Электроника Опорный конспект лекций Автор: Рыбин Ю. К. Национальный исследовательский Томский политехнический университет 2011 1
Электроника Электронное учебное пособие «Электроника. Опорный конспект лекций» представляет краткое изложение курса «Электроника» , изучаемого студентами Института Кибернетики ТПУ. Конспект содержит основные (опорные) сведения, необходимые при самостоятельной работе при изучении курса. Конспект разбит на две части: - элементы электроники, - устройства электроники. Использование пособия позволит студентам быстрее и глубже понять принцип действия элементов и устройств электроники. 2
Электроника Литература Основная 1. Гусев В. Г. , Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. -М: “Радио и связь”, 1996. 2. Опадчий Ю. Ф. , Глудкин О. П. , Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов. - М. : “Радио и связь”, 1996. 3. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб. : издательство “Корона принт”, 1998. 4. Лачин В. И. , Савёлов Н. С. Электроника: Учебное пособие. – Ростов на Дону: издательство “Феникс”, 2001. Рыбин Ю. К. Дополнительная литература 5. Сергеев В. М. , Фомичев Ю. М. Электроника: Курс лекций. – Томск, ТПИ, 2009. 6. Рыбин Ю. К. Электронные устройства: Учебное пособие. – Томск, издательство “Печатная мануфактура”, 2003. 7. Цимбалист Э. И. , Силушкин С. В. Методические указания к выполнению лабораторных работ. – Томск, ТПИ, 2009. 3
Рейтинг дисциплины Максимальный балл – 100. В течении семестра - 80 (4 практических занятия по 5 б. и 4 лабораторных работы по 15 б. ). Экзамен - 20 б. Допуск на экзамен - 45 б. 4
Определение дисциплины «Электроника» • Электроника – наука о процессах, происходящих в электрических цепях, содержащих электрические, полупроводниковые и электровакуумные элементы, о физике работы этих элементов, о методах исследования и расчёта электрических схем с этими элементами. 5
Основные исторические этапы развития электроники • Изучение свойств полупроводников - М. Фарадей - 1883 г. • Изучение электропроводности полупроводников – А. Ф. Иоффе, Джулиус Эдгар Лилинфилд. - 1926 г. • Изобретение транзистора -У. Шокли, Д. Браттейн, У. Бардин -1947 г. Нобелевская премия 1957 г. • Изобретение туннельного диода – Л. Есаки - 1956 г. • Изготовление полевых транзисторов - 1963 г. • Изготовление первой интегральной схемы операционного усилителя. Роберт Видлар - 1963 г • Изобретатель цифровой интегральной схемы, основатель компании «Intel» . Роберт Нойс • Изготовление первого четырёхразрядного микропроцессора 4004 фирмой «Интел» – Макс Палевски -1972 г. • Изготовление полупроводниковых гетероструктур – Ж. Алфёров и др. Нобелевская премия 2000 г. – 1970 г. • Исследование по созданию P-N перехода на основе одной молекулы – 2009 г. 6
Электропроводность веществ и материалов • Сверхпроводники. Металлы при низких температурах. ρ = 0 Ом см. • Проводники: серебро, медь, хром, алюминий, магний, вольфрам и др. ρ = 0, 00000158 Ом см (Ag), ρ = 0, 000105 Ом см (Нихром). • Полупроводники: селен, кремний, германий, арсенид галлия и др. ρ = (0, 0001 - 47) Ом см (Ge). • Диэлектрики: стекло, керамика, окись кремния и др. ρ >10^10 Ом см. 7
Полупроводники • Химические элементы: бор – B, углерод (алмаз, графен) – C, селен – S, фосфор – P, кремний – Si, германий – Ge, мышьяк – As. • Химические соединения. Группа II-VI: Сульфиды Zn. S, Cd. S, оксиды: Zn. O и др. Группа III-V. Арсениды: арсенид галлия – Ga. As, арсенид индия – In. As. Антимониды: антимонид индия – In. Sb, антимонид алюминия – Al. Sb, антимонид галлия –Ga. Sb. Фосфиды: Ga. P и др. Группа IV-IV. Карбиды: Si. C (карбид кремния). Группа IV-VI. Теллуриды: Pb. Te (теллурид свинца). • Органические полупроводники. К органическим полупроводникам относятся органические красители (например, фталоцианины), ароматические соединения (нафталин, антрацен, виолантрен и др. ), полимеры, некоторые природные пигменты (хлорофилл, β – каротин и др. ), молекулярные комплексы с переносом заряда, а также ион-радикальные соли. Органические полупроводники существуют в виде монокристаллов, поликристаллических или аморфных порошков и плёнок. 8
Кремний и германий (Si и Ge) • Германий (лат. Germanium), Ge, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 32, атомная масса 72, 59; твёрдое вещество серо-белого цвета с металлическим блеском. Существование и свойства Г. предсказал в 1871 Д. И. Менделеев и назвал этот неизвестный еще элемент "экасилицием" из-за близости свойств его с кремнием. В 1886 немецкий химик К. Винклер обнаружил новый элемент, который назвал Г. в честь своей страны. Промышленное производство Г. возникло в связи с развитием полупроводниковой электроники в 40 -50 годах прошлого столетия. • Кремний (лат. Silicium), Si, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 14, атомная масса 28, 086. Специально легированный К. широко применяется как материал для изготовления полупроводниковых приборов (транзисторы, термисторы, силовые выпрямители тока, управляемые диоды - тиристоры; солнечные фотоэлементы, используемые в космических кораблях, и т. д. ). 9
Объёмная структура полупроводника Si и Ge Кристаллическая, тетраэдрическая, алмазоподобная, гранецентрированная, анизотропная Электрон S i S i S i Ядро атома с внутренними электронными оболочками Валентные связи Воображаемые линии, образующие тетраэдр S i 10
Структура полупроводника Si на плоскости при температуре 0 К S i S i S i 11
Структура полупроводника Si на плоскости при повышении температуры Собственный полупроводник. Генерация носителей заряда: электронов и дырок S i S i S i 12
Структура полупроводника P- типа Примесный полупроводник S i S i I n S i S i 13
Структура полупроводника N- типа Примесный полупроводник S i S i S b S i S i 14
Энергетическая диаграмма проводников, полупроводников и диэлектриков Проводники Полупроводники Диэлектрики E З о н а п р о в о д и м о с т и 0, 1 - 3 е. В > 8 е. В З а п р е щ ё н н а я з о н а В а л е н т н а я з о н а 1 е. В = 1, 6*10(-19) дж 15
Энергетическая диаграмма чистых полупроводников Ge Si Ga. As E З о н а п р о в о д и м о с т и 0, 75 э. В 1, 12 э. В 1, 43 э. В З а п р е щ ё н н а я з о н а В а л е н т н а я з о н а 16
Энергетическая диаграмма полупроводников N-типа E Si +Sb 0, 12 е. В 17
Энергетическая диаграмма полупроводников P-типа E Si + In 18
Технологии изготовления P-N перехода P N N сплавная эпитаксиальная диффузионная 19
P-N переход без внешнего напряжения P N l p-n P – N переход выводы Металлургическая граница I дифф + I дрейф = 0 20
P-N переход при прямом смещении P l пр N P – N переход выводы Uпр I дифф >> I дрейф 21
P-N переход при обратном смещении P l обр N P – N переход выводы Uобр I дифф << I дрейф 22
Энергетическая диаграмма P-N перехода без внешнего напряжения E P l N -электрон -дырка eφконт 23
Энергетическая диаграмма P-N перехода при прямом смещении E P lпр N -электрон -дырка e(φкон – Uпр) 24
Энергетическая диаграмма P-N перехода при обратном смещении E P lобр N -электрон -дырка e(φконт + Uобр) 25
Вольт – амперная характеристика P-N перехода Iпр , м. А Ge Si 4 3 2 1 -10 -5 Uобр, В 0, 3 0, 6 1, 2 Uпр, В -10 Iобр , мк. А - начальный, тепловой ток, m- коэффициент, - температурный потенциал 26
Полупроводниковые диоды: • • • выпрямительные диоды импульсные диоды стабилитроны стабисторы туннельные диоды обращённые диоды светодиоды фотодиоды магнитодиоды Шоттки 27
Полупроводниковые выпрямительные диоды: условное графическое изображение и буквенно-цифровое обозначение VD 5 мм 6 мм P N КД 213 А К(2)- кремниевый, (Г(1) – германиевый, А(3) – арсенид галлиевый) выпрямительный или импульсный мощность (1 -маломощный до 0, 3 Вт, 2 -средней мощности от 0, 3 до 10 Вт, 3 -мощный > 10 Вт) порядковый номер в Госреестре (две или три цифры) различие по параметрам (от А до Я) 28
Полупроводниковые выпрямительные диоды: конструкция 41 3 2 1 42 41 3 2 1 42 5 а) б) 41 1 42 41 3 2 1 42 5 в) г) 1 – корпус (стеклянный, металлический или керамический) 2 – вакуум а – маломощные 3 – стеклянный изолятор б и в – средней мощности 4 – выводы г – мощные 5 – P-N -переход 29
Полупроводниковые выпрямительные диоды: основные параметры Эксплуатационные (для диода средней мощности типа КД 213 А • Прямое падение напряжения при заданном прямом токе Uпр = 1, 0 В. • Обратный ток при заданном обратном напряжении Iобр = 0, 2 м. А. • Время восстановления обратного сопротивления t восст = 300 нс. • Ёмкость диода 500 п. Ф. • Граничная частота выпрямления 100 к. Гц. Предельно допустимые (для диода средней мощности типа КД 213 А • Обратное напряжение Uобр = 200 В. • Предельный прямой постоянный ток Iпр. пред = 10 А. • Предельный прямой импульсный ток (при tи = 10 мс) Iпр. имп. = 100 А. • Предельная рассеиваемая мощность P пред = 3 Вт 30
Полупроводниковые выпрямительные диоды: ВАХ маломощного диода I , м. А Iпред 8 6 4 Uпред 2 -10 -5 U, В 0, 6 1, 2 -10 I , мк. А Участок теплового пробоя 31
Полупроводниковые выпрямительные диоды: Эквивалентная схема маломощного диода I , м. А 10 8 Rст = U / I 6 r дифф = ∆ U / ∆ I 5 ∆I 4 2 -10 -5 ∆U U, В 0, 6 0, 8 1, 0 Eпр -10 Iобр, мк. А Eпр rд обр I обр Экв. схема прямой ветви Экв. схема обратной ветви 32
Полупроводниковые выпрямительные диоды. Работа диода при прямом смещении VD E R E = UVD + UR IVD = IR = IE E = UVD + IVD·R I E / R IVD A U UVD UR E 33
Полупроводниковые выпрямительные диоды. Работа диода при обратном смещении VD E = UVD + UR IVD = IR = IE E = UVD + IVD·R + E R I UR UVD E A IVD U E / R 34
Полупроводниковые выпрямительные диоды. Работа диода при переменном напряжении VD E(t) Em t 1 E(t) t UVD(t) R t UR(t) t E = UVD + UR I м. А Em / R - Em U Em UVD( t 1) мк А UR( t 1) 35
Стабилитрон. Определение • Стабилитрон это полупроводниковый диод, на обратной ветви вольт – амперной характеристики которого есть участок с малым сопротивлением (участок лавинного или Зенеровского пробоя перехода). Лавинный пробой возникает в P-N - переходах, когда электроны в сильном электрическом поле ускоряясь разрывают валентные связи, в результате чего образуются новые пары электрон - дырка. При этом электропроводность резко возрастает. Зенеровский пробой происходит за счёт туннельного перехода из одной области P-N перехода на основе сильно легированных примесных полупроводников в другую и резкого увеличения количества подвижных носителей заряда. 36
Стабилитрон. Условное графическое изображение и буквенно-цифровое обозначение VD 5 мм 6 мм P N КС 156 А К(2)- кремниевый стабилитрон мощность (1 -маломощный до 0, 3 Вт, 2 -средней мощности от 0, 3 до 10 Вт, 3 -мощный > 10 Вт) напряжение стабилизации (5, 6 В) различие по параметрам (от А до Я) 37
Стабилитроны: конструкция 41 3 2 1 42 41 3 2 1 42 5 а) б) 41 3 2 1 42 5 в) г) 1 – корпус (стеклянный, металлический или керамический) 2 – вакуум а – маломощные 3 – стеклянный изолятор б и в – средней мощности 4 – выводы г – мощные 5 – P-N -переход 38
Стабилитроны: основные параметры • • Эксплуатационные (для стабилитрона малой мощности типа КС 156 А) Номинальное напряжение стабилизации U ст = 5, 6 В. Обратное сопротивление при токе 3 м. А r обр = 46 Ом. Температурный коэффициент напряжения стабилизации α = 0, 05% / ºC. • • • Предельно допустимые (для диода средней мощности типа КС 156 А) Диапазон температур – 60…+125 ºC. Максимальный ток стабилизации Iст. макс = 55 м. А. Минимальный ток стабилизации Iст. мин = 3 м. А. Максимальная рассеиваемая мощность P макс = 300 м. Вт 39
Стабилитроны. Параметрический стабилизатор напряжения R Uвх = UVD + UR + Uвх IVD = IR = IE Uвх = UVD + IVD·R Uвых VD Uвх UR UVD = Uвых I U Uвх / R 40
Биполярный транзистор • Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими P-N переходами, предназначенный для усиления, коммутации и преобразования электрических сигналов. • Разработан и изготовлен в 1947 году У. Шокли, Д. Браттейном, У. Бардин. • Нобелевская премия -1957 г. 41
Как появился биполярный транзистор • 21 декабря 1947 года трое выдающихся физиков Уильям Брэдфорд Шокли, Джон Бардин и Уолтер Хаузер Браттейн, работающие в Bell Telephone Laboratories USA, провели демонстрацию своего изобретения - первого в мире транзистора. • Представленный на фотографии p-n-p германиевый транзистор с точечным контактом мало чем напоминает современные, но подобные ему устройства, которые в течение последующих десятилетий буквально перевернут мир. Уже в 1957 году за огромный вклад в развитие физики, все трое исследователей будут удостоены Нобелевской премии за свое открытие. • Можно только удивляться, насколько быстро развивается наука и техника, за чуть более полвека пройдя путь от таких громоздких и неуклюжих устройств к современным транзисторам, лежащим в основе всей микроэлектроники. 42
Первый точечный транзистор 43
Биполярный транзистор. Структура и графическое условное изображение К P N P Э К Б P – N - P Э Б К N P N Э К Б N – P - N Рыбин Ю. К. Э Б На условных обозначениях стрелка всегда указывает направление от области P к области N Э - эмиттер Б - база К – коллектор 44
Биполярный транзистор. Типовая конструкция Buried - скрытый, внутренний, утопленный n+ слой Subsurface current flow – ток подложки 45
Биполярный транзистор. Буквенно – цифровое обозначение КТ 321 А К(2)- кремниевый, (Г(1) – германиевый, А(3) – арсенид галлиевый) биполярный транзистор мощность и частота номер Госрегистрации различие по параметрам (от А до Я) Рыбин Ю. К. 1 2 3 - маломощный до 0, 3 Вт 4 5 6 - средней мощности от 0, 3 до 10 Вт 7 8 9 - мощный > 10 Вт - низкочастотный (до 3 МГц) - среднечастотный (от 3 до 30 МГц) - высокочастотный (более 30 МГц) и сверхвысокочастотный 46
Биполярный транзистор. Структура транзистора без внешних напряжений P N P ЭП lб КП Э Рыбин Ю. К. К Б Условия для улучшения усилительных свойств транзистора: 1. Npp >> Nnn << Npp, 2. lб < 10 мкм, 3. Sкп > Sэп 47
Биполярный транзистор. Режимы работы транзистора Смещение P – N перехода Режим работы ЭП КП П О Активный, нормальный, усилительный П П Насыщения Рыбин Ю. К. О О Отсечки О П Инверсный Uэб Активный, нормальный, Насыщения усилительный Uкб Отсечки Инверсный Для P – N – P транзистора 48
Биполярный транзистор. Активный режим работы P ЭП N lб P КП Э К Iэ Iк + Б Iб + Uэб U кб + Э Iэ К Iк Iэ = Iк + Iб Uэб + U кб = Uэк Uэб U кб Б Iб + 49
Биполярный транзистор. Схемы включения транзистора Э Iэ К Iк + Uэб Iб Б + U кб ОБ - общая база Iк Iб U кэ < Uэб ОЭ - общий эмиттер + Uэб Iэ + Iэ Iб + U кэ > Uэб U эк ОК - общий коллектор + Uбэ Iк 50
Биполярный транзистор. Схемы включения транзистора Схема для создания активного режима БТ с помощью программы Electronics Workbench 51
Биполярный транзистор. Схемы включения транзистора Схема для создания режима насыщения в БТ с помощью программы Electronics Workbench 52
Биполярный транзистор. Основные параметры • • • Эксплуатационные (для транзистора малой мощности типа КТ 361 А) Статический коэффициент передачи β = 20 -90. Обратный ток коллекторного перехода Iк 0 = 1 мк. А Граничная частота усиления f T = 250 МГц. Напряжение коллектор – эмиттер в режиме насыщения - 0, 4 В. • • • Предельно допустимые Диапазон температур – 60…+125 ºC. Максимальный ток коллектора Iк макс = 100 м. А. Максимальное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ макс = 25 м. А. Максимальная рассеиваемая мощность Pк макс = 150 м. Вт 53
Биполярный транзистор. Усиление мощности Iэ Iк Uвх Uэб Uкб Iб Rн UR н Eк 54
Биполярный транзистор. ВАХ транзистора по схеме ОБ Ik, м. A Iэ, м. А Uкб= -10 В 0 В 5 5 м. А 4 м. А 4 3 3 м. А 3 2 2 м. А 2 1 Iэ = 1 м. А 1 -5 -10 -15 -20 Uкб, В +1 Uэб, В Семейство выходных характеристик Семейство входных характеристик 55
Биполярный транзистор. ВАХ транзистора по схеме ОЭ Ik, м. A 50 мк. А Iб (мк. А) Uкэ = 0 В -20 В 5 4 40 мк. А 40 3 30 мк. А 30 2 20 мк. А 20 1 Iб=10 мк. А 10 0 -5 -10 -15 - 20 Uкэ, В 0 -1 Uбэ, В Семейство выходных Семейство входных характеристик характеристик 56
Биполярный транзистор. Нелинейная эквивалентная схема Cэ Cк αi*I 2 αn*I 1 I 2 Э VD 1 К VD 2 rб Б Нелинейная эквивалентная схема Эберса – Молла Cэ и Cк - ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов; rб - сопротивление объёма базы; I 1 и I 2 - токи диодов VD 1 и VD 2; αi, αn - коэффициенты передачи тока. 57
Биполярный транзистор. Рабочая точка транзистора Рабочая точка – это совокупность напряжений и токов: Uбэ. А, Uкэ. А , Uбк. А, Iк. А, Iб. А, Iэ. А R 1 Rк URк Iк. А Iб. А Uк. А Uб Eп Iэ. А R 2 Uэ. А Rэ 0 58
Биполярный транзистор. Линейная эквивалентная схема Cк αn*Iэ rэ К Э rб rк Б Линейная эквивалентная схема ОБ Cк - ёмкость коллекторного перехода; rб - сопротивление объёма базы; rэ - сопротивление эмиттерного перехода; rк - сопротивление коллекторного перехода. 59
Биполярный транзистор. Линейная эквивалентная схема Cк β*Iэ rб Б rэ К rк Э Линейная эквивалентная схема ОЭ Cк - ёмкость коллекторного перехода; rб - сопротивление объёма базы; rэ - сопротивление эмиттерного перехода; rк - сопротивление коллекторного перехода. 60
Полевой транзистор. Определение и типы транзисторов • Полевой транзистор – это транзистор, управление выходным током в котором осуществляется электрическим напряжением, а не током, как в биполярных транзисторах. • Различают следующие типы полевых транзисторов: - полевые транзисторы с управляющим P-N переходом и каналом N – типа или P – типа; - полевые транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом N или P – типа, а также со встроенным каналом N или P – типа 61
Полевой транзистор. Буквенно – цифровое обозначение КП 305 А К(2)- кремниевый, А(3) – арсенид - галлиевый) полевой транзистор мощность и частота номер Госрегистрации различие по параметрам (от А до Я) Рыбин Ю. К. 1 2 3 - маломощный до 0, 3 Вт 4 5 6 - средней мощности от 0, 3 до 10 Вт 7 8 9 - мощный > 10 Вт - низкочастотный (до 3 МГц) - среднечастотный (от 3 до 30 МГц) - высокочастотный (более 30 МГц) и сверхвысокочастотный 62
Полевой транзистор с управляющим P-N переходом. Структура и графическое условное изображение С N P + + + + - - +- P З + + + + N N - - И На условных обозначениях стрелка всегда указывает направление от области P к области N С З N – канал С З P – канал И С – сток, З – затвор, И – исток 63
Полевой транзистор с управляющим P-N переходом. Структура и схема с приложенными напряжениями Ic Ic N + Iз UСИ + + Iз UСИ P P + + UЗИ + UЗИ Iи Iи Структура Схема Ic = Iи + Iз ≈ Iи UСИ + UЗИ = UСЗ 64
Полевой транзистор с изолированным затвором. Структура транзистора Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом N –типа. МОП -транзистор металл (Al) Исток Затвор Сток диэлектрик (Si. O 2) N+ N + полупроводник (Si +Sb) P Подложка 65
Полевой транзистор с изолированным затвором. Структура транзистора Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом N –типа. МОП -транзистор металл (Al) Исток Затвор Сток диэлектрик (Si. O 2) N+ N+ полупроводник N (Si +Sb) P встроенный канал Подложка 66
Полевой транзистор с изолированным затвором. Условное графическое изображение С З П З П И ПТ с изолированным затвором и индуцированным каналом и встроенным каналом N – типа P – типа МОП транзистор МОП транзистор с с индуцированным каналом со встроенным каналом N – типа P – типа 67
Полевой транзистор с изолированным затвором. Структура и схема транзистора при внешних напряжениях Uси Uзи И З С N+ N + З Uси P Uзи И П 68
Полевой транзистор с изолированным затвором. ВАХ Iс (m. A) Iс (m. А) Uси= +10 В 4 Uзи= 8 В 4 3 Uзи= 7 В 3 2 Uзи= 6 В 2 1 Uзи= 5 В 1 0 5 10 15 20 Uси (В) 4 Uзи (В) ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом N- типа 69
Полевой транзистор с изолированным затвором. ВАХ Iс (m. A) Iс (m. А) Uси= +10 В 4 Uзи= 2 В 4 3 Uзи= 1 В 3 2 Uзи= 0 В 2 1 Uзи= -1 В 1 5 10 15 20 Uси (В) -1 0 1 Uзи (В) ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором и встроенным каналом N- типа 70
Полевой транзистор с управляющим P-N переходом. ВАХ Iс (m. A) Iс (m. А) Uси= +10 В 4 Uзи = 0 В 4 3 Uзи = -1 В 3 2 Uзи = -2 В 2 1 Uзи = -3 В 1 Uотс 5 10 15 20 Uси (В) -4 -3 -2 -1 0 Uзи (В) ВАХ полевого транзистора с управляющим P-N переходом и каналом N- типа 71
Полевой транзистор. Основные параметры • • Эксплуатационные (для транзистора малой мощности типа КП 305 Г) Крутизна S = 6 – 10 м. А/В. Ток затвора Iз = 1 н. А. Проходная ёмкость Сзс = 5, 5 п. Ф. Граничная частота усиления f гр = 300 МГц. Начальный ток стока (для встр. канала) Напряжение отсечки тока стока (для встр. канала) -6 В. Пороговое напряжение (для индуц. канала) • • • Предельно допустимые Диапазон температур – 60…+125 ºC. Максимальный ток стока Iс макс = 15 м. А. Максимальное напряжение сток – исток Uси макс = 15 В. Максимальная рассеиваемая мощность Pк макс = 150 м. Вт 72
Полевой транзистор. Линейная эквивалентная схема Cзс З С S*Uзи Cзи rвх ri Cси И Линейная высокочастотная эквивалентная схема ПТ Cзи, Cзс, Cси – межэлектродные ёмкости (1 -10 п. Ф); rвх - входное сопротивление (0, 1 – 10 МОм); ri - выходное сопротивление (0, 1 – 10 к. Ом); S – крутизна транзистора (1 – 10 м. А/В). 73
Полевой транзистор. Линейная эквивалентная схема З С S*Uзи rвх ri И Линейная низкочастотная эквивалентная схема ПТ rвх - входное сопротивление (0, 1 – 10 МОм); ri - выходное сопротивление (1 – 10 к. Ом); S – крутизна транзистора (1 – 10 м. А/В). 74
Полевой транзистор. Flush - транзистор Полевой транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом N –типа и плавающим затвором Исток Затвор Плавающий Сток затвор N+ N + P Подложка 75
Новейший транзистор на основе графена Technology News. Triple-mode graphene transistors go analog October 15, 2010 | R. Colin Johnson | 222901188 Post-silicon era transistors fabricated from sheets of pure carbon—graphene—are pioneering a new paradigm for digital circuitry, but what about analog circuits? Now Rice University researchers have demonstrated analog graphene transistors that can not only amplify like p-type and n-type silicon transistors, but can also exploit the ambipolar ability of graphene in a novel frequency-multiplication mode. The Rice researchers demonstrated how such triple-mode graphene transistors can be used to build simpler phase-shift keying and frequency-shift keying circuitry. Silicon field-effect transistors (FETs) are called unipolar, because they only use one charge carrier—either electrons of holes—depending on whether they are n- or p-type. On the other hand, carbon ambipolar transistors, like those constructed from graphene, can conduct both electrons and holes, depending upon whether a positive or negative voltage is applied. As a result, novel analog circuits can be constructed that amplify using both types of carriers, depending on whether the input signal is above or below the gate's bias voltage, according to the researchers. Three-mode transistors, according to Rice University, permit simpler circuits to be constructed, potentially shrinking the size and complexity of common analog functions when using graphene transistors. To prove the concept, the Rice University researchers constructed circuits in common-source, common-drain, and frequency-multiplication modes, including modulation schemes for phase-shift and frequency-shift keying. The demonstrations were carried out by professor Kartik Mohanram in collaboration with professor Alexander Balandin at the University of California-Riverside, and doctoral candidates Xuebei Yang (Rice) and Guanxiong Liu (UC Riverside). Funding for the project was provided by the National Science Foundation and the DARPA-Semiconductor Research Corporation's Focus Center Research Program. http: //www. analog-eetimes. com/en/triple-mode-graphene-transistors-go-analog. 76
Усилительные устройства • • Усилителем электрических сигналов называют электронное устройство, предназначенное для усиления мощности электрических сигналов. В усилителе усиление мощности входного сигнала достигается за счёт мощности внешнего источника электрической энергии: аккумулятора, батарейки, солнечного элемента или энергии электрической сети переменного тока 220 В с предварительным её преобразованием в энергию постоянного тока. Источник питания Источник сигнала Усилитель Нагрузка Блок – схема усиления сигнала 77
Усилительные устройства Источник питания Источник сигнала Усилитель Нагрузка Рисунок отображающий принцип преобразования мощности источника питания 78
Усилительные устройства Uвх Усилитель Uвых Rвх Rвых Uвх KUвх Uвых Эквивалентная линейная схема усилителя 79
Усилительные устройства • Основные параметры: коэффициент усиления напряжения KU = Uвых / Uвх; коэффициент усиления тока Ki = I вых / Iвх; коэффициент усиления мощности Kp = Pвых /Pвх; коэффициент полезного действия η = Pн /Pпотр; потребляемая мощность Pпотр; входное сопротивление Rвх = Uвх /Iвх; Zвх = Uвх /Iвх; выходное сопротивление Rвых = Uвых. хх / Iвых. кз; диапазон усиливаемых частот ∆F = Fвч – Fнч; коэффициент частотных искажений Mнч = |KFнч | / KFсч, Mвч = |KFвч|/ KFсч; коэффициент нелинейных искажений ; 80
Усилительные устройства • Основные характеристики: 1. амплитудно – частотная (АЧХ) или логарифмическая амплитудно – частотная (ЛАЧХ); 2. фазо – частотная (ФЧХ); 3. амплитудная (АХ); 4. амплитудно – фазовая (АФХ); 5. переходная (ПХ); 81
Усилительные устройства Амплитудно – частотная характеристика (АЧХ) это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты входного сигнала. Логарифмическая амплитудно – частотная характеристика(ЛАЧХ) это зависимость десятичного логарифма модуля коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты входного сигнала. Фазо – частотная характеристика (ФЧХ) это зависимость разности начальных фаз выходного и входного напряжений от частоты входного сигнала. Полулогарифмическая фазо – частотная характеристика (ПЛФЧХ) это зависимость разности начальных фаз выходного и входного напряжений от логарифма частоты входного сигнала. Переходная характеристика это зависимость выходного напряжения от времени при скачкообразном изменении входного напряжения. Амплитудная характеристика (АХ) это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. 82
Усилители переменного напряжения |K| Kср 0, 707 Kср АЧХ 1 Fнч 20 lg(|K |), дб 20 lg(|Kсч|) -3 дб Fсч Fвч F ЛАЧХ 0 Fнч Fсч Fвч Fсч lg(F / Fсч) 83
Усилители переменного напряжения |K| Kср 0, 707 Kср АЧХ Fнч Fсч Fвч F φ π/2 π/4 ФЧХ 0 Fнч Fсч Fвч F -π/4 -π/2 84
Усилители постоянного тока (ОУ) |K| K 0 0, 707 Kср 1 20 lg(|K |), дб 20 lg(|K 0|) -3 дб 0 Fвч FT F Fвч FT Fсч lg(F / Fсч) 85
Усилители постоянного тока (ОУ) |K| K 0 0, 707 Kср АЧХ 1 F ср FT F φ π/2 π /4 ФЧХ 0 Fср FT F -π/4 -π/2 86
Резонансные усилители |K| Kср 0, 707 Kср АЧХ 1 Fр F 20 lg(|K |), дб 20 lg(|Kсч|) -3 дб ЛАЧХ ∆F 0 Fр Fсч lg(F / Fсч) 87
Резонансные усилители |K| Kср 0, 707 Kср АЧХ φ π/2 π/4 0 Fр Fр -π/4 -π/2 F 88
Переходные характеристики усилителей Uвх Uм t Uвых K* Uм t 89
Амплитудные характеристики усилителей Uвых Uвых K*Uм Uвх 90
Структурные схемы усилительных устройств Выходной каскад Входной 1 промеж. 2 промеж. Вход Выход каскад Каскадная структура Входной каскад 1 промеж. каскад 2 промеж. каскад Выходной Вход Выход каскад Входной 1 промеж. 2 промеж. каскад Параллельно – последовательная структура 91
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад R 1 Rк Cр2 Cр1 ИС ИП Rс Н Ec Eп R 2 Rэ Cэ Rн Схема принципиальная электрическая резистивного усилительного каскада 92
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад. Понятие рабочей точки. Рабочая точка это совокупность постоянных токов в выводах транзистора (Iб. А, Iк. А и Iэ. А) и постоянных напряжений между выводами (Uбэ. А, Uкб. А и Uкэ. А), обеспечивающих при усилении сигнала наибольший коэффициент усиления, наименьшие линейные и нелинейные искажения, широкий диапазон рабочих частот или наибольший коэффициент полезного действия. Рабочая точка в усилительном режиме выбирается, как правило, в центре выходных ВАХ транзистора. 93
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад Ik(м. A) 5 50 мк. А 4 40 мк. А 3 30 мк. А 2 20 мк. А 1 Iб=10 мк. А 0 -5 -10 -15 - 20 Uкэ (В) Область выходных характеристик транзистора, в пределах которой можно выбирать рабочую точку. 94
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад. Расчёт параметров рабочей точки. R 1 Rк URк + Uкэ + URэ = Eп Iк*Rк + Uкэ + Iэ*Rэ = Eп ИП Iк*(Rк + Rэ) + Uкэ = Eп Eп R 2 Rэ Схема резистивного усилительного каскада по постоянному току. 95
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад. Выбор рабочей точки. Ik(м. A) 5 50 мк. А 4 40 мк. А 3 2 30 мк. А 25 мк. А 20 мк. А 1 Eп = 20 В, Rк = 4 к. Ом, Rэ = 1 к. Ом, Iб=10 мк. А А 0 -5 -10 -15 - 20 Uкэ (В) Нагрузочная прямая по постоянному току на семействе выходных характеристик 96
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад R 1 Rк ИП ИП Eп Eп R 2 Rэ Расчёт параметров рабочей точки. Схема резистивного усилительного каскада по постоянному току 97
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад Eпэ = Eп* R 2 /(R 1 + R 2); R 12 = R 1* R 2 /(R 1 + R 2) UR 12 + Uбэ + URэ = Eпэ Iб*R 12 + Uбэ + Iэ*Rэ = Eпэ Rк Iб*(R 12 + Rэ*(1+В)) + Uбэ = Eпэ ИП R 12 Eп Eпэ Rэ Расчёт параметров рабочей точки. Схема резистивного усилительного каскада по постоянному току 98
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад Работа усилительного каскада при усилении переменного напряжения (смотри анимацию). В отсутствии входного сигнала в схеме каскада протекают постоянные токи: Iб. А, Iк. А и Iэ. А, соответствующие рабочей точке А. Между выводами транзистора устанавливаются напряжения: Uбэ. А, Uкб. А и Uкэ. А, также соответствующие рабочей точке А. Напряжение на нагрузке равно нулю. При подаче на вход усилителя переменного напряжения в цепи базы транзистора начинает протекать переменный ток. Этот ток уменьшает или увеличивает общий ток базы. Изменение тока базы вызывает в β раз большие изменения тока в цепи коллектора. Часть тока коллектора ответвляется в нагрузку и создаёт в ней полезное переменное напряжение, которое и является выходным напряжением. 99
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад (ОК) R 1 Rс Cр1 VT ИС Cр2 Н Ec ИП Eп R 2 Rэ Rн Схема принципиальная электрическая эмиттерного повторителя 100
Усилительные каскады Резистивный усилительный каскад (ОБ) R 1 Rк Cр2 ИП ИС Rс Cр1 Н Ec Eп Cб R 2 Rэ Rн Схема принципиальная электрическая резистивного усилительного каскада. Число однокаскадных схем на транзисторах восьми разных типов равно 24. 101
Усилительные каскады Трансформаторный усилительный каскад (ОЭ) R 1 Rс Тр Cр1 Н Rн VT ИС Eп ИП Ec R 2 Rэ Cэ Схема принципиальная электрическая трансформаторного каскада 102
Усилительные каскады Двухкаскадный усилитель с емкостной связью между каскадами (ОЭ +ОС) R 1 R 3 R 5 VT 2 C 3 Rс C 1 VT 1 Eп ИС Рыбин C 4 Ec R 2 R 4 C 2 R 6 R 7 Н ИП Rн Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя Число двухкаскадных схем на транзисторах восьми разных типов равно 64. Число трёхкаскадных схем на транзисторах восьми разных типов равно 512. 103
Усилительные каскады Двухкаскадный усилитель с непосредственной (гальванической) связью между каскадами R 1 R 3 VT 2 VT 1 ИС Rс Eп C 1 C 4 Ec Н ИП C 2 R 4 R 5 Rн Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя 104
Усилительные каскады Двухкаскадный усилитель с трансформаторной связью между каскадами R 5 VT 2 Eп 2 R 1 Rс C 1 Тр VT 1 C 4 Eп 1 C 3 R 6 R 7 Rн ИС Рыбин Ec R 2 R 4 C 2 Схема принципиальная электрическая двухкаскадного усилителя трансформаторной связью между каскадами 105
Усилительные каскады Анализ резистивного усилительного каскада по переменному току Cк β*Iб ИС Rс Cр1 б rб rк rэ Ec R 2 э R 1 Rэ ИП к Cр2 Н Rк Cэ ИП Rн Схема электрическая эквивалентная резистивного усилительного каскада 106
Усилительные каскады Анализ резистивного усилительного каскада по переменному току β*Iб ИС Rс б rб к Н rэ rк Ec э Rк R 12 Rн Схема электрическая эквивалентная резистивного усилительного каскада для области средних частот 107
Усилительные каскады Анализ резистивного усилительного каскада по переменному току β*Iб ИС Rс Cр1 б rб к Cр2 Н rк rэ Ec э R 12 Rэ Rк Cэ Rн Схема электрическая эквивалентная резистивного усилительного каскада для области низших частот 108
Усилительные каскады Анализ резистивного усилительного каскада по переменному току Cк β*Iб ИС Rс б rб к Н rк Ec rэ э Rк R 12 Rн Схема электрическая эквивалентная резистивного усилительного каскада для области высших частот 109
Усилительные каскады Расчёт Кu, Rвх и Rвых резистивного усилительного каскада β*Iб iвх iб б к iк rб rк Uвх R 12 э rэ iэ Rкн Uвых Ku = Uвых / Uвх = - β*Iб* Rкн / Uвх= - β* Rкн /(iб *rб + iэ* rэ)= - β* Rкн /(rб +rэ (1 +β)), R вх тр = Uвх / Iб = rб +rэ (1 +β ), R вх = R вх тр || R 12, R вых = Uвых хх / Iвых кз = Rк. 110
Усилительные каскады Расчёт АЧХ и ФЧХ резистивного усилительного каскада в области низших частот при Cэ = ∞ ИС Rс Cр1 б Rк к Cр2 Н Ec Uвх U*вх Rвх -K*U*вх Rн Схема электрическая эквивалентная резистивного усилительного каскада для области низших частот 111
Усилительные каскады Расчёт АЧХ и ФЧХ резистивного усилительного каскада в области низших частот при Cэ = ∞ ИС Rс Cр1 б Rк к Cр2 Н Ec Uвх U*вх Rвх U вх = UCр1 + U*вх = I(1/ jωC р1 + Rвх) K*U* вх = URк +UCр2 +Uн = I(Rк +1/ jωC р2 + Rн) K(jω)= Uвых / Uвх = α (jω)*K* γ (jω) α (jω) = U*вх / Uвх = jωC р1 /(1+ jωC р1* Rвх) γ (jω) = Uн / Uвых =jωC р2 /(1+ jωC р2* (Rк + Rк) K = Uвых / U*вх -K*Uвх Rн Uвых 112
Усилительные каскады Графики АЧХ и ФЧХ в области низших частот |K| K 20 lg|K| 20 lg. K f lgf φ φ π π π / 2 π / 2 f lgf 113
Усилительные каскады Схема резистивного усилительного каскада для анализа с помощью программы Electronics Workbench 114
Усилительные каскады Осциллограммы работы резистивного усилительного каскада, полученные с помощью программы Electronics Workbench 115
Усилители мощности Особенности усилителей мощности (УМ): Транзисторы в УМ работают во всей области входных и выходных ВАХ. Поэтому в УМ возникают большие нелинейные искажения. Транзисторы в УМ работают при напряжениях, токах и мощностях близких к предельно допустимым. Транзисторы в УМ работают при значительных рассеиваемых на них мощностях, что приводит к их нагреву. Для снижения температуры их располагают на охлаждающих радиаторах. Как правило, транзисторы в УМ работают в двухтактном режиме, т. е. в выходных каскадах используют не один, а два или более транзисторов. 116
Усилители мощности Выбор рабочей точки транзистора Класс А. φ = 180º Класс B φ = 90º Iб Iб Iб. А Uбэ. А t Uбэ. А Uбэ t t Uбэ t 117
Усилители мощности Выбор рабочей точки транзистора Класс C φ ≤ 90º Класс D Iб Iб Uбэ. А≤ 0 Uбэ t t t Uбэ t 118
Усилители мощности Расчёт КПД УМ в режиме класса А Iк(A) 5 50 м. А 40 м. А Pпотр = Eп * Ik. A, 20 м. А 4 Eп = 20 В, Rк = 4 Ом, Rэ = 1 Ом, Pн = U * I = Uм * Iм / 2 = = Eп / 2* Ik. A, c 3 А Ik. A 2 d 1 e Iб=10 м. А ηпред =Pн / Pпотр *100% = 50% b 0 -5 -10 -15 Uкэ. А - 20 Uкэ (В) 119
Усилители мощности +Eп 1 R 1 VT 1 VD 1 VD 2 Uвх Uвых VT 2 - Eп 1 +Eп 1 R 2 -Eп 2 Двухтактный УМ на комплементарных транзисторах 120
Усилители постоянного тока. Операционные усилители • • • Операционными называют (ОУ) усилители постоянного тока с большим коэффициентом усиления, способными работать с глубокой обратной связью. Ранее ОУ использовались в аналоговых вычислительных машинах для выполнения математических операций над входными сигналами: интегрирования, дифференцирования, сложения, умножения и др. Первые ОУ выполнялись на электровакуумных лампах: триодах и пентодах, затем, с появлением полупроводниковых приборов, на транзисторах. Сегодня ОУ выполняются в интегральном исполнении на одном кристалле полупроводника и содержат на нём десятки транзисторов. Современные ОУ выполняются в дифференциальном исполнении, т. е. имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий. Некоторые из ОУ обладают одновременно большим входным сопротивлением по неинвертирующему входу и малым – по инвертирующему входу. Выпускаются ОУ с малым выходным сопротивлением или, наоборот, с большим выходным сопротивлением. 121
Операционные усилители +Еп. 1 11 I 2 I 4 VT 9 3 VT 1 VT 2 Cк VT 8 13 2 VT 7 VT 5 VT 3 VT 4 I 3 Uвых VT 10 VT 6 4 –Еп. 2 1 14 Схема принципиальная электрическая ОУ типа К 157 УД 2 122
Операционный усилитель. Основные каскады Входной дифференциальный каскад Промежуточный каскад Выходной каскад. Эмиттерный повторитель Источники тока 123
Операционные усилители. Основные параметры • • • Дифференциальный коэффициент усиления Kдиф = U вых / Uвх (>1000). Дифференциальное входное сопротивление Rвх = U вх / Iвх (>10 к. Ом). Входной ток Iвх (10 - 0, 001 мк. А). Разность входных токов ∆Iвх = 0, 1 Iвх. Напряжение смещения нуля U см (10 – 0, 001 м. В). Температурный дрейф смещения нуля ∆U см /1º C (10 – 0, 001 мк. В /1º C). Граничная частота (частота единичного усиления) fгр (1 -100 МГц). Скорость нарастания выходного напряжения ∆U вых / ∆t ( 0, 1 -3000 В / мкс) Коэффициент подавления синфазного сигнала Kсинф = U вых / Uвх синф (80 160 дб). Напряжение питания (± (3 -15)В. Потребляемый ток (1 -10 м. А). 124
Операционные усилители. Условно – графическое изображение Ск 1 14 3 13 13 2 1 11 FC +U 2 FC –U –Еп. 2 +Еп. 1 14 4 11 а) б ) Условное изображение ОУ типа К 157 УД 2 А на рисунках (а) и чертежах (б) 125
Операционные усилители. Буквенно – цифровое обозначение К 157 УД 2 А К, КР – пластмассовый, М – керамический, без буквы серия (157, 140, 544 и др. ) усилитель дифференциальный номер Госрегистрации различие по параметрам (от А до Я) Рыбин Ю. К. 126
Операционные усилители. Схемы включения Uвх1 Uвх Uвых Uвх2 Uвых K 1 = Uвых / Uвх Uвых = K 1*Uвх1 – K 2*Uвх2 Неинвертирующее включение Дифференциальное включение Uвх Uвых Uвх Uвых K 2 = - Uвых / Uвх Uвых = (K 1 – K 2)*Uвх Инвертирующее включение Синфазное включение 127
Обратная связь в усилителях Обратная связь –это явление передачи выходного сигнала или его части на вход усилителя для улучшения или изменения его параметров и характеристик в нужном направлении. Uвх. ус Ус ИС Uос Uвых = Kос·Uвх, K= Uвых / Uвх. ус, β = Uос / Uвых Uвх. ус = Uвх ± Uос Uвых Н ЦОС Kос = K / (1 ± K · β) Kоос = K / (1 + K · β) Kпос = K / (1 - K · β) F = 1 + K· β –глубина ООС T = K · β – петлевое усиление 128
Обратная связь в усилителях Пример введения ООС Uвых Uвх. ус ИС Н Rн Uвх Uос R 2 R 1 ЦОС β = R 1 / (R 1+R 2), Kос = K / (1 + K · β) = K (R 1+R 2) / (R 2+R 1(1+K)) ≈ (R 1+R 2) / R 1 129
Обратная связь в усилителях. Введение сигнала ОС на вход усилителя ИС Uвх. ус Uос Ус Uвых Н ЦОС Uвх – Uос = Uвх. ус Последовательная ООС 130
Обратная связь в усилителях. Введение сигнала ОС на вход усилителя Iвх ИС Iос Iвх. ус Ус Uвых Н ЦОС Iвх – Iос = Iвх. ус Параллельная ООС 131
Обратная связь в усилителях. Получение сигнала ОС на выходе усилителя Ус ИС Uос Uвых Н ЦОС Uос = β·Uвых ООС по выходному напряжению 132
Обратная связь в усилителях. Получение сигнала ОС на выходе усилителя Iвых Ус ИС Uос R Н ЦОС Uос = β·Iвых·R ООС по выходному току 133
Обратная связь в усилителях. Получение сигнала ОС на выходе усилителя Iвых Ус ИС Uос R Н ЦОС Uос = β·(Uвых + Iвых·R) Комбинированная ООС по выходному току и выходному напряжению 134
Обратная связь в усилителях. Название усилителя с ООС Iвых ИС Uвх. ус Uос Ус R Н ЦОС Uвх – Uос = Uвх. ус Uос = β·Iвых·R Усилитель с последовательной ООС по выходному току 135
Обратная связь в усилителях. Название усилителя с ООС ИС Uвх. ус Uос Ус Uвых Н ЦОС Uвх – Uос = Uвх. ус Uос = β·Uвых Усилитель с последовательной ООС по выходному напряжению 136
Обратная связь в усилителях. Название усилителя с ООС Iвх ИС Iос Iвх. ус Ус Uвых Н ЦОС Iвх – Iос = Iвх. ус Iос = βg·Uвых Усилитель с параллельной ООС по выходному напряжению 137
Обратная связь в усилителях. Название усилителя с ООС Iвх ИС Iвх. ус Iос Iвых Ус R Н ЦОС Iвх – Iос = Iвх. ус Iос = βg·R·Iвых Усилитель с параллельной ООС по выходному току 138
Линейные функциональные устройства на ОУ. Инвертирующий усилитель R 2 R 1 -KU 0 Uвх DA Uвых U 0 Uвых Rвх R 2 R 1 -KU 0 Uвх U 01 Rвх Uвых U 02 Rвх 139
Линейные функциональные устройства на ОУ. Неинвертирующий усилитель KU 0 Uвх DA R 1 Uвых U 0 Uвх R 2 R 1 R 2 140
Линейные функциональные устройства на ОУ R 1 U 2 Суммирующий усилитель Rос R 2 R 3 Uвых R 1 R 6 U 1 Rос R 2 Суммирующий и вычитающий усилитель U 2 R 3 U 4 R 4 Uвых R 5 141
Линейные функциональные устройства на ОУ. Интегратор C R Uвх -KU 0 Uвх DA Uвых U 0 Rвх 142
Линейные функциональные устройства на ОУ. Интегратор Uвх 1 В 1 с t t Uвых t t 143
Линейные функциональные устройства на ОУ. Дифференциатор R R С C Uвх -KU 0 Uвх DA Uвых U 0 Rвх 144
Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Компаратор напряжений предназначен для сравнения двух входных напряжений U 1 и U 2. Выходное напряжение компаратора принимает два значения: + Um и - Um. Максимальное положительное напряжение на выходе компаратора появляется в том случае, когда напряжение U 1 больше чем U 2, а минимальное отрицательное, когда, наоборот. Такая связь входных и выходного напряжений описывается знаковой функцией, Uвых = Um sign ( U 1 -U 2 ) Uвых +Еп. 1 +Еп 1 +Um U 1 Uвых U 1 -U 2 -Еп. 2 - Um - Еп. 2 а) б) Типовая схема включения компаратора а) и его амплитудная характеристика б) 145
Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Логарифматор Логарифмирующий усилитель. Логарифмирующие усилители предназначены для получения выходного напряжения, пропорционального логарифму входного напряжения. Они используются в компандерах и эспандерах сигналов (в устройствах сжатия и расширения динамического диапазона входных сигналов при магнитной записи), в системах шумопонижения, устройствах перемножения напряжений и т. д. Теоретически логарифмическая зависимость определяется следующим соотношением: y = loga(x). При а = е имеем y = ln(x). VD Uвых = - mφTln(Uвх /I 0 R) R Uвх Uвых а) б) Схема логарифмирующего усилителя а) и его амплитудная характеристика б) 146
Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Логарифматор и потенциатор VT 1 R R Uвх Логарифматор VT 2 DA 1 Uвых Uвх DA 2 Uвых Антилогарифматор 147
Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Устройство перемножения напряжений VT 1 R 1 DA 1 Uвх1 R 3 Uвых1 VT 2 R 2 Uвх2 R 5 DA 2 R 4 VT 3 Uвых2 DA 3 Перемножитель напряжений Uвых3 148
Нелинейные функциональные устройства на ОУ. Операционный выпрямитель R 2 VD 1 Uвых1 VD 2 R 3 Uвх Uвых3 t R 1 Uвых1 Uвых2 Uвх t а Uвх Uвых2 f f 0 Uвых3 Uвых1 Uвых3 4 f 0 2 f 0 f f t б в 149
Ключи. Механический ключ Ключи предназначены для коммутации электрической цепи. Последовательный и параллельный ключи Кл Uвых E E R Uвых Ключ разомкнут Ключ замкнут t R Uвых E E Кл Uвых Ключ разомкнут Ключ замкнут t 150
Ключи. Механический ключ Погрешность выходного напряжения ключа Кл R раз. Uвых Uвых E E R E R разомкнут замкнут t Кл r замкн. Uвых E R 151
Транзисторные ключи на биполярных транзисторах Транзистор в ключе работает в трёх режимах: - насыщения (ключ замкнут); - отсечки (ключ разомкнут); - усилительном (режим перехода из насыщения в отсечку). Iб*Rб + Uбэ = Uвх Iк*Rк + Uкэ = Eп Iк Rк Rб Iк нас Н Eп Iб U вх О Iб =- Iк 0 Uкэ нас Eп Uкэ 152
Транзисторные ключи Режим насыщения: Iк*Rк + Uкэ = Eп; Iк нас = (Eп –Uкэ нас) / Rк ≈ Eп / Rк ; Iб мин = Iк нас / B= (Eп / Rк )/ B. к б э Iб*Rб + Uбэ = Uвх - Uбэ = Rб * Iк нас / B= Rб *(Eп / B* Rк ) Uвх мин ≥ Rб *(Eп / B* Rк ) + 0, 6 – условие обеспечения режима насыщения s = Iб / Iб мин – степень насыщения Режим отсечки Iб*Rб + Uбэ = Uвх, Iб = - Iк 0 Uвх ≤ Iк 0* Rб – условие обеспечения режима отсечки Iк 0 к б э 153
Транзисторные ключи Uвх 1 Eп Rк 0 U вых +Eп U вых R 1 1 U вх t R 2 0 t -Eсм Транзисторный ключ с однополярным управляющим напряжением и резистивной нагрузкой 154
Транзисторные ключи на полевых транзисторах Uзи = Uвх Iс*Rс + Uси = Eп Iс Iсн Н Rс Uвых VT Eп Uзи U вх Uси ост Транзисторный Eп Uси ключ на полевом транзисторе с резистивной нагрузкой 155
Транзисторные ключи на полевых транзисторах Iс1 Iс 2 VT 1 4 Uвых Eп VT 2 3 2 U вх 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9=Eп Uси Транзисторный ключ на полевом транзисторе VT 2 с динамической нагрузкой ( на транзисторе VT 1) 156
Транзисторные ключи на полевых транзисторах Iс2 Iс1 Uзи = Eп VT 1 Uвых +E п Uвх VT 2 Eп Uси Транзисторный ключ на полевом транзисторе с динамической нагрузкой (на комплементарных транзисторах) – КМОП ключ 157
Логические устройства на транзисторных ключах +E п Таблица истинности VT 1 Uвх 0 1 1 Uвых 0 y х VT 2 1 КМОП логическая схема НЕ 158
Логические устройства на транзисторных ключах +E п Таблица истинности U 1 1 1 0 0 Uвых 0 VT 1 U 2 0 0 0 1 1 U 1 U 2 VT 3 х1 МОП 1 y х2 логическая схема 2 ИЛИ - НЕ 159
Логические устройства на транзисторных ключах +E п Таблица истинности VT 1 U 2 Uвых 0 VT 2 U 1 0 1 1 1 0 Uвых U 1 VT 3 х1 U 2 & y х2 МОП логическая схема 2 И - НЕ 160
Логические устройства на транзисторных ключах +E п VT 3 VT 1 Таблица истинности U 1 VT 2 Uвых U 2 Uвых 0 0 1 0 VT 4 1 0 0 U 1 U 2 0 1 1 КМОП логическая схема 2 ИЛИ-НЕ 161
Логические устройства на транзисторных ключах +E п VT 1 VT 3 Таблица истинности U 1 VT 2 Uвых U 2 Uвых 0 0 1 0 VT 4 1 1 0 U 1 U 2 0 1 1 КМОП логическая схема 2 И-НЕ 162
Логические устройства на транзисторных ключах +Eпит VT 1 Таблица истинности VT 4 U 1 U 2 Qn Qn+1 0 0 0 1 1 0 VT 6 VT 3 VT 2 1 1 VT 5 1 1 0 0 Uвых2 Uвых1 VT 2 U 1 U 2 RS -триггер 163
Логические устройства на транзисторных ключах Таблица истинности R 1 R 2 U 1 U 2 Uвых U вых 0 0 1 0 +Eп 1 0 VT 1 U 2 VT 2 1 1 1 0 Транзисторно – транзисторная логическая схема (ТТЛ) 2 И – НЕ 164
Источники электропитания транзисторных схем Источник вторичного электропитания со стабилизатором постоянного напряжения Вход Трансформатор Выпрямитель Фильтр Стабилизатор Выход Сеть 220 В, 50 Гц Uвых= Источник вторичного электропитания с промежуточным преобразованием постоянного напряжения в переменное Вход Выпр-тель1 Фильтр1 Преобразователь Трансф-р Выпр-тель2 Фильтр2 Стаб-тор Выход Сеть 220 В, 50 Гц = ≈ Uвых= 165
Источники электропитания транзисторных схем Тр-р Выпр Ф Стаб Сеть 220 В, 50 Гц н Сеть 220 В, 50 Гц Источник питания с однополупериодным выпрямителем Uвых= R VD 1 Uвых= C к н Источник питания с двухполупериодным выпрямителем VD 2 к VD 1 Сеть 220 В, 50 Гц R VD 3 C VD 4 VD 2 Источник питания с мостовым двухполупериодным выпрямителем Uвых= 166
Источники электропитания транзисторных схем Стабилизаторы постоянного напряжения R Параметрический стабилизатор постоянного напряжения Uвх VD Uвых 142 ЕН 12 Uвых VT DA 1 R Rн VD Uвых Uвх Uст R 2 Uвх Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения 167
Источники электропитания транзисторных схем Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения 1 Кл Ul L Uвх-Uн C 2 Rн -Uн t 1 t t 2 t 3 Il Рыбин L VT t Uвх VD Сх. Упр. C Rн Uн t Понижающий импульсный стабилизатор постоянного напряжения 168
Источники электропитания транзисторных схем Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения 1 L Ul 2 Uвх C Rн Кл Uвх Uн-Uвх L Рыбин VT Uвх Сх. Упр. t 2 t 3 Il VD C t 1 t Rн Uн t t Повышающий импульсный стабилизатор постоянного напряжения 169
Источники электропитания транзисторных схем Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения 1 Ul Кл 2 Uвх C Uвх Rн L -Uн Рыбин VT Uвх C L t 1 t t 2 t 3 Il VD Rн Uн t t Сх. Упр. Инвертирующий импульсный стабилизатор постоянного напряжения 170
Источники электропитания транзисторных схем VD 2 Тр • + Uвх w 2 • Rн C 2 • C 1 Сх. Упр. VD 1 - VT Однотактный преобразователь постоянного напряжения 171
Генераторы электрических сигналов ИП Uвх ус Uлчзц Ус Uвых Н ЛЧЗЦ Блок – схема генератора 172
Генераторы электрических сигналов. RC-генераторы C R DA 1/3 ω R C φ R 1 R 2 π/2 ω0 ω -π/2 RC- цепь Вина и усилитель 173
Генераторы электрических сигналов. RC-генераторы R C Z 2 R DA C R 1 R 2 Uвых Z 1 Схема принципиальная электрическая генератора с RC- цепью Вина 174
Генераторы электрических сигналов. LC-генераторы +Eп L 1 C Cg L 2 L C C 2 L 2 VT VT Cр L 1 C 1 VT Rg Uвых Схема принципиальная электрическая LC – генератора 175
Генераторы электрических сигналов. Кварцевые генераторы Lб +Eп C Cр Q VT R Uвых Схема принципиальная электрическая кварцевого генератора 176
Скачать презентацию Электроника Опорный конспект лекций Автор Рыбин Ю К
electronic lecture course 1.ppt