2.4. Контрольные вопросы

1. Что такое электрический фильтр?

2. Что такое комплексный коэффициент усиления и как его получить

3. Нарисуйте схему простейшего фильтра нижних частот.

4. Как определить частоту среза фильтра?

5. Нарисуйте АЧХ фильтра ВЧ.

6. Нарисуйте схему простейшего фильтра верхних частот.

7. Как определить частоту среза фильтра?

8. Нарисуйте АЧХ фильтра ВЧ.

9. Приведите формулы для определения частоты среза фильтров НЧ и ВЧ.

10. Нарисуйте схему простейшего полосового фильтра.

11. Как определить частоту среза полосового фильтра?

12. Нарисуйте АЧХ полосового фильтра. Чему равен коэффициент передачи полосового фильтра на частоте f₀?

13. Приведите формулы для определения центральной частоты полосового фильтра.

14. Что такое добротность полосового фильтра и как ее определить?

15. Что такое полоса пропускания, переходная область и полоса подавления фильтра?

16. Как выражается амплитудночастотная характеристика в логарифмическом масштабе?

17. Нарисуйте ЛАЧХ фильтров НЧ, ВЧ и полосового фильтра.

18. Как определить частоту среза фильтров по АЧХ в логарифмическом масштабе?

3. Полупроводниковые диоды

1. Выпрямительные и импульсные диоды

Полупроводниковый диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n– переходом и двумя выводами. Условное графическое изображение (УГО) диода показано на рис.3.1.

Выводы диода называются анодом А и катодом К. Иногда соответствующие выводы называют положительным "+" и отрицательным "-". Диод пропускает ток в одном направлении. Если приложено напряжениеU_AK> 0, то диод открыт и работает в прямом направлении. При отрицательном напряженииU_AK< 0 диод заперт. На рис.3.2 показаны схемы включения диода при прямом и обратном включении.

Прямой ток всегда больше обратного на несколько порядков. Часто при анализе схем им можно пренебречь.

Диод как нелинейный элемент описывается вольтамперной характеристикой (в.а.х.)I(U_AK). На рис.3.3 показана прямая ветвь в.а.х. кремниевого диода, полученная в системе моделированияMicroCAP. Прямой ток резко возрастает при достижении некоторого малого положительного напряженияU_AK. Однако он не должен превышать некоторого определенного максимального значенияI_макс, так как иначе произойдет перегрев, и диод выйдет из строя. Из характеристики видно, что диод открывается не сразу, когда напряжениеU_AKстановится больше нуля, а при достижении некоторого напряженияU_D. Для германиевых диодовU_Dнаходится в пределах от 0,2 до 0,4 В, для кремниевых – от 0,5 до 0,8 В. Приближенно ход характеристики может быть описан значениями прямого напряженияU_Dпри токах порядка 0,1I_макс.

При отрицательном напряжении U_AKчерез диод протекает обратный токI_обр. Его величина намного меньше прямого тока и в некоторых случаях им можно пренебречь при анализе схем. Обратный ток при напряжениях ‌U_АК‌ >U_{обр. макс}возрастает до значений, соизмеримых с прямым током. Обычные диоды в этой области работать не могут. Максимальное обратное напряжение определяется конструкцией диода и находится в пределах 10 В – 10 кВ.

Характеристику диода можно аппроксимировать с помощью экспоненциальной функции

,

3.1

где I_то– теоретический обратный ток,U_т = 25,5 мВ – термический потенциал,m– поправочный коэффициент, зависящий от типа диода, и находится в пределах 1 - 2. Для кремниевых диодовI_то= 10 пА, для германиевых -I_TO= 100 нА;mU_т=30 мВ,I_макс=100 мА.

При анализе схем часто диод в открытом состоянии представляют замкнутым идеальным ключом (Рис.3.4,а) или идеальным источником напряжения величинойU_D (Рис.3.4,б). В закрытом состоянии диод часто рассматривают как разрыв цепи (не учитывают обратный ток). При более детальном анализе схем в закрытом состоянии диод можно рассматривать как идеальный источник тока величинойI_обр. Использование той или иной модели диода зависит от степени детализации анализа схемы.

Как видно из вольтамперной характеристики диода прямое напряжение на диоде зависит от тока, протекающего через него. Их формулы 3.1можно определить, как возрастает прямое напряжение на диоде при возрастании тока в 10 раз:

и далее, ΔU_AK= 60 ÷ 120 мВ.

Поскольку U_TиI₀зависят от температуры, то прямое напряжение для фиксированного значения тока также зависит от температуры. Эта зависимость описывается с помощью температурного коэффициента напряжения диода

.

ТКН означает, что один и тот же ток диода достигается при напряжении U_АКменьшем на 2 мВ при увеличении температуры на 1 градус. Пропорциональное уменьшение прямого напряжения с температурой при постоянной величине тока означает, что с увеличением температуры ток возрастает по экспоненциальному закону, если постоянное напряжение постоянно.

Экспоненциальную температурную зависимость имеет и обратный ток. Он удваивается при увеличении температуры на 10º. При достижении температуры на 100º обратный ток возрастет в тысячу раз.

Рассмотрим работу диода в динамическом режиме. Схема, с помощью которой можно исследовать переключения диода из проводящего состояния в закрытое, представлена на рис.3.5. Источник импульсного напряжения вырабатывает разно полярные импульсы амплитудой 5 В. РезисторR1 ограничивает ток через диод. Процесс переключения диода из одного состояние в другое наблюдаем по изменению напряжения на диоде. Графики напряжения генератора импульсовV1 и напряжения на диодеV(2), полученные вMicroCAP, показаны на рис.3.6. При отрицательном значении напряжения генератора диод закрыт, ток через него практически равен 0, падение напряжения на диоде 5 В. При изменении сигнала с генератора на положительное диод смещается в прямом направлении, через диод начинает протекать прямой ток. Однако прямое падение напряжения на диоде устанавливается не сразу, а через некоторое время. При этом происходит накопление носителей заряда в диоде. Величина накопленного заряда тем больше, чем больше прямой ток диода. При поступлении отрицательного импульса диод начинает закрываться не сразу, некоторое время поддерживается прямой ток. Этот ток обусловлен рассасыванием накопленных в диоде зарядов.

При использовании диодов в импульсных схемах необходимо учитывать переходные процессы при включении и выключении диодов. Для уменьшения времени переключения можно использовать диоды Шотки.Эти диоды имеют переход металл-полупроводник, который тоже обладает выпрямительным эффектом. Накопление заряда в переходе этого типа весьма мало. Поэтому время переключения может быть уменьшено до значений 100 пС. Другой особенностью этих диодов является малое прямое падение напряжение, составляющее около 0,3 В.

Выпрямительные диоды.Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкостиp-n– перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называютвыпрямительными.Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Емкость выпрямительных диодов из-за большой площади p-n- перехода велика и достигает значения десятков пФ.

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостямиp-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площадиp-n- перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них не велики (30 – 40 мВт). В быстродействующих импульсных цепях широко используются диоды Шотки. У этих диодов не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов, их быстродействие зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

2. Стабилитроны

Полупроводниковые стабилитроны, называемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. При работе стабилитрона используется обратная ветвь вольт – амперной характеристики. При повышении обратного напряжения происходит пробойp-n– перехода, при котором обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизацииU_ст. На рис.3.7, показана схема включения, а на рис.3.8 представлена характеристика стабилитрона, полученная вMicroCAP. Прямая ветвь характеристики стабилитрона приU_д> 0 такая же, как и у обычного диода. При увеличении обратного напряжения происходит пробой стабилитрона, ток резко возрастает, а напряжение на стабилитроне изменяется незначительно. На характеристике хорошо видно, что при изменении тока от –3, 522 мА до –9,494 мА (почти в 3 раза) напряжение изменилось на величину ΔU_д= 0,055 В. Напряжение, при котором происходит пробой стабилитрона, называется напряжением стабилизации. Рабочая область стабилитрона ограничена минимальнымI_{ст min}и максимальнымI_{ст max}токами стабилизации. При токе стабилитрона нижеI_{ст min}начинает существенно уменьшаться напряжение на стабилитроне и в конечном итоге стабилитрон может закрыться. При превышении максимального токаI_{ст max}стабилитрон выходит из строя.

Напряжения стабилизации в зависимости от типа стабилитрона могут быть от нескольких вольт до десятков вольт. Минимальный ток стабилизации в зависимости от типа может быть от долей милиампера до десятков миллиампер.

Максимальный ток стабилизации может быть от нескольких мА до нескольких А.

Стабилитроны используются для построения стабилизаторов напряжения, источников опорного напряжения и др. На рис.3.9 приведена схема параметрического стабилизатора. Обратите внимание на включение стабилитрона: катод подключается к плюсу источника входного напряжения, а анод к минусу. Нагрузка подключается параллельно стабилитрону. Напряжение на нагрузке будет равно напряжению стабилизации стабилитрона Uст, пока ток стабилитрона находится между I_minи I_max. Допустим, что ток стабилитрона равен I_ст = (I_{ст max}+I_{ст min})/2. При увеличении входного напряжения увеличивается ток через балластное сопротивление R_б. Ток нагрузки остается неизменным, так как напряжение на нем не меняется, оно остается равным U_ст. Изменяется (увеличивается в нашем случае) ток стабилитрона.

При изменении сопротивления нагрузки, например при уменьшении R_н, увеличивается ток нагрузки за счет уменьшения тока стабилитрона. Напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на нагрузке, остается практически неизменным.

При холостом ходе весь ток нагрузки протекает через стабилитрон и может вывести прибор из строя - это надо учитывать при расчете схемы.

Резистор R_бограничивает величину тока стабилитрона и определяет стабильность выходного напряжения.