- •Iпр.Макс – макс. Допустимый прямой постоянный ток
- •Идеализированная выходная характеристикя в активном режиме имеет вид:. Рабочий участок – прямая хар-ка. По вых. Хар-кам можно определить вых. Проводимость по пост. И перемен. Току.
- •Iвых.Макс – максимальный выходной ток
- •Условие работы бт в обл. Отс.
- •Преимущество синх-го rs-триггера:
В
Qвых~<Qвых-.
Если проводимость маленькая, I=const,
БТ может выполнять функцию стабилизатора
тока.
Различие сопротивлений БТ по постоянному
и переменному току на входе и на выходе
объясняется нелинейностью его статических
хар-к.
Идеализированная выходная характеристикя в активном режиме имеет вид:. Рабочий участок – прямая хар-ка. По вых. Хар-кам можно определить вых. Проводимость по пост. И перемен. Току.
ыходная характеристика в схеме ОЭ
представляет собой зависимость.
№8. Биполярные транзисторы. Система h-параметров. Основные и предельные параметры.
Дифференциальные параметры показывают связь между вх. и вых. хар-ками 4-х полюсников.
С
1) ΔUбэ=h11*ΔIб+h12*ΔUкэ
–связь между I и U.
Для вх. харки.
2),
для вых. хар-ки
Входное сопротивление БТ по переменному току:
Коэффициент обратной связи по напряжению:
|
Коэффициент передачи тока (коэф-т усиления по току):
Выходная проводимость БТ по переменному току:
|
Основные физические параметры БТ: 1)β=ΔIк/ΔIб – коэф.усил.по току.β зависит от абс. знач. Iк. Β=f(Iк):
Практически по этой характнристики
можно определить оптимальное значение
рабочего тока коллектора Iкр.опт
при кот. коэф. усил. будет опт.
β
=α/(1-α),
где α-коэф.
передачи тока в схеме с ОБ.
2) Iко – обратный ток
коллектора, характерезует не идеальность
БТ, является вредным параметром, зависит
от степени очистки исходного п/п, и
влияет на степень закрытия транзистора
в импульсном режиме, также зависит от
температуры (Ge>Si).
3)fβ-граничная
частота усиления, частота при кот. β
уменьшается в √2 раз., по сравнению с
наилучшими частотами. Хар-ет быстродействие
тр-а
Предельно допустимые параметры БТ:
1)Iк.макс – максимально допустимый Iк, обеспечивающий длительную работу
Iк.и.макс – максимальный импульсный ток коллектора (при t = const)
2)Uкэ.макс – максимально допустимое напряжение между К-Э. Uкб.макс – К-Б
3)Pк.макс – максимально допустимая мощьность рассеиваемая на коллектор транзистора(Pк.м≠ Iк.м*Uк.м)
№9. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом. Принцип действия, статические характеристики, основные и предельные параметры.
П
Условия работы: 1)К каналу основного
п/п р типа подключается источник внешнего
напряжения Uси между
стоком и истоком. 2)На затвор относительно
истока подключается обратное напряжение
Uзи запирающее p-n
переход затвор-канал. А)При отсутствии
управляющего напряжения Uзи=0
образуется в p канале
максимальный ток стока Iс=Ic.макс,
определяемый сопротивление проводника
и площадью сечения канала. У границы
p-n перехода
создается слой обедненный носителями,
имеющий небольшой размер. Б)При подаче
управляющего напряжения Uзи>0
граница запирающего слоя расширяется
и уменьшается площадь проводящей части
канала. Ток стока Iс при
этом уменьшается.
При определенном достаточно большом запирающим напряжении на затворе канал закрывается полностью и ток стока прекращается. Uзи=Uотсеч след. Iс=0. Сток затворная хар-ка ПТУП:
Зависимость обратная, нелинейная.
Рабочий участок наиболее прямой участок.
КП101, КП102, КП201 КП307, КП302, КП314,
КП303
В
Основные параметры ПТУП: 1)Iс.нач.
– начальный ток стока это Ic
при Uзи=0. 2) S=ΔIс/ΔUзи
– крутизна харак-ки, определяет
усилительные св-ва. Нормируется при
S=Iс.нач
S=tgγ 3) Uотс
– напряжение на затворе, когда Iс=0.
Удельно допустимые параметры ПТУП:
1)Iс.макс – макс. Допуст
ток стока
2)Uси.макс – макс. Допуст.
U сток-исток
3)Uзи.макс – макс. Допуст.
U затвор-исток
4) Pc.макс – макс. Допуст.
Мощн. Рассеиваемая на стоке
5)Tмакс – макс. Допуст.
температура
№10. ПТ с изолированным затвором. Принцип действия, статические характеристики, особенности применения.
На металлической подложке размещается кристалл, кот. легирован примесями n-типа малой концентрации. У поверхности кристалла размещены два кармана заполненные п/п противоположного типа в кот. подведены электроны сток-исток У поверхности кристалла между карманами создается свой диэлектрик SiO2. Над диэлектриками напыляется тонкий слой металла (АС) образующий затвор.
При отсутствии управляющего напряжения на затворе Uзи=0, внутри кристалла и во внешней цепи ток отсутствует, т.к. закрыт один из p-n переходов между карманом и основным кристаллом.
П
Вых. хар-ки:
Мпор-пороговое напряжение,
соответствующее Uзи при
кот. образуется Ic.
Сток-затворная характеристика МОП транзисторов:
М
Вых. хар-ки :
Данный тип
транзистора – идеальный усил. элемент,
кот. не требует доп. U
на входе для создания рабочей точки.
Особенности применения МОП: 1) т.к. толщина слоя диэлектрика под затвором мала (0,4-0,6 мкм) то для пробоя затвора достаточно U=20-30В. Они могут разрушаться за счет статического эл-ва рук. Должны применяться спец. Меры при хран., монтаже и эксплуатации. При хран. все выводы закорачиваются между собой с пом. фальги. При монтаже использовать низковольтный паяльник, с заземленным корпусом. Заземлять кисти рук. 2)При эксплуатации должен придусматриваться резистор(10-50мОм) утечки между З-И. Т.к. затвор изолирован от каналов ток затвора мал, а вх. сопротивление оч. велико, из-за этого МОП применяются с высоковольтными источниками сигнала. 3) Структура МОП удобна для интегральных тех-гий и позволяет разместить большое число эл-ов на ед. площади. Прим-ся в ИС. Силовые МОП-Т – КП810А(U=1300В, Iс=7А) , КП958В(U=60В, Iс=30А).
№11. Тиристоры / тринисторы. Вольтамперные характеристики, режимы работы, схема включения, основные и предельные параметры, условия выбора тринистора.
Тиристоры применяются в автоматизированном электроприводе для регулирования скорости двигателей пост. и перемен. тока, а также в различных регуляторах технологических пар-ов. Они имеют 4-х слойную стр-ру p-n-p-n. Изготавливаются на основе Si.
Термин тиристор происходит от “tira-дверь”. Он объединяет целую группу 4-х слойных приборов. Динистор – два вывода и односторонняя проводимость. Тринистор – три вывода и односторонняя проводимость. Синистор – три вывода и двусторонняя проводимость.Фототиристор – упр-е световым сигналом.
ВАХ-тринистора.
Тринистор имеет два режима работы:
-
Упр-е по аноду осущ-ся при Iy-Iy1=0; Uak=Uar .При увеличении напряжения м/у анодом и катодом Uak до опр-го зн-я, то ток анода Ia растёт незначительно: Ia≈0, тиристор закрыт – это участок ОА. При достижении на аноде напряжения включения Uak=Uвкл происходит лавинообразное нарастание тока анода и тиристор открывается –участок ABC. Тиристор переходит на ВАХ обычного диода (BC), при этом ток анода Ia ограничивается только сопротивлением нагрузки Rн. Время включения тиристора мало и составляет 2-20 мкс.
-
После включения, напряжение на аноде открытого тиристора незнач-ую величину Uотк=1-2 В. Управление по управляющему электроду осуществляется при изменении тока упр-я Iy=var, а напряжение на аноде закрытого тиристора должно выбираться меньше, чем Uвкл. Uak закр=Uпит<Uвкл для того, чтобы тиристор не открылся при отсутствии сигнала упр-я Iy=0. В этом случае при отсутствии сигнала упр-я тиристор закрыт. При подаче сигнала управления Iy=Iy2, тиристор открывается, при малом Uak, а при большом Iy=Iy2=Iyот – тиристор сразу переходит в открытое состояние.
Основные пар-ры тринистора:
1)Iyот – открывающий ток упр-го электрода
2)Uyот – открывающее напряжение (2-5 В)
3)tвкл , tвыкл
4)Uотк – падение напряжения на аноде открывающий тиристор (вред. пар-р 2-3 В)
Предельно-допустимые пар-ры тиристора:
1)Iотк max – max доп-ый постоянный ток анода в откр. состоянии.
2)Uпр зак – max доп-ое прямое напряжение на аноде в закрытом состоянии.
3)Uпр max – max доп-ое откр. напряжение на аноде
5)Tmax – max доп-ая температура.
№12. Усилительные устройства. Разновидности, применение, принцип действия усилительного каскада.
Классификация усилителей.
Устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов, называется электронным усилителем.
Основной классификацией усилителей является классификация по диапазону усиливаемых частот.
-
Усилители низкой частоты (УНЧ) - диапазон усиливаемых частот от 10Гц до 100кГц.
-
Усилители высокой частоты (УВЧ) - диапазон усиливаемых частот от 100кГц до 100МГц.
-
Усилители постоянного тока (УПТ). Они могут усиливать постоянный ток. Диапазон усиливаемых частот от 0Гц до 100кГц.
-
Импульсные усилители (ИУ) - широкополосные импульсные- и видеоусилители. Частотный диапазон усиливаемых частот от 1кГц до 100кГц.
Избирательные, или резонансные усилители - это усилители, работающие в узком диапазоне частот.
Широкое применение нашло в САУ, измерительной технике, в аналоговых выч. машинах в качестве ОУ в различных ф-х устр-ах.
В САУ усилитель явл-ся обязательным эл-ом функ-ой схемы. Он беспечивает повышение точности регулирования. В современных усилительных уст-ах используются БТ и ПТ, как отдельный прибор, так и в составе ИС.
Простейший усилительный каскад содержит 3 эл-та:
-
Управляющий эл-т (УТ) – БТ иПТ
-
Резистор внутренней нагрузки(R)
-
Источник питания (ИП)
Упр-ие Uвых и мощностью в нагрузке осуществляется за счёт изменения вых-го сопротивления УЭ под действием малого вых-го сигнала ИП. Т.к. УЭ и резистор R включены послед-но, то напряжение питания перераспределяется на R и УЭ. Усиление вх-го сигнала основано на преобразовании энергии ИП в энергию вых-го сигнала выделяемую на внутренней или внешней нагрузках при изменении вых-го сопротивления УЭ.
№13. Многокаскадные усилители. Основные показатели и виды межкаскадных связей. Определение общего коэффициента усиления.
Для повышения коэф-та усиления используют многокаскадные усилители, в кот-ых общий коэф-т усиления равен Ku=Ku1*Ku2*…*Kun,, где n – число каскадов. Обоснование этого–равенство вых-го напряжения предыдущего каскада, и вх-го напряжения последовательного каскада. В этом случае между каскадами, а также между входом усилителя и источником сигнала или же между выходом усилителя и нагрузкой могут существовать следующие виды межкаскадных связей.
1) Резисторно-ёмкостная связь
Резисторно-ёмкостная связь является наиболее широко распространённой в усилителях переменного напряжения.
2) Трансформаторная связь
Трансформаторная связь позволяет осуществить оптимальное согласование между каскадами путём подбора коэффициента трансформации трансформатора. Недостатки:
• Сравнительно большие габариты и вес трансформаторов.
• Большие частотные искажения, так как сопротивления обмоток трансформатора зависят от частоты Xl =ω•L, поэтому трансформаторная связь применяется на низких частотах и в узком диапазоне.
3) Гальваническая (непосредственная) связь
Виды обратной связи. Обратной связью в усилителе (в целом) и и же в отдельно взятом каскаде называется такая связь между входом и выходом, при которой часть энергии усиленного сигнала с выхода передаётся на вход.
По способу своего возникновения обратная связь может быть внутренней, паразитной и искусственной.
Внутренняя ОС возникает за счёт внутренних свойств элементов схемы. Паразитная ОС возникает за счёт паразитных ёмкостей и индуктивностей. Стараются внутреннюю паразитную обратную связь возможно сильнее уменьшить.
Искусственная ОС вводится специально для улучшения основных характеристик усилителя. По признаку петлевого усиления различают положительную ОС (ПОС) и ООС. При ПОС сигнал на вход усилителя через цепь ОС поступает в фазе со входным сигналом. При ООС сигнал, проходя цепь ОС, будет подаваться в противофазе с входным сигналом. В усилителях, в основном, применяется ООС; ПОС применяется в генераторах.
В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают ОС по току и по напряжению.
В зависимости от того, каким образом цепь ОС подключается к выходу усилителя, различают параллельную и последовательную ОС усилителя. 4 типа ОС:
1) Послед-но-послед-я ООС (послед-я ООС по току) первое слово для вх., а второе для вых.
Rвх – увелич. +
Rвых – увелич. –
Применяется в одиночном усилительном каскаде
Для стабилизации рабочей точки
2) Послед-но-паралл-я ООС или последовательная ООС по напряжению
Rвх – увелич. +
Rвых – уменьшается –
Самая оптимальная
3) Пар-но-послед-я ООС – пар-я ООС по току
Rвх – уменьшается –
Rвых – увелич. –
4) Пар-но-пар-я ООС
Rвх – уменьшается –
Rвых – уменьшается +
Широко применяется в схемах операционных
усилителей
Влияние ООС на пар-ры усилителя
∆U=Uвх-Uос (1); ∆U=Uвых/k0 (2); Uос=Uвых*Kос (3); подст. (2), (3) в (1)
Uвых/ k0=Uвх-Uвых*kос, преобразуем ku= Uвых /Uвх= k0/(1+ k0* kос)
Где (1+ k0* kос) – глубина ОС, показывает во сколько раз
уменьшится исх-ый коэф-т усиления при введении ОС [Дб].
Резисторы должны выбираться с низким зн-ем ТКС (темпер. коэф-та
сопротивления и номинала из ряда Е96+ 1%
kос=R2/(R2+R1); ku=1/ kос=(R2+R1)/R2=(R1/R2)+1
Rвх=rвх*(1+ k0* kос); Rвых=rвых/(1+ k0* kос)
№15. Определение параметров Ku, Rвх, Rвых в усилителе с с последовательно-параллельной ООС.
- знаменатель этой формулы -это глубина ОС – показывает, во сколько раз снижается коэффициент усиления каскада. На практике Кос=0.5…0.01;
При определенном Ко (1000-100000) формула приводится к виду - т.е. при введении глубокой ООС, результирующий коэффициент усиления не будет зависеть от параметров каскада, а только от параметров ОС.
Влияние ОС на входное/выходное сопротивление:
№16. Усилительный каскад ОЭ.
Назначение элементов:
Rб – задает напряжение смещения на базе VT1 и выводит транзистор на рабочую точку
Rк – внутренняя нагрузка транзистора – обеспечивает формирование Uвых
Cвых – выходной конденсатор – исключает прохождение постоянного тока с коллектора VT1 на нагрузку.
Режим работы транзистора характеризуется рабочей точкой с четырьмя параметрами: Uк.р, Iк.р, Uбэ.р, Iб.р;
Работу каскада удобно представлять графически, используя выходные и входные характеристики.
Коэффициент усиления можно найти как отношение
Порядок графических построений:
-
на выходных характеристиках строят линию нагрузки на основе двух уравнений:
Линия нагрузки проводится через две точки:
Наклон линии нагрузки к оси абсцисс определяется выражением:
-
В середине линии нагрузки выбираем рабочую точку (Р.Т.), координаты которой задают режим работы транзистора по постоянному току (Uкэ.р, Iк.р, Iб.р)
-
На входных характеристиках находим ту, которая соответствует Uкэ.р. На ней, по известному значению Iб.р находим точку, и соответствующее ей значение Uбэ.р
-
Входной сигнал строим в виде синусоиды, относительно Uбэ.р. При этом, амплитуда сигнала должна укладываться в прямолинейный участок входной характеристики.
-
Выходной сигнал строится относительно Uкэ.р по соответствующему изменению Uкэ. Амплитуда выходного сигнала определяется по точкам пересечения линии нагрузки с выходными характеристиками Iб1 и Iб2.
Нелинейные искажения:
Для обеспечения максимального динамического диапазона изменения Uвых, рабочую точку (Р.Т.) надо выбирать в середине линии нагрузки исходя из условия Uк.р = 0.5Uп.
1) При правильном выборе Р.Т. искажения в виде симметричного ограничения выходного сигнала будут возникать в случае подачи слишком большого напряжения Uбэ на вход каскада.
2) При неправильном выборе Р.Т. (когда Uк.р > 0.5Uп) сигнал будет обрезаться сверху.
3) При неправильном выборе Р.Т. (когда Uк.р < 0.5Uп) сигнал будет обрезаться снизу.
№17 Усилительный каскад с эмиттерной стабилизацией режима работы.
Транзистор управляется разностью потенциалов между его базой и эмиттером. Если возрастает температура, или просто начинает возрастать коэффициент передачи тока β, то, в первый момент, ток коллектора Iк.р. возрастает. Напряжение Uбэ при этом падает, что призакрывает транзистор, уменьшая тем самым ток коллектора. Таким образом осуществляется эмиттерная стабилизация работы каскада. Точность и плавность стабилизации определяется глубиной ООС. Глубина ООС прямопропорциональна значениям β и R3.
Параметры схемы.
- коэффициент усиления на холостом ходу
; где ||; - под нагрузкой
; ||;
Такие каскады используют, в основном, как каскады предварительного усиления в многокаскадных усилителях мощности.
№18 Усилительный каскад с общим коллектором.
Особенностью данной схемы является: 1. выходной сигнал формируется на эмиттере транзистора, относительно общего провода; 2. коллектор является общим для протекания входного и выходного токов.
Назначение элементов.
R1 – задает начальный ток базы, задает режим работы по постоянному току.
R2 – играет роль внутренней нагрузки для создания Uвых; создает цепь ООС последовательно-параллельного типа (глубина ОС такая, что весь выходной сигнал поступает во входную цепь и вычитается из входного сигнала).
VT1 – усиливает ток выходного сигнала (управляется разностью сигналов Uвх-Uвых).
С1,С2 – обеспечивают развязку по постоянному току, соответственно, на входе и на выходе.
Параметры каскада.
- основное влияние здесь оказывает коэффициент передачи
||; где ||
||; RЕ – внутреннее сопротивление источника сигнала
ВНИМАНИЕ: этот каскад не является фазоинвертором
>>
<<
<
Поскольку эта схема обладает большим входным сопротивлением, имеет смысл использовать её во входных цепях аппаратуры, а также в выходных цепях, из-за низкого выходного сопротивления.
№19 Каскад на комплиментарных транзисторах.
Если каскад должен обладать большой мощностью, то обыкновенные каскады А-класса использовать нельзя, всилу их низкого КПД. Приходится использовать каскады Б-класса, у которых КПД выше примерно в три раза. Поскольку в Б-режиме транзистор может работать только на открывание, то для усиления знакопеременного сигнала приходится создавать каскады на комплиментарных транзисторах.
Характерной особенностью такой схемы является двуполярное питание.
Назначение элементов:
R1,R2 – обеспечивают балансировку каскада (Uвых=0 при Uвх=0)
R3 – создает небольшое начальное смещение на базах VT1-VT2 и обеспечивает небольшой начальный ток коллектора, что устраняет «ступеньки».
R4 – формирует выходное напряжение Uвых, за счет протекания через себя соответствующего тока. также отвечает за выходное сопротивление схемы.
C1,C2 – обеспечивают высокое входное сопротивление и развязку входного сигнала по постоянному току.
VT1,VT2 – два мощных транзистора, работающих как эмиттерные повторители, собственно, усиливают ток выходного сигнала.
!ВНИМАНИЕ: данная схема не усиливает напряжение – только ток!
Временные диаграммы работы схемы.
При положительной полуволне напряжения на входе, открыт транзистор VT1, при отрицательной – VT2. В результате через резистор Rн течет переменный ток и на нем возникает переменное напряжение Uвых.
При нерпавильной регулировке начального тока баз транзисторов VT1 и VT2, в каскаде могут возникать искажения типа «ступенька». Для их устранения надо скорректировать номинал резисторов R1 (если искажения дает VT1) и R2 (если искажения дает VT2).
№20 Энергетические показатели каскадов А и В класса.
Каскады класса А – такие, рабочая точка которых расположена на прямолинейном участке входной характеристики, т.е. Uкр=0,5Uп и Iкр=0,5Uп/Rк. Естественно, при таком режиме работы на транзисторе выделяется какая-то часть потребляемой мощности каскада на поддержании рабочей точки. Если это каскад предварительного усиления, то будут выделяться милливатты мощности и проблем не возникнет, но если в данном режиме будет работать оконечный каскад, потери мощности будут очень значительными.
Это можно доказать небольшими вычислениями:
; где
Pнагр – мощность, выделяемая на нагрузке;
Pпотр – мощность, потребляемая каскадом;
Uнагр – максимальное напряжение на нагрузке;
Iнагр – максимальный ток через нагрузку;
Uп – напряжение питания;
Iк.р. – рабочий ток коллектора;
Как видим, КПД каскада класса А не превышает 25%;
Рабочая точка каскадов класса В располагается на границе отсечки коллекторного тока, что вызывает выделение меньшего количества мощности на транзисторе. Подобные каскады используют, как правило, в качестве оконечных. Рассчитаем его КПД:
; где
Iк – максимальный ток коллектора;
Расчеты проводились при условии отсутствия начального тока коллектора (Iк.р.=0), т.е. для идеального каскада. В реальном случае КПД равен 75, а не 78%.
№21. Операционные усилители (ОУ) па ИС. Назначение и области применения. Структура и основные параметры ОУ на интегральных микросхемах.
ОУ- многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Разделительных конденсаторов нет.
Назначение:
1) выполняют математические операции с аналоговыми сигналами ( сложение, вычитание, диф-ние, интегр-е)
2) для усиления сигнала постоянного, переменного тока и построения различных функциональных устройств ( компараторы, активные фильтры, генераторы периодических сигналов, амплитудные детекторы и компенсационные стабилизаторы).
ОУ выпускают в виде интегральных схем (ИС) которые имеют малые габариты, низкую стоимость и высокую надежность работы.
Пример схемы ОУ на ИС К140УД1:
Схема ОУ содержит 3 каскада:
1 – Каскад – дифференциальный ( VT1, VT2, VT3)
Обеспечивает основное усиление по напряжению разности входных сигналов Uвх1 - Uвх2
VT3 – стабилизатор тока эммитеров
2 – Каскад – дифференциальный (ДК2) на транзисторах VT4, VT5, VT6
VT6 – обеспечивает термостабилизацию режима работы. Этот каскад обеспечивает дополнительное усиление по напряжению и согласование с средним каскадом.
3 – Каскад – 2-х тактный усилитель мощности VT7, VT8, VT9
VT8 – стабилизация режима работы.
Каскад предназначен для усиления мощности и согласования ОУ с низкоомной нагрузкой. Входные сигналы Uвх1 и Uвх2, подключаются на базы VT1, VT2. Причем сигнал Uвх1 увеличивает выходное напряжение Uвых, а сигнал Uвх2 уменьшает. Вход «+» - неинвертирующий, «-« -инветирующий
Т.о. выходной сигнал Uвых определяется разностью входных сигналов : Ku(Uвх1 – Uвх2)
Условно-графическое изображение:
Статические характеристики:
Максимальный уровень Uвых ОУ ограничивается + - Uоу max , которое определяется напряжением питания Uоу max= Uп – 1.5
Разное напряжение на выходе обуславливается двумя источниками питания +Uп1 и -Uп2.
Основные параметры ОУ:
Кu – коэффициент усиления;
Uсм – напряжение смещения нуля
ΔUсм/Δt° - температурный дрейф Uсм
Rвх.диф – дифференциальное входное сопротивление
Rвх.син – синфазное входное сопротивление
f1 – частота единичного усиления
Uп – напряжение питания
Uвых - выходное напряжение