- •«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
Почему ОУ является базовым элементом многих современных аналоговых микроэлектронных устройств?
Почему ОУ является источником напряжения, управляемым напряжением?
Дайте определения параметров и характеристик ОУ. Зачем проектировщику микроэлектронной аппаратуры требуется знать типовые параметры и характеристики ОУ? Как экспериментально определить параметры и характеристики ОУ?
Приведите примеры организации цепей смещения и частотной коррекции для ОУ.
Почему все ОУ не исполняются только с внутренней частотной коррекцией? В чем физика работы корректирующих цепей в ОУ?
5.5. Усилители мощности
Характерной чертой усилителей мощности является высокое абсолютное значение выходной мощности как постоянного, так и переменного тока: от нескольких десятков до сотен ватт. При этом важнейшей характеристикой усилителя становится коэффициент полезного действия (КПД). Низкий КПД, означающий, что значительная часть энергии, потребляемой усилителем от источника питания, в процессе усиления теряется бесполезно на нагрев элементов усилителя, приводит к двум негативным последствиям. С одной стороны, сами по себе бесполезные потери энергии являются экономическими потерями, а с другой – чрезмерный разогрев элементов может привести к их тепловому разрушению, для исключения которого необходимо применять специальные меры по охлаждению. Элементы системы охлаждения – радиаторы, вентиляторы – приводят к увеличению массы и габаритов и к дополнительному удорожанию усилителя.
5.5.1. Линейные усилители мощности
Предельное значение КПД линейных усилителей
Под линейными обычно понимают усилители, в которых управляемые (активные, усилительные) элементы (УЭ) работают в непрерывном режиме. Обобщенные структурные схемы линейных усилителей с последовательным и параллельным включением нагрузки (Н) изображены соответственно на рис 5.63, а,б.
а б
Рис. 5.63. Схемы усилителей мощности: а – с последовательным и б – параллельным включением нагрузки
Поскольку в случае параллельного включения нагрузки необходимо наличие дополнительного элемента – внутренней нагрузки (ВН), на которой теряется часть энергии источника питания (ИП), то такая схема при построении усилителей мощности практически не применяется, а используется в маломощных каскадах из-за удобства «заземления» управляющего элемента, источника питания и нагрузки.
Рис.
5.64. Диаграмма
выходного тока для
однотактного усилителя
мощности
Экономичный режим воспроизведения знакопеременного сигнала при отсутствии или незначительном потреблении энергии от источника питания в режиме «покоя» возможен в двухтактных схемах усилителей, одна из разновидностей которых приведена на рис. 5.65, а. Эпюры токов в такой схеме изображены на рис. 5.65,б.
Определим факторы, обеспечивающие максимально возможное значение КПД двухтактного усилителя (см. рис. 5.65). По определению КПД () – это отношение мощности сигнала в нагрузке (Рн) к мощности, потребляемой при этом от источника питания (Рип):
.
а б
Рис. 5.65. Схема двухтактного каскада (а) и диаграмма токов (б)
В общем случае значение КПД зависит от формы сигнала – Uн(t), iн(t), поэтому принято определять предельное значение КПД линейных усилителей при гармоническом сигнале в нагрузке
Uн(t)=Umcos t; iн(t) = imcos( t + ).
Тогда, полагая, что Еип = const, и учитывая наличие в схеме двух источников, получаем
,
где – период сигнала; – постоянная составляющая источника питания.
Минимальное значение КПД (=0) имеет место при чисто реактивной (емкостной или индуктивной) нагрузке, когда фазовый сдвиг между током и напряжением достигает 90(=/2). В этом случае активная мощность в нагрузке не развивается и вся мощность, отбираемая от источника питания, рассеивается на управляемых элементах. При чисто активной нагрузке (=0) имеем
.
Отсюда следует, что значение КПД зависит от коэффициента использования напряжения источника питания и = Um/Еипи коэффициента использования тока источника питанияi = im /.
Из рис. 5.65, аследует, что приращение напряжения в нагрузке одной полярности не может превышать напряжения источника питания одного плеча двухтактного каскада:
Um < Еип.
Степень этого неравенства зависит от вида вольт-амперных характеристик управляемых элементов и способа их включения. На рис. 5.66 приведен пример графического построения эпюр напряжения и тока в нагрузке для одного плеча двухтактной схемы на биполярных транзисторах с режимом покоя в точке А.
Из построений (рис. 5.66) хорошо видно, что коэффициент использования напряжения и < 1 из-за наличия остаточного напряжения U0 (точка А).
Рис. 5.66. Диаграммы напряжения и тока для одного плеча двухтактной схемы
Очевидно, что наиболее благоприятным в энергетическом смысле режимом работы линейных транзисторных усилителей является режим достижения заданной мощности в нагрузке при высоких значениях амплитуды напряжения и низких значениях амплитуды тока.
Рис. 5.67. Диаграмма
выходного
тока одного плеча двухтактного
усилителя
Для определения максимального значения коэффициента iрассмотрим эпюру тока в цепи источника питания двухтактной схемы при заданном токе покояi0(рис. 5.67). Постоянная составляющая тока может быть подсчитана по соотношению
или, обозначив i0= im,
.
Очевидно, что значение iип0, соответствующее максимумуi, достигается при= 0, когдаi=. Полагая, что предельные значенияи=1 иi=, получаем максимальное значение КПД двухтактного каскада при гармоническом выходном сигнале:
.
Мощность, рассеиваемая на каждом управляемом элементе, равна половине общей мощности потерь:
.
В случае если требуемая мощность в нагрузке достигается при большой амплитуде напряжения, когда возникают затруднения с выбором транзистора с требуемым высоким значением Uкэ доп, используется мостовая схема (рис. 5.68). В этой схеме транзисторы работают попарно: при одной полярности сигнала открываются транзисторы V1 и V4, при другой – V2 и V3. Максимальная амплитуда сигнала в нагрузке равна
Um = Еи – U0
Рис.
5.68. Мостовая схема
усилителя мощности
Особенности использования современных мощных транзисторов
Электронной промышленностью к настоящему времени освоено производство мощных транзисторов достаточно широкой номенклатуры. Однако при их использовании необходимо учитывать приводимые в справочных данных зависимости допустимой мощности рассеивания и напряжения коллекторного перехода от температуры корпуса, которая зависит от площади теплоотвода (радиатора) или от интенсивности обдува при использовании принудительного вентилирования. Кроме того, необходимо учитывать зависимость допустимой мощности рассеивания от значения коллекторного напряжения, которая дается в справочнике в виде зависимости допустимого тока коллектора от напряжения на коллекторе Iк=f(Uк), даваемой как для постоянных, так и импульсных значенийPк, Iк, Uк. На рис. 5.69 изображен примерный вид зависимостиIк=f(Uк).Максимально допустимой мощности рассеивания, указываемой в справочниках, соответствует лишь плоский участок зависимости, а при приближении напряжения к предельному произведение напряжения на допустимое значениетока становится намного меньше предельной мощности.
Если не удается подобрать транзистор с соответствующими предельными характеристиками, то применяют параллельное соединение однотипных элементов (рис. 5.70). Поскольку зависимость предельных значений Iк=f(Uк) нелинейна, то уменьшение тока происходит через каждый транзистор в два раза (при соединении двух транзисторов), поэтому допустимое напряжениеUквозрастает значительно резче. Для выравнивания токов через транзисторы в эмиттерные цепи включаются выравнивающие резисторы, сопротивление которых должно быть в несколько раз больше дифференциального сопротивления эмиттерного перехода (э) при максимальном токе коллектора.
Резисторы Rэявляются элементами обратной связи, и их включение приводит к снижению усилительных свойств транзисторов. Особенностью мощных транзисторов являются сравнительно низкие значения коэффициентов передачи по току, что обусловливает потребление значительной мощности от источника управляющего сигнала (или от каскада предварительного усиления).
Для снижения мощности управления применяется схема составного транзистора (схема Дарлингтона), в котором ток управления уменьшен пропорционально усилению по току базы дополнительного транзистора VT1, который может быть значительно менее мощным, чем основной (рис. 5.71).
|
|
|
Рис. 5.69. Область безопасных режимов работы мощных транзисторов |
Рис. 5.70. Параллель- ное соединение мощ- ных транзисторов |
Рис. 5.71. Схема Дарлингтона |
В настоящее время основное применение в усилителях мощности находят МДП-транзисторы, обладающие меньшими потерями и большей температурной устойчивостью.