Теория Справочник Практикум Контроль знаний Об ЭУМК



Аналоговая электроника

1 Полупроводниковые приборы

Полупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.


1.1 Зонная теория полупроводников

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может(рис 1-1).


Рис.1-1 Энергетические зоны

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации(рис.1-2).


Рис.1-2 Кристаллическая решетка полупроводника

При удалении электрона остается дырка, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона. В чистом полупроводнике количество электронов и дырок одинаково np=nn=ni.

Число носителей заряда ni=AeΔE/kT – зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.

Каждая ковалентная связь образуется парой электронов, составленной из одного электрона от первого, и одного - от второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть электронов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. Одновременно в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь - дырка. Такая связь может быть восстановлена за счет электрона соседнего атома, т.е. разрушения соседней ковалентной связи. Многократное повторение подобных ситуаций создает видимость перемещения дырки по объему кристалла, которая, имея положительный заряд, создает собственную дырочную проводимость полупроводника. Процесс генерации злектронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону количество энергии, достаточное для разрыва ковалентной связи. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом - рекомбинацией, то есть соединением электрона с дыркой с образованием нейтрального атома. В результате при постоянстве внешних условий в полупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих.


1.2 Примесные полупроводники

В чистом полупроводнике на образование пары требуется затратить значительное количество энергии и его проводимость при комнатной температуре весьма мала.

Значительно увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор Р, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом. Такие примеси называют донорными. а легированные ими полупроводники - полупроводниками n-типа. Проводимость примесного полупроводника принято называть примесной проводимостью. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными дырки.

Трехвалентный атом примеси, наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника. При этом образуется устойчивый отрицательный ион и дырка, Полупроводник с такими примесями называется полупроводником р-типа, сами примеси (алюминий Al, бор В, индий In.) - акцепторными. В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

В примесных полупроводниках при комнатной температуре практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии, причем количество созданных ими основных носителей намного превышает количество неосновных, возникающих путем обычной термогенерации электронно-дырочных пар. В результате этого примесная проводимость гораздо выше собственной проводимости полупроводника, в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов и определяется главным образом концентрацией легирующей примеси.


1.3 Полупроводниковый диод

Основой всех полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход). Он образуется на границе двух полупроводников с различными типами проводимости {глава 1.2}. Поскольку концентрация носителей заряда в области р-n перехода резко неоднородна, по законам диффузии основные носители (дырки в "р" области и электроны в "n" области), будут диффундировать в прилегающие области, создавая диффузионный ток.

Неосновные носители заряда (дырки в n-области и электроны в р-области) начнут дрейфовать в возникшем электрическом поле, создавая дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. В результате наступает динамическое равновесие, суммарный ток перехода будет равен нулю и на переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3-0,4 В для германиевых переходов и 0,7-1,0 В для кремниевых. Если к переходу подключить источник эдс положительным полюсом к р области, а отрицательным - к n области, то результирующая разность потенциалов на переходе уменьшится. Переход откроется и начнет проводить ток за счет возрастания диффузии основных носителей заряда из n-области в р-область. При этом дрейфовый ток через переход уменьшится. Такое включение перехода принято называть включением в прямом направлении (прямо смещенный переход).


Рис 1-3 Прямое включение p-n перехода

Приложение напряжения в обратном направлении (плюсом к n, а минусом - к р-области) приведет к увеличению разности потенциалов на переходе, а значит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Поскольку дрейфовый ток создается неосновными носителями заряда, которых в полупроводнике значительно меньше, чем основных, суммарный ток через переход будет очень мал. Такое состояние перехода принято называть закрытым.


Рис.1-4 Обратное включение p-n перехода.

При отсутствии внешнего электрического поля, диффузионный ток равен току проводимости.

Iперехода=Iдиф-Iпров=0.

1. Если приложенное внешнее поле усиливает поле перехода (+к n слою), то Iдиф уменьшится, Iпров увеличивается.

Iперехода= -I0 (обратный ток).

2. Если ослабить поле перехода (+ к р слою), то Iдиф увеличивается, Iпров уменьшится. Iперехода>> I0, Iперехода=Iпр.

Поэтому p-n переход называется полупроводниковым диодом.

Его обозначение в схемах + p - n

Iпр.

Полупроводниковые приборы, состоящие из одного р-n перехода и предназначены для выпрямления переменного тока, называют выпрямительными диодами. В таких диодах используется основное свойство перехода - способность хорошо проводить ток только в одном направлении.

Характеристики полупроводникового диода


Рис 1-5 Прямая и обратная ветви характеристики диода

Основные параметры выпрямительного диода: максимальное значение выпрямленного тока Iвыпр, прямое падение напряжения на переходе при максимальном выпрямленном токе Uпр, максимально допустимое обратное напряжение Uo6p, величина обратного тока Iо при Uo6p. Обычно Iвыпр = 10 мА - 10 А; Unp = 0,2 - 1,5 В; Uo6p = 10 В – 1кВ Iо = 1 мкА - 100 мкА.

Если в выпрямительном диоде обратное напряжение превысит напряжение пробоя Uпроб (обычно Uo6p = 0,8Uпроб), ток резко возрастет и диод выйдет из строя, что объясняется увеличением числа носителей в области перехода под действием ударной ионизации в сильном электрическом поле и последующей усиленной термогенерацией разогревшегося перехода.

Маркировка (обозначение) диодов

В обозначении диода используют буквы и цифры:

Г (или 1) – германиевый диод; К (или 2) – кремниевый диод.

Дальше идут цифры:101-399 –выпрямительные диоды; 401-499 – универсальные диоды.


Рис 1-6 Внешний вид полупроводниковых диодов


1.4 Стабилитрон

Повышая концентрацию примесей {глава 1.2}, в кремниевых диодах можно добиться обратимости процесса электрического пробоя. При этом на обратной ветви ВАХ {глава 1.3} образуется участок, на котором большие изменения тока через переход вызывают небольшие изменения напряжения(рис.1-7). Диоды, имеющие такую ВАХ, называются стабилитронами, или опорными диодами, так как они используются для стабилизации напряжения.


Рис 1-7 Вольт амперная характеристика стабилитрона

Основными параметрами стабилитронов являются: Iмин, Iмакс соответственно минимальный и максимальный токи стабилизации, определяющие рабочий участок ВАХ. Обычно значение Iмин лежит в пределах от 3 мА до 100 мА, а Iмакс - от 10 мА до 3 А.

Uстаб.ном - номинальное напряжение стабилизации, обычно от 1 до200 В;

Rдин=dU/dI - динамическое сопротивление, где dI,dU - приращения тока и напряжения на рабочем участке ВАХ, обычно Rдин=10- 100 Ом.

У стабилитрона обратное напряжение остается практически постоянным при условии

Iобрмакс>= I>= Iобр, мин.


Рис.1-8 Схема включения стабилитрона

Uнестаб = Uстаб+Iстаб Rогран

Uстаб= 3,3 В – 150 В

Iстаб, мин = 2 – 5 мА

Iстаб, макс = 30 – 500 мА

Стабилизирующие свойства характеризуются коэффициентом стабилизации:

Kстаб=(ΔUнестабUстаб) / (UнестабΔUстаб) Кстаб = 5-10 .

Для повышения коэффициента стабилизации применяется каскадное соединение стабилизирующих ячеек.


Рис.1-9 Каскадное соединение стабилитронов

Недостаток многоячеечного стабилизатора - большие потери напряжения на ограничительных резисторах. Для увеличения стабилизированного напряжения применяется последовательное соединение стабилитронов.


Рис.1-10 Последовательное соединение стабилитронов

Если стабилитроны включить встречно,то при подаче на них переменного напряжения происходит двустороннее ограничение выходного напряжения(рис).


Рис.1-11 Встречное соединение стабилитронов

Параллельное соединение стабилитронов не применяется т.к. в момент включения всегда открывается стабилитрон с наименьшим Uстаб.и остальные стабилитроны остаются закрытыми.


Рис.1-12 Внешний вид стабилитронов

1-маломощный стабилитрон;

2-мощный стабилитрон с креплением на теплоотводе


1.5 Транзисторы

1.5.1 Структура транзистора

Транзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор со слоями чередующегося типа проводимости {глава 1.2}. Существуют транзисторы типа pnp и npn.


Рис.1-13 Структура транзистора

Эмиттер – p-полупроводник с большим количеством примесей.

База – n-полупроводник с малым количеством примесей. Слой базы очень тонкий,порядка 1 мкм.

Коллектор – p полупроводник со средним количеством примесей. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом, переход база-коллектор – коллекторным переходом.

Наиболее часто транзистор включается так ,что эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

При включении транзистора из эмиттера в базу инжектируется большое количество дырок, которые путем диффузии распространяются в базе, доходят до коллекторного перехода и втягиваются им, образуя большой коллекторный ток. Iк-≈Iэ , но Iк- < Iэ. Поведение транзистора описывается 2-я уравнениями:

Iэ = Iб + Iк и Iк = αIэ +Iк0 , где α – коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общей базой (ОБ). α=0,9 – 0,995.


Рис.1-14 Условные обозначения транзисторов


Рис.1-15 Внешний вид транзисторов различной мощности


1.5.2 Схемы включения транзистора

1. Схема с общей базой (ОБ)


Рис.1-16 Схема ОБ

Транзистор можно использовать для усиления сигнала. Если Uкб >>Uэб и Rк >> Rэ, тогда при почти одинаковых токах в цепи эмиттера и коллектора на Rк будет значительно большее падение напряжения чем на Rэ, то есть происходит усиление напряжения, а значит и мощности сигнала.

2. Схема с общим эмиттером (ОЭ):


Рис.1-17 Схема ОЭ

Транзистор включенный по схеме ОЭ усиливает как напряжение так и ток. Iэ = Iк + Iб и Iк = βIб+(β+1)Iкб0, где β – коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером. β=α/(1-α), зависит от толщины базы и находится в пределах β=10 – 200.

3.Схема с общим коллектором (ОК)


Рис.1-18 Схема ОК

В этой схеме Uвых < Uвх , но Uвых ≈ Uвх то есть усиление по напряжению не происходит, но усиливается ток приблизительно в β раз. Поэтому схема называется эмиттерный повторитель (повторяет напряжение).


1.5.3 Характеристики транзистора (схема ОБ)


Рис.1-19 1,2 Входная и выходная характеристики

1. Входные характеристики: Iэ =f(Uэб) при Uкб =const.

2. Выходные характеристики: Iк=f(Uкб) при Iэ =сonst.

3 Проходные характеристики: Iк=f(Iэ) при Uкб =const.


Рис 1-19 Проходная характеристика

При Uк = 0 входная характеристика является прямой ветвью BАX эмиттерного р-n - перехода. С ростом Uкб ВАХ смещается влево, так как рост обратного тока коллектора дополнительно открывает р-n переход и Iэ ≠ 0 при Uэб = 0. Для Iэ= 0 выходная характеристика является обратной ветвью коллекторного перехода. Если же Iэ> 0 , то Iк> 0 даже при Uкб = 0 за счет захвата инжектированных эмиттером носителей заряда полем потенциального барьера коллекторного перехода. При этом с ростом Uэб Iэ быстро достигает максимального значения, так как уже при малых Uкб основная часть инжектированных носителей захватывается коллектором.


1.5.4 Физическая модель транзистора

При расчете электронных схем реальный транзистор в схеме заменяется нижеприведенной моделью ,которая достаточно точно отображает его свойства.


Рис.1-20 Физическая модель транзистора

Rэ =10 – 30 Ом, Rб =100 – 300 Ом, Rк =104 - 105 Ом

Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник:


Рис.1-21 Транзистор как четырехполюсник

Тогда его можно описать системой h параметров:

Для определения h-параметров, воспользуемся методом короткого замыкания и холостого хода.

a) Короткое замыкание на выходе. Следовательно U2 =0.

h11=Zвх - входное сопротивление

h21б =α – коэффициент усиления по току в схеме с общей базой

h21Э =β - коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером

1

b) Холостой ход на входе (I1=0),тогда

U1 =h12U2, h12=U1/U2 – коэффициент обратной передачи по напряжению

I2=h22U2, h22=I2/U2 =yвых - выходная проводимость.


1.5.5 Полевые (канальные) транзисторы (ПТ)

ПТ - полупроводниковый прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. В ПТ, в отличие от биполярного транзистора {глава 1.5.1}, по полупроводниковому каналу перемещаются носители заряда только одного знака (только электроны или только дырки).

Канал - это область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители заряда уходят из канала - стоком. Электрод, регулирующий поперечное сечение канала, называется затвор.

ПТ изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводности исходного материала подразделяют на транзисторы с каналами р и n - типов.

Полевой транзистор с затвором в виде р-n перехода

Это полупроводниковый прибор, в котором проводимостью канала можно управлять, подавая напряжение на закрытый р-n переход. На рисунке 1-22 приведена структура, схема включения и условное обозначение ПТ с каналом n-типа и затвором в виде р-n перехода.

В ПТ с каналом n-типа основные носители заряда в канале - электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока. Iс. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее р-п переход, образованный n-областью канала и р-областью затвора.

Поэтому в ПТ с каналом n-типа Uси>0, Uзи<0. В ПТ с каналом р-типа Uси<0, Uзи>0.


Рис 1-22 Полевой транзистор

1-вывод стока;2-затвор;3-канал;4-вывод затвора;5-вывод стока

На рисунке 1-23 показано как происходит изменение поперечного сечения канала из-за изменения ширины запирающего слоя при подаче напряжений между электродами транзистора. При подаче запирающего напряжения на р-n переход между затвором и каналом (рис. 1-23а) возникают равномерные слои, обедненные носителями зарядов и обладающие высоким удельным сопротивлением, что приводит к уменьшению ширины канала.


Рис.1-23. Перекрытие канала ПТ при различных напряжениях на электродах

Напряжение, приложенное между стоком и истоком (рис.1-236), вызывает появление неравномерного обеднённого слоя, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Если одновременно подать напряжение Uси>0 и Uзи <0 (рис.1-22в), то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений. Минимальное сечение канала определяется их суммой:Uси+|Uзи|.Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания:Uси+|Uзи|=Uзап, обеднённые области смыкаются, ширина канала уменьшается до капилляра и динамическое сопротивление резко возрастает.

Зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном напряжении на затворе Uзи, определяют выходные или стоковые характеристики (рис,1-24).


Рис.1-24.Выходная вольтамперная характеристики ПТ с каналом n-типа.

На начальном участке характеристики Uси + |Uзи| < Uзап и ток Iс возрастает с повышением Uси. При повышении напряжения сток-исток до величины Uси =Uзап- |Uзи| происходит смыкание канала, и рост тока Iс прекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение, приложенное к затвору ПТ. смещает момент перекрытия канала в сторону меньших значений напряжения U и тока Iс. Дальнейшее повышение напряжения Uси приводит к пробою р-n перехода между затвором и каналом, что выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам ПТ можно построить переходную характеристику Iс =f(Uзи) . На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Uси.

Входная характеристика ПТ: Iз = f (Uзи) не используется, так как переход между затвором и каналом закрыт, ток затвора очень мал и им можно пренебречь.

Полевой транзистор с изолированным затвором

Это полупроводниковый прибор, в котором для дальнейшего уменьшения тока утечки затвора Iз между металлическим затвором и каналом, находится тонкий слой диэлектрика (SiO2), a р-n переход отсутствует. Такие ПТ называют МОП-транзисторами (структура металл - диэлектрик - полупроводник).


Рис.1-25 Полевой транзистор с изолированным затвором

Вольтамперные характеристики ПТ с изолированным затвором аналогичны характеристикам ПТ с затвором в виде р-n перехода. Но изолированный затвор позволяет работать и при напряжении Uзи>0, когда канал расширяется и увеличивается ток Iс.

Основные параметры ПТ:

1) крутизна переходной характеристики S = dIc/dUзи при Uси = const и

2) дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения Rc=dUси/dIс при Uзи = const.


1.6 Другие полупроводниковые приборы

1.6.1 Тиристоры


Рис.1-26 Тиристор

Тиристор-четырехслойный полупроводниковый прибор..Содержит четыре слоя чередующегося типа проводимости {глава 1.5.1}, образующих три перехода (рис.1-25) К крайним слоям прикладывается прямое напряжение, но средний 2-й переход включен в обратном направлении и ток в цепи очень мал (участок 1). При некотором напряжении Uвкл начинается лавинный пробой и ток резко возрастает (участок 3)-тиристор включается.

К среднему р (или n) слою подключен вывод управляющего электрода У. Прикладывая к нему небольшое напряжение Uупр можно уменьшить напряжение включения Uвкл.

На рис.1-27 показан процесс включения тиристорв с помощью управляющего электрода.Между источником и нагрузкой Rнагр включен тиристор. Так как Uпит < Uвкл, то тиристор закрыт, тока в нагрузке нет (рис.1). При подаче короткого положительного импульса от блока управления тиристор включается(рис.2) и дальше становится неуправляемым. Выключить его можно только снизив ток до величины Iвыкл . При работе тиристора в цепи переменного тока это происходит автоматически.


Рис 1-27 Схема управления тиристором


1.6.2 Фотоэлектронные полупроводниковые приборы

Существует целый ряд диодов, использующих самые различные явления и эффекты, имеющие место в р-n переходе {глава 1.3}. Так, варикап (емкость, управляемая напряжением) использует зависимость емкости обратносмещенного перехода от приложенного напряжения. Фотодиод основан на явлении генерации носителей заряда в область перехода и возникновении фотоэдс под действием света. Светодиод основан на свойстве электронно-дырочных пар испускать квант света при их рекомбинации и т.д.


Рис.1-28 Виды оптоэлектронных приборов


Рис.1-29 Фотодиод в режиме генерации фотоЭДС.

При освещении р-п перехода происходит разрыв ковалентных связей образовавшиеся неосновные носители {глава 1.5.1} втягиваются переходом В слоях возрастает количество основных носителей (в р-слое - дырок, в п-слое - электронов), что создает разность потенциалов между слоями, зависящую от освещенности перехода(рис 1-29).


Рис.1-30

Если в цепь фотодиода включить источник ЭДС в обратном направлении (рис1-30), то при освещении возрастает количество носителей и обратный ток возрастает пропорционально величине светового потока Ф.Возникающий ток почти не зависит от величины приложенного напряжения(рис 1-31).


Рис.1-31 ВАХ фотодиода Рис.1-32 Включение светодиода

Светодиод представляет собой излучающий р-п переход,свечение которого вызвано рекомбинацией носителей при смещении перехода в прямом направлении под действием приложенного напряжения (рис.1-32).

Фототранзистор -это обычный транзистор {глава 1.5.1}, в корпусе которого сделано окошечко, через которое световой поток попадает на базу При освещении базы фототранзистора образовавшиеся носители втягиваются переходами, увеличивается ток базы. Это вызывает значительно большее изменение тока коллектора, так как транзистор подключен к источнику ЭДС.

Оптрон - полупроводниковый прибор, в котором происходит передача сигналов от входной к выходной части электронного устройства с помощью фотонов, без использования гальванических, магнитных или иных связей.

Оптрон состоит из светодиода, оптическое излучение которого воздействует на светоприемник - фоторезистор, фототиристор или фототранзистор. Оба полупроводниковых элемента заключены в общий корпус. Выводы от светодиода являются входом, а выводы от свето-приемника - выходом оптрона. Величиной выходного сигнала оптрона управляют, изменяя величину входного сигнала.


1.6.3 Интегральные микросхемы

Микросхема - это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определеннуо функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов. диодов. резисторов. конденсаторов и др.), изгототовленных в едином технологическом цикле.

Микросхемы изготавливают групповым методом, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупрововодниковые. пленочные и гибридные. В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки, в пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем - резисторы, конденсаторы и индуктивности. В гибридной микросхеме в качестве активных электрорадиоэлементов используется навесные дискретные полупроводниковые приборы или полупроводниковые интегральные микросхемы, а в качестве пассивных элементов-пленочные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и соединяющие их пленочные проводники.

Механической основой такой микросхемы является диэлектрическая подложка.Она выполняет функции механического основания, изоляции элементов друг от друга. теплоотвода.Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин.

Для полупроводниковых микросхем используюг монокристаллические полупроводниковые (кремний,арсенид галлия ) и монокристаллические диэлектрические (сапфир) подложки.На них в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала ,в котором создают элементы микросхем.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К. которая характеризуется числом содеращихся в ней элементов и компонентов N: К =lgN. где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

а) Малые интегральные схемы (МИС) - это схемы 1- 2-й степени интеграции, содержащие от нескольнж до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов. Например, логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т.д.

в) Средние интегральные схемы [СИС] - схемы 2-3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство).

г) Большие интегральные схемы (БИС) - схемы 3-4-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10000 элементов. в состав которых входят одно или несколько функциональных устройств (арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство ,перепрограммируемое постоянное запоминающее.

д) Сверхбольшие интегральные схемы (СБИС] - это интегральные схемы 5-7 степени интеграции представляющиесобой законченное микроэлектронное изделие ,способное выполнять функции аппаратуры (например, микропроцессор).


Рис.1-33 Полупрводниковая ИС

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы. На рис.1-33 показаны полупроводниковая микросхема инвертора и его принципиальная схема. Элементы для наглядности расположены в одну линию.Все элементы размещены в одной кремниевой пластине {глава 1.2.1} р-типа. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы размещаются в островках, изолированных от подложки. Сверху подложка защищена изоляционным слоем, на который нанесены проводящие дорожки, соединяющие элементы между собой.

Для производства микросхем применяется планарная технология, помогающая одновременно получать большое количество микросхем в едином технологическом процессе. На одной пластине кремния создаются различные структуры, образующие законченную схему, включающую активные и пассивные элементы.

Основными полупроводниковыми материалами, на которых в настоящее время изготавливаются полупроводниковые микросхемы являются кремний и германий.Однако более перспективным. является кремний. Сн легко поддается селективной диффузии, имеет более высокое сопротивление и позволяет расширить интервал рабочих температур микросхем. На поверхности кремния легко создается окисная пленка. которая служит защитным покрытием при проведении ряда технологических операций и предохраняет готовую схему от внешних воздействий.


Рис.1-34 Фотошаблоны

После окисления поверхности пластины необходимо выделить на ней локальные области, в которые должна проводиться диффузия. Для этой цели применяют метод фотолитографии. Для изготовления микросхем нужно несколько (5-20) разных фотошаблонов. На рис.1-34 показан набор фотошаблонов для изготовления несложной микросхемы.

Описанный процесс изготовления позволяет получить сразу несколько десятков микросхем средней и высокой степени интеграции, т. е. столько, сколько может быть размещено на одной пластине кремния диаметром около 70 мм. Пластина разделяется на отдельные микросхемы. которые герметизируются в корпусе. Предварительно контактные площадки микросхемы соединяются проводниками с выводами корпуса.


2 Усилители

2.1 Основные параметры

Электронный усилитель - это устройство, повышающее напряжение, ток и мощность электрического сигнала за счет управ­ления током мощного источника питания. Практически везде, где применяются электронные устройства, электрические сигналы приходится усиливать, причем в каждом конкретном устройстве требуются свои параметры, и характеристики усилителя. Выпускать готовые усилительные устройства с очень широкой номенклатурой, удовлетворяющие любого потребителя, практически невозможно. Поэтому промышленностью освоен выпуск ряда базовых электронных усилителей, параметры и характеристики которых можно перестраивать внешними цепями, Особое место среди них занимают операционные усилители (ОУ), которые в настоящее время являются универсальными базовыми элементами для построения электронных усилителей и других аналоговых узлов электронной аппаратуры.

Параметры и характеристики усилителей на основе ОУ

Список основных параметров электронных усилителей содержит более 30 наименований. Одним из важнейших параметров является коэффициент усиления по напряжению Кu - отношение выходного напряжения усилителя к входному напряжению.

Кu =Uвых /Uвх .

Такие параметры как входное сопротивление Rвх и выходное сопротивление Rвых позволяет оценить согласование электронного усилителя с другими электронными узлами, подключенными к усили­телю.

Входное сопротивление Rвх позволяет рассчитывать влияние входной цепи усилителя на электрические параметры устройства, подключенного к ней, и определять мощность, потребляемую вход­ной цепью усилителя.

Rвх = dUвх / dIвх, где

dUвх - приращение напряжения на входе усилителя;

dIвх - соответствующее dUвх приращение тока на входе усилителя.

Ряд параметров, таких как напряжение смешения Uсм, входной ток Iвх, нелинейность коэффициента усиления (зависимость К от входного напряжения), максимальный размах выходного напряжения и прочие, определяют отличие свойств реальных усилителей от идеального линейного усилителя и позволяют определять погрешности усиления входного сигнала. Для этих же целей вводится ряд характеристик усилителей - амплитудно-частотная, фазочастотная, температурная, амплитудная и пр., позволяющих проследить зависимость основных параметров усилителей от параметров сигнала внешних цепей и окружающей среды.


2.2 Характеристики усилителя

2.2.1 Амплитудная характеристика

(АХ):


Рис.2-1 АХ усилителя

АХ определяет зависимость амплитуды выходного сигнала (тока,напряжения или мощности) от амплитуды входного сигнала А2=F(А1).

Рабочая область усилителя характеризуется его динамическим диапазоном. Dдб=20Lg(U1max/U1min) – динамический диапазон, выраженный в децибелах(дБ) (10раз – 20дБ, 100раз – 40дБ, 1000раз – 60дБ. и т.д.). Реальный динамический диапазон усилителя около 60 дБ.


2.2.2 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).


Рис.2-2 Зависимость коэффициента усиления от частоты

Коэффициент усиления усилителя К изменяется с изменением частоты усиливаемого сигнала f. Зависимость K=F(f) содержит информацию как о коэффициенте усиления, так и о частотных свойствах.


Рис.2-3 АЧХ различных усилителей

Чтобы исключить коэффициент усиления вводится параметр M=Кf 0 – коэффициент частотных искажений. Частотные свойства определяются АЧХ – это зависимость M=F(f), где f-частота.


Рис 2-4 Типичная АЧХ усилителя

Наиболее часто встречается АЧХ вида, показанного на рис.

Здесь fн – нижняя граничная частота, fв – верхняя граничная частота.

∆f=fв-fн – полоса пропускания.

Если ∆f>>f0 – усилитель широкополосный. Когда ∆f<<f0 – усилитель узкополосный. Для усиления звуковой частоты fн=20-60 Гц; fв=5-25 кГц.


2.2.3 Фазо-частотная характеристика


Рис.2-5 Осциллограммы входного и выходного сигналов

Выходной сигнал усилителя может быть сдвинут по фазе по отношению к входному. Зависимость этого сдвига от частоты и является фазочастотной характеристикой.


Рис.2-6 – ФЧХ усилителя

В усилителях звуковой частоты ФЧХ не используется, так как ухо не различает фазовые искажения. В видеоусилителях фазовые искажения жестко нормируются, потому что они приводят к большим искажениям изображения.


2.2.4 Переходная характеристика.


Рис.2-7 ПХ усилителя

Переходной характеристикой называется функция h(t), где h(t)=U2/U2∞, t0,9-t0,1=tн – время нарастания сигнала δi – выбросы в ПХ.

Для видеоусилителей tн=0,1-1мкс

В видеотехнике допустимы выбросы δi 10%.


2.2.5 Типовой усилительный каскад на транзисторе, включенном по схеме ОЭ.

{глава 1.5.2}


Рис. 2-8 Транзисторный усилительный каскад с общим эмиттером

Rк– нагрузочный резистор, на нем ∆Iк создает падение напряжения ∆URн=∆IкRн, которое является выходным сигналом. Rн=(1 – 10) кОм;

R1,R2 – делитель напряжения , который устанавливает небольшой положительный потенциал на базе по отношению к эмиттеру. (100 – 300) кОм;

С1 и С2 – разделительные конденсаторы, отделяющие постоянную составляющую сигнала на входе и выходе транзистора. (1 – 5 )мкФ;

RЭ – резистор эмиттерной термостабилизации. Резко уменьшает изменение тока транзистора при его нагревании. (500 Ом – 2 кОм);

СЭ – конденсатор, восстанавливает усиление переменной составляющей, уменьшившейся из-за включения RЭ. (500 – 5000) мкФ;

Поданное входное напряжение Uвх, вызывает изменение ∆UЭБ, что в свою очередь вызывает изменение коллекторного тока. А изменение коллекторного тока вызывает изменение ∆Uк. Так как Rк можно выбрать достаточно большим, то маленькие изменения ∆Uбэ вызывают значительно большие изменения ∆Uк, т.е. происходит усиление сигнала.


2.3 Обратная связь

2.3.1 Определение и виды ОС

Параметры и характеристики усилителей можно регулировать с помощью обратных связей. Обратной связью называется связь между входом и выходом усилителя, при которой часть энергии с выхода подается на вход усилителя. Устройство, связывающее выходную цепь усилителя с входной, называется звеном обратной связи. В - коэффициент передачи звена обратной связи, он обычно задается пассивными цепями (резисторы, конденсаторы, индуктивности). По способу подключения входной цепи звена обратной связи В к выходным зажимам усилителя К различают обратную связь по напряжению (рис 1) и по току (рис.2). По способу подключения выходной цепи звена обратной связи к входным зажимам усилителя различают последовательную (рис.З) и параллельную (рис 4) обратную связь. В зависимости от того, складывается выходное напряжение (ток) с входным напряжением (током), или вычитается, обратная связь соответственно называется положительной (ПОС)или отрицательной (ООС). Чаще всего применяется ООС, т.к. ПОС приводит к неустойчивисти.


Рис.2-9 Виды обратной связи

Обозначения на рисунках 1,2,3,4:

Uг - источник сигнала с напряжением U;

Rг - внутреннее (выходное) сопротивление источника сигнала;

К - усилитель с коэффициентом усиления К;

В - звено обратной связи с коэффициентом передачи В;

Rн - нагрузочное сопротивление.

Любая отрицательная обратная связь (ООС) приводит к уменьшению коэффициента усиления и его стабилизации.

Последовательная ООС по напряжению увеличивает Rвх и уменьшает Rвых.

Последовательная ООС по току увеличивает Rвх и увеличивает Rвых.

Параллельная ООС по напряжению уменьшает Rвх и уменьшает Rвых.

Параллельная ООС по току уменьшает Rвх и увеличивает Rвых.

Кос - коэффициент усиления усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению рассчитывается по формуле: Кос = К / (1 + К В) = Uвых / Uг Rвх.ос и Rвых.ос - входное и выходное сопротивление усилителя в этом случае находится из соотношений:

Rвх ос =Rвх (1+ ВК); (2)

Rвых ос= Rвых / (1 + BK). (3)

Для параллельной ООС по напряжению Rвх рассчитывается по формуле:

Rвх ос = R1 + 1 / Rвх + (1 + КВ) (4)

Определим,например,коэффициент усиления усилителя Кос, охваченного последовательной ООС по напряжению рис.2-10.


Рис.2-10 Последовательная ОС по напряжению

β=Uос/U2; Uос=U2 β;

К=U2/(U1-Uос)=U2/(U1-U2β);

U2=КU1-КβU2; U2=КU1/(1+Кβ); Следовательно:

Кос=U2/U1=К/(1+Кβ) – коэффициент усиления усилителя, охваченного отрицательной обратной связью,

1+Кβ=А – глубина обратной связи; Кос=К/А.

При введении ООС глубиной А, коэффициент усиления уменьшается в А раз, но одновременно с этим уменьшается приблизительно в А раз нестабильность коэффициента усиления, вызванный изменением температуры и напряжения питания, разбросом параметров элементов схемы, а также шумы и фон переменного тока.

Если А=2 – 5, то глубина обратной связи считается малой.

Если А=5 – 20 средняя глубина обратной связи

Если А>20 глубокая обратная связь.


2.3.2 Обратные связи в усилителях


Рис.2-11 Эмиттерный повторитель

Усилитель рис 2-11 охвачен последовательной ОС по напряжению. Коэффициент передачи цепи ОС β=1и Кос=К/(1+Кβ)=К/(1+К)~1, поэтому схема называется эмиттерный повторитель (ЭП). ЭП используется как выходной каскад, когда в качестве нагрузки включен кабель или сопротивление нагрузки мало, а также для развязки отдельных блоков устройства .В таком усилителе транзистор включен по схеме ОБ.

Пример ОС в двухкаскадном усилителе


Рис.2-12 Двухкаскадный усилитель

Усилитель рис.2-12 с общей последовательной ООС по напряжению (с помощью Rос), кроме того первый каскад охвачен местной последовательной ООС по току (с помощью Rэ1). Конденсатор Сэ1 отсутствует так как он закоротил бы цепь обратной связи.


Рис.2-13 Эквивалентная схема усилителя

Последовательная ООС по напряжению уменьшает Rвых и увеличивает Rвх, в А=1+Кβ раз.

Параллельная ОС по напряжению также уменьшает Rвых в А=1+Кβ раз, но также уменьшает и входное сопротивление.

Для того, чтобы усилитель мог использоваться в самых различных условиях, желательно чтобы Rвх было возможно больше, а Rвых меньше (рис.2-13). Поэтому наиболее часто встречается последовательная ОС по напряжению


2.3.3 Термостабилизация транзисторного усилителя

В процессе работы транзистор нагревается, его ток восрастает и нормальная работа нарушается. Для уменьшения этого явления применяется ООС.

а)Термостабилизация с помощью последовательной ООС рис.2-11. В этой схеме Uэ-напряжение обратной связи, Uэб=U1-Uэ – управляющее напряжение. При нагревании возрастает Iк , увеличивается Uэ, что приводит к уменьшению Uэб и Iк., коллекторный ток стабилизируется.

б) Термостабилизация с помощью параллельной ООС.

Обратная связь создается с помощью резистора, включенного между базой и эмиттером. С возрастанием коллекторного тока при нагреве транзистора, возрастает падение напряжения на Rк URк=Iк Rк, а потенциал коллектора Uк=Uпит-URк уменьшается, что уменьшает ток базы а, значит и ток коллектора. Поэтому резистор Rб при таком включении создает ООС, стабилизирующую ток тразистора.


2.4 Усилители постоянного тока

2.4.1 УПТ на транзисторах.


Рис.2-14 Несимметричный УПТ

Это усилители, усиливающие сигналы, начиная с частоты f=0. Поэтому в них никогда не применяются конденсаторы. С помощью делителя R1, R2 устанавливается потенциал UВ=UА при Uвх=0, Uвых=UА-UВ=0. УПТ подвержены явлению дрейфа, который состоит в том, что Uвых медленно меняется случайным образом, даже когда Uвх =сonst.

Причины дрейфа:

-нестабильность транзисторов и резисторов при изменении температуры,

-старение элементов,

-нестабильность источников питания.

Для уменьшения дрейфа применяются высокостабильные резисторы, транзисторы с малым дрейфом, стабилизация напряжения питания.

Существуют схемные методы уменьшения дрейфа. Один из них – применение балансных схем усиления.


Рис.2-15 Балансный УПТ

Если транзисторы VT1 и VT2 имеют приблизительно одинаковый дрейф, то с течением времени UА и UВ будут меняться одинаковым образом, а их разность UА-UВ=cоnst, то есть дрейф значительно уменьшается.

При подаче усиливаемого сигнала на VT1, UАВ меняется в противофазе с Uвх. Вход VT2 также можно использовать для подачи сигналов, тогда UАВ меняется в одинаковой фазе с Uвх. Поэтому Uвх2 – прямой вход Uвх1 – инверсный вход.


2.4.2 Операционные усилители

ОУ – усилитель электрических сигналов, изготовленные в виде интегральной микросхемы с непосредственными связями(УПТ)2.4.1 и предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в цепях с ООС.


Рис.2-16 Схемное обозначение ОУ


2.4.2.1 Способы включения ОУ

1. Инвертирующий ОУ:


Рис.217 Инверсное включение ОУ

Так как Uа=U2/Kоу очень мало, то вход А называется виртуальный ноль. Рассматриваем идеальный ОУ у которого Rвх=∞, Rвых=0, КU,оу=∞. I=E/(R1+Rг) (1); I2=-I1 (2); I2=U2/Rос (3); подставим (1) и (3) в (2),тогда получим: U2/Rос=-E/(R1+R2); Кинв=U2/E=-Rос/(R1+Rг) (4)

Если Rг=0, то |Кинв|=Rос/R1

При установке R2=R1 II Rос существенно уменьшается дрейф усилителя.

Rвх,инв=R1 ОУ охвачен параллельной ООС по напряжению, поэтому Rвых.инв.=0.
Усилитель называется инвертирующим,так как выходное напряжение противофазно (инверсно) по отношению к входному.На это указывает и знак минус в формуле (4).

2. Неинвертирующий ОУ:

ОУ охвачен последовательной ООС по напряжению (Рис.2.18). В данной схеме Rг не влияет на усиление.Так как потенциалы на входах очень близки, то Е=UR1=U2R1/(R1+Rос). Поэтому Кне инв=U2/E=(R1+Rос)/R1=1+Rос/R1=1+|Кинв|


Рис.2-18 Неинвертирующий ОУ

Во второй схеме Rос=0, поэтому Kне инв=1 и она является повторителем.

Рассматриваемые усилители называются операционными, потому что они могут выполнять различные операции:

1) Сложение сигналов подаваемых на один и тот же вход.

2) Вычитание сигналов подаваемых на разные входы.

3) Включая в цепь ОС нелинейные элементы (диоды) можно выполнять логарифмирование и потенцирование.

4) Включая в цепь ОС реактивные элементы (С) можно выполнять операции интегрирования и дифференцирования.


2.4.2.2 Регулировка усиления ОУ

Усиление можно регулировать простым изменением R1 и Rос {глава 2.4.2.1}.

Недостатки способа: меняется режим по постоянному току и входное сопротивление, получается нелинейная регулировка при изменении R1.

1).Дискретная установка Кu;


Рис.2-19 Регулировка усиления переключателем

Глубина обратной связи изменяется переключателем в цепи ОС.

2) Плавная установка Кос (рис.2-20)


Рис.2-20 Регулировка усиления потенциометром


2.4.2.3 Избирательные усилители на ОУ

Их АЧХ {глава 2.2.2} имеет вид рис.2-21


Рис.2-21 АЧХ избирательного усилителя

Усилители строятся с использованием частотно-избирательных цепей, например, моста Вина.


Рис 2.22 Мост Вина и его АЧХ

Данная R-C цепь включается в цепь положительной обратной связи ОУ(рис.2-23)


Рис.2-24 Избирательный усилитель на ОУ

Во избежание самовозбуждения, коэффициент усиления усилителя с обратной связью должен быть Кос<3.Для этого нужно очень точно устанавливать сопротивления R1 и Rос.

Избирательный усилитель на основе 2Т – моста


Рис.2-25 2Т мост и его АЧХ


2.4.2.4 Некоторые применения ОУ


Рис.2-26 Преобразователь силы тока в напряжение

Так как входной ток и ток в цепи обратной связи равны (рис.2-26), то выходное напряжение пропорционально входному току.


Рис.2-27 Преобразователь напряжения в ток: нагрузки Rн

В этом случае рагрузка включается в цепь обратной связи (рис.2-27).


Рис.2-28 Стабилизатор напряжения на ОУ

Схема рис.2-28 позволяет регулировать Uстаб2=-Uстаб1 Rос/R1 путем изменения Rос.

Недостаток: небольшие токи, которые можно снимать с ОУ. Для увеличения тока на выходе схемы устанавливается эмиттерный повторитель {глава 2.3.2} на мощном транзисторе.


Рис.2-29 Выход стабилизатора с защитой от перегрузки

При возрастании тока нагрузки Rн (например при коротком замыкании) ток VT1 увеличится до недопустимой величины, но при этом возрастает напряжение на резисторе Rдоб оно открывает VT2. Через VT2 база VT1 оказалась соединенной с эмиттером и VT1 закрывается. Напряжение на Rдоб стремится к нулю. VT2 закрывается. Снова наступает перегрузка и процесс повторяется ,в результате Uстаб имеет форму (1).


2.4.2.5 Питание ОУ от одного источника


Рис.2-30 Питание ОУ от двух источников Рис 2-31 Схема с делителем на стабилитронах.

Для нормальной работы cхемы рис.2-31 необходимо, чтобы ток в цепи стабилитронов Iстаб >= 1,5Iоу.

Недостаток схемы:: U>U1+U2 так как на Rогр. падает дополнительное напряжение.


Рис.2-32 Схема с делителем на резисторах

Для нормальной работы данной схемы рис 2-32 необходимо: IR1,R2>=10Iоу


3 Выпрямители

3.1 Общая теория

Выпрямители предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянный. Они применяются для питания практически всех устройств на полупроводниковых и интегральных элементах, в промышленных установках по электросварке и выплавке металлов, в технологии с процессами электролиза, в электроприводах различных транспортных средств и т.д. В зависимости от числа фаз различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. По величине мощности выпрямители делят на выпрямители малой, средней к большой мощности. Выпрямители малой мощности, как правило, являются однофазными, средней и большой мощности - трехфазные.

Обобщенная блок-схема выпрямителя малой мощности приведена на рис.3-1. Напряжение сети переменного тока с помощью трансформатора Тр преобразуется в напряжение требуемой величины U2 и затем подается на блок В, собранный на полупроводниковых или каких-либо других диодах {вентилях), на выходе которого напряжение Uв становится однополярным, но по величине изменяющимся во времени (пульсирующим), Часто после блока В ставят фильтр Ф,


Рис3-1 Блок схема выпрямителя малой мощности

Обычно состоящий из пассивных элементов типа С и L и реже из активных элементов - транзисторов, хорошо пропускающих в нагрузку только постоянную составляющую выпрямленного напряжения. При правильно выбранных элементах фильтра Ф на его выходе напряжение Uф имеет очень малые пульсации. Если вентильный преобра­зователь В собран на управляемых элементах (тиристорах, транзисторах), то в него добавляет­ся система, управляющая процессами открытия и закрытия вентилей (СУ).

Выпрямленное напряжение в нагрузке может сильно меняться как из-за суточного колебания напряжения сети переменного тока, так и в результате изменения величина тока нагрузки. Для обеспечения требуемой стабильности напряжения на нагрузке применяется стабилизатор выпрямленного напря­жения (Ст).

Эксплуатационные свойства выпрямителей характеризуют следующие основные величины:

а. Среднее значение выпрямленного напряжения и тока (U0,I0).

б. Коэффициент полезного действия (кпд).

в. Коэффициент пульсаций р, определяемый отношением амплитуды первой гармоники Um1 выпрямленного напряжения к величине его средней составлявшей U0 р=Um1 / U0.

г. Внешняя характеристика - зависимость выходного (выпрямленного) напряжения от величины потребляемого нагрузкой тока U0=f(Iн).

д. Регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла управления (времени включения) вентилей.


3.2 Однополупериодный выпрямитель.

Выпрямление основано на односторонней проводимости (вентильных свойствах) полупроводниковых диодов {глава 1.3}. Схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя и диаграммы выпрямленного напряжения Uн и тока Iн приведенs на рис.3-2. Силовой трансформатор Тр необходим для получения напряжения требуемой величины, а в радиоэлектронике и для разделения цепей нагрузки Rн и сети переменного тока. Диод D (рис.2-34а) проводит ток в тот полупериод переменного напряжения, когда потенциал Uб > Ua. Ток протекает по цепи В - Rн - D – A. Во время второго полупериода переменного напряжения Ua > Ub диод закрыти тока в цепи практически нет. Пульсирующий ток Iн создает на нагрузке пульсирующее напряжение Uн той же формы (рис.3-2б).


Рис.3-2 Однополупериодный выпрямитель


3.3 Двухполупериодный выпрямитель

Он изображен на рис.3-3а, позволяет получить в нагрузке ток, протекающий в течение обоих полупериодов переменного напряжения. Достигается это применением двух вторичных обмоток АВ и ВС и двух диодов. Пусть в первый полупериод Ua > Ub > Uс .Тогда ток протекает по цепи А – D1 - Rн - В, как и в случае однополуприодного выпрямления. Во время второго полупериода Ua < Ub < Uс и ток протекает по цепи С - D2 – Rн - В. Направление тока через нагрузку остается неизменным. Форма выпрямленного тока и напряжения (временная диаграмма) в этом случае показана на рис.3-3в.


Рис.3-3 Двухполупериодные выпрямители

Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного напряжения. Вторичная обмотка трансформатора выпрямителя рис3-3а имеет вдвое больше витков, чем у трансформатора рис3-2а. Это увеличивает габариты и стоимость блока выпрямителя. Такого недостатка нет у мостового двухполупериодного выпрямителя (рис.3-3б). Когда потенциал Ua > Uб , ток протекает по цепи А-D1-Rн-D3-В. Во время второго полупериода Uб > Ua и путь тока В-D4-Rн-D2-A. Направление тока через Rн остается неизменным и, таким образом, осуществляется двухполупериодное выпрямление. Временные диаграммы выпрямителя рис.3-3в такие же, как и выпрямители рис.3-За.


3.4 Фильтры

В качестве простейшего фильтра используется конденсатор С достаточно большой емкости, подключенный параллельно нагрузке. Заменив трансформатор вместе с вентилями (например, в схеме рис.2а) эквивалентным генератором с напряжением Uв и внутренним сопротивлением rx , получим схему замещения выпрямителя (рис3-4а). В ней rx определяется суммарным сопротивлением вентилей и обмоток трансформатора, Uв - величина выпрямленного напряжения в режиме холостого хода (Rн=оо). Из законов Кирхгофа следует, что напряжение на нагрузке (клеммы cd ) будет равно:


Рис 3-4 Схема замещения выпрямителя

Uн = Uв-(Iс+ Iн)rx, ( 1 )

где Iс - ток зарядки конденсатора, Iн - ток нагрузки.

НА рис 3-4 приведены также осциллограммы для однополупериодного (верхняя) и для двухполупериодного (нижняя) выпрямителей В течение времени t1-t2 , когда величина U2 возрастает, конденсатор Со заряжается током Iс, а в интервале t2-t3 он частично разряжается через Rн, так как при этом диоды блока вентилей закрыты и не позволяют ему разряжаться через обмотку трансформатора. Такой фильтр зна­чительно уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Качество сглаживания характеризуется коэффициентом пульсаций р, выраженным в процентах

p = ( Um / Uo) *100% ,

где Um - амплитуда первой гармоники,

Uo - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Емкостный фильтр уменьшает пульсации до 5-15 % по сравнению с 157% и 66,7% соответственно для однополупериодиого и двухполупериодного выпрямителей без фильтра. Величина коэффициента пульсаций с емкостным фильтром определяется по формулам

р = 600 Iо / UoCo - для одноподупериодного выпрямителя и

р = 300 Io / UoCo - для двухполупериодного.

Здесь Сo - в мкФ, Io - в мA, Uo- в В.

Для питания электронной аппаратуры допускается р=0,05–1% и менее, поэтому применяются более сложные фильтры.

Величина пульсаций существенно уменьшается также блоком стабилизации Ст.(рис 3-1).

Расчетные формулы для выпрямителей


Рис.3-5 Однополупериодный выпрямитель

1) Расчет диода: Iмакс=7I0 ,Uобр=3U0

2) Расчет трансформатора: U2=0,75U0 + I0(Ri+Rтр)/265

Ri – внутреннее сопротивление диода RiGe=500/I0(мА), RiSi=100/I0(мА).

Rтр – сопротивление внутренних обмоток трансформатора Rтр=500U0/(I0(U0I0)1/4), Ток вторичной обмотки: I2=2I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: UC0=1,2U0 р0=600I0/U0C0; C0=600I0/U0р0.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

1) Выбор диода: Uобр=3U0, Iмакс=3,5I0

2) Выбор трансформатора: U2=0,75U0+I0(Ri+Rтр)/530

Rтр=1000/I0(U0I0)1/4 I2=I0+12U0/(Ri+Rтр)

3) Расчет конденсатора: С0=300I0/U0P0 (%); UC0=1,2U0

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

1) Uобр=1,5U0, Iмакс=3,5I0

2) U2=0,75U0+I0(2Ri+Rтр)/530; Rтр=830/I0(U0I0)1/4; I2=21/2 I0+16,6U0/(2Ri+Rтр)

3) С0=300I0/U0р0 (%); UC0=1,2U0

Расчет для Г-образного фильтра:

a) LC – фильтр


Рис.3-6 Г-образный LC фильтр

Для однополупериодного Для двухполупериодного выпрямителя

LC=10р0/р LC=2,5р0

b) RC – фильтр


Рис.3-7 Г-образный RC фильтр

Элементы фильтра определяются из выражений:

Для однополупериодного для двухполупериодного выпрямителя

RC=3000р0/р RC=1500р0


4 Стабилизаторы

4.1 Параметрические стабилизаторы

Напряжение на выходе выпрямителя нестабильно. Например, с увеличением потребляемого тока Iн в большей степени разряжается конденсатор фильтра С в в интервале времени t2-t3(рис. 3-4), поэтому для его подзарядки в течение времени t1-t2 требуется больший зарядный ток Iс. Но тогда из уравнения (1) видно, что потеря напряжения на сопротивлении rz возрастет и Uн уменьшится. На графике рис.3-8 приведены внешние характеристики выпрямителя без фильтра - Iс = 0 и с емкостным фильтром - Iс > 0. Характеристики построены на основании уравнения (1) с учетом того, что вентили обладают сопротивлением, нелинейно зависящим от протекающего тока.


Рис.3-8 Нагрузочные характеристики выпрямителя

Чтобы величина Uн практически не менялась с ростом тока Iн, в выпрямитель вводят стабилизатор напряжения.

При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к Uст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне {глава 1.4} (рис.3-9а). Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона (рис3-9б) имеет участок mn, на котором при изменениях тока от Imin до Imax напряжение остается практически постоянным.


Рис.3-9 Простейший стабилизатор и его нагрузочная характеристика. Чтобы ток через стабилитрон не превысил Imах, включается резистор Rб. При изменении тока нагрузки или напряжения Uф=Uб+Uст изменяется, только Uб, а Uст = Uн остается постоянным.

При необходимости увеличить Uст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор рис.3-9а уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину Uст в параметрическом стабилизаторе невозможно.Оно определяется выбранным стабилитроном. Если такая стабилизация не удовлетворяет требованиям, то применяют полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения.


4.2 Компенсационные стабилизаторы

На рис.3-9а показан принцип стабилизации, основанный на компенсации изменений напряжения в нагрузке путем изменения величины сопротивления переменного резистора R1, включенного последовательно нагрузке Rн.


Рис.3-10 Компенсационный стабилизатор

Для рассматриваемого контура можно написать уравнение

Uн = Uф – I1*R1, (3)

то есть напряжение Uн на нагрузке меньше выпрямленного напряжения (на выходе фильтра) Uф на величину падения напряжения на переменном резисторе R1. Изменяя величину сопротивления, можно регулировать величину напряжения Uн. Для любого изменения выпрямленного напряжения dUф по аналогии с уравнением (3) можно записать, что

dUн =dUф – dI1*R1. (4)

Следовательно, устанавливая величину R1 всегда так, чтобы выполнялось равенство dUф = dI1*R1, получим dUн=0 то есть напряжение на нагрузке будет постоянным.

Для автоматизации процесса стабилизации напряжения Uн в качестве переменного резистора R1 используется транзистор VТ1 большой мощности (рис.3-10б), а управляет его сопротивлением транзистор VТ2. Ток коллектора VТ2 изменяется при изменении напряжения Uн. Поэтому изменяется ток базы транзистора VТ1 и, следовательно, его сопротивление. Параметрический стабилизатор R4-V3 играет вспомогательную роль, обеспечивая опорное (неизменное) напряжение на эмиттере VТ2, с которым сравниваются изменения напряжения на нагрузке, поступающие на базу VТ2 через делитель R1-RЗ. Схема работает следующим образом. Пусть ввиду каких-либо причин напряжение Uн начинает убывать (потенциал fн относительно точки 3 увеличивается). Тогда потенциал базы VТ2 также возрастает относительно эмиттера (станет менее отрицательным), а ток его базы Iб2 уменьшится. При этом ток коллектора Iк2=b2*Iб2(b2-коэффициент передачи тока транзистора VT2) уменьшит потенциал базы транзистора VТ1 (Uб1 = Uк2~ Uф – Iк2* R5) и, следовательно, уменьшит сопротивление транзистора VТ1.При этом неизбежно уменьшается напряжение U1=I1*Rv1 (см. рис.3-10б), а напряжение в нагрузке Uн = Uф - I1*Rv1 практически останется неизменным.

Внешние характеристики стабилизированных выпрямителей приведены на рис.3-11. Постоянство напряжения Uн поддерживается параметрическим (кривая 2) и компенсационным (кривая 3) стабилизаторами


Рис.3-11. Внешние характеристики выпрямителей:

1 - без стабилизатора; 2 - с параметрическим стабилизатором; 3 - с транзисторным стабилизатором компенсационного типа.

До определенного значения максимального тока нагрузки, зависящего от типа применяемых полупроводниковых приборов. Стабилизатор компенсационного типа очень хорошо сглаживает пульсации, если они не слишком велики на выходе выпрямителя и падение входного напряжения не выводит стабилизатор из нормальной рабочей области.


4.3 Импульсный стабилизатор напряжения

>Недостатки вышерассмотренных стабилизаторов:

1) Низкий КПД, не превышающий 50%.

2) Большие габариты конденсатора и индуктивности в фильтре.

Эти недостатки снимаются при использовании импульсного (ключевого) стабилизатора. В этом стабилизаторе транзистор VT ставится в ключевой режим:


Рис.3-12 Импульсный стабилизатор напряжения

Генератор ШИМ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, при которой ширина генерируемых импульсов Uг пропорциональна управляющему напряжению Uупр.

Процесс работы импульсного стабилизатора

1) Во время импульса Uупр транзистор VT открывается, емкость С подзаряжается через индуктивность

2) VT1 закрывается , индуктивность и емкость отдают энергию потребителю. Диод VD устанавливается для замыкания обратного тока индуктивности через емкость и нагрузку. Генератор ШИМ выдает последовательность импульсов на базу VT, ширина которых зависит от Uвых .Длительность импульса tи=К (Uоп-UвыхR1/(R1+R2))

3) Если,например, выходное напряжение уменьшается то длительность импульсов увеличивается. При этом возрастает энергия,накопленная в индуктивности и выходное напряжение поддерживается постоянным. Тактовая частота приблизительно равна 20 кГц. Конденсатор “подпитывается” достаточно часто, поэтому емкость его значительно меньше, чем при использовании непрерывного стабилизатора.


5 Генераторы

5.1 Генератор синусоидальных колебаний

ГСК – это устройство, выполненное на основе автономных автоколебательных цепей, в которых синусоидальное изменение напряжения и тока возникают без приложения дополнительного периодического сигнала. Это преобразование энергии постоянного тока в энергию синусоидальных электрических колебаний.

Генератор типа L-C:


Рис.3-13 Генератор LC с индуктивной обратной связью

Генерация возникает из за положительной обратной связи между коллектором и базой транзистора через взаимоиндукцию между катушками. Колебания возникают при выполнении двух условий:

1) Условие амплитуд, которое выполняется если катушки Lсв и L расположить достаточно близко.

2) Условие фаз. Катушка Lсв должна быть включена так, чтобы возникающая обратная связь была положительной. Тогда возникают колебания с частотой ω2 LC=1; Следовательно ω=1/(LС)1/2; f=1/2π(LC)1/2 По этой схеме строятся генераторы с частотой f>=150 кГц. Для более низких частот применяются RC генераторы.


[ Теория ] [ Справочник ] [ Практикум ] [ Контроль знаний ] [ Об ЭУМК ]