Теоретические основы электротехники и электроники. Практикум

сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродействия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, рекомендуется использовать диоды Шотки с малым падением напряжения. Рекомендуемое значение входного напряжения указывается в справочных данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20...100 мВ. Отказ от отрицательной обратной связи приводит к еще одной особенности применения компараторов напряжения — снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше порогового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и понизиться входное сопротивление. Происходит это по двум причинам: резкое увеличение тока базы транзисторов дифференциального каскада и включение диодов защиты. Основное применение компараторы напряжения находят в устройствах сопряжения цифровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь параллельного типа. Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители. В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента.

Основными недостатками компараторов на операционных усилителях являются: невысокое быстродействие и большое число внешних дискретных элементов. Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5...1,0 мкс. Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная обратная связь, при помощи которой формируется зона гистерезиса.

Аналого-цифровые преобразователи — представляют собой устрой-

ства, предназначенные для преобразования электрических величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и др.) в цифровой код. Наиболее часто входной величиной является напряжение. Все другие величины перед подачей на такой аналого-цифровой преобразователь нужно предварительно преобразовывать в напряжение. Однако на практике находят применение также преобразователи, например, сопротивления или емкости в цифровой код без промежуточного преобразования в напряжение. Обычно это позволяет уменьшить погрешность преобразования, но усложняет проектирование преобразователя и его изготовление. Последнее объясняется тем, что серийные промышленные микросхемы аналого-цифровых преобразователей предназначены только для работы с напряжением. Поэтому в дальнейшем будут рассмотрены только преобразователи напряжения в цифровой код.

11

Вобщем случае напряжение характеризуется его мгновенным значением u(t). Однако для оценки напряжения можно также пользоваться его средним за выбранный промежуток времени Т значением.

Всвязи с этим все типы аналого-цифровых преобразователей можно разделить на две группы: аналого-цифровые преобразователи мгновенных значений напряжения и аналого-цифровые преобразователи средних значений напряжения. Так как операция усреднения предполагает интегрирование мгновенного значения напряжения, то аналого-цифровые преобразователи средних значений часто называют интегрирующими.

При преобразовании напряжения в цифровой код используются три независимые операции: дискретизация, квантование и кодирование. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывного сигнала представляет собой преобразование непрерывной функции напряжения u(t) в последовательность чисел u(tn), где n = 0, 1, 2..., отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. При дискретизации непрерывная функция u(t) преобразуется в последовательность ее отсчетов u(tn).

Вторая операция, называемая квантованием, состоит в том, что мгновенные значения функции u(t) ограничиваются только определенными уровнями, которые называются уровнями квантования. В результате квантования непрерывная функция u(t) принимает вид ступенчатой кривой uK(t).

Третья операция, называется кодированием, представляет дискретные квантованные величины в виде цифрового кода, т.е. последовательности цифр, подчиненных определенному закону. С помощью операции кодирования осуществляется условное представление численного значения величины.

Любой аналого-цифровой преобразователь является сложным электронным устройством, которое может быть выполнено в виде одной интегральной микросхемы или содержать большое количество различных электронных компонентов. В связи с этим характеристики аналого-цифровых преобразователей зависят не только от его построения, но и от характеристик элементов, которые входят в его состав. Тем не менее большинство аналого-цифровых преобразователей оценивают по их основным метрологическим показателям, которые можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим характеристикам аналого-цифровых преобразователей относят: абсолютные значения и полярности входных сигналов, входное сопротивление, значения и полярности выходных сигналов, выходное сопротивление, значения напряжений и токов источников питания, количество двоичных или десятичных разрядов выходного кода, погрешности преобразования постоянного напряжения и др.

12

К динамическим параметрам аналого-цифровых преобразователей относят: время преобразования, максимальную частоту дискретизации, апертурное время, динамическую погрешность и др. Рассмотрим некоторые из этих параметров более подробно.

Основной характеристикой аналого-цифровых преобразователей является его разрешающая способность, которую принято определять величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе аналогоцифрового преобразователя. Разрешающую способность можно выражать в процентах, в количестве разрядов или в относительных единицах. Например, 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь имеет разрешающую способность 1024–1 = 10–3 = 0,1 %. Если напряжение шкалы для такого аналого-цифро- вого преобразователя равно 10 В, то абсолютное значение разрешающей способности будет около 10 мВ. Реальное значение разрешающей способности отличается от расчетного из-за погрешностей аналого-цифровых преобразователей.

Точность аналого-цифровых преобразователей определяется значениями абсолютной погрешности, дифференциальной и интегральной нелинейности.

Абсолютную погрешность аналого-цифровых преобразователей определяют в конечной точке характеристики преобразования, поэтому ее обычно называют погрешностью полной шкалы и измеряют в единицах младшего разряда.

Дифференциальную нелинейность (DNL) определяют через идентич-

ность двух соседних приращений сигнала, т.е. как разность напряжений двух соседних квантов.

Интегральная нелинейность аналого-цифровых преобразователей

(INL) характеризует идентичность приращений во всем диапазоне входного сигнала. Обычно ее определяют, по максимальному отклонению сглаженной характеристики преобразования от идеальной прямой линии.

Время преобразования обычно определяют как интервал времени от начала преобразования до появления на выходе аналого-цифрового преобразователя устойчивого кода входного сигнала. Для одних типов аналогоцифровых преобразователей это время постоянное и не зависит от значения входного сигнала, для других аналого-цифровых преобразователей это время зависит от значения входного сигнала. Если аналого-цифровой преобразователь работает без устройства выборки и хранения, то время преобразования является апертурным временем.

Максимальная частота дискретизации — его частота, с которой воз-

можно преобразование входного сигнала, при условии, что выбранный параметр (например, абсолютная погрешность) не выходит за заданные пределы.

13

Иногда максимальную частоту преобразования принимают равной обратной величине времени преобразования. Однако это пригодно не для всех типов ана- лого-цифровых преобразователей.

Все типы используемых аналого-цифровых преобразователей можно разделить по признаку измеряемого значения напряжения на две группы: аналогоцифровые преобразователи мгновенных значений напряжения и аналогоцифровые преобразователи средних значений напряжения (интегрирующие аналого-цифровые преобразователи). Аналого-цифровые преобразователи мгновенных значений можно разделить на следующие основные виды: последовательного счета, последовательного приближения, параллельные, парал- лельно-последовательные и с промежуточным преобразованием в интервал времени.

Апертурное время устройств выборки и хранения — см. устройства выборки и хранения.

Б

База — см. полупроводниковый диод.

Барьерная емкость — образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой емкости зависит от величины обратного напряжения на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором выполнены как сочетание входного униполярного (полевого) транзистора с изолированным затвором и выходного биполярного n-p-n-транзистора. Имеется много различных способов создания таких приборов, однако наибольшее распространение получили приборы, в которых удачно сочетаются особенности полевых транзисторов с вертикальным каналом и дополнительного биполярного транзистора.

Биполярный транзистор (токовый транзистор) — представляет собой полупроводниковый прибор с двумя близко расположенными, а потому взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами.

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с тремя областями разной проводимости. В зависимости от чередования этих областей, различают два типа биполярных транзисторов: n-p-n и p-n-p. В таких транзисторах используются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Управление движением зарядов в этих транзисторах осуществляется током. Поэтому их также называют биполярными.

14

По технологии изготовления различают сплавные и планарные транзисторы. Средняя часть рассматриваемых структур биполярного транзистора называется базой, одна крайняя область — коллектором, а другая — эмиттером. В несимметричных структурах электрод базы располагается ближе к эмиттеру,

аширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается.

Взависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

Влинейном режиме работы транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Врежиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении,

арежиме отсечки — в обратном.

И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный переход смещен в обратном направлении.

Кроме рассмотренных режимов, возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным — это режим пробоя. Работа транзистора основана на управлении токами электродов в зависимости от приложенных к его переходам напряжений.

Быстродействующие цифро-аналоговые преобразователи — см. циф-

ро-аналоговые преобразователи.

В

Варикап — это разновидность полупроводникового диода специального типа. Варикап — это электрически перестраиваемая емкость на основе обратно смещенного p-n-перехода.

Варикапы предназначены для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения. Варикап применяется в различных электронных схемах: модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др.

Ветвь — участок электрической цепи, на всем протяжении которого величина тока имеет одинаковое значение.

Внутренний участок электрической цепи — участок электрической це-

пи, содержащий источник электрической энергии.

Внешний участок электрической цепи — все участки электрической цепи, не содержащие источников электрической энергии.

15

Время выборки устройств выборки и хранения — см. устройства вы-

борки и хранения.

Время восстановления обратного сопротивления диода — основной параметр выпрямительных диодов, который характеризуется их инерционными свойствами. Определяется как время, в течение которого обратный ток диода после переключения полярности приложенного напряжения достигает своего стационарного значения.

Время жизни неравновесных зарядов (время жизни избыточных,

неравновесных носителей заряда). Если в какой-либо области проводника создать избыточную концентрацию, а затем устранить причину, ее создавшую, то под действием сил диффузии избыточная концентрация начнет убывать до выравнивания по всему объему. Время протекания этого процесса (убывание происходит в e раз), т.е. время, за которое произойдет выравнивание, называется временем жизни неравновесных зарядов.

Время задержки развития вторичного пробоя — см. пробой транзистора.

Время преобразования аналого-цифровых преобразователей —

см. аналого-цифровые преобразователи.

Время установления прямого напряжения на диоде (прямого сопро-

тивления). Определяется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего изменяется сопротивление базы. Первоначально оно высоко, так как мала концентрация носителей заряда. После подачи прямого напряжения концентрация неосновных носителей заряда в базе увеличивается, это снижает прямое сопротивление диода.

Время установления устройств выборки и хранения — см. устройства выборки и хранения.

Время установления цифро-аналоговых преобразователей —

см. цифро-аналоговые преобразователи.

Время хранения напряжения устройств выборки и хранения —

см. устройства выборки и хранения.

Вторичный пробой транзистора — см. пробой транзистора.

Входные характеристики источников вторичного электропитания —

см. источники вторичного электропитания.

Выпрямители источников электропитания. Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения.

16

В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор, вентильный блок, фильтрующее устройство и стабилизатор напряжения.

Трансформатор выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.

Вентильный блок является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом.

Фильтрующее устройство используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот, выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов — транзисторов, операционных усилителей и прочее. Качество фильтрующего устройства оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра.

Стабилизатор напряжения предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др., — на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен, или его функции могут быть переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор или регулируемый вентильный блок.

Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110–220 В.

17

Для классификации выпрямителей используют различные признаки: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, схему вентильного блока, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и др.

По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.

По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется одно-единственное питающее напряжение, то такой выпрямитель будет однофазным. Если же для работы выпрямителя требуются два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуются три питающих напряжения, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120°, то такой выпрямитель называют трехфазным. Шестифазные выпрямители состоят из двух групп трехфазных выпрямителей, питаемых противофазными напряжениями трехфазной сети.

По схеме вентильного блока различают выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением однофазных выпрямителей.

Выпрямительный контакт — электрический переход, обладающий односторонней проводимостью. Применяется в диодах Шотки.

Выходные характеристики источников вторичного электропитания —

см. источники вторичного электропитания.

Г

Генераторы гармонических сигналов. В генераторах гармонических сигналов цепь положительной обратной связи выполняется таким образом, чтобы условие баланса фаз выполнялось на одной единственной частоте, на которой также выполняется условие баланса амплитуд.

Наиболее распространенными генераторами гармонических сигналов являются генераторы, в которых цепь положительной обратной связи выполнена на последовательных или параллельных резонансных контурах, на фазосдвигающих RCили RL-цепях.

Режим работы схемы генератора по постоянному току выбирается с помощью двух источников питания: источника питания стока, и источника смещения затвора. В схеме использован параллельный колебательный контур LKCK,

18

а сопротивление учитывает потери на элементах контура — катушке индуктивности и емкости. Усилитель генератора выполнен на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом. Более совершенная схема генератора с индуктивной обратной связью может быть построена на дифференциальном усилителе.

Генераторы с внутренней обратной связью (с отрицательным сопро-

тивлением). В рассмотренных типах генераторов цепи обратной связи отделены от усилительного элемента. Однако существует большая группа генераторов, в которых внешних цепей обратной связи нет совсем. В таких генераторах используются участки вольт-амперных характеристик различных элементов, имеющие отрицательное сопротивление. Участки с отрицательным сопротивлением (или проводимостью) имеются у некоторых типов электронных ламп, например, тетродов, туннельных диодов, динисторов и тиристоров. Если отрицательное сопротивление такого элемента больше положительного сопротивления колебательного контура, то, включив такой элемент в состав контура, можно скомпенсировать потери и тем самым создать в контуре незатухающие колебания.

Генераторы электрических сигналов. Электронным генератором сиг-

налов называют устройство, посредством которого энергия сторонних источников питания преобразуется в электрические колебания требуемой формы, частоты и мощности.

Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы. Так, например, генераторы гармонических или других форм колебаний используются в универсальных измерительных приборах, осциллографах, микропроцессорных системах, в различных технологических установках и др. В телевизорах генераторы строчной и кадровой разверток используются для формирования светящегося экрана.

Классификация генераторов выполняется по ряду признаков: форме колебаний, их частоте, выходной мощности, назначению, типу используемого активного элемента, виду частотно-избирательной цепи обратной связи и др.

По назначению генераторы делят на технологические, измерительные, медицинские, связные.

По форме колебаний их делят на генераторы гармонических и негармонических (импульсных) сигналов.

По выходной мощности генератора делят на маломощные (менее 1 Вт), средней мощности (ниже 100 Вт) и мощные (свыше 100 Вт).

По частоте генераторы можно разделить на следующие группы: инфранизкочастотные (менее 10 Гц), низкочастотные (от 10 Гц до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 100 МГц) и сверхвысокочастотные (выше 100 МГц).

19

По используемым активным элементам генераторы делят на ламповые,

в энергию колебаний. Обобщенная структурная схема генератора с внешней обратной связью приведена на рис. 1, а). Она содержит усилитель с коэффициентом усиления К, частотно-избирательную цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи β и цепь отрицательной обратной связи с коэффициентом передачи m.

Рис. 1. Cхемы генератора:

а — обобщенная структурная схема генератора; б — структурная схема генератора без отрицательной обратной связи

Функционирование генератора можно разделить на два этапа: этап возбуждения генератора и этап стационарного режима. На этапе возбуждения колебаний в генераторе появляются колебания, и амплитуда их постепенно нарастает. На втором этапе амплитуда колебаний стабилизируется и генератор переходит в стационарный режим. На этапе возбуждения колебаний основную роль играет цепь положительной обратной связи. Эта цепь определяет условие возбуждения колебаний, их частоту и скорость нарастания амплитуды. После возникновения колебаний их амплитуда нарастает до тех пор, пока действие нелинейной

20