Физические основы электроники. Кириллов Ю.В., Кошелев А.Г

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

Ю.В. Кириллов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

Воронеж 2002

УДК

Кириллов Ю.В. Физические основы электроники: Учеб. пособие/ Ю.В. Кириллов/. Воронеж: ВГТУ, 2002 .102 с.

В учебном пособии рассматриваются основные принципы построения усилителей постоянного тока, в том числе дифференциальных усилительных каскадов, их принципиальные схемы. Приведены основы работы операционных усилителей. В качестве применения полупроводниковых приборов представлены схемы автогенераторов гармонических колебаний, описание их работы.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» при изучении курса «Физические основы электроники».

Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD 97.0 и содержится в файле «Электроника. rar»

Табл. 5. Ил. 57. Библиогр.: 5 назв.

Научный редактор канд. техн. наук А.Г. Кошелев.

Рецензенты: кафедра электроники Воронежского государственного университета, д-р техн. наук, профессор Ю.А. Цеханов

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

©Кириллов Ю.В.,2002

©Оформление. Воронежский

государственный технический университет, 2002

2

2.7Скорость нарастания выходного напряжения

2.8Влияние параметров ОУ на качество его работы

2.9Типы операционных усилителей

3. Автогенераторы электромагнитных колебаний на транзисторах

3

Введение

Широкое применение электроники в различных областях техники тре-

бует от специалистов глубокие знания принципов работы электронных уст-

ройств. Для этого в учебном плане по специальности 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» предусмотрена дисциплина «Физические основы электроники», в которой предполагается в начале курса изучение работы полупроводниковых прибо-

ров, затем изучение работы электронных устройств. Для изучения работы полупроводниковых приборов рекомендуется существующее учебное посо-

бие Горлов М.И., Кириллов Ю.В. «Физические основы электронных прибо-

ров». Для изучения работы электронных устройств по дисциплине «Физиче-

ские основы электроники» до настоящего времени отсутствовало соответст-

вующее по изложению и содержанию учебное пособие для данной специаль-

ности, поэтому возникла необходимость в его подготовке. Предлагаемое ва-

шему вниманию учебное пособие «Физические основы электроники» пред-

назначено для изучения принципов работы электронных устройств. Приме-

няемые электронные устройства в технике весьма разнообразны, поэтому со-

держание данного учебного пособия определено в соответствии с Государст-

венным стандартом высшего образования по данной специальности. Основ-

ное внимание в пособии уделено изучению усилителей постоянного тока

(УПТ), а также операционных усилителей (ОУ), применение которых наибо-

лее широко в технике для устройств автоматики, в устройствах управления электроприводом, в радиоэлектронике, средствах связи и других технических системах. В пособии рассмотрены принципы построения УПТ, схемы УПТ.

Значительное внимание уделено дифференциальным усилительным каска-

дам. Рассмотрены принципы их работы, основные характеристики, основные расчетные формулы. Приведены схемы дифференциальных каскадов.

Учитывая, что в автоматике, устройствах управления, измерительной технике, радиотехнике, также широко применяются автогенераторы гармо-

4

нических колебаний на полупроводниковых приборах, в пособии рассмотре-

ны основные принципы работы таких автогенераторов, приведены схемы ав-

тогенераторов на биполярных транзисторах.

5

1. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления по-

стоянных по величине, а также медленно меняющихся во времени сигналов.

По способу усиления сигнала различают:

1.УПТ с гальванической связью между каскадами;

2.УПТ на основе балансных и дифференциальных каскадов;

3.УПТ с преобразованием.

1.1.УПТ с гальванической связью между каскадами

ВУПТ с гальванической связью можно использовать только элементы,

параметры которых в рабочей полосе частот не зависят от частоты. В таких усилителях нельзя использовать конденсаторы, трансформаторы и дроссели в цепях межкаскадной связи, можно применять только резисторы, проводники и другие частотно независимые элементы. Т.к. УПТ прямого усиления не со-

держат разделительных и блокировочных конденсаторов большой емкости,

дросселей и трансформаторов, их габаритные размеры могут быть очень ма-

лы, такие УПТ обеспечивают требования миниатюризации в гибридных и твердотельных интегральных схемах. Малогабаритные УПТ на базе инте-

гральных схем используются в качестве звуковых, широковещательных, те-

левизионных систем связи.

В схеме (рис. 1.1.) непосредственно на основе межкаскадной гальвани-

ческой связи напряжение сигнала после усиления предыдущим усилитель-

ным элементом поступает по проводнику на вход следующего усилительного каскада. Практически такой способ связи реализовать весьма сложно, т.к. не-

обходимо предотвратить поступление напряжения питания на вход после-

дующего каскада. Это напряжение питания необходимо компенсировать.

6

лектора третьего транзистора. Делитель напряжения R1, R2 компенсирует па-

дение напряжения, поступающее с Rg2,, обеспечивая постоянное смещение на входе транзистора VТ1 неизменным.

Изменение температуры, напряжения питания, изменение параметров элементов при их старении изменяют положение рабочей точки транзистора

VТ3 и на выходе усилителя появляется постоянное напряжение. Для его компенсации необходимо изменять сопротивление R/1,R/2 для обеспечения нулевого напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Недостатком такого УПТ является отсутствие общего провода между входной и выходной цепями в схеме. Заземление в этой схеме одного из зажимов входной цепи приведет к тому, что под потенциалом относительно земли будет нагрузка.

Если заземлить один из выходных зажимов под потенциалом относительно земли окажется вход, что нежелательно.

Режим работы транзистора определяется как в обычном резисторном каскаде. Коэффициент усиления, частотную характеристику в области верх-

них частот, переходную характеристику определяют для каждого каскада с учетом влияния обратной связи, вносимой резистором Rэ. В ламповых уси-

лителях такая схема неработоспособна, т.к. из-за большого напряжения анод-

катод лампы сопротивление компенсирующего резистора в катоде следую-

щей лампы очень велико, и уже второй каскад не дает достаточного усиле-

ния.

Для устранения перечисленных выше недостатков схемы с непосредст-

венной связью выполняют двухтактной, т.к. при включении стабилизирую-

щих режим резисторов Rэ в общую цепь эмиттера, истока или катода каждого из каскадов местные отрицательные обратные связи по току устраняются и каскады такого усилителя дают полное усиление. Симметричные схемы уси-

лителей постоянного тока с непосредственной связью широко используются в миниатюрных транзисторных усилителях постоянного тока. Для компенса-

ции постоянной составляющей выходного напряжения предыдущего транзи-

стора и обеспечения между базой и эмиттером следующего транзистора тре-

9

буемого напряжения смещения в УПТ прямого усиления используют различ-

ные схемы сдвига уровня.

Простейшая схема сдвига уровня представляет делитель из двух рези-

сторов, питаемых от дополнительного источника постоянного тока ЕДОП. Та-

кая схема сдвига уровня применима в схеме УПТ с потенциометрической межкаскадной связью, изображенной на рисунке 1.3.

Рис. 1.3. Транзисторный УПТ с потенциометрической связью и дополнительным источником компенсирующего напряжения

Эта схема значительно лучше, чем приведенная на рис.1.1. Схема с по-

тенциометрической межкаскадной связью используется как в транзисторном,

так и в ламповом вариантах. В этой схеме входная и выходная цепи имеют общий провод, а питание осуществляется от двух источников постоянного тока — источника питания выходных цепей Е и дополнительного источника компенсирующего напряжения Едоп.

Для стабилизации режима и высокочастотной коррекции возможного подключения в эмиттерной цепи резисторов и конденсаторов можно исполь-

зовать один источник со средней точкой, соединенной с общей точкой, или использовать делитель, подключенный параллельно источнику питания. К

недостаткам потенциометрической схемы следует отнести большое число ре-

зисторов в каскадах и в 1,5 — 2 раза меньший коэффициент усиления по сравнению со схемой с непосредственной связью из-за шунтирования сопро-

тивлений R потенциометрами, кроме того, часть напряжения сигнала теряет-

10