность «0», «1» и «2» в троичной логике, последовательности «0», «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7», «8» и «9» в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

39) Микроэлектроника – это наука и область электроники, которая осваивает вопросы исследования, конструирования, изготовления, применения микроэлектронных устройств.

Существуют два направления развития микроэлектроники:

1. Интегральная микроэлектроника – рассматривает электронные устройства как совокупность интегральных микросхем, состоящих из отдельных элементов, соединенных по заданной схеме.

2. Функциональная микроэлектроника основана на использовании физических явлений обеспечивающих несхематические принципы работы приборов и устройств.

Основные понятия интегральной микроэлектроники.

1. Интегральная микросхема (ИМС, ИС) – это конструктивно законченное миниатюрное изделие, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигнала.

1. Классификация микросхем:

1. По степени интеграции:

1. К=1 (до 10 элементов) – простые интегральные микросхемы

2. K=2 (от 10 до 100 элементов) – средние интегральные микросхемы

3. К=3 (от 100 до 1000 элементов) – большие интегральные микросхемы

4. К≥4 (более 1000 элементов) – сверхбольшие интегральные микросхемы(СБИС)

2. По технологии изготовления:

2.1 полупроводниковые (п/п) интегральные микросхемы (ИМС) – все элементы и межэлементные соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводника;

2.2 пленочные ИМС – все элементы и межэлементные соединения выполняются в виде пленок различных веществ;

2.3 гибридные ИМС – активные элементы – п/п технология; пассивные элементы – пленочная технология или многокристальные микросхемы.

3. По применению:

1. 3.1 цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) – применяются для обработки импульсных, дискретных сигналов;

2. 3.2 Аналоговые ИМС – предназначены для обработки непрерывных сигналов.

Маркировка ИМС содержит 5 элементов:

1. Одна или две буквы. Они обозначают материал и конструктивное оформление корпуса и применение.

К – микросхема широкого применения

Без К – специального назначения.

Р – пластмассовый корпус

М – керамический или металлокерамический корпус

Е – металлополимерный корпус

А – пластмассовый планарный корпус

41) Гибридные интегральные микросхемы (гис)

(см. «Классификация микросхем»)

Различают 2 вида ГИС по толщине пленки:

1. Тонкопленочные;

2. Толстопленочные.

Тонкие пленки (1-2 мкм) изготавливают вакуумным напылением.

Толстые пленки (от нескольких мкм до сотен мкм) изготавливают нанесением пасты с последующим вжиганием.

Применяемые материалы для пленок:

1. Проводники – серебро, алюминий, золото;

2. Резисторы – тантал, хром и их сплавы;

3. Конденсаторы тантал - оксид-тантал;

4. Катушки индуктивности – до 3 мкГн – выполняют в виде спирали Архимеда.

Особенности гис по сравнению с п/п:

1. Сравнительно большие размеры, большее потребление энергии;

2. Проще конструкция, простота проектирования и изготовления, меньше стоимость, следовательно, процент годности 60-80%

3. Большой выбор материалов позволяет изготовить микросхемы с заданными параметрами.

42) Особенности бис, сбис:

1. многослойные соединения позволяют из одного и того же базового кристалла, в котором создано большое число одинаковых элементов, меняя топологию металлических соединений можно создавать различные по функциональным возможностям БИС, СБИС.

2. При создании БИС и СБИС широко применяют функционально интегрированные элементы, которые делятся на три группы:

1. совмещение областей различных активных элементов

2. совмещение пассивных элементов с базовыми или коллекторными областями транзистора.

3. Совмещение областей транзистора с различной структурной проводимостью.

Рис.38

Например:

Кроме БИС функции, которых определяются схемой межэлементных соединений (жесткая логика) создаются также комплекты БИС функции которых задаются программой (мягкая логика), такие комплекты называют микропроцессорными комплектами.

Универсальность микропроцессорного комплекта определяется количеством машинных команд, которые они выполняют.

Что дает применение БИС

1. Увеличение функциональных возможностей аппаратуры. Саморемонт – т.е. создаются резервные блоки и при обнаружении ошибки (неисправности) отключается неисправный блок и включается резервная часть.

2. Уменьшается количество паяных соединений, следовательно, многократно возрастает надежность аппаратуры.

3. Уменьшение габаритов, массы, энергопотребления.

1. 43) Кварцевый резонатор – это пьезоэлемент на основе кварца. Кварцевый резонатор кроме гигантской добротности обладает высокой стабильностью собственных колебаний, поэтому кварцевые резонаторы применяются в цепи обратной связи автогенератора для стабилизации частоты.

1. Пьезоэлектрики – это вещества, в которых наблюдается пьезоэффект.

2. Пьезоэлемент – это плоский конденсатор на основе пьезоэлектрика.

3. УГО

   Рис.39

4. 

1. 44) ЦИМС или логические микросхемы предназначены для выполнения разнообразных логических функций; запоминания информации и ряда других операций в совокупности обеспечивающих возможность построения отдельных блоков ЭВМ.

Наибольшее распространение получили ЦИМС на биполярных и полевых МДП транзисторах.

Классификация:

1. По виду сигнала:

1. импульсные цифровые микросхемы, имеют динамические входы и реагируют только на изменение входных напряжений:

1. от 0 к 1 – прямой динамический вход

2. от 1 к 0 – инверсный динамический вход

1. потенциальные ЦИМС, имеют статические входы и реагируют на наличие 0 или 1:

1. рабочее напряжение 1 – прямой статический вход

2. рабочее напряжение 0 – инверсный статический вход

3. импульсно-потенциальные цифровые микросхемы – имеют как статические, так и динамические входы.

2. По типу основной логической схемы:

2.1) ЦИМС ТТЛ- транзисаторно-транзисторная логика.

2.2) ЦИМС ЭСЛ - эмиттерно-связаная логика

2.3) ЦИМС КМДП; “n”-МДП; “p”-МДП

2.4) ЦИМС И²Л

3. По типу используемых транзисторов:

3.1) ЦИМС на биполярных транзисторах;

3.2) ЦИМС на полевых транзисторах.

2. Основные параметры ЦИМС:

Основные параметры являются общими для всех существующих и возможных в будущем логических микросхем. Они позволяют сравнить между собой ЦИМС различных типов.

Параметры ЦИМС:

1. реализуемая логическая функция – в маркировке две буквы (группа, подгруппа)

2. нагрузочная способность микросхем – это свойство характеризуется коэффициентом разветвления по выходу – это максимальное число однотипных входов микросхем, которые можно подключить одновременно к данному выходу микросхем.

3. Коэффициент объединения по входу (Коб, m) – характеризует нагрузочную способность микросхемы по входу – это наибольшее число однотипных выходов, которые можно подключить одновременно к данному входу. Как правило, Коб бывает до 10.

4. Среднее время задержки при передаче сигнала в микросхеме t_{задержки среднее} = (t¹⁰_зад.+t⁰¹_зад.)/2

t¹⁰_зад. – перепад напряжения от 1 к 0

t⁰¹_зад. – перепад напряжения от 0 к 1

Быстродействие также характеризуется предельной рабочей частотой f_пр – это наибольшая частота следования импульсов на входе при котором еще сохраняется работоспособность микросхем f_пр=1/t_зад.ср.

45) Примеры серий:

133 и К155 – стандартные ТТЛ;

130 и К131 – повышенного быстродействия;

134 и 530 – микромощные;

К 531 – с диодами Шотки.

3. Особенности микросхем ЭСЛ

Эти микросхемы представляют собой транзисторные переключательные схемы с объединенными эмиттерами на основе дифференциальных усилителей.

Микросхемы ЭСЛ самые быстродействующие (см. таблицу параметров), но потребляют наибольшую мощность для своей работы. В микросхемах ЭСЛ «+» питания в общей точке, поэтому уровень 0 (по напряжению), уровень 1, и все остальные напряжения в справочниках приводятся со знаком «–»

Примеры серий: 137, 100, К500, К 1500, и т.д.

4. Особенности микросхем КМОП, КМДП - эти микросхемы выполняются на комплиментарных (К) полевых транзисторах с изолированным затвором (О или Д) и встроенным или индуцируемым каналом (П). (повторить «Выходные Безтрансформаторные каскады»).

Микросхемы КМОП имеют:

1) наименьшую потребляемую мощность;

2)самую высокую помехоустойчивость;

3) работоспособность сохраняется в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 вольт;

4) высокая нагрузочная способность;

5) малая генерация помех;

6) самое низкое быстродействие.

Примеры серии: К176, К561, К564, К565, К568, К801 и т.д.

5. Особенность микросхем И²Л

Структура проводимости и схема базового логического элемента И²Л показана на рисунке 53 и 54.

Рисунок 54 - Схема базового логического элемента И²Л

Эти микросхемы называют с интегральной инжекционной логикой т.к. в кристалле совмещены б₁ и э₂; б₂ и к₁ – поэтому называют интегральной логикой.

VT1 выполняет роль инжектора тока. При работе схемы I₀=const, величина тока не меняется, меняется его направление.

Например X=0, вход соединен с общей точкой, I₀ проходит К1→входная цепь, VT2 закрыт, на свободных коллекторах самый большой «+». Y₁ = Y₂ = Y₃ = 1. Если на входе 1, значит вход соединен с «+» питания с резистором 1 кОм, следовательно, VT2 открыт, I₀ проходит к₁-б₂-э₂, на свободных коллекторах наименьшее напряжение = 0. Y₁ = Y₂ = Y₃ = 0. Выполняется логическая функция 3НЕ.

VT1 всегда открыт и может служить инжектором для нескольких подобных цепей.

Особенность микросхем И²Л:

1. I₀=const обеспечивает довольно хорошее быстродействие микросхем И²Л;

2. низкое напряжение питания, малая потребляемая мощность;

3. высокая степень интеграции за счет объединения (совмещения) областей транзисторов позволяет реализовать БИС и СБИС;

4. малая генерация помех;

5. низкая помехоустойчивость;

6. невозможность непосредственного сопряжения с другими типами логик.

1. 46) Аналоговые микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции от времени, причем выходная информация, как правило, сходна по форме с входным сигналом. АИМС по этой причине называют линейными интегральными микросхемами.

Классификация:

АИМС различают по выполняемым функциям. Примеры:

1. Многоцелевые усилители – как правило, широкополосные. Наибольшее распространение получили ОУ, которые выполняют роль базового универсального элемента для многих аналоговых узлов.

2. Компараторы напряжений - сравнивают входные сигналы и выдают результат в цифровой форме.

3. Ограничители сигналов – изменяют форму сигнала.

4. Перемножители – осуществляют перемножение двух аналоговых сигналов. (модуляция, преобразование частоты, детектирование)

5. Электрические фильтры

6. Стабилизаторы напряжений или тока

7. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

АИМС даже одной серии имеют различною схемотехнику, например, серия К174- включает более 20 типов микросхем.

АИМС не имеют общих параметров для всех типов микросхем.

₅₃₎ Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами.

54) Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит обратную операцию.

Звуковой ЦАП обычно получает на вход цифровой сигнал в импульсно-кодовой модуляции (англ. PCM, pulse-code modulation). Задача преобразования различных сжатых форматов в PCM выполняется соответствующими кодеками.

Итальянский математик Фибоначчи сформулировал задачу наименьшего числа гирь целочисленного веса для взвешивания грузов наибольшего диапазона на рычажных весах, которая стала известна под названием задача о гирях^[4] (задача Баше — Менделеева). Фибоначчи пришёл к выводу, что, при взвешивании с разрешением класть гири только на одну чашу весов, наименьшее число гирь получается при выборе весов гирь из ряда 1, 2, 4, 8, 16,… (степени 2), что соответствует весам разрядов в двоичной системе счисления; при взвешивании с разрешением класть гири на обе чаши весов, наименьшее число гирь получается при выборе весов гирь из ряда 1, 3, 9, 27, 81,… (степени 3, последовательность A000244 в OEIS) что соответствует весам разрядов в троичных системах счисления^[5].