Teoria_SURRT

Содержание
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................	3
1. МОДЕЛИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ ....................................................	4
1.1.Классификация моделей транзисторов и диодов...........................................	4
1.2. Нелинейные и линейные модели полупроводникового диода ...................	6
1.3. Нелинейные и линейные модели биполярного транзистора.....................	13
1.4. Модели полевого транзистора ......................................................................	24
2. ЦЕПИ ПИТАНИЯ, СМЕЩЕНИЯ И СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМОВ
ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ.......................................................................................	30
2.1. Взаимное влияние каскадов по цепям питания ..........................................	30
2.2. RC и LC развязывающие фильтры. ..............................................................	32
2.3. Стабилизаторы напряжения ..........................................................................	33
2.4. Общий анализ стабильности рабочей точки каскада .................................	45
2.5. Основные схемы задания рабочей точки в каскадах..................................	48
2.6. Генераторы стабильного тока .......................................................................	53
2.7. Генераторы стабильного напряжения ..........................................................	59
2.8. Особенности построения цепей смещения и стабилизации режимов
телевизионных интегральных схем..............................................................	64
3. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СИГНАЛОВ............................................................................................................	67
3.1. Составные транзисторы .................................................................................	67
3.2. Каскады с ОЭ и ОИ ........................................................................................	70
3.3. Каскады с ОК и ОС ........................................................................................	72
3.4. Каскад с ОБ .....................................................................................................	75
3.5. Каскад с параллельной ОС по напряжению ................................................	76
3.6. Каскодная схема .............................................................................................	76
3.7. Дифференциальный усилитель .....................................................................	78
4. МАЛОСИГНАЛЬНОЕ УСИЛЕНИЕ РАДИОСИГНАЛОВ РСРВТВ ...............	85
4.1. Усилительные элементы малосигнальных широкополосных усилителей
диапазонов КВ, ОВЧ и УВЧ..........................................................................	85
4.2. Построение малосигнальных усилителей радиосигналов вещательного
телевидения...................................................................................................	103

1

4.3. Построение усилителей промежуточной частоты изображения и звука
........................................................................................................................	108
5. СХЕМНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ БЛОКОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО
ПРИЕМНИКА ......................................................................................................	116
5.1. Состояние и перспективы развития цветных телевизионных приемников
........................................................................................................................	116
5.2. Общая структурная схема телевизионного приемника............................	123
5.3. Селектор каналов..........................................................................................	127
5.4. Построение трактов ПЧ ТВ приемников ...................................................	136
5.5. Схема демодуляции радиосигнала звукового сопровождения ...............	162
5.6. Схема синхронизации и управления развертками....................................	165
5.7 Схема разделения сигналов яркости и цветности .....................................	169
5.8 Декодер сигналов цветности PAL ...............................................................	169
5.9. Демодулятор сигналов цветности СЕКАМ ...............................................	173
5.10. Схема матрицирования ..............................................................................	179
Литература................................................................................................................	180

2

ВВЕДЕНИЕ

Современные радиосвязь, радиовещание и телевидение (РСРВТВ) характеризуются следующей совокупностью существенных признаков:

1.Одни из наиболее динамично развивающихся областей науки и техники, и, как следствие, быстрое увеличение объема информации и малое время жизни производимых моделей.

2.Многообразие систем и устройств различного функционального применения.

3.Совместное использование широкополосных и узкополосных сигна-

лов.

4.Широкий диапазон рабочих частот, применяемых в ТВ системах.

5.Многообразие методов и устройств формирования, передачи, приема, обработки и распределения сигналов.

6.Многообразие приемов схемотехнической реализации используемых в ТВ преобразований сигналов.

7.Широкое применение последних достижений информатики, связи, радио- и микроэлектроники, включая использование микропроцессоров и цифровой обработки сигналов.

8.Сложность и большое число преобразований сигналов и, как следствие, ориентация на применение больших и сверхбольших интегральных схем.

9.Высокие требования к параметрам качества ТВ систем и устройств.

С учетом невозможности рассмотрения в одной дисциплине особенностей схемотехнической реализации различных ТВ устройств и систем оптимальной является следующая стратегия построения учебного пособия “Схемотехника устройств и систем телевидения” и одноименного курса:

ориентация на приемную ТВ технику (телевизоры), являющуюся важнейшей составной частью ТВ систем;

рассмотрение схемной реализации основных преобразований сигналов, используемых, наряду с телевизорами, также и в других ТВ устройствах и системах.

3

1. МОДЕЛИ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ

1.1.Классификация моделей транзисторов и диодов

Современная ТВ схемотехника предполагает использование (часто в одном функциональном узле) разных по свойствам транзисторов (Т) и диодов (Д), включаемых в стандартных и нестандартных режимах работы. При проектировании и расчете подобных схем применяют различные модели Т и Д, выбор которых зависит от схемотехнических и технологических свойств разрабатываемого устройства (узла) и имеющихся в распоряжении средств проектирования.

Известные модели Т и Д подразделяются на распределенные и сосредоточенные [1] (рис. 1.1). Распределенные одно-, двух- и трехмерные физические модели отражают происходящие в приборе физические процессы: перемещение неосновных носителей заряда в полупроводнике вследствие дрейфа и диффузии; изменение во времени плотности носителей, определяемое накоплением и частичной рекомбинацией заряда. Эти модели являются многосекционными. Структура Т либо Д разбивается на секции конечного размера, в пределах которых считаются постоянными физические параметры (концентрация примесей, время жизни и подвижность неосновных носителей). Распределенные электросхемные модели структурно эквивалентны распределенным физическим. Из распределенных наиболее известны физические модели Линвилла Т и Д, опубликованные в 1959 – 1963 г. Распределенные модели, особенно трех-

Модели

транзисторов и диодов

Распределенные

Сосредоточенные

модели

модели

Физические

Электросхемные

Физические

Электрические

Зарядные

Линейные

Нелинейные

Рис. 1.1. Классификация моделей транзисторов и диодов

4

мерные, очень сложны. Поэтому их применяют при проектировании не электронных схем, а самих полупроводниковых приборов.

Сосредоточенные модели являются упрощенным односекционным вариантом соответствующих распределенных моделей. При этом сосредоточенная физическая модель Д определяет его ток в зависимости от физических параметров и напряжения на p-n-переходе, а сосредоточенная зарядная модель – в зависимости от заряда носителей, инжектированных в базу. Сосредоточенная физическая модель биполярного Т выражает его токи через структурнофизические параметры, плотности неосновных носителей на границах базы и так называемые диффузанс HD , комбинансы НCN и НCI и сторансы SN и SI , сосредоточенная зарядная модель – через заряды QN и QI , инжектированные в базу соответственно из эмиттера и коллектора и зависящие от напряжений на p-n- переходах, сосредоточенная электрическая модель – через диффузионнодрейфовые токи IN и II , зависящие от напряжений на переходах. Из сосредоточенных физических и зарядных моделей Т и Д наиболее известны физические модели Линвилла и зарядные модели Бюфоу – Спаркса [1].

При проектировании и расчете ТВ устройств в основном используют сосредоточенные электрические модели Т и Д, которые делятся на нелинейные (справедливые для режима большого сигнала) и линейные (малосигнальные). Из нелинейных моделей биполярного Т наиболее известными и применяемыми являются: модель Эберса – Молла, предложенная в 1954 г.; модель Логана передаточного типа, внесенная в отечественные и зарубежные программы расчета; модели Гуммеля – Пуна и ПАЭС, структурно подобные модели Логана; модели IBIS и BIRD, разработанные в институте автоматики и космических исследований Франции. Наиболее известными и используемыми малосигнальными моделями биполярного Т являются: Т-образная, вытекающая из модели Эберса – Молла; гибридная П-образная (схема Джиаколетто, иногда называемая также схемой Гьяколето); в виде бесструктурного четырехполюсника с той или иной системой параметров [2, 3]. Современные программы расчета практически не накладывают ограничений на сложность проектируемой схемы, поэтому модели на основе бесструктурного четырехполюсника применяются все реже. Применительно к полевым Т чаще всего используют малосигнальную П- образную модель.

5

1.2. Нелинейные и линейные модели полупроводникового диода

Для лучшего понимания моделей Д и Т вначале кратко рассмотрим необходимые положения теории p-n-перехода.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного несимметричного p-n-перехода является решением уравнения диффузии и описывается выражением [4] (рис.1.2, кривая а)

U

1 ,

(1.1)

I I0 exp

m T

где I0 – тепловой ток, равный нулю при T = 0;

T = kT/q T/11600 – температурный потенциал; T (300 K) 25 мВ;

k = 1,37 10 -23 Дж К -1 – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

q = 1,6 10 -19 К – заряд электрона;

m – поправочный коэффициент, равный 1 (2) для Ge (Si).

I

а

б

Особенность ВАХ (1.1) – крутая

прямая

и

пологая

обратная ветви.

U

Uб

б

Омический

Весьма большие прямые токи порядка

Iв

участок

нескольких

ампер соответствуют

на-

пряжениям не более 1 В. Увеличение

I0

(по любой причине) тока I0 уменьшает

а

0

U

прямое

напряжение.

Тепловой

ток

б

германиевого Д превышает аналогич-

Рис. 1.2. ВАХ идеализированного (а)	ный кремниевого на несколько поряд-
и реального (б) диодов	ков, что приводит к различию прямых

напряжений на 0,3…0,4 В. Кремниевым Д присущ сдвиг ВАХ по оси напряжений – так называемая “пятка”.

Нелинейность ВАХ Д оценивают, сравнивая его сопротивления (дифференциальное rд сопротивление и сопротивление Rд по постоянному току) в прямом и обратном направлениях. При этом с учетом (1.1)

6

r		dU						m T		,
д			dI					I I0
		U					m T				I
Rд
			I					I	ln		I0

		U
1				.	(1.2)
		I0 exp U / m T 1

Из (1.2) следует: на прямой ветви сопротивление rд m T / I быстро уменьшается и составляет единицы ом; на обратной ветви при |U | >> m T оно резко возрастает; на обратной ветви при |U | >> m T сопротивление Rд = |U | / I0 прямо пропорционально напряжению; в области прямых (обратных) токов Rд > rд (Rд<rд), в нулевой точке (U = I = 0) Rд = rд= m T / I0 .

ВАХ реального Д существенно отличается от определяемой выражением (1.1), которое справедливо при малом уровне инжекции (малых токах) и не учитывает падение Uб = I rб напряжения на базе. При больших токах с учетом напряжения Uб

				U	Uб
I I0								1 ,
	exp			m T
				I
U m T						I rб Uп Uб .			(1.3)
		ln		I0	1

С увеличением тока напряжение Uб растет линейно, а напряжение Uп на переходе – логарифмически, более слабо. Поэтому при больших токах превалирует напряжение Uб и экспоненциальная характеристика Д вырождается. Критерием вырождения считают ток IВ = m T / rд. Он соответствует равенству сопротивлений rб = rд и, значит, равенству Uб = Uп приращений напряжений Uб и Uп при изменении тока на величину I (см. рис. 1.2). Даже у мощных Д, имеющих rб 1 Ом, ток вырождения IВ < 20…30 мА, что соответствует начальному участку ВАХ. Омический участок может составлять значительную (иногда основную) часть рабочего участка характеристики.

Тепловой ток I0, определяющий прямую ветвь ВАХ, существенно зависит от температуры [4]:

7

		T I					З
I				exp					,	(1.4)
	0		00
						Т

где I00 – практически постоянный ток;

З – ширина запрещенной зоны полупроводника, равная 0,67 В для Ge и

1,11 В для Si.

На практике известно значение тока I0 при некоторой температуре и требуется найти значение при температуре Т. Основываясь на (1.4), имеем

I0 ( T ) I0 ( T0 ) exp( a T ) ,

(1.5)

где T T T0 ; a q З ( kTT0 ).

При дополнительном условии T T0 = 300 К a = 0,13 З , что составляет 0,09 (0,13) К-1 для Ge (Si). Последние значения справедливы до температур 70…80 (120…150) оС для Ge (Si). В более широком температурном диапазоне используют усредненные значения соответственно 0,07 и 0,10.

Для оценки зависимости I0 (Т) более удобна форма с основанием 2:

I	( T ) I	( T ) 2	T T ,	(1.6)
0	0	0

где T*= ln 2 / a – температура удвоения тока.

Например, значениям параметра a, равным 0,07, 0,09, 0,10 и 0,13, соответствуют температуры T* 10, 8, 7 и 5 оС. На практике часто считают, что ток I0 удваивается на каждые 10 оС приращения температуры. Однако это занижает реальное изменение его в несколько раз.

Температурную зависимость прямой ветви ВАХ Д оценивают разностьюU = U(Т ) – U(Т0 ) = T, где – температурный коэффициент напряжения. По-

следний с учетом (1.1) и (1.4) равен
	dU		U m З		(1.7)
	dT		T

и практически не зависит от температуры, так как пропорционально ее изменению изменяется и напряжение U. С учетом U < 0 < З ( 0 – контактная разность потенциалов, равная примерно 0,4 В (0,75 В) для Ge (Si)) следует: < 0.

8

При этом в соответствии с (1.7) значение | | повышается с уменьшением на-

пряжения и, значит, тока. В пределе при U 0 | | = | |max = m З / T, а при U 0 | | = | |min = (m З - 0 ) / T. Значения | |max и | |min для германиевых (кремниевых) Д составляют соответственно 2 (3) и 1,2 (1,2) мВ/град. Реально U < 0, поэтому для обоих типов полупроводника принимают среднее значение –1,2 мВ/град [4]. Для Д в интегральном исполнении параметр изменяется от –1,5 мВ/град (в нормальном режиме) до –2,0 мВ/град (в режиме микротоков) [5].

Зависимость (1.7) справедлива для режима малых токов. Она не учитывает влияние сопротивления rб , которое увеличивается с ростом температуры. Из-за этого на омическом участке ВАХ определяющую роль играет положительное температурное приращение напряжения Uб (см. (1.3)), и параметр изменяет знак. Отмеченное явление особенно сказывается в высоковольтных Д, имеющих бόльшие значения rб .

Обратный ток Iобр реального Д, в отличие от (1.1), сильно отличается от теплового I0 (см. рис.1.2). Главными причинами этого являются: термогенерация носителей в области перехода; поверхностные утечки; явления, приводящие к пробою. Влияние указанных составляющих на величину Iобр разное в германиевых и кремниевых Д. Так, в кремниевых Д при комнатной температуре ток IG термогенерации намного превышает тепловой I0 и является главным компонентом обратного тока.

Помимо проводимости полупроводниковый Д обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно переходу. Она включает барьерную (зарядную) Сб и диффузионную Сд составляющие. Барьерная отражает перераспределение зарядов в переходе, диффузионная – в базе. Емкость Сб обусловлена нескомпенсированным объемным зарядом Q, сосредоточенным по обе стороны от границы p-n-перехода, и имеет дифференциальное значение [4]

Cб	dQ		0 S				0			,	(1.8)
					n
	dU		l0				0	U

где 0 = 9 10 –12 Ф/м – диэлектрическая постоянная свободного пространства;

9

– относительная диэлектрическая проницаемость материала, равная 16 (12) для Ge (Si);

S, l0 – соответственно площадь и равновесная ширина перехода; n = 2 (n = 3) для ступенчатого (плавного) перехода.

Модель (1.8) дает большую погрешность при прямых напряжениях, больших 0,1…0,2 В, так как не учитывает существенный при прямых смещениях заряд подвижных носителей в переходе. Иногда барьерную емкость определяют как интегральную величину Сб и = Q |U |, которая в случае ступенчатого

(плавного) перехода превышает описываемую (1.8) емкость в 2 (1,5) раза. Емкость Сб имеет значения от единиц до сотен пикофарад. Она играет главную роль при обратном смещении.

При прямом смещении, несмотря на увеличение Сб, основное влияние оказывает емкость Сд, обусловленная возрастающим зарядом носителей в базе. Она зависит от прямого тока I и толщины W базы. В случае толстой базы

Сд = I Т ,

где – эффективное время жизни носителей ( = 0,05… 2 мкс). При тонкой базе

Сд = I tD Т ,

где tD =W 2 ( 2D ) – среднее время пролета носителей через тонкую базу при диффузионном механизме движения;

D = T ;

– подвижность электронов (дырок).

Значения Сд лежат в диапазоне от сотен до тысяч пикофарад. Поэтому при прямом напряжении емкость перехода примерно равна диффузионной, а при обратном – барьерной.

Из полученных сведений следует нелинейная модель Д, справедливая при прямом и обратном напряжении смещения (рис. 1.3, а). Здесь С = Сб + Сд + + Ск – нелинейная емкость Д, зависящая от режима и равная сумме барьерной Сб , диффузионной Сд емкостей и емкости Ск корпуса прибора; R – нелинейное сопротивление перехода, определяемое по статической ВАХ реального диода;

10