- •«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
Перечислите основные характеристики усилителя мощности.
Назовите способы повышения КПД линейных усилителей.
Составьте схему двухтактного повторителя на комплементарных полевых МДП-транзисторах.
Назовите ключевые усилители мощности: их достоинства и недостатки.
Основные результаты пятой главы
Усилительные устройства являются основными компонентами аналоговой электроники.
Основным способом линеаризации и стабилизации параметров аналоговых усилителей является метод отрицательной обратной связи, знание основ которой обязательно при проектировании таких устройств.
Функционально полным элементом современной электроники является операционный усилитель в твердотельном исполнении. На ОУ может строиться огромное разнообразие функциональных преобразователей сигналов (линейных и нелинейных). Анализ таких преобразователей упрощается с использованием модели идеального ОУ, степень приближения к которой реальных ОУ достаточно высока.
При управлении большими абсолютными значениями мощности актуальной становится проблема снижения потерь (повышения КПД). Эта проблема решается специальными методами в усилителях, называемых усилителями мощности. Наибольшее значение КПД достигается при работе усилительных элементов в ключевом режиме. Воспроизведение произвольной формы сигнала в ключевых усилителях достигается использованием принципа широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
6. Автогенераторы
Автогенераторы – это автономные источники периодических колебаний различной формы: гармонической, прямоугольной, пилообразной и т. д. Автогенераторы используются как источники тестовых сигналов для исследования электронных схем, для синхронизации работы сложных цифровых блоков, как источники опорных сигналов для запитки измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические.
Автогенератор, как и усилитель, является преобразователем энергии источника питания в энергию выходного периодического сигнала. Но, в отличие от усилителя, автогенератор является автономным преобразователем, когда параметры выходного сигнала определяются не входным сигналом (как у усилителя), а собственными параметрами автогенератора.
При проектировании автогенераторов решаются две главные задачи:
обеспечение условия для возникновения нарастающего во времени периодического колебания;
обеспечение стационарных (установившихся) параметров колебания – уровня и периода.
При возникновении колебаний, когда их уровень мал, автогенератор можно рассматривать как линейную систему. Для ограничения колебаний на стационарном уровне принципиально необходима нелинейность, поэтому определение стационарных параметров должно проводиться на основе анализа нелинейных дифференциальных уравнений автогенератора, что представляет собой достаточно сложную аналитическую задачу.
В силу существенно различного характера нелинейности используемых в автогенераторах гармонических и импульсных (релаксационных, разрывных) колебаний эти генераторы рассматриваются раздельно.
Автогенераторы гармонических колебаний
Обеспечить в автономной (без внешнего воздействия) системе нарастающий колебательный процесс можно за счет введения обратной связи и создания условий, при которых система становится неустойчивой.
На этапе возникновения колебаний система может рассматриваться как линейная. Тогда условием возникновения колебательного нарастающего процесса является наличие в характеристическом уравнении системы пары комплексно-сопряженных корней с положительной вещественной частью. В системе второго порядка это возможно лишь при введении положительной обратной связи. Обычно усилитель, являющийся основой автогенератора, проектируется так, что его инерционностью на частоте генерации можно пренебречь и считать, что корни характеристического уравнения определяются только цепью обратной связи, которая называется фазирующей, или частотозадающей. В результате структурная схема автогенератора может быть сведена к обобщенному виду (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Обобщенная
схема
автогенератора гармонических
сигналов:1– усилитель;2– частотозадающая цепь
Рассмотрим для примера RC-цепь, изображенную на рис. 6.2. Передаточная функция и АФЧХ цепи имеют вид
;
. (6.1)
Рис.
6.2. Пример фазирующей
RC-цепи
1 – K (р) = 0,
или с учетом (6.1)
р2(RC)2 + pRC(3 – K) = 0.
Корни этого уравнения
.
Для обеспечения условия нарастания колебаний 0 необходимо обеспечить очевидное условие
K 3. (6.2)
Чтобы прояснить физическую сущность соотношения (6.2), рассмотрим АЧХ и ФЧХ фазирующей цепи, построенные на основании (6.1) и изображенные на рис. 6.3. На частоте фазаRC-цепи равна нулю. Это значит, что в чистом виде положительная обратная связь имеет место только на этой частоте. Поскольку при этом передача-цепи равна 1/3, условие (6.2) означает очень важное неравенство
K1; (6.3)
=0.
Рис.
6.3. АЧХ и ФЧХ фазирующей цепи
Стационарный режим колебаний (с постоянной амплитудой и частотой) устанавливается, когда в системе строго соблюдается энергетический баланс: затухание энергии, вносимое пассивной фазирующей цепью, точно компенсируется усилителем.
Эти условия можно отразить равенством
K =1; 6.4)
=0,
которое называется балансом амплитуд.
Переход от условия самовозбуждения (6.3) к условию стационарности амплитуды (6.4) возможен, если петлевое усиление является зависимым от уровня выходного сигнала
K = F(Uвых). (6.5)
Соотношение (6.5) означает, что для обеспечения установившегося режима в автогенераторе принципиально необходима нелинейность петлевого усиления, которая может быть обеспечена или за счет нелинейного усилителя, или за счет специальных схем автоматической регулировки усиления (АРУ).
Пример простейшей схемы АРУ приведен на рис. 6.4. На диоде VD и конденсаторе Сф выполнен преобразователь переменного напряжения в постоянное. Сопротивление полевого транзистора, включенного в цепь отрицательной обратной связи, а следовательно и коэффициент усиления зависят от уровня выходного напряжения. В данной схеме температурная нестабильность сопротивления полевого транзистора приводит к нестабильности стационарной амплитуды. Поэтому на практике применяются более сложные схемы АРУ, обеспечивающие высокую стабильность выходного напряжения.
Рис. 6.4. Схема автогенератора с обеспечением стационарного режима за счет АРУ
Важной характеристикой автогенератора является стабильность частоты генерации. Как было показано, генерация возникает на частоте, где выполняется строгое равенство: суммарный фазовый сдвиг по петле обратной связи равен нулю, т. е.
у + = 0, = 0. (6.6)
Условие (6.6) называется балансом фаз.
Изменение любого слагаемого (6.6), вызванное температурной нестабильностью параметров усилителя или фазирующей цепи, приведет к изменению исходной частоты генерации
(у у)+( )=0,
0.
На рис. 6.5 показано изменение частоты генерации (от 0 до 0), вызванное нестабильностью фазы усилителя для двух фазовых характеристик частотозадающей цепи, пологой и крутой.
Рис.
6.5. Нестабильность частоты
генерации,
вызываемая нестабильностью
фазы
усилителя
Рис.
6.6. Введение в фазирующую цепь кварца
для
стабилизации частоты
1. Приведите условия возникновения колебаний в автогенераторе.
2. Составьте схему генератора, используя в качестве фазирующей цепи LC-колебательный контур.
3. Трехзвенная RC-цепь имеет фазовый сдвиг 180 и коэффициент передачи 1/29. Сформулируйте требования к усилителю для построения генератора и составьте схему автогенератора, используя ОУ.