- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
Контрольные вопросы и задания
Какие основные свойства определяют применение транзисторов?
Какие параметры определяют усилительные свойства транзистора и его быстродействие?
Выберите из справочника биполярный транзистор и определите (по справочнику) эти параметры.
Чем отличается полевой транзистор от биполярного? Пользуясь справочником, найдите параметры, по которым отличаются эти транзисторы.
Какие способы включения транзисторов вы знаете? Сравните их между собой.
Рис. 4.64
Чем отличается тиристор от биполярного транзистора, работающего в ключевом режиме?
Какие физические принципы используются в преобразователях электрической энергии в световую?
Сравните по своим свойствам лампу накаливания, неоновую лампу и светодиод.
Что такое внутренний и внешний фотоэффект? Где он используется?
Какими параметрами определяется чувствительность и быстродействие фотодиодов и фототранзисторов?
Найдите по справочнику полупроводниковый прибор А.О.Т.128. Что это за прибор? Приведите пример его применения.
Основные результаты четвертой главы
Управляемые (усилительные) элементы составляют основу современной электронной техники. Основными параметрами для них являются: крутизна управления, мощность, потребляемая в цепи управления, быстродействие, электрическая прочность (допустимые токи, напряжения). Выбор конкретного типа управляющего элемента (биполярного или полевого транзистора, тиристора) зависит от многих факторов, и его обоснованность базируется на достаточно глубоком понимании особенности физических процессов в каждом элементе.
Биполярные и полевые транзисторы являются многофункциональными. Их можно использовать для построения линейных усилительных устройств, ключевых элементов с огромной скоростью переключения, аналоговых коммутаторов, мощных регуляторов. Тиристоры, работающие только в ключевом режиме и обладающие низкой скоростью переключения, используются в мощных регуляторах на частоте до нескольких десятков килогерц.
Функциональная зависимость вход-выход всех управляемых элементов носит ярко выраженный нелинейный характер, поэтому параметры их линеаризованных моделей очень сильно зависят от режима покоя, оптимальный выбор которого является достаточно сложной инженерной задачей. Надежная работа управляемых элементов достигается только при изменении выходного тока и напряжения в границах области безопасной работы (ОБР), которая обязательно приводится в справочных данных.
5. Основы теории электронных усилителей
5.1. Общие положения
Рис.
5.1. Структурная схема
усилительного
устройства
Рис.
5.2. Схема преобразования
энергии
источника питания
в энергию сигнала
в нагрузке
Качество усилителя характеризуется совокупностью как энергетических, так и информационных характеристик. К первым относятся максимальная мощность (напряжение, ток) выходного сигнала при заданной нагрузке, коэффициент усиления входного сигнала по мощности (напряжению, току) входного сигнала:
; ;.
Коэффициент усиления часто выражается в логарифмических единицах – децибелах:
Kу [дБ] = 20 lg; KI [дБ]= 20 lg; Kp [дБ] = 10 lg.
Коэффициент полезного действия () – отношение мощности, выделяемой в нагрузке (РН), и мощности, потребляемой от источника питания (РU):
.
К информационным характеристикам относятся диапазон частот усиливаемых сигналов и точность воспроизведения формы входного сигнала.
В силу нелинейности усилительных элементов для получения оптимальных характеристик усиления необходимо каждому усилительному элементу задать режим покоя. Цепи задания и стабилизации режима покоя являются обязательными элементами любого усилителя.
Для аналитического описания процесса усиления в усилителях с непрерывным режимом работы используются линеаризованные модели(эквивалентные схемы) на основе зависимого источника напряжения или зависимого источника тока (рис. 5.3).
а
б
Рис. 5.3. Линеаризованные модели усилителя в виде: а – управляемого источника напряжения; б – управляемого источника тока
Модели характеризуются следующими параметрами:
1. Коэффициентом усиленияпо напряжению на холостом ходу
,
который однозначно может быть определен только при одинаковой форме входного и выходного сигналов, когда коэффициент усиления есть отношение амплитуд входного и выходного сигналов. Крутизна в режиме короткого замыкания .
2. Входным сопротивлением усилителяR11, который отражает величину тока, потребляемого от источника сигнала управления (мощность управления). Требуемая величинаR11зависит от задачи, решаемой усилителем. Если необходимо обеспечить усиление ЭДС сигналаЕс(t), то, как это следует из схемы рис. 5.4,а, необходимо выполнить условие
R11>Rc, когда Uу Ec(t).
Такой усилитель обычно называется усилителем напряжения.
Если источник сигнала представлен источником тока Ic(t) с параллельно включеннымRc, то для воспроизведения информации только отIc(t) выполняется условие
R11<<Rc, когда Uу Ic(t) R11.
И такой усилитель называется усилителем тока.
В определенном случае требуется обеспечить режим согласования по входу
R11=Rc.
3. Выходным сопротивлениемR22отражается степень реакции усилителя на вариацию величины нагрузки. ЕслиR220, то усилитель приобретает свойстваидеального управляемого источника ЭДС, когда изменение сопротивления нагрузки не приводит к изменению выходного напряжения. ЕслиR22, то усилитель приобретаетсвойства идеального управляемого источника тока– изменение нагрузки не приводит к изменению выходного тока. В некоторых случаях требуется обеспечить режим согласования по выходу, когдаRн=R22.
Инерционность усилителя может быть отражена комплексным характером всех параметров: z11(j), z22(j),K(j) – при частотном анализе или применением изображений по Лапласу:z11(р), z22(р), K(р) – при временном анализе.
По виду АЧХ – зависимости коэффициента усиления от частоты K=F() – различают усилители постоянного и переменного тока (соответственно рис. 5.4а,б).
а б
Рис. 5.4. АЧХ усилителя:
а – постоянного и б – переменного тока
4. Неравномерность АЧХ приводит к частотным искажениям(рис. 5.5) – спектр сигнала (отношение одноименных гармоник не является постоянной величиной). В результатеформавыходного сигнала отлична от формы входного. Количественно неравномерность АЧХ оценивается коэффициентом частотных искажений:
.
Частоты, на которых не превышает заданной величины, определяют частотный диапазон (Н–В) работы усилителя (рис. 5.4,б).
Современные усилительные элементы позволяют обеспечить равномерный характер АЧХ в полосе частот до нескольких сотен МГц. Так как усилительные элементы (транзисторы) – нелинейные, то линейную связь «вход-выход» можно получить только для сравнительно низкого размаха выходного сигнала. Поэтому в реальных случаях нелинейность усилителя всегда проявляется в виде нелинейных искажений (см. рис. 5.6).
Количественная характеристика нелинейных искажений может быть отражена несколькими способами, в частности коэффициентом нелинейных искажений (отношением суммарной мощности высших гармоник выходного сигнала к мощности первой гармоники при гармоническом входном сигнале). В тех случаях, когда сопротивление нагрузки одинаковое для всех гармонических составляющих выходного сигнала, коэффициент гармоник рассчитывают по формуле
,
где U1– первая гармоника выходного сигнала;U2,U3– соответственно вторая, третья,n-я гармоники.
Конечная крутизна управления современных усилительных элементов в большинстве случаев не позволяет с помощью одного усилительного каскада (на одном усилительном элементе) обеспечить требуемую энергию сигнала в нагрузке. Поэтому практически все усилительные устройства строятся по многокаскадной схеме. В этом случае усилитель содержит выходной каскад, обеспечивающий требуемую энергию в нагрузке, и один или несколькопредварительных каскадов, которые последовательно усиливают уровень входного сигнала до значения, необходимого для управления выходным каскадом. Нагрузкой предварительного каскада является входная цепь последующего каскада (рис. 5.7).
Рис.
5.7. Схематическое изображение
двухкаскадного
усилителя
K=K1K2…Kn.
Частотные искажения определяются тоже всеми каскадами:
M=M1M2…Mn.
Входные характеристики (Rвх, Свх) – входным каскадом, а выходные (Rвх, RН) – выходным.