Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

Для характеристики искажений выходного импульса в области больших времен вместо переходной характеристики определяют реакцию ЭУ на идеальный прямоугольный импульс с конечной длительностью tи (рис. 1.4). При этом интересуются следующими параметрами, которыми характеризуется полученная реакция:

Рис. 1.4. Реакция ЭУ в области больших времен

на идеальный прямоугольный импульс длительностью tи

Искажения импульсов в области больших времен (как и искажения синусоидальных сигналов в области низких частот) обусловлены действием разделительных элементов, которые включаются между усилительными каскадами или блоками для обеспечения нормального рабочего режима по постоянному току. Такую цепь используют и на выходе усилителя для предотвращения передачи постоянной составляющей выходного напряжения ЭУ и ее дрейфа в нагрузку.

На рис. 1.5 показана схема с разделительным конденсатором Ср, но в качестве разделительного элемента может использоваться и трансформатор.

11

В выходном напряжении ЭУ наряду с полезным сигналом, определяемым входным усиливаемым напряжением Uд, всегда имеются напряжения помехи в виде наводок, фона, шума микрофонного эффекта и шума, образуемого статистическими флуктуациями токов и напряжений от своих средних значений. Очевидно, что минимальный уровень усиливаемого сигнала, который может быть достоверно зарегистрирован на выходе ЭУ, лимитируется величиной приведенной к входу сигнала помехи. Поэтому для повышения его чувствительности должны быть приняты меры для снижения уровня помехи.

Наводки появляются от воздействия на ЭУ и образующие его цепи посторонних сигналов и помех. Источниками наводок являются электронные устройства, электродвигатели, генераторы и т.д. Так как наводки появляются из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических и других связей цепей ЭУ с источниками наводок, то их величину можно снизить до допустимого уровня удалением ЭУ от источника помех, его экранированием, введением в цепи питания и связей развязывающих элементов и т.д.

Фон представляет собой напряжение в выходной цепи, гармонические составляющие которого имеют частоту, кратную частоте первичного переменного источника тока (например, электрической сети), от которого питается усилитель. Он появляется из-за недостаточного сглаживания выпрямленного напряжения источника питания. Эту составляющую уменьшают до допустимого уровня шунтированием выходных зажимов источника питания ЭУ дополнительными конденсаторами большой емкости. Фон может являться результатом наводки в цепях ЭУ электрическими и магнитными полями трансформаторов выпрямителей, сетевых проводов и т.д. Методы борьбы с фоном те же, что и при наводках.

Шумы микрофонного эффекта появляются в выходной цепи при воздействии на ЭУ и его детали механических толчков и вибраций. Микрофонный эффект особенно ярко проявляется в усилителях на электровакуумных лампах. В современных транзисторных ЭУ он может проявляться при наличии входных трансформаторов (в особенности с сердечником из пермаллоя), преобразующих механические колебания в электродвижущую силу вследствие магни-

12

тострикционного эффекта. Подобный эффект наблюдается также в усилителях с электромеханическими фильтрами. Для снижения микрофонных шумов следует избегать применения элементов с ярко проявленным микрофонным эффектом в особенности в медицинской аппаратуре, используемой на транспорте.

Шумы, обусловленные беспорядочными (флуктуационными) изменениями токов и напряжений под действием внутренних физических процессов в транзисторах, диодах, резисторах, в отличие от перечисленных выше видов помех принципиально не могут быть исключены. Действие этих шумов, к числу которых относятся тепловой шум, шум токораспределения, дробовой шум, низкочастотный шум генерации–рекомбинации носителей зарядов, ослабляют использованием малошумящих транзисторов и соответствующими мерами при проектировании ЭУ.

1.2. Биполярные и униполярные транзисторы

В качестве усилительных элементов ЭУ применяют транзисторы – полупроводниковые приборы, в которых используются эффекты, обусловленные переносом заряда в твердом теле для преобразования, усиления и генерирования электрических сигналов. Основным полупроводниковым материалом в современной электронике наиболее часто является кремний.

Электрическая проводимость обусловлена переносом заряда валентными электронами, расположенными на внешней оболочке атома. В полупроводниках электроны прочно связаны с кристаллической решеткой атома, поэтому они не принимают участия в переносе заряда. Только при передаче электронам энергии, достаточной для разрыва ковалентной связи с кристаллической решеткой, появляются электроны проводимости, которые могут перемещаться в кристалле и участвовать в процессе электропроводности. Такой переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может происходить под действием тепловой энергии, если она превышает некоторую величину, определяемую шириной запрещенной зоны, которая, в свою очередь, определяется разностью энер-

13

гий электронов в зоне проводимости и валентной зоне. При удалении электронов из валентной зоны в ней образуются незанятые электрические состояния – так называемые дырки, через которые могут перемещаться под действием электрического поля связанные с кристаллической решеткой электроны, находящиеся в валентной зоне. Такой вид проводимости принято называть дырочной проводимостью (в отличие от электронной, образуемой потоком электронов в зоне проводимости).

Вкристаллах с собственной проводимостью, представляющих собой полупроводник с атомами одного химического элемента (например, кремния), концентрация дырок в валентной зоне равняется концентрации электронов в зоне проводимости, так как дырки образованы из-за перехода части валентных электронов в зону проводимости.

Вэлектронных приборах полупроводники с собственной проводимостью применяются сравнительно редко. В основном работа транзисторов основана на использовании эффектов, которые возникают при добавлении в полупроводник примесей. Поэтому такие полупроводники называются примесными.

Примеси, способные отдавать электроны в зону проводимости, называют донорными. В полупроводнике, обогащенном донорами, преобладает электронная проводимость. Это полупроводники п- типа. Примеси, добавление которых приводит к образованию дырок в валентной зоне, называют акцепторными. В этом случае образуется полупроводник р-типа, в котором преобладает дырочная проводимость.

Внастоящее время созданы биполярные и униполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы изготавливаются двух типов: п-р-п и р- п-р. Это трехслойные приборы, состоящие из эмиттера и коллектора, разделенных слоем, который называется базой транзистора. Эмиттер при смещении внешним источником напряжения в прямом направлении обеспечивает инжекцию неосновных носителей заряда в базу.

Вп-р-п транзисторе происходит инжекция в базу электронов, являющихся неосновными носителями заряда, а в р-п-р транзисто-

14

ре – в базу дырок. Неосновные носители в базе диффундируют, а под действием внутреннего электрического поля дрейфуют в сторону коллектора, смещенного внешним источником напряжения в обратном направлении, и, достигая потенциального барьера у коллекторного перехода, «сваливаются» в коллектор, образуя во внешней цепи коллекторный ток.

Униполярные (полевые) транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы также с тремя рабочими электродами, состоящими из канала, истока, стока и затвора, формируемых на подложке с р- или п-проводимостью. Канал – полупроводниковая область управляемой проводимости, через которую протекает ток униполярного транзистора, образуемый потоком основных носителей заряда. Этот поток образуется под действием продольного электрического поля, возникающего в канале при подключении внешнего источника питания между истоком и стоком. Управление током канала производится подачей напряжения на затвор – третий электрод транзистора.

Внастоящее время применяются следующие разновидности униполярных транзисторов:

•с управляющим р-п-переходом, в которых электрод-затвор образует обратно смещенный р-п-переход с областью канала;

•МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупровод-ник) двух видов: транзисторы с индуцированным каналом, в которых канал между стоком и истоком индуцируется, т.е. наводится управляющим напряжением на затворе, и транзисторы со встроенным каналом, в которых канал формируется технологическим путем. В МДП-транзисторах металлический затвор изолирован от канала слоем диэлектрика.

Взависимости от типа электропроводности канала различают транзисторы п-типа и р-типа. В транзисторах с п-проводимостью ток в канале образуется потоком электронов (основных носителей заряда), которые под действием электрического поля перемещаются от истока к стоку. В транзисторах с р-проводимостью ток в канале образуется потоком дырок, т.е. электронов в зоне валентности, которые перемещаются от стока к истоку. Электропроводность стока и истока всегда совпадает с электропроводностью канала.

15

Особенности транзисторных устройств (в зависимости от их функционального назначения) определяются областью их работы. Для биполярных транзисторов характерны следующие области:

•активная область – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном;

•область насыщения – эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении;

•область отсечки токов – эмиттерный и коллекторный переходы смещены в обратном направлении (транзистор заперт);

•активная инверсная область – эмиттерный переход смещен в обратном направлении и работает как коллектор, а коллекторный переход, смещенный в прямом направлении, выполняет функции эмиттера.

Униполярные транзисторы работают в трех областях:

•в активной области, простирающейся в пологой области вольт-амперной характеристики транзистора, в которой ток стока слабо зависит от напряжения на стоке, но управляется напряжением на затворе;

•в области ограничения тока, где ток стока существенно изменяется с изменением напряжения на стоке и очень слабо реагирует на изменения напряжения на затворе;

•в области отсечки тока стока – при напряжении отсечки затвора, а в МДП-транзисторах с индуцированным каналом порогового напряжения транзистор запирается и перестает проводить ток.

1.3.Транзисторные каскады

Втранзисторных каскадах наряду с усилением мощности происходит либо усиление напряжения, либо усиление тока, либо и то

идругое одновременно. В зависимости от усиливаемой величины они разбиваются на три группы:

• усилительные каскады, обеспечивающие усиление как тока, так и напряжения;

• повторители напряжения, повторяющие на выходе напряжение, действующее на входе (усиление мощности происходит за счет усиления тока);

16

• повторители тока, повторяющие на выходе ток, поступающий на вход (усиление мощности обеспечивается за счет усиления напряжения).

Транзисторные каскады, как и все ЭУ, питаются от источников постоянного напряжения, один из полюсов которого в схеме на биполярном транзисторе подключается к коллекторной цепи, а в схеме на униполярном транзисторе – к стоковой цепи. Второй полюс источника питания подключается к общей шине ЭУ. В схемах на п- р-п транзисторах и транзисторах с п-каналом к коллектору и стоку подключается положительный полюс (см. рис. 1.6 – 1.8). Для задания режимного тока транзистора и его стабилизации в диапазоне температур применяются специальные цепи, подключаемые к входу ЭУ.

Ниже рассматриваются каскады на п-р-п биполярных транзисторах и п-канальных униполярных транзисторах. При использовании р-п-р и р-канальных транзисторов к коллекторной и стоковой цепям подключают отрицательный полюс источника питания.

Усилительные каскады. В качестве простейших усилительных каскадов применяют каскады с общим эмиттером (рис. 1.6,а) и с общим истоком (рис. 1.6,б), построенные соответственно на биполярных и униполярных транзисторах1. В первом из них усиливаемый сигнал с напряжением Uд на выходе генератора с внутренним сопротивлением Rд подают на базу транзистора, а выходное напряжение усилителя Uвых снимается с коллектора в виде перепада напряжения на резисторе Rк, которое изменяется с изменением тока коллектора Iк под действием входного сигнала Uд. В каскаде с общим истоком усиливаемый сигнал подают на затвор транзистора, а выходное напряжение снимают со стока в виде перепада напряжения на резисторе Rс.

Предельное значение коэффициента усиления напряжения каскада с общим эмиттером определяется коэффициентом Эрли μэк и достигает величины 103 ÷ 104. Это каскад с низкоомным входом. Его входное сопротивление Rвх составляет единицы килоом (срав-

1 Для упрощения схем на рис. 1.6 –1.8 цепи, задающие режим работы транзисторов, т.е. токи коллектора и истока, не показаны.

17

нительно редко превышает десятки и сотни килоом). Если требуется усилитель с высокоомным входом, то применяют каскад с об-

щим истоком с Rвх = (106 ÷ 1012) Ом.

Верхняя граничная частота рассмотренных усилителей лимитируется инерционностью транзисторов и паразитными реактивностями, шунтирующими вход и выход усилителя.

Рис. 1.6. Усилительные каскады на биполярном транзисторе с общим эмиттером (а) и на униполярном транзисторе с общим истоком (б)

Повторители напряжения. В качестве повторителей напряжения применяют каскады с общим коллектором и общим стоком, схемы которых показаны на рис. 1.7. Они представляют собой устройства с отрицательной обратной связью по напряжению, которая возникает из-за поступления выходного напряжения во входную цепь (на эмиттер или затвор транзистора).

Этот сигнал обратной связи воспроизводится каскадом и появляется на выходе в противофазе той части выходного напряжения, которая образуется под действием усиливаемого сигнала Uд. Таким образом, повторители напряжения являются усилительными каскадами, охваченными 100-процентной отрицательной обратной связью по напряжению. Поэтому они не способны усиливать входное напряжение. Усиление мощности обеспечивается усилением тока.

Отрицательная обратная связь по напряжению способствует увеличению входного сопротивления повторителя и уменьшению его выходного сопротивления. Последняя особенность важна при

18

работе на низкоомную нагрузку. Эта связь оказывает также стабилизирующее действие: с изменением условий работы (температуры окружающей среды, нагрузки, напряжений источников питания и т.д.) параметры повторителя напряжения изменяются в меньшей степени, чем у усилительного каскада.

Uвых

Рис. 1.7. Эмиттерный (а) и истоковый (б) повторители напряжения

Повторители напряжения обладают более широкой полосой пропускания, чем усилители.

Повторители тока. В качестве повторителей тока применяют каскады с общей базой и общим затвором. Они тоже представляют собой усилительные каскады, охваченные отрицательной обратной связью, с той лишь разницей, что не по напряжению, а по току. Эта связь возникает под действием перепада напряжения на внутреннем сопротивлении генератора усили-

ваемых сигналов Rд, образуемого выходным током каскада (рис. 1.8). Обратная связь способствует стабилизации токовых параметров каскада, при-

19

водит к увеличению выходного сопротивления. Однако эта связь исключает усиление по току, поэтому мощность усиливается только за счет усиления напряжения, которое возникает, если Rд оказывается меньше сопротивления в коллекторе Rк или стоке Rс.

Особенностью повторителей тока является то, что они являются каскадами с наименьшим входным сопротивлением. Полоса пропускания в области высших частот (из-за действия обратной связи) больше, чем в усилительных каскадах.

Дифференциальные каскады. На рис. 1.9 показаны принци-

пиальные схемы дифференциальных каскадов (ДК) на биполярных и униполярных транзисторах. ДК имеет два входа: базы или затворы транзисторов Т1 и Т2. Выходом ДК являются коллекторы или стоки.

Рис. 1.9. ДК на биполярных (а) и униполярных (б) транзисторах

При определении параметров ДК целесообразно представлять действующие во взаимно симметричных точках схемы сигналы в виде двух составляющих: синфазных и парафазных (дифференциальных). Первые из них – это сигналы, равные по амплитуде и одного знака, действующие во взаимно симметричных точках (например, в базовых или затворных цепях Т1 и Т2). Парафазными называются сигналы, равные по амплитуде, но противоположного знака, также действующие во взаимно симметричных точках.

20