№1 Классификация электронных устройств.

Электроника – отрасль науки и техники связанная с исследованием, разработкой, изготовлением и применением электронные, ионных и полупроводниковых устройств.

В истории развития электроники выделяют 4 этапы:

1.электронная лампа -1904 г.

2.транзистаров - 1947г.

3.интегральных схем – 1968 г.

4.функциональных схем – 1980 г.

В электронике 4 главных области применения: электросвязь, аппаратура широкого применения, вычислительная техника, промышленная электроника.

1.Электросвязь охватывает: радиосвязь, телевиденье, радиовещание, многоканальные радиоприёмники, космическую и сотовую связи.

2.К радиоэлектронной аппаратуре относят: телевизоры, радиоприёмники, магнитофоны и т. д.

3.Вычислительная техника связана с разработкой, применением ЭВМ,

4.Промышленная электроника включает в себя: электоротехническое и электроэнергетическое оборудование, устр-ва электропитания, станки с числовым питанием,

Среди современных направлений электроники необходимо особо выделить микроэлектронику, она развивается быстрыми в направлении полупроводниковой техники

В интегральной электронике используется метод дискретной электроники, основанной на разработатке электричеких схем, при этом с ростом числа микросхем усложняется выполнение её функций, однако повышение степени интегральных схем имеет определённые пределы.

В зависимости от физической природы сигналов на входах и выходах различают 4 вида приборов-преобразователей сигналов:

1.приборы в которых электрические сигналы на входах и выходах – электропреобразовательные приборы.

2.фотолектрические приборы – преобразовывают элект сигнал на выходах формируя сигнал.

3.фотоэлектрические приборы – преобразуют входные световые сигналы в электрических приб.

4.термоэлектрические приборы – у которых тепловой сигнал на входе и электрический на выходе.

В зависимости от формы сигнала различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства их комбинации основными типами аналоговых устройств является генераторы, микрофоны преобразуют частоты, модуляторы, усилители т.д. К импульсным устройствам относят устройства предназначенные для формирования импульсных сигналов изменения их параметров и выполнения различных преобразователей, например: интегрирования, дифференцирования, задержки по времени и т. д.

№2 Аналоговые и цифровые электрические сигналы

В зависимости от формы сигнала различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства их комбинации основными типами аналоговых устройств является генераторы, микрофоны преобразуют частоты, модуляторы, усилители т.д.

Аналоговый сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией времени и непрерывным множеством возможных значений.

Свойства аналоговых сигналов в значительной мере являются противоположностью свойств квантованных или цифровых сигналов.

Отсутствие чётко отличимых друг от друга дискретных уровней сигнала приводит к невозможности применить для его описания понятие информации в том виде, как она понимается в цифровых технологиях.

Отсутствие избыточности. Из непрерывности пространства значений следует, что любая помеха, внесенная в сигнал, неотличима от самого сигнала и, следовательно, исходная амплитуда не может быть восстановлена. Применение… Аналоговые сигналы часто используют для представления непрерывно изменяющихся физических величин. Например, аналоговый электрический сигнал, снимаемый с термопары, несет информацию об изменении температуры, сигнал с микрофона — о быстрых изменениях давления в звуковой волне, и т. п.

Цифровой сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Важным свойством цифрового сигнала, определившего его доминирование в современных системах связи, является его способность к полной регенерации вплоть до некоторого порогового отношения сигнал/шум, в то время как аналоговый сигнал удаётся лишь усилить вместе с наложившимися на него шумами.

№3 Резисторы. Основные характеристики и основы применения

Рези́стор (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току

Последовательное соединение резисторов: …..

Параллельное соединение резисторов…..

Д елитель напряжения

Классификация резисторов:

По назначению: резисторы общего назначения; резисторы специального назначения; высокоомные, высоковольтные (рабочее напряжения — десятки кВ); высокочастотные (малые собственные индуктивности и ёмкости); прецизионные и сверхпрецизионные (повышенная точность, допуск 0,001 — 1 %).

По способу защиты: изолированные; неизолированные; вакуумные; герметизированные

По способу монтажа: для печатного; для навесного; для микросхем и микромодулей

По виду вольт-амперной характеристики: линейные; резисторы нелинейные резисторы: варисторы — сопротивление зависит от приложенного напряжения; терморезисторы — сопротивление зависит от температуры; фоторезисторы — сопротивление зависит от освещённости; тензорезисторы — сопротивление зависит от деформации резистора; магниторезисторы — сопротивление зависит от величины магнитного поля.

По характеру изменения сопротивления: Проволочный резистор; постоянные резисторы; переменные регулировочные резисторы; переменные подстроечные резисторы;

Выпускают резисторы с точностью 20 %, 10 %, 5 %, Номиналы резисторов выбираются из специальных номинальных рядов.

Даже идеальный резистор при температуре выше абсолютного нуля является источником шума

Обозначение резисторов:

№4 Конденсаторы. Основные хар-ки и основы применения

Конденса́тор— пассивный электронный компонент, состоитоящий из двух электродов (обкладок) в форме пластин, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок; для накопления заряда и энергии электрического поля.

Эквивалентная схема конденсатора:

Реактивное сопротивление:

Резонансная частота конденсатора равна:

Энергия заряженного конденсатора:

Добротность: ;

Общая ёмкость батареи параллельно соединённых конденсаторов равна сумме ёмкостей всех конденсаторов, входящих в батарею.

Общая ёмкость батареи последовательно соединённых конденсаторов равна

Классификация конденсаторов

По виду диэлектрика различают: Вакуумные; с газообразным диэлектриком; жидким диэлектриком; с твёрдым неорганическим диэлектриком (стеклянные, керамические). Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок. Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. ( большая удельная ёмкость). Твердотельные конденсаторы — вместо жидкого электролита используется органический полимер или полупроводник. Слабо зависит от температуры. Не взрываются.

По возможности изменения своей ёмкости: Постоянные; Переменные; Подстроечные.

В зависимости от назначения: на конденсаторы общего и специального назначения. Все остальные являются специальными (импульсные).

Применение

используются для построения различных фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров, фотовспышках, электромагнитных ускорителя, в фильтрах высших гармоник

Обозначение: K10– 48

№5 Индуктивности. Основные хар-ки и основы применения

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность.

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

реактивное сопротивление:

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек:

При параллельном соединении:

Добротность: ;

Температурный коэффициент:

Коэффициент старения: 𝛽

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности(используют вместе с конденсаторами), Катушки связи(Для индуктивной связи), Вариометры (Можно менять индуктивность(состоит из статора и ротора)), Дроссели (Фильтррующий эл-т), Сдвоенные дроссели (используются в фильтрах питания).

№ 6 Частотный анализ линейных электрических цепей

Амплиту́да — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении.

Пиковое значение синусоиды – наибольшее значение ф-ции в течение периода (положительное или отрицательное)

Значение полного размаха синусоиды означает расстояние между двумя пиковыми значениями

Эффективное значение переменного тока – называют величину постоянного тока, действие которого произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток за время одного периода. В современной литературе чаще используется математическое определение этой величины — среднеквадратичное значение силы переменного тока.

Чaстота́ — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов процесса, совершённых за единицу времени.

Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала.

№ 7 – Пассивные RC и LC фильтры и их характеристики.

Фильтр – электрическая цепь, выделяющая некоторую область частот, ослабляя токи одних частот и пропуская другие.

Частота среза – это частота, на которой происходит спад амплитуды выходного сигнала фильтра до значения 0,7 от входного сигнала.

Пассивный фильтр — электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонентов, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы. Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования. В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными.

Наиболее широко использую фильтры высших и низших частот.

Большенство эл-х приборов используют переменный и постоянный ток. Это приводит к тому, что переменный сигнал накладывается на постоянный. Для разделения таких сигналов используются фильтры.

Фильтры высших частот: пропускают сигнал переменного тока и ослабляют сигнала постоянного тока (связывающие цепи).

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

ФНЧ

В конструкциях пассивных аналоговых фильтров используют сосредоточенные или распределённые реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя их, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами.

Как видно из , коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к частоте , и затем убывает.

В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи: На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

характеристическое сопротивление фильтра:

№8 Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода.

Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема структуры полупроводникового диода (а)

и его графическое обозначение (б)

Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 2.2) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока.

№9 Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода

Диоды обычно характеризуются следующими параметрами:

1. обратный ток при некоторой величине обратного напряжения I_обр, мкА;

2. падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод U_пр, в;

3. емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины С, пФ;

4. диапазон частот, в котором возможна работа без снижения выпрямленного тока f_гр, кГц;

5. рабочий диапазон температур.

Техническими условиями задаются обычно максимальные (или минимальные) значения параметров для диодов каждого типа. Так, например, задается максимально возможное значение обратного тока, прямого падения напряжения и емкости диода. Диапазон частот задается минимальным значением граничной частоты f_гр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения.

№ 10 Разновидности и система обозначения полупр-ых диодов

В зав-ти от свойств и поведения ВАХ различают сл-е виды диодов.

1) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода.

2) Стабилитроны – диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя.

3) Диод Шотки – разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл – полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n -типа в

4) Варикап – полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения.

5) Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде.

Обозначение диодов Расмотрим пример: КД 503 А

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод. Используются буквы или цифры:

Г или 1 - германий или его соединения; К или 2 - кремний или его соединения; А или 3 - соединения галлия; И или 4 - соединений индия.

Второй элемент - буква, определяющая подкласс (или группу) прибора.

Д - диоды выпрямительные, импульсные, магнитодиоды, термодиоды; И - туннельные диоды; А - сверхвысокочастотные диоды; Ц - выпрямительные столбы и блоки; В - варикапы; С - стабилитроны (включая стабисторы и ограничители); Г - генераторы шума;

Третий элемент - цифра, определяющая функциональные возможности диода.

Четвертый элемент - число, обозначающее порядковый номер разработки диода.

Пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию диодов по параметрам. Для бескорпусных приборов в состав обозначения дополнительно через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения;

№11. Стабилитроны. Основные характеристики и применения

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя.

а) стабилитрон; б) диод Шоттки; в) варикап; г) туннельный диод; д) обращенный диод

Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение.

В стабилитронах может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой в зависимости от удельного сопротивления базы.

В стабилитронах с низкоомной базой (низковольтных, до 5,7 В) имеет место туннельный пробой, а в стабилитронах с высокоомной базой (высоковольтных) – лавинный пробой.

Основными является следующие параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя);

2. I_ст.мин – минимально допустимый ток стабилизации;

3. I_{ст.макс} – максимально допустимый ток стабилизации;

4. r_ст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), ;

5. (ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации.

Величины U_ст , I_ст.мин и I_{ст.макс} принято указывать как положительные.

Легко заметить, что если напряжение u_вх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения u_вых (при изменении напряжения u_вх изменяется только ток i, а также напряжение ).

Рис. 2.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах.

№12. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n–переходами, имеющий три вывода. Действие биполярного транзистора основано на использовании носителей заряда обоих знаков (дырок и электронов), а управление протекающим через него током осуществляется с помощью управляющего тока.

Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n –перехода. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором.

Транзистор называют биполярным, т.к. в процессе протекания электрического тока участвуют носители двух знаков – электроны и дырки. Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это можно объяснить тем, что основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а транзисторах типа p-n-p – дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

П лощадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, это улучшает свойства транзистора.

Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физ-е процессы, которые рас-ны при изучении пол-ого диода.

В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим Переход эмиттер-база (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0; Инверсный активный режим Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое. Режим насыщения Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Режим отсечки Оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Барьерный режим База транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор.

№ 13 – Разновидности и система обозначения биполярных тр-в.

Выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

Первый элемент этой системы обозначения - буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) - характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) - кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) - транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах

Второй элемент - буква Т - начальная буква слова «транзистор».

Третий элемент - трехзначное число от 101 до 999 - указывает порядковый номер разработки и назначение прибора.

Четвертый элемент обозначения - буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

№14. Схемы включения транзисторов (оэ, ок, об )

Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов, при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением.

Схема с общей базой (ОБ) Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх. Учитывая, что , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало.

С хема с общим эмиттером (ОЭ) Так как , а при достаточно большом сопротивлении R_н амплитуда переменной составляющей напряжения u_вых значительно больше амплитуды напряжения u_вх, следовательно, схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения.

Входной ток схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем у схемы с общей базой.

Схема с общим коллектором (ОК) При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u₁ и u₂ заменяют закоротками (закорачивают). После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения u_вх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором.

Напряжение u_бэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения u_вх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения u_вых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем.

Учитывая, что , можно отметить, что схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.

Схема отличается повышенным входным сопротивлением, так как при увеличении входного напряжения увеличению входного тока препятствует увеличение как напряжения u_бэ, так и напряжения u_вых.

На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером.

№ 15 – Усилители электрических сигналов. Основные хар-ки

Электронный усилитель — усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках.

Структура усилителя: Усилитель представляет собой последовательность каскадов усиления, соединённых между собой прямыми связями. В большинстве усилителей кроме прямых присутствуют и обратные связи. Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. Некоторые усилители оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры — для регулировки усиления, фильтры — для формирования заданной частотной характеристики.

Каскад усиления — ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями. Различают:

Каскад с общим эмиттером —позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°

Каскад с общей базой — усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

Каскад с общим коллектором — называется также повторителем усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

Каскад с распределенной нагрузкой — задаваемый элементами схемы фиксированный коэффициент усиления по напряжению и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал дифференциальный.

Режимы (классы) мощных усилительных каскадов

Основные нормируемые параметры

Диапазон частот; Коэффициент усиления; Неравномерность АЧХ; Чувствительность; Уровень шума; Коэффициент нелинейных искажений; Входное сопротивление; Выходное сопротивление; Максимальное выходное напряжение; Максимальная выходная мощность;

№ 16 – Обратная связь в усилителях эл-х сигналов

В усилителях нередко часть выходного напряжения подается на их вход через так называемый четырехполюсник обратной связи, т. е. осуществляется обратная связь. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи пропорционален напряжению на выходе усилителя. Есть и обратные связи по току — в них сигнал обратной связи снимается обычно с резистора, включенного последовательно с нагрузкой. В этом случае падение напряжения на этом резисторе (а следовательно, и напряжение обратной связи) пропорционально току нагрузки. Обратная связь характеризуется важным параметром — Коэффициент усиления. Он определяет, во сколько раз изменяются параметры усилителя при введении обратной связи. Он положителен при положительной обратной связи и отрицателен при отрицательной обратной связи.

Теория обратной связи показывает, что при введении отрицательной обратной связи по напряжению коэффициент усиления усилителя уменьшается в А раз, но во столько же раз уменьшается его относительная нестабильность, внутренние шумы усилителя, коэффициент нелинейных искажений и выходное сопротивление (отрицательная обратная связь по току стремится уменьшить изменения тока в нагрузке, что означает возрастание выходного сопротивления усилителя).

Отрицательная обратная связь по напряжению (ООС) — мощное средство улучшения ряда параметров усилителя, но достигается за счет уменьшения коэффициента усиления и усложнения схемы усилителя, при необходимости получить заданное усиление.

Обратная связь может быть внешней (осуществляемой внешними цепями) и внутренней, органично присущей некоторым схемам — порой даже самым элементарным.

Итак, ООС является одним из способов улучшения параметров усилителей.

Некоторые разработчики любительских усилителей объявили всемирную борьбу с обратными связями. Это чистейшей воды дилетантство. Внутренние обратные связи есть во всех известных приборах, причем подчас довольно глубокие. Например, традиционно признанный лучшим по «звучанию» ламповый триод имеет свои превосходные характеристики именно благодаря глубокой отрицательной обратной связи через промежуток «анод—сетка».

№ 17 Усилители малых сигналов на биполярных транзисторах

В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора: с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора.

№18. Полевые транзисторы

Полевыми транзисторами (Впервые были предложены в 1930 году) называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора. Схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведено на рис 4.1,а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 4.2,а. Стрелка указывает направление от слоя p к слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора

Рис. 4.2. Графическое изображение полевого транзистора: а) с управляющим переходом и каналом p-типа; б) с управляющим p-n–переходом и каналом n-типа

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n–перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое p.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n–переходом и каналом n–типа. Его условное графическое обозначение представлено на рис. 4.2,б.

№19. Основные схемы включения

Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения, это схемы общим истоком (а – ОИ), с общим стоком (б – ОС) и общим затвором (в – ОЗ). Наиболее часто используют схемы с общим истоком

Так как в рабочем режиме , а , входными характеристиками обычно не пользуются.

Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение.

Крутизна стокозатворной характеристики S:

Обычно задается u_зи=0. При этом для транзисторов рассматривается крутизна максимальная

Внутреннее дифференциальное сопротивление R_ис.диф (внутреннее сопротивление) определяется выражением:

Для КП103Л при u_ис=10 В, u_зи=0.

Коэффициент усиления

Можно отметить, что .

Принципы управления параметрами электронного активного элемента, заложенные в полевых транзисторах, могут быть реализованы в более сложных электронных устройствах. К таким устройствам можно отнести ячейку памяти на основе полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память).

Одной из разновидностей приборов, реализующих принципы полевых транзисторов, являются полупроводниковые приборы с зарядовой связью (ПЗС). Приборы с зарядовой связью используются:

• в запоминающих устройствах ЭВМ;

• в устройствах преобразования световых (оптических) сигналов в электрические.

№20 Электронные ключи на полевых транзисторах

Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Полевой транзистор с каналом p-типа

Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления.

На рис. 15.7 приведена схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы.

Рис. 15.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе

На схеме изображена емкость нагрузки С_н, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и u_си = Е_с. Если напряжение uвх больше порогового напряжения U_{зи.порог} транзистора, то он открывается и напряжение u_си уменьшается.

№21 – Усилительный каскад на полевом тр-ре с общим истоком

Усилительные каскады на полевых транзисторах чаще всего выполняются по схеме с общим истоком.

Схема усилителя на ПТ с общим стоком аналогична схеме усилителя с общим коллектором. На рис.18,а приведена схема усилители с общим стоком на ПТ с управляющим р-n-переходом и каналом р-типа.

Резистор Rи включен в цепь истока, а сток прямо подключен к отрицательному полюсу источника питания. Поэтому ток стока, зависящий от входного напряжения, создает падение напряжения только на резисторе Rи. Работа каскада поясняется графиками, приведенными на рис.18,б для случая, когда входное напряжение имеет синусоидальную форму. В исходном состоянии через транзистор протекает ток стока IС0, который на резисторе Rи создает напряжение UИ0 (UВЫХ0). В течение положительного полупериода входного напряжения обратное смещение между затвором и истоком увеличивается, что приводит к уменьшению тока стока и абсолютной величины напряжения на резисторе Rи. В отрицательный полупериод входного напряжения, наоборот, напряжение смещения затвора уменьшается, ток стока и абсолютная величина напряжения на резисторе Rи увеличиваются. Вследствие этого выходное напряжение, снимаемое с резистора Rи, т. е. с истока ПТ (рис.18,б), имеет такую же форму, что и входное напряжение.

В связи с этим усилители с общим стоком получили название истоковых повторителей (напряжение истока по форме и значению повторяет входное напряжение).

№22 – смотреть вопрос 21 – это одно и то же

№23 – Усилители мощности на транзисторах. Режимы работы

(Смотреть вопросы 12 и 17)

№24. Операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественный усилитель, предназначенный для усиления как постоянных, так и переменных сигналов. Вначале такие усилители использовались в аналоговых вычислительных устройствах для выполнения математических операций (сложения, вычитания и т. д.). Это объясняет происхождение термина «операционный».

Операционные усилители удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко применяются на практике.

Рис. 7.1. Графическое обозначение операционного усилителя

Рис. 7.2. Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя

Если входное напряжение u_вх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение u_вых определяется выражением

Часто на схемах выводы +U,–U и 0V не указывают (но подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение. Напряжение u_диф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом).

Ясно, что . Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение u_вых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности ) и как можно меньше изменяли напряжение u_вых при одинаковом изменении напряжений и .

Пусть u_диф=0. Обозначим синфазное напряжение (синфазный сигнал) . Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше.

№25. Основные характеристики оу

Передаточная характеристика. Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида

,

где f – некоторая функция.

График этой зависимости для операционного усилителя К140УД1Б приведен на рис. 7.6. Эта конкретная характеристика не проходит через начало координат. Значение напряжения u_диф, при котором выполняется условие u_вых=0, называют напряжением смещения нуля и обозначают через U_см.

Для того, чтобы при нулевом сигнале на входе напряжение на выходе было равно нулю, т. е. для того, чтобы передаточная характеристика проходила через начало координат, предусматривают меры по компенсации напряжения смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). В некоторых операционных усилителях для компенсации напряжения смещения предусмотрены специальные выводы.

Рис. 7.7. Схема включения операционного усилителя

Через NC обозначены специальные выводы для балансировки. Цифрами обозначены номера выводов.

Диапазон выходного напряжения, соответствующий почти вертикальному участку передаточной характеристики, называется областью усиления. Соответствующий этому диапазону режим работы называют режимом усиления (линейным, активным режимом). В линейном режиме

,

Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения.

Реальные электронные устройства на основе операционных усилителей практически всегда имеют коэффициент усиления значительно меньше К, так как в них используется отрицательная обратная связь (рис. 7.2).

№26 – Амплтудно-частотная характеристика ОУ с ООС

№27 Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 10.1), из которого видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению.

Рис. 10.1. Инвертирующий усилитель с параллельной обратной связью

по напряжению

Так как i = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁ = i₂.

Если ОУ работает в режиме усиления, то u_диф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим

Учитывая, что i₁ = i₂, получаем

Например, если R₁=1 кОм, R₂=10 кОм, тогда u_вых = –10 · u_вх.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор R3 (рис. 10.2), которое определяется из выражения

.

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входного сопротивления ОУ. Это подтверждает вывод о том, что параллельная отрицательная обратная связь уменьшает входное сопротивление.

Рис. 10.2. Операционный усилитель с обратной связью

Учитывая, что , входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах R_вых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что

где К – коэффициент усиления по напряжению ОУ.

№28 Неинвертирующий усилитель на основе ОУ

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 10.3), где имеет место последовательная связь по напряжению.

В соответствии с ранее принятыми допущениями входные токи ОУ равны нулю, т. е. i_– = i₊ = 0 и, следовательно, i₁ = i₂. Если ОУ работает в режиме усиления, тогда u_диф = 0.

Рис. 10.3. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью

На основании второго закона Кирхгофа получаем

, .

Неинвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению

Коэффициент усиления усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением

При

Коэффициент β определяется выражением

Таким образом, при

Пусть, например, R₁=2 кОм, R₂=4 кОм и u_вх=2 В.

Тогда

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью

причем при К→ R_вх.ос→ .

На входах операционного усилителя, использующегося в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению u_вх. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует.

№29 – Усилители с дифференциальным входом на ОУ

Д ифференциа́льный усили́тель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходного каскада.

Для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, и во многих случаях также большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи, охватывая ею операционный усилитель. Однако дифференциальный усилитель на базе одного операционного усилителя не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких мегаом, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход операционного усилителя, который не используется для создания обратной связи, а собственное входное сопротивление прецизионных операционных усилителей составляет значения порядка нескольких сотен мегаом. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плеч электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.

Применение

Дифференциальный усилитель необходим в случаях, когда информацию несёт не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня заземления), а разность напряжений между двумя точками. Характерным примером является резистивный датчик тока, включенный последовательно с исследуемой цепью.

Следует использовать дифференциальные усилители всегда, когда возможно наличие синфазных помех в сигнале. Например, при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определённых точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования. Обычно необходимо также использовать специальные линии передачи сигналов, например, экранированную двухпроводную линию для передачи сигнала с микрофона (применяется, например, в линиях с разъёмом XLR).

№30 – Интеграторы на ОУ

Интегрирует (инвертированный) входной сигнал по времени.

где и — функции времени, — выходное напряжение интегратора в момент времени t = 0.

Данный четырехполюсник можно также рассматривать как фильтр нижних частот.

Некоторые потенциальные проблемы:

Обычно предполагается, что у входного напряжения Vin отсутствует постоянная компонента (т.е. усреднение Vin по времени даёт ноль). В противном случае выходное напряжение будет дрейфовать, со временем выходя за пределы рабочего диапазона напряжений, если конденсатор не подвергать периодической разрядке.

Даже если Vin не смещено, токи смещения и утечки на входах операционного усилителя могут создать нежелательную постоянную добавку к Vin и, таким образом, привести к дрейфу выходного напряжения. Дрейф можно уменьшить путём балансировки входных токов и введением резистора сопротивлением R в цепь заземления неинвертирующего входа.

Поскольку в этой схеме отсутствует обратная связь по постоянному току (конденсатор не пропускает ток с нулевой частотой), смещение выхода может оказаться любым, т.е. конструктор не может управлять напряжением Vinitial.

Эти проблемы можно частично решить введением резистора с большим сопротивлением RF, шунтирующего конденсатор. На достаточно высоких частотах f >> 1/RFC влияние этого сопротивления пренебрежимо мало; при этом на низких частотах, где существенны проблемы ненулевого смещения и дрейфа, резистор обеспечивает необходимую обратную связь по постоянному току. Он снижает усиление интегратора по постоянному току от, формально говоря, бесконечности до конечного значения RF/R.