electronics
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
31 |
|
|
Четырёхслойная полупроводниковая структура |
|||||
|
Тиристор – полупроводниковый прибор, основу которого составляют три взаимо- |
||||||
|
|
|
|
Анод |
действующих p-n перехода, образованных четырьмя чере- |
||
|
|
|
|
дующимися p– и n– областями в едином кристалле крем- |
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
ния. Тиристоры иногда называют четырехслойными |
|
|
|
|
|
|
|
структурами и управляемыми диодами. |
|
|
|
p |
|
|||
|
|
|
|
Упрощенная структура тиристора показана на ри- |
|||
|
|
|
|
|
|
П1 сунке. Крайние слои p и n называют эмиттерами, а сред- |
|
|
|
|
n |
||||
|
|
|
П2 |
ние слои n и p – базами (n – толстая база, p– тонкая база). |
|||
УЭ |
|
|
|
|
|
Верхний П1 и нижний П3 p - n переходы называют эмит- |
|
|
|
p |
|||||
|
|
П3 |
терными, средний П2 – коллекторным. |
||||
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Если подавать U АК любой полярности, то ток |
|
|
|
|
n |
||||
|
|
|
|
IАК ≈ 0, так как найдутся переходы, которые будут закры- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
ты. Если UАК неограниченно повышать (UАК → ∞), то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Катод |
структура начнет вести себя по – разному. |
||
|
|
|
|
Если на анод подать положительный потенциал , |
|||
|
|
|
|
||||
то структура откроется без разрушения (так как П1 и П3 – смещены в прямом направлении, а П2 – в обратном. Всё напряжение UАК будет приложено коллектор П2. При по-
вышении U АК произойдет электрический пробой П2).
Если на анод подать отрицательный потенциал, то возможен только тепловой
пробой.
|
Предста- |
вим |
четырёхслой- |
ную |
структуру в |
виде |
двух транзи- |
сторов. |
VT1 |
I К1 = I Б2 |
|
I К2 = I Б1
Если на анод А подать «плюс», то эмиттерные переходы будут смещены в прямом направлении, а кол-
лекторный – в обратном. U АК
I КП = α1I Э1 + α2I Э2 + I К0
I = |
I К0 |
. |
|
|
Анод |
|
|
А |
|
|
p |
|
I |
|
Э |
|
|
|
|
|
Б |
n |
n |
К |
VT1 |
|
|
Iк 2 |
||||
К |
p |
p |
Б VT2 |
УЭ |
Iк 1 |
|
|
n |
|
VT2 |
|
|
|
Э |
|
||
|
|
|
К I |
||
|
|
Катод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приложено к коллекторному переходу. |
|
||||
I КП = I Э1 = I Э2 = I |
|
|
|
||
1– (α1 + α2)
Врежиме малых токов и напряжений α1 + α2 <<1 I ≈ I К0, при R прибора в сотни Ком. При повышении напряжения повышается коэффициент α, а следовательно повыша-
ется ток I. При определенном U ВКЛ. Один из транзисторов начинает приоткрываться повышается ток I К увеличивается ток I База другого транзистора, приоткрывая его. Оба
транзистора переходят в режим насыщения. Rприбора уменьшается до единиц Ом.
α1 + α2 → 0 I → ∞.
Добавочное R доб. В цепи анода ограничивает ток I = U/Rдоб.
Для регулирования UВКЛ. (открывания структуры) вводят управляющий электрод (УЭ). Подавая на УЭ «плюс» (IУ), можно раньше открыть VT 2 α2 увеличится раньшеα1 + α2→ 1 при меньшем U АК. изменяя IУ, можно изменять U ВКЛ.
32
Для закрытия тиристора нужно либо уменьшить UАК, либо уменьшить UАК и задать в цепи УЭ то IУ противоположной полярности (VT 2 закроется).
ВАХ характеристика тиристора.
|
Ia |
|
|
|
|
I y |
> I y |
> I y |
|
|
3 |
2 |
1 |
|
|
I y3 |
I y2 |
|
|
|
|
I y1 |
- I y = 0 |
|
|
I ВКЛ |
|
||
|
|
|
|
|
Uобр. |
- I К о |
|
|
U a |
|
|
|
UВКЛ |
|
Достоинства (по сравнения с транзистором):
•пропускает большие токи (I А = сотни Ампер);
•выдерживает большие U обр. (U0 = десятки КВ);
•большая коммутируемая мощность.
Недостатки (по сравнения с транзистором):
•тиристор является полууправляемым прибором (включение – с помощью це-
пи управления, выключение - при I A = 0, требуемого для восстановления структуры).
А |
+ |
А |
|
+ А - УЭ |
|
Динистор |
|
|
|||
К |
|
|
Выведен слой p |
Выведен слой n |
|
- К |
- К |
||||
|
+ |
||||
|
|
|
УЭ |
|
|
33
Электронные усилители
Классификация усилителей
Усилители служат для усиления электрического сигнала по тока, напряжению и мощности.
1)Если RВЫХ<<RНАГР ,то усилитель U
2)Если RВЫХ>>RНАГР, то усилитель I
3)Если RВЫХ≈RНАГР, то усилитель P
•Усилители переменного тока (fН ≥ 16Гц)
•Усилители постоянного тока (fН < 15Гц)
Усилители переменного тока
1)Усилители низкой частоты УНЧ (20Гц – 300кГц)
2)Усилители сверхвысоких частот УСВЧ (300МГц – 300ГГц)
3)Усилители высоких частот УВЧ (300кГц – 300МГц)
По форме сигнала
1)Усилители гармонических (синусоидальных) колебаний
2)Импульсные усилители
По типу связи между каскадами
1)С RC-связью
2)Трансформаторные
Основные параметры и характеристики усилителей
1) Коэффициент усиления |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
K U = |
|
|
Ue jϕВЫХ |
= K U e jϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Ue jϕВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ϕ = ϕВЫХ − ϕВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
K I = |
IВЫХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
IВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
K P = |
|
PВЫХ |
= K U K I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
PВХ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
Обычно оценивают КУС в dB |
|
|
|
|
|
|
|
|||
K U dB = 20 lg K U |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
K I dB = 20 lg K I |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
K P dB =10 lg K P |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2) Коэффициент частотных искажений – характеризует |
M = |
|
K0 |
|
|
|||||||||
изменение |
коэффициента |
усиления при изменение |
|
|
|
|||||||||
|
K |
|||||||||||||
частоты входного сигнала |
|
|
|
|||||||||||
|
MН |
= |
|
K0 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
KН |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
обычно выбирают |
MН = MВ |
∆F = fВ −fН |
MВ |
= |
|
K0 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
KВ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
34
3)Коэффициент не линейных искажений (коэффициент гармоник). Искажения есть всегда – это связано нелинейностью VT
|
KГ = |
|
|
P2 + P3 +... + PN |
|
||
|
|
|
|
|
|
P1 |
Pi – мощность i-ой гармоники |
|
|
|
|
|
|
|
|
4) |
R ВХ.УСИЛ = |
UВХ |
|
|
|||
|
|
IВХ |
|
||||
|
|
|
|
||||
|
R ВЫХ.УСИЛ = |
|
UВЫХ |
|
|
||
|
|
IВЫХ |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
5) КПД = |
PВЫХ |
|
|
PПОСТ |
PПОСТ – мощность, которая берется от источника питания |
||
|
6) Амплитудная характеристика
UВЫХ
Динамический диапазон
D = UВХ.MAX
UВХ.MIN
UВХ
UВХ min |
UВХ max |
7) Амплитудно-частотная характеристика
K
K0 K0
2
f
fН |
f0 |
fВ |
Обычно в dB
K
20dB/декаду
K0[dB]
f
35 8) Фазочастотная характеристики – зависимость фазы выходного сигнала от частоты
ϕ (f) |
отстает от входного |
|
π/2 |
||
|
|
сигнала |
|
|
f |
fН |
f0 |
fВ |
−π/2 |
|
опережает входной |
|
сигнал |
|
36
Режимы работы усилителей (классы усиления).
В зависимости от назначения исходных данных можно задать режим работы усилителя, режим задается напряжением смещения (по знаку и величине). Бывают режимы: А, В, АВ, С.
Класс А: Точка покоя (рабочая точка: параметры IК, UК, IБ, UБ) задается при отсутствии входного сигнала и выбирается на середине линейного участка входной характеристики транзистора.
IK
EK
IK''' |
RK |
|
|
I Б''' |
|
|
|
|
|
IKM |
|
A |
|
IБ'' |
IK'' |
|
|
||
|
IKA |
|
|
IБ' |
IK' |
|
|
|
|
|
|
|
|
UK |
|
|
UK0 |
EK |
|
|
|
URK |
|
|
|
|
UKM |
|
|
|
|
UK''' UK'' |
UK' |
|
|
|
|
+ E K |
|
|
R Б |
R K |
U |
R K |
|
|
|
|
|
U ВХ |
C P |
|
|
|
|
|
|
|
|
IБ
I БM |
IБA |
A |
|
U
БА UБ
UБМ 
UВХ
UБ''' UБ'' UБ'
IБmax < IБ нас
IKA = βIБА
Нагрузочная прямая строится по двум точкам: |
|
|||||
1. |
Точка холостого хода (Х.Х.) IK=0 |
UK=EK, |
|
|||
2. |
Точка короткого замыкания (К.З.) |
IK = |
EK |
|
UK=0 |
|
R K |
||||||
|
|
|
|
|||
Точки пересечения нагрузочной кривой со статическими характеристиками определяют динамическую характеристику усилителя в динамическом режиме работы.
Класс А Характеризуется минимальным искажением – это его достоинство, но низкое КПД 50% теоретическое, 10-20% реальное, используется в усилителях напряжения.
37
Угол отсечки θ числено равен половине периода протекания тока через транзистор. В классе А угол θ = 180°.
Класс В На вход не подают смещение, а падают только входной сигнал.
IK
I Б'
I |
Б=0 |
A-B |
|
UБ |
|||
EK |
UK |
||
B |
|||
|
|
20 |
UK=UВЫХ
Графики IБ (IК) – отличаются от синусоидального. Ток IК протекает в течение половины периода входного сигнала. КПД = 80%. Высокий КГ, применяется в усилителях мощности.
Класс А-В Низкий коэффициент гармоник, а КПД = 60 – 70%, θ > π/2. При входном сигнале протекает 5 – 15% максимального тока. Используется в двухтактных усилителях мощности.
Класс С
IБ
2
ϑ
С |
UБ |
|
На вход усилителя подается постоянное запирающее смещение обратной полярности (точка С).
Ток протекает в течение θ < π/2 КПД = 95 – 98%, используется в генераторах, где искажения не
важны, большой коэффициент гармоник.
38
Усилители напряжения низкой частоты
Основными требованиями к УННЧ являются высокий коэффициент усиления по напряжению, минимальный коэффициент гармоник (искажений), то есть усилитель должен работать в классе А.
Задание точки покоя (класс А)
1. Задание точки покоя отдельным источником питания U СМЕЩ.
+Есм |
+Ек |
IБ |
|
|
|
|
|||
|
RБ |
RК |
IБА |
A |
|
|
|||
* |
|
|
|
|
IБА |
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
UБА |
R= EСМ − UБА
БIБА
Так как RБ должно быть много
больше RВХ УСИЛИТЕЛЯ (обязатель-
ное условие RБ >> RВХ УСИЛИТЕЛЯ),
то ЕСМ >> UБА, следовательно, в качестве ЕСМ берётся ЕК.
UБ
2. Задание точки фиксированным током от источника Е К.
|
|
|
|
|
|
+Е к |
R Б >> RК |
RБ = |
EK − UБА |
≈ |
EK |
RБ ≈ RК β |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
RБ |
RК |
|
|
IБА |
IБА |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
При задании рабочей точки таким способ наблюдается плохая |
|||||||||
|
|
|
VT1 |
|
|
стабильность точки А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Задание точки фиксированным напряжением.
|
|
|
|
|
Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
+Е к |
|
= U |
|
|
|
= (3 ÷5)I |
|
|
|
+ R |
|
≈ |
EK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
R1 |
|
|
U |
R 2 |
БА |
I |
ДЕЛ |
БА |
R |
1 |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
R |
|
IДЕЛ |
|||||||||||||||
|
|
К |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
I |
|
R1 = |
EK |
− |
UБА |
UR 2 |
= IДЕЛ R2 |
|
дел |
VT1 |
IДЕЛ |
IДЕЛ |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
R2 UБА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IK |
|
При изменении температуры полупро- |
|
|
(t ')(85 C) |
||||
водниковые |
приборы |
сильно |
меняют |
свои |
|
|
|
|
A ' |
I 'KA |
|||||
характеристики. |
|
|
|
|
I * (t ')(20 C) |
||
|
|
I |
|
A |
|||
IK = β IБ + I *K0 |
+ UK |
|
KA |
KA |
|||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
r*K |
|
|
|
|
|
∆I*K0 (тепловой ток) сильно зависит от |
|
|
|
||||
изменения температуры. Если задать точку |
|
|
U K |
||||
покоя и не принять мер по её стабилизации, то |
|
|
|
||||
при работе рабочая точка «уплывёт». Следовательно, необходима стабилизация точки по- |
|||||||
коя. |
|
|
|
|
|
|
|
39
Методы стабилизации рабочей точки
1. Коллекторная стабилизация
+Ек
RК
ся, RБ
IБ
VT1
UK = EK −IK R K |
IБ = |
UK |
IK = β IБ |
|
|||
|
|
R Б |
|
Ток IБ стал зависеть от IК. Если температура повышаетто повышается и ток IК, а следовательно, напряжение UК и ток понижаются, а транзистор VT начнет закрываться, а ток IК уменьшаться, тем самым стабилизируя точку покоя. Коллекторная стабилизация не является эффективной.
2. Эмиттерная стабилизация
+Ек
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
К |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
+ |
|
|
VT1 |
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
R2 |
|
|
Э |
|
|
|
|
|
RЭ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
Э |
|||
|
|
|
- |
|
|
|
|
|||||||
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
UБЭ = UR2 −URЭ UR 2 = const (приEK = const),
IБ |
таккак∆IЭ |
IБА |
A |
I ' |
|
БА |
|
U 'БАUБА UБЭ
≈∆IK , тт ∆UБЭ = UR2 −∆IK RЭ
При повышении температуры
повышается ток IK, а следовательно, понижается UБЭ, а значит транзистор VT закрывается, тем самым понижается ток IK
(О.О.С.).
xC = wН1СЭ ≤ 5R÷10Э =RЭ 
rЭ
Включение RЭ стабилизирует рабочую точку. Здесь ток IК является постоянным. Однако RЭ снижает коэффициент усиления по напряжению, так как при переменном сигнале RЭ будет снижать амплитуду изменений IК. для устранения этого ставят шунтирующую RЭ ёмкость СЭ. Переменный ток проходит через СЭ (О.О.С. отсутствует, следовательно, коэффициент усиления по переменному напряжению очень высок). Постоянный ток проходит через RЭ (О.О.С. есть).
3. |
Стабилизация с помощью термосопротивления |
Термосопротивлением |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
R1 |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
R |
называется |
полупроводнико- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
|
|
вый прибор, сопротивление |
||||||
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которого с повышением тем- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Линейный |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пературы |
сопротивление по- |
||
|
|
|
VT1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
участок |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нижается. |
Рассмотрим работу |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
схемы: при повышении тем- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Rt |
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
+ |
|
|
|
|
пературы понижаются термо- |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сопротивление (Rt), напряже- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Э |
СЭ |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ние UБЭ и ток IБ, то есть про- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
исходит стабилизация рабочей |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
точки. Преимуществом такой схемы является то, что происходит 100 % компенсация точки покоя (можно даже сделать перекомпенсацию и рабочая точка «поползёт» вниз). Недостаток схемы заключается в том, что она реагирует на температуру окружающей среды, а температуру самого транзистора не учитывает. Поэтому необходимо сделать эмиттерную стабилизацию.
40
Коэффициент нестабильности
Коэффициент нестабильности S показывает во сколько раз приращение коллекторного тока больше, чем приращение теплового неуправляемого тока, вызванного изменением параметров транзистора. Чем выше коэффициент нестабильности, тем менее ста-
бильнее ток IК. |
|
|
β |
|
|
|
|
|
S = |
|
|
|
, гдеγ - коэффициент токораспределения. |
||||
1 |
+ β γ |
|||||||
|
|
|
|
|
||||
γ = |
|
|
RЭ |
|
RБ = |
R1 R2 |
|
|
RЭ + RБ |
|
R1 + R2 |
||||||
|
|
|
||||||
Если χ = 1, то S MIN = α, если χ = 0, то S MAX = β.
Всё зависит от соотношения между сопротивлениями RЭ и RБ. Желательно, чтобы выполнялось условие RЭ >> RБ. При RБ = 0 входной сигнал замыкается на R1 или R2.
Расчет усилителя в режиме покоя
1. |
U = (0,2 ÷0,3)EK , чем больше сопротивление RЭ, тем больше UR Э , следова- |
|||||||||||||||||||||||
тельно, происходит уменьшение напряжения UК , необходимого для усиления, а значит |
||||||||||||||||||||||||
нужно увеличивать ЕК. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
2. |
RЭ = |
|
0,2 ЕК |
= |
|
|
0,2 ЕК |
|
, I КА, I БА−берутизхарактеристик. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
I ЭА |
|
|
|
|
|
I КА−I БА |
|
|
|
|
|||||||||
3. |
UR 2 |
= URЭ |
+ UБЭ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
4. |
R2 = |
UR 2 |
; IДЕЛ = (3 ÷5)IБА |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
IДЕЛ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
5. R1 + R2 = |
EK |
R1 = |
EK |
−R2 |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IДЕЛ |
|
|
|
|
|
|
IДЕЛ |
|
|||||||
6. |
C |
Э |
≥ |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
≈ |
5 ÷10 |
·10-6 |
[мкФ] |
||||||
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
(R |
|
|
|
r ) |
ω |
|
R |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
Н |
Э |
|
|
Н |
Э |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Э |
|
|
|
|
|
|||||||