ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Электронные устройства - в которых преобразование электроэнергии и сигналов реализуется с помощью электронных активных элементов (электронных приборов).

Виды преобразования: выпрямление, инвертирование, усиление, генерирование, преобразование формы, частоты и т. д.

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ (ПП) МАТЕРИАЛОВ

ПП являются веществом, занимающее промежуточное положение между проводниками (=10^-810^-6 Омм) и диэлектриками (=10⁸10¹³ Омм). В полупроводниковой технике применяются в основном элементы IV группы периодической таблицы элементов (четырехвалентные) - германий и кремний, имеющие кристаллическую решетку с прочными парно-электронными (ковалентными связями).

При воздействии внешнего источника энергии (тепловой, электрической, лучистой) парно-электронная связь обрывается и освободившейся электрон становится носителем заряда. При этом в данном атоме возникает недостаток в одном валентном электроне. Образуется дырка. Если этот атом захватывает недостающий электрон из соседнего атома, то дырка переместится. Таким образом, протекание тока через ПП обусловлено перемещением свободных электронов и дырок. Под воздействием электрического поля электроны перемещаются в одну сторону, а дырки в другую. Если свободный электрон занимает пустующее место (дырку), то говорят, что электрон и дырка рекомбинируют, т. е. носители заряда перестают существовать. При рекомбинации выделяется энергия.

Количество электронов и дырок в ПП относительно мало, поэтому для увеличения количества носителей заряда и формирования электронно-дырочного перехода применяют донорные и акцепторные примеси, малое, но точно определенное количество которых добавляют в ПП.

Донорнымии примесями являются элементы V группы (фосфор, сурьма, мышьяк), атомы которых имеют по пять электронов на внешней орбите, четыре из которых образуют с атомами ПП ковалентные связи, а пятый остается свободным. Такой примесный ПП называется N - типа. Основными носителями заряда являются электроны, неосновными - дырки.

Акцепторными являются элементы III группы (индий, галлий, алюминий, бор), атомы которых имеют по три электрона на внешней орбите. Каждому атому примеси недостает по одному электрону, который захватывается из соседнего атома, в котором образуется дырка. Такой примесный ПП называется Р - типа. Основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны.

P-N - переход образуется на границе ПП Р и N - типов проводимости. Этот переход обладает вентильным свойством - односторонней проводимостью.

На границе раздела областей с электронной и дырочной проводимостями электроны из N области и дырки Р области движутся на встречу друг другу и рекомбинируют. В результате у границы создается нескомпенсированные заряды (положительный в N области и отрицательный в Р области) за счет неподвижных ионов атомов примесей. Возникает потенциальный барьер , препятствующий движению основных носителей заряда (электронов из N области и дырок из Р области), появляется слой обедненный подвижными носителями заряда.

Через Р-N-переход протекает диффузионный ток i_R , обусловленный движением основных носителей заряда и тепловой ток i_T , обусловленный движением неосновных носителей заряда. Ток через Р-N-переход I= i_R - i_T.

Если включить Р-N-переход в обратном направлении потенциальный барьер увеличится на величину приложенного напряжения U_П. Ток через переход будет равен тепловому току i_T, обусловленным движением неосновных носителей заряда.

При определенном напряжениии U_обр начинается лавинообразный процесс нарастания тока I_обр, соответствуюшего электрическому пробою. Если в этот момент ток (напряжение) не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой пробой. Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения U_обр ВАХ Р-N-перехода перейдет на пологий участок. Тепловой пробой необратим, так как разрушает Р-N-переход.

Если включить Р-N-переход в прямом направлении потенциальный барьер уменьшится на величину приложенного напряжения U_П.. Облегчается диффузия дырок и электронов в N и Р области соответственно, они рекомбинируют, На их место поступают новые электроны и дырки, излучаемые внешним источником. Диффузионный ток и ток через переход увеличится.

Облегчается диффузия дырок и электронов в N и Р области соответственно, они рекомбинируют, На их место поступают новые электроны и дырки, излучаемые внешним источником. Диффузионный ток и ток через переход увеличится.

ДИОДЫ

Диод - ПП прибор, имеющий один Р-N-переход.

Диоды выпрямительные - предназначенные для выпрямления токов промышленной частоты и в ряде случаев более высоких частот в установках электропитания. Делятся на маломощные и мощные с отводом тепла. Используют прямую и обратную (допробойную часть) ветви ВАХ.

Диоды универсальные - маломощные диоды, предназначенные для широкого использования в различной радиоэлектронной аппаратуре (в качестве выпрямлямителей токов высоких и низких частот, умножителей, преобразователей частоты, детекторов сигналов и т. д.)

Основными параметрами являются токи и напряжения, связанные с ВАХ:

I_пр при заданном U_пр (или наоборот) - параметр, задающий точку прямой ветви ВАХ. По ней строится экспонента.

I_обр при заданном U_обр (или наоборот) - параметр, задающий точку обратной ветви ВАХ.

U_{обр max} и U_{обр И max} - максимально-допустимые обратное напряжение в непрерывном и импульсном режимах, превышение которых приводит к пробою.

I_{пр max} и I_{пр И max} - максимально-допустимые прямой ток в непрерывном и импульсном режимах, ограничивается разогревом и мощностью, превышение которых приводит к выходу из строя.

P_max - максимальная мощность, рассеиваемая диодом, при которой параметры его не меняются.

Т_max - максимальная температура перехода. Выше этой температуры Р-N-переход перестает существовать.

Диоды для СВЧ диапазона - отличаются от описанных выше конструктивным оформлением, сводящим до минимума паразитные индуктивности.

Диоды импульсные - диоды, приспособленные к работе в быстродействующих импульсных схемах с временем переключения 1 мкс и менее. Применяется главным образов для ЭВМ.

Основные параметры и характеристики такие же как и выпрямительных диодов, добавляются:

Q_п - заряд переключения;

С - емкость.

Столбы и блоки выпрямительные.

Столбы предназначены для работы в высоковольтных выпрямителях. Параметры и ВАХ такие же как у выпрямительных диодов.

Блоки - применяются в мостовых и удвоительных схемах выпрямления. Параметры ВАХ для одного плеча Кроме этого добавляются параметры, характеризующие блок как четырехполюсник:

U_КЗ - напряжение на входе при коротком замыкании на выходе.

I_ХХ - ток на входе при холостом ходе на выходе.

Диодные сборки и матрицы - приборы, предназначенные для использования в устройствах счетно-вычислительной и импульсной техники. Позволяют оптимизировать схемы, уменьшить габариты.

Стабилитроны - применяются в качестве стабилизаторов напряжений или опорных элементов схем. В основе их действия лежит механизм лавинного пробоя: используется обратная ветвь ВАХ с малыми тепловым (обратным) током.

Основные параметры:

U_ст - номинальное напряжение стабилизации при номинальном токе I_{ст. ном} ;

U_ст.min - минимальное напряжение стабилизации в начале прямолинейного участка;

I_{ст. min} - ток при U_ст.min;

U_ст.max­ - максимальное напряжение стабилизации при максимально допустимом токе I_{ст. max} ;

I_{ст. max} - максимально допустимый ток, ограничиваемый разогревом.

Максимальные токи, мощности и тепловые параметры такие же как у вентильного диода.

Варикапы - диод с обратно смещенным P-N-переходом, применяется в качестве конденсатора для настройки частотно-избирательных цепей, для осуществления частотной и амплитудной модуляции. Характеризуется вольт-фарадной характеристикой - С(U_обр).

Основной параметр - С - емкость при заданном обратном напряжении U_обр .

Излучатели и светодиоды - предназначены для работы в качестве индикаторов красного, желтого, зеленого свечения, в цифровых индикаторах (светодиодная матрица), источников инфракрасного излучения. Р-N - переход работает при прямом смещении. При рекомбинации электронов и дырок энергия, накопленная электроном (по закону сохранения энергии) должна превратиться в другой вид - свет, тепло.

Материал светодиодов - карбид кремния, фосфид и арсенид галлия.

Основные параметры

В - яркость свечения при заданном токе; I_св - сила света при заданном токе.

Данные ВАХ и предельные параметры такие же как у вентильного диода.

Туннельные и обращенные диоды

Туннельные предназначены для работы в качестве переключателей, генераторов и усилителей. Обращенные - детекторов и смесителей.

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Биполярным транзистором называется ПП прибор с двумя Р-N-переходами, в котором ток между переходами обусловлен движением неосновных носителей.

Принцип действия

В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводимости БТ подразделяют на два типа P-N-P и N-P-N.

В нормальном режиме работы на один Р-N-переход (эмиттерный) подается прямое напряжение смещения, на другой (коллекторный) - обратное. Соответственно крайние области называются Эмиттером и Коллектором.

Функции эмиттерного перехода - инжекция неосновных носителей в область базы. Число неосновных носителей в области базы возрастает. В результате создается диффузионный поток неосновных носителей от эмиттера (где они в избытке) к коллектору (где их мало). Почти все инжектируемые носители заряда достигают коллектора и только незначительное их количество рекомбинирует в области базы.

СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ

1) С общей базой (об)

I_КI_Э , =0,950,99 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ. Характеризует количество носителей заряда, достигших коллектора.

2) С общим эмиттером (оэ)

По закону Кирхгофа I_Э=I_К+I_Б .

С учетом I_КI_Э и теплового тока: I_Б = (1 - ) I_Э - I_КО. Записываем:

I_К = (/1-) I_Б + I_КО/1-

I_К  I_Б + I_КО*, где =/1- = (3090) (последние разработки - до 300) - коэффициент передач тока в схеме с ОЭ.

Схема с ОЭ характеризуется большим усилением тока и большим тепловым (обратным) током. I_КО* I_КО.

3) С общим коллектором (ок)

ВАХ и коэффициент передачи тока в схеме с ОК такие же как в схеме с ОЭ (отличаются на ).

ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

КАК АКТИВНОГО ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА

(Н-ПАРАМЕТРЫ)

В соответствии с теорией четырехполюсников входные и выходные напряжения и токи (U₁, I₁ и U₂, I₂) однозначно связаны между собой системой уравнений, содержащей четыре параметра. Для биполярных транзисторов используется система h-параметров:

Н-параметры имеют определенный физический смысл:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом по переменному току входе;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при разомкнутом по переменному току входе;

Обычно h-параметры измеряются в схемах включения с ОБ и ОЭ.

Связь между h-параметрами для разных схем включения

Основные параметры биполярного транзистора

Тип перехода: P-N-P, N-P-N; материал - германий или кремний; назначение.

I_КБО - обратный ток коллектора при U^*_КБ;

I_ЭБО - обратный ток эмиттера при U^*_ЭБ;

h_11Б - входное сопротивление;

h_21Э - коэффициент передачи тока;

h_12Б - коэффициент обратной связи;

h₂₂ - выходная проводимость;

U^*_К, I^*_К - режим измерения h-параметров;

f_h21б - предельная частота коэффициента передачи;

С_К - емкость коллекторного перехода;

k_ш - коэффициент шума;

Максимально-допустимые параметры:

U_КБmax - максимально-допустимое постоянное напряжение коллектор-база;

U_КЭmax - максимально-допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттор;

I_Кmax - максимально-допустимый постоянный ток коллектора;

I_КИmax - максимально-допустимый импульсный ток коллектора I_КИmax=(57) I_Кmax ;

Р_max - максимально-допустимая рассеиваемая мощность;

Т_max - максимально-допустимая температура окружающей среды;

Т_min - минимально-допустимая температура окружающей среды.

ПОЛЕВОЙ ТРАНЗИСТОР

Полевым транзистором называется ПП усилительный прибор, являющийся полупроводниковым резистором, сопротивление которого меняется под действием электрического поля.

Принцип действия

В отличии от биполярного транзистора, в котором процесс переноса зарядов обусловлен движением основных и неосновных носителей, в полевом транзисторе ток обусловлен движением основных носителей для данного типа ПП.

Полевые транзисторы имеют ряд достоинств:

1) большое входное сопротивление (10¹⁰-10¹⁵Ом),

2) большая устойчивость к проникающим излучениям (в 3-4 раза выше),

3) малый уровень собственных шумов,

4) малое влияние температуры на усилительные свойства.

Различают 2 типа:

с управляющим затвором типа Р-N-перехода,

с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с управляющим затвором типа Р-N-перехода

с каналом N типа

с каналом Р типа

В рабочем режиме Р-N – переход смещен в обратном направлении напряжением U_ЗИ. Полярность U_СИ такая, чтобы основные носители заряда двигались от истока к стоку. При повышении U_ЗИ поперечное сечение проводящего канала уменьшается из-за увеличения обедненной зоны Р-N – перехода, что приводит к снижению тока стока I_C.

Напряжение, при котором происходит перекрывание канала (I_C=0) называется напряжением отсечки (U_ОТС).

Изменяя U_ЗИ , можно в широких пределах менять ток I_C.

Основные параметры полевого транзистора в режиме усиления:

S=dI_C/dU_ЗИ | при U_СИ=const - дифференциальная крутизна стоковой характеристики (mA/V);

r_СИ= dU_CИ/dI_C - дифференциальное выходное сопротивление.

Полевые транзисторы с изолированным затвором

Имеют структуру метталл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзсторы). В качестве диэлектрика используется оксид кремния SiO₂. Т. е. структура метталл-окисел-полупроводник (МОП-транзисторы). Наличие диэлектрика обуславливает большое входное сопротивление (10¹²-10¹⁴ Ом), что позволяет управлять мощными цепями с помощью маломощных сигналов.

На подложке Р-типа (или N-типа) создается области N-типа (или Р-типа), к которым подводятся внешниие электроды И и С. Между металлическим затвором З и подложкой находится диэлектрик.

Проводящий слой образуется в поверхностном слое подложки под диэлектриком. Этот канал в зависимости от технологического процесса изготовления может быть встроенным и индуцированным.

Индуцированный проводящий канал возникает при U_ЗИ=U_ПОР, которое может быть положительным (для канала N-типа) и отрицательным (для канала Р-типа).

U_ЗИ1< U_ЗИ2< U_ЗИ3< U_ЗИ4< U_ЗИ5 - для всех;

U_ЗИ1=U_ПОР - для индуцированного канала

U_ЗИ1=U_ОТС, U_ЗИ3=0 - для встроенного канала.

Аналогично биполярному транзистору полевой имеет три схемы включения:

с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС), общим затвором (ОЗ).

Основные параметры

Тип перехода, тип канала, основное назначение,

I_{C НАЧ} - начальный ток стока,

S - крутизна характеристики,

U_{ЗИ ОТС} - напряжение отсечки,

U_{ЗИ ПОР}- пороговое напряжение,

I_{З УТ} - ток утечки затвора,

K_Ш - коэффициент шума,

С_11И - входная емкость,

С_12И - проходная емкость,

U_{ЗИ max} - максимально-допустимое напряжение затвор-исток,

U_{ЗС max} - максимально-допустимое напряжение затвор-сток,

U_{СИ max} - максимально-допустимое напряжение сток-исток,

I_{C max} - максимально-допустимый ток стока,

Р_max - максимальная рассеиваемая мощность,

Т_max - максимальная температура окружающей среды,

Т_min - минимальная температура окружающей среды.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называется ПП прибор с двумя устойчивыми состояниями, предназначенный для применения в качестве неуправляемых (диодные тиристоры или динисторы) и управляемых (триодные тиристоры или тринисторы) мощных выпрямителей переменного тока, а также в качестве ключевых элементов в переключателях.

Принцип действия

Имеют структуру P-N-P-N с тремя P-N-переходами П₁, П₂, П₃.

Если к аноду (А) подано “+” , а к катоду (К) - ““, то П₁ и П₃ смещаются в прямом, а П₂ - в обратном направлениях, сопротивление его велико, прямой ток I_пр мал. Все напряжение приложено к этому переходу. Состояние - “заперто”.

При увеличении напряжения U_пр , ток I_пр будет расти сначала за счет роста прямого смещения на крайних переходах. При определенном U_{пр max} происходит пробой П₂ и процесс начинает бурно возрастать. Состояние “открыто”.

Ток через центральный переход:

I_П2=₁I_П1+₂I_П3+I_ОБР,

где I_П1, I_П2 - токи инжекции крайних переходов,

₁, ₂ - коэффициенты передачи токов, которые увеличиваются с ростом тока.

Так как переходы включены последовательно, то I_П1= I_П2= I_П3= I, то:

.

Если к управляющему электроду (УЭ) приложить напряжение прямого смещения (положительное относительно катода), то в цепи УЭ протекает ток управления I_упр, который увеличит общий ток.

.

Основные параметры тиристора.

Для динистора:

U_ОСТ - остаточное напряжение на открытом тиристоре при заданном токе I_ПР. Определяет ВАХ;

U_{ПР max} - максимально-допустимое прямое напряжение на запертом тиристоре, при превышении которого тиристор включается и переходит в состояние “открыто”;

I_ВЫКЛ - ток выключения, ниже точки которой ₁+₂=1;

I_{ПР max} - максимально-допустимый прямой ток, ограничивается разогревом;

Р_max - максимально-допустимая мощность, рассеиваемая тиристором.

для тринисторов добавляются:

I_СПР - ток спрямления;

U_СПР - напряжение спрямления;

U_УПР - напряжение управления при заданном токе управления I_УПР;

I_{УПР max} - максимально-допустимый ток управления;

Р_{УПР max} - максимально-допустимая мощность управления;

t_ВКЛ - время включения тиристора;

t_ВЫКЛ - время выключения тиристора.

Симистор

Симистор - симметричный тиристор, имеющий 5 слоев и 4 Р-N-перехода.

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ ПП ПРИБОРОВ

1 - буква или цифра, обозначающая исходный материал:

Г или 1 - германий,

К или 2 - кремний,

А или 3 - соединения галлия.

2 - буква, определяющая класс прибора:

Т - транзистор биполярный,

П - транзистор полевой,

Д - диод выпрямительный,

А - диод СВЧ,

В - варикап,

И - туннельные и обращенные диоды,

С - стабилитрон,

Ц - диодные столбы и блоки,

Л – светодиод,

Н - тиристор диодный (до 10А),

У - тиристор триодный (до 10А).

3 - цифра, определяющая диапазон основных параметров (мощность, частота, ток и т. д.).

4 5 - двузначное число - номер разработки.

6 - буква - деление технологического типа на параметрические группы.

СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ СИЛОВЫХ ПП ПРИБОРОВ

1 - В - вентиль,

Т - тиристор.

2 - Л - с лавинной характеристикой,

А - автотракторный,

Ч - частотный,

И - импульсный,

Ф - фото,

С - симистор.

3 - В - с водяным охлаждением.

4 - предельный ток, А.

5 - класс по напряжению.

6 - прямое падение напряжения, В.

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямителем называется статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока в постоянный.

Находят широкое применение, так как различные электронные и электрические устройства требуют в качестве источника питания напряжение постоянного тока.

Структурная схема

Состав выпрямителя:

Тр - трансформатор - изменяет напряжение сети до необходимого и электрически разделяет сеть от нагрузки;

ВГ - вентильная группа - преобразует переменный ток в постоянный;

СФ - сглаживающий фильтр - уменьшает пульсации выпрямленного напряжения;

Ст - стабилизатор - поддерживает заданное напряжение при изменении входного;

СУ- схема управления - управляет вентильной группой;

Н - нагрузка.

Основные параметры

Среднее значение выпрямленного (выходного) напряжения и тока:

Частота пульсаций: f=1/T;

Коэффициент пульсаций: q=U_П/U_d , где U_П=U_вых.maxU_{вых.min .}

Внешняя характеристика U_d=f(I_d)

U_d= U_{d xx} (R_тр+NR_V) I_d ,

где U_{d xx} - среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода (когда I_d=0);

R_тр - приведенное к вторичной обмотке сопротивление трансформатора;

R_V - прямое сопротивление вентиля;

N - число последовательно соединенных вентилей (через которые в каждый момент времени протекает ток нагрузки).

СХЕМЫ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Неуправляемые

Однофазная однополупериодная

Однофазная двухполупериодная мостовая

Однофазная двухполупериодная с выводом средней точки

Трехфазная с выводом нейтрали

В любой момент времени проводит ток вентиль, потенциал анода которого наиболее положителен относительно нулевой точки.

Трехфазная мостовая

В любой момент времени проводит ток одновременно два вентиля - один из катодной группы, другой из анодной:

из катодной группы потенциал анода которого наиболее положителен,.

из анодной группы потенциал катода которого наиболее отрицателен.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители позволяют помимо выпрямления осуществить плавное регулирование в широких пределах значение среднего выпрямленного напряжения U_d .

Обычно управляемые выпрямители строятся по таким же схемам что и неуправляемые с использованием управляемых вентилей - тиристоров, включение которых осуществляется подачей импульса от схемы управления на управляющий электрод тиристора.

Однофазная однополупериодная

Однофазная двухполупериодная мостовая

Трехфазная с выводом нейтрали

Основные параметры

 - угол регулирования - значение фазы входного синусоидального напряжения, соответствующее моменту подачи управляющего импульса, открывающего тиристор.

_max - максимальный угол регулирования, при котором U_d=0.

U_ПРmax - максимально допустимое прямое напряжение на закрытом тиристоре.

Регулировочная характеристика U_d=f().

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Для сглаживания (уменьшения пульсаций) выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры, которые включают между вентильной группой и нагрузкой.

Сглаживающие фильтры содержат в основном реактивные элементы, сопротивление которых зависит от частоты тока.

Последовательно включают элементы, имеющие большое сопротивление для переменной составляющей и малое для постоянной - дроссели - индуктивные катушки с ферромагнитным сердечником, или параллельный LC-контур, настроенный в резонанс на частоты пульсаций f_П.

Параллельно включают элементы, имеющие малое сопротивление для переменной составляющей и большое для постоянной - конденсатор.

Для мощных нагрузок применяют индуктивные, для маломощных - емкостные фильтры.

Параметры сглаживающих фильтров

s=q₁₂/q_1вых - коэффициент сглаживания - отношение коэффициентов пульсаций по первой гармонике на входе и выходе фильтра;

k_ф=U_m12/U_m1вых - коэффициент фильтрации - отношение амплитуд первых гармоник на входе и выходе фильтра;

=U_dвых/U_d2 - коэффициент передачи постоянной составляющей - отношение среднего выпрямленного напряжения на выходе и входе фильтра.

s= k_ф.

Схемы фильтров

СТАБИЛИЗАТОРЫ

Стабилизатор напряжения (тока) - устройство, поддерживающее напряжение (ток) на нагрузке с заданной точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в заданных пределах.

Простейшая схема стабилизатора напряжения со стабилитроном

Основной параметр - коэффициент стабилизации:

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ

Обратная связь - это такая связь между элементами устройства, при которой часть энергии выходного сигнала поступает на вход устройства.

Виды обратной связи

Положительная обратная связь - выходной сигнал в канале обратной связи совпадает по фазе с входным сигналом устройства, способствуя его усилению (повышению коэффициента усиления). Это дестабилизирует работу устройства, т. к. любые незначительные изменения выходного параметра приводятся каналом обратной связи к предельным значениям (используется в генераторах).

Отрицательная обратная связь - выходной сигнал в канале обратной связи в противофазе с входным сигналом устройства. Стабилизирует выходной сигнал при воздействии внешних факторов, повышает частоту пропускания.

По виду снимаемого с выхода устройства сигнала - обратная связь по напряжению и обратная связь по току.

По схеме включения сигнала обратной связи на вход устройства (по отношению к источнику входного сигнала) - последовательная обратная связь и параллельная обратная связь.

Внутренняя обратная связь проявляется в каждом компоненте усилителя из-за функциональной связи между их электрическими и физическими параметрами.

Внешняя обратная связь обеспечивается включением дополнительных цепей, действие которых направлено на улучшение характеристик устройства.

Паразитная обратная связь создается емкостными и индуктивными связями, не предусмотренные схемотехническими решениями, проявляются на больших частотах.

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилитель постоянного тока (УПТ) - это усилитель медленно изменяющихся сигналов, способный обеспечивать усилительные свойства при частоте сигнала равного нулю (f=0).

Особенность УПТ - линейная зависимость выходного сигнала от входного.

Для работы усилителя на низких частотах необходимо исключить емкостные и трансформаторные связи. Но из-за этого усилитель не огражден от возможности прохождения через него одновременно с полезным сигналом изменений, обусловленным нестабильностью источников питания и электрических параметров элементов (из-за их старения элементов и температурной зависимостью).

Непостоянство выходного напряжения УПТ называют дрейфом нуля.

Дифференциальные цепи позволяют реализовать УПТ с малым дрейфом нуля.

Рассмотрим важнейшие свойства дифференциальной цепи, в которой нагрузка подключена к внутренней диагонали моста.

Балансировка (равновесие) моста по постоянному току обеспечивается условием:

R1R4= R2R3 ;

_a=_b ; I_Н=0 ; U_Н=_a_b =0.

Изменение параметров источника питания (U_П) не нарушает условия балансировки.

При пропорциональном изменении параметров резисторов смежных плеч (R1 и R2 или R3 и R4) балансировка не нарушается.

Синфазные сигналы - сигналы равной амплитуды и одного знака (фазы).

Противофазные сигналы - сигналы равной амплитуды и разного знака (фазы).

Дифференциальный усилитель - усилитель, у которого выходной сигнал пропорционален разности двух входных сигналов.

Простейший дифференциальный усилитель может быть получен из рассмотренной дифференциальной цепи заменой резисторов R3 и R4 на транзисторы VT1 и VT2.

U_НU₁₂=₁ ₂=u_вх1  u_вх2 .

Одна из важнейших особенностей дифференциального усилителя - возможность получения на нагрузочном устройстве разнополярного напряжения.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Операционный усилитель (ОУ) - унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления по напряжению, выполненный как правило в виде интегральной микросхемы с дифференциальным входом и несимметричным выходом.

ОУ применяется для решения многих технических задач: усиления и преобразования сигналов, стабилизации напряжения и тока, а также для выполнения математических операций с сигналами (суммирование, вычитание, дифференцирование, интегрирование).

На ранних стадиях развития вычислительной техники ОУ применялся в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций.

В ОУ один вход выполняется с инвертирующим, другой с неинвертирующим включением по отношению к выходному сигналу.

ДУ - входной дифференциальный усилитель, имеющий симметричный вход и обеспечивающий высокую стабильность, малое напряжение шумов.

УН - промежуточный усилиитель напряжения, выполненный в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления.

ЭП - выходной эмиттерный повторитель, выполненный по двухтактной схеме и обеспечивающий малое выходное сопротивление ОУ.

Требования к характеристикам ОУ:

высокий коэффициент усиления по напряжению К_U  (10⁶);

большое входное сопротивление R_вх  (10⁹ Ом);

малое выходное сопротивление R_вых­0 (10 Ом);

линейность передаточной (амплитудной) характеристики;

высокая верхняя граничная частота пропускания f_В до 50 МHz .

Кроме указанных выше параметрами ОУ являются:

напряжение смещения нуля U_см (мВ) - напряжение, которое необходимо подать на один из входов ОУ, чтобы U_вых =0;

частота единичного усиления f₁ (Mhz) - частота, при которой К_U=1;

максимальное входное напряжение;

максимальный выходной ток.

Характеристики ОУ

Амплитудная (передаточная) характеристика представляется в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подачи сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом.

К_{U ОУ} = U_вых /U_вх . U_вх=0, U_вых=0 - условие баланса ОУ.

Схемы включения ОУ

Решающий усилитель - это усилитель, включающий ОУ и элементы обратной связи, предназначенный для выполнения математических операций с сигналами. Используется параллельная отрицательная обратная связь по напряжению.

Сумматор

Повторитель

Интегратор

Дифференцирующий усилитель

ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым.

На базе импульсной техники выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации, цифровая вычислительная техника.

В отличии от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени в импульсных системах используются сигналы импульсной формы.

Преимущества импульсных систем:

меньше потребление тока (больший к. п. д.);

более высокая точность;

помехоустойчивость;

простота представления информации и эффективные способы ее преобразования.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации используют цифровые методы.

Они базируются на использовании сигналов прямоугольной формы, имеющие два фиксированных уровня напряжения, что позволяет представить сигнал в цифровой форме:

уровню более высокого напряжения присваивают символ “1”, более низкого - “0” (положительная потенциальная логика).

Но может быть наоборот - (отрицательная потенциальная логика).

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и синтезе соответствующий математический аппарат - Алгебру логики.

АЛГЕБРА ЛОГИКИ

(Булева алгебра)

Алгебру логики разработал ирландский математик Д. Буль в середине прошлого века.

Булева алгебра изучает связь между переменными, принимающими два дискретных значения:

логическая единица - истинное высказывание,

логический ноль - ложное высказывание.

Булева алгебра является алгеброй состояний