Электроника и микропроцессорная техника

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение РБ «Бурятский республиканский многопрофильный техникум инновационных технологий» Геннинг О. А. КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА» МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Геннинг О. А. Курс лекций предназначен для студентов-заочников, обучающихся по специальностям среднего профессионального образования. назначение пособия – помочь студенту самостоятельно Основное изучить основные темы. Геннинг О.А. – Северобайкальск: мини-типография ГАПОУ РБ «БРМТИТ», 2015, 2 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение. 2. Элементы электронных схем. 3. Биполярные транзисторы. 4. Полевые транзисторы. 5. Тиристоры. 6. Оптоэлектронные приборы. 7. Операционные усилители. 8. Интегральные микросхемы. 9. Аналоговые электронные устройства. 10. Линейные схемы на основе операционных усилителей. 11. Усилители постоянного тока. 12. Электронные фильтры. 13. Генераторы гармонических колебаний. 14. Вторичные источники питания. 15. Цифровая и импульсная электроника. 16. Комбинационные цифровые устройства. 17. Цифровые запоминающие устройства. 18. Устройства для формирования и аналого-цифрового преобразования сигналов. Литература. 3 1. Введение Электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления электроники становятся и преобразования энергии. Знания в области необходимыми все более широкому кругу специалистов. Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Обратимся к идеализированной системе управления некоторым объектом (рис. 1.1). Рис.1.1. Структурная схема системы управления 4 Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект. Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, электронные ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно. Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии. В сороковых годах ХХ века масса электронного оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг (без учета энергетического оборудования, необходимого для электропитания аппаратуры). Так, например, электронная аппаратура одной только системы вооружения на самолетах американской фирмы «Боинг» за десятилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз. На самолетах выпуска 1959 года электронная схема этой системы содержала уже 100 000 элементов. Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если, например, основным элементом электронного устройства являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3. С учетом этого для 5 размещения современной ЭВМ потребуется объем в несколько тысяч кубических метров. Кроме того, нужна мощная энергетическая установка для питания такой машины. Создание в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых элементов (диодов и транзисторов) привело к появлению нового принципа конструирования электронной аппаратуры – модульного. Основой при этом является элементарная ячейка-модуль, стандартный по размерам, способу сборки и монтажу. При этом плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см3. Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники или микроэлектроники. В схемотехническом отношении интегральная электроника часто не отличается от транзисторной, так как в интегральной схеме можно выделить все элементы принципиальной схемы устройства, но размеры этих элементов очень малы (примерно 0,5–1 мкм). Технология изготовления интегральных схем позволила резко повысить плотность упаковки, доведя ее до тысяч элементов в 1 см3. С практической точки зрения электроника занимается созданием электронных приборов и устройств, в которых взаимодействие электронов с электромагнитными полями используется для передачи, обработки и хранения информации. Наиболее характерные виды таких преобразований – генерирование, усиление, передача и прием электромагнитных колебаний с частотой до 1012 Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений (1012–1020 Гц). Преобразование до столь высоких частот возможно благодаря исключительно малой инерционности электрона – наименьшей из ныне известных заряженных частиц. 6 В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки. Электроника опирается на многие разделы физики – электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твердого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, электроника, с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой – создает новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования. Практические задачи электроники:  разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах;  разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и техники. Электроника играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических и экологических показателей производства. На основе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др. 7 Историческая справка Электроника зародилась в начале ХХ века после создания основ электродинамики (1856-73 г.г.), исследования свойств термоэлектронной эмиссии (1882-1901 г.г.), фотоэлектронной эмиссии (1887-1905 г.г.), рентгеновских лучей (1895-97 г.г.), открытия электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.), создания электронной теории (1892-1909 г.г.). Развитие электроники началось с изобретения лампового диода (Дж. А. Флеминг, 1904 г.); трехэлектродной лампы – триода (Л. Де Форест, 1906 г.); использования триода для генерирования электрических колебаний (нем. инж. А. Мейснер, 1913 г.); разработки мощных генераторных ламп с водяным охлаждением (М.А. Бонч-Бруевич, 1919-25 г.г.) для радиопередатчиков, используемых в системах дальней радиосвязи и радиовещания. В течение короткого времени были созданы основные электронные приборы. Вакуумные фотоэлементы (экспериментальный образец создал А.Г. Столетов, 1888 г., пром. образец – нем. ученые Ю. Эльстер и Г. Хейтель, 1910 г.), фотоэлектронные умножители – однокаскадные (П.В. Тимофеев, 1928 г.) и многокаскадные (Л.А. Кубецкий, 1930 г.) – позволили создать звуковое кино, послужили основой для разработки передающих телевизионных трубок – видикона (идея предложена в 1925 г. А.А. Чернышевым), иконоскопа (С.И. Катаев, независимо от него В.К. Зворыкин, 1931-32 г.), супериконоскопа (П.В. Тимофеев, П.В. Шмаков, 1933 г.), суперортикона (двухсторонняя мишень для такой трубки была предложена сов. ученым Г.В. Брауде в 1939 г., впервые суперортикон описан амер. учеными А. Розе, П. Веймером и Х. Лоу в 1946 г.) и др. Создание многорезонаторного магнетрона (Н.Ф. Алексеев и Д.Е. Маляров под рук. М.А. Бонч-Бруевича, 1936-37 г.г.), отражательного клистрона (Н.Д. Девятков и др. и независимо от них В.Ф. Коваленко, 1940 г.) послужило основой для развития радиолокации в сантиметровом диапазоне волн. Пролетные клистроны (идея предложена в 1932 г. Д.А. Рожанским, развита в 1935 г. А.Н. Арсеньевой и нем. физиком О. Хайлем, реализована в 1938 г. амер. 8 физиками Р. и З. Варианами и др.) и лампы бегущей волны (амер. ученый Р. Компфнер, 1943 г.) обеспечили дальнейшее развитие систем радиорелейной связи, ускорителей элементарных частиц и способствовали созданию систем космической связи. Одновременно с разработкой вакуумных электронных приборов создавались и совершенствовались газоразрядные приборы (ионные приборы), например, ртутные вентили, используемые главным образом для преобразования переменного тока в постоянный в мощных промышленных установках, тиратроны для формирования мощных импульсов электрического тока в устройствах импульсной техники, газоразрядные источники света. Использование кристаллических полупроводников в качестве детекторов для радиоприемных устройств (1900-1905 г.г.), создание купроксных и селеновых выпрямителей тока и фотоэлементов (1920-1926 г.г.), изобретение кристадина (О.В. Лосев, 1922 г.), изобретение транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, 1948 г.) определили становление и развитие полупроводниковой электротехники. Разработка планарной технологии полупроводниковых структур (конец 50-х, начало 60-х г.г.) и методов интеграции многих элементарных приборов (транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов) на одной монокристаллической полупроводниковой пластине привело к созданию нового направления – микроэлектроники. Основные разработки в области интегральной электроники направлены на создание интегральных схем – микроминиатюрных электронных устройств (усилителей, преобразователей, процессоров ЭВМ, электронных запоминающих устройств и т. п.), состоящих из сотен и тысяч электронных элементов, размещаемых на одном полупроводниковом кристалле площадью в несколько мм2. Микроэлектроника открыла новые возможности для решения таких проблем, как автоматизация управления технологическими процессами, переработка информации, совершенствование вычислительной техники и других, выдвигаемых развитием современного производства. 9 Создание квантовых генераторов (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и независимо от них Ч. Таунс, 1955 г.) – приборов квантовой электроники – определило качественно новые возможности электроники, связанные с использованием источников мощного когерентного излучения оптического диапазона (лазеров) и построением сверхточных квантовых стандартов частоты. Фундаментальные исследования в области физики и технологии электронных приборов выполнили М.А. Бонч-Бруевич, Л.И. Мандельштамм, Н.Д. Папалекси, С.А. Векшинский, А.А. Чернышев, М.М. Богословский и многие другие. По проблемам возбуждения и преобразования электрических колебаний, излучения, распространения и приема радиоволн, их взаимодействия с носителями тока в вакууме, газах и твердых телах работали Б.А. Введенский, В.Д. Калмыков, А.Л. Минц, А.А. Расплетин, М.В. Шулейкин и др. В области физики полупроводников – А.Ф.Иоффе, люминесценции и по др. pазделам физической оптики – С.И. Вавилов, квантовой теории рассеяния света излучения, фотоэффекта в металлах – И.Е. Тамм и многие другие. Области, основные разделы и направления электроники Электроника включает в себя три области исследований: 1. вакуумную электронику; 2. твердотельную электронику; 3. квантовую электронику. Каждая область подразделяется на ряд разделов и ряд направлений. Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для разработки многих классов электронных приборов данной области. Направление охватывает методы конструирования и расчетов электронных приборов, родственных по принципам действия или по выполняемым ими функциям, а также способы изготовления этих приборов. 10 Вакуумная электроника содержит следующие разделы: 1. эмиссионная электроника, охватывающая вопросы термоэмиссии, вторичной электронной эмиссии, туннельной эмиссии, исследование катодов и антиэмиссионных покрытий; 2. формирование потоков электронов и потоков ионов, управление этими потоками; 3. формирование электромагнитных полей с помощью резонаторов, систем резонаторов, замедляющих систем, устройств ввода и вывода энергии; 4. электронная люминесценция (катодолюминесценция); 5. физика и техника высокого вакуума (его получение, сохранение и контроль); 6. теплофизические процессы (испарение в вакууме, формоизменение деталей при циклическом нагреве, разрушение поверхности металлов при импульсном нагреве, отвод тепла от элементов приборов); 7. поверхностные явления (образование пленок на электродах и изоляторах, неоднородностей на поверхностях электрода); 8. технология обработки поверхностей, в т. ч. Электронная, ионная и лазерная обработка; 9. газовые среды – раздел, включающий вопросы получения и поддержания оптимального состава и давления газа в газоразрядных приборах. Основные направления вакуумной электроники охватывают вопросы создания электровакуумных приборов (ЭВП) следующих видов:  электронных ламп (диодов, триодов, тетродов, пентодов и т. д.);  ЭВП СВЧ (магнетронов, клистронов и т. п.);  фотоэлектронных приборов (фотоэлементов, фотоэлектронных умножителей), рентгеновских трубок;  газоразрядных приборов (мощных преобразователей тока, источников света, индикаторов). 11 Твердотельная электроника содержит следующие разделы, связанные в основном с полупроводниковой электроникой: 1. изучение свойств полупроводниковых материалов, влияние примесей на эти свойства; 2. создание в кристалле областей с различной проводимостью методами эпитаксиального выращивания, диффузии, ионного внедрения (имплантации), воздействием радиации на полупроводниковые структуры; 3. нанесение диэлектрических и металлических пленок на полупроводниковые материалы, разработка технологии создания пленок с необходимыми свойствами и конфигурацией; 4. исследование физических и химических процессов на поверхности полупроводников; 5. разработка способов и средств получения и измерения элементов приборов микронных и субмикронных размеров (нанотехнология). Основные направления полупроводниковой электроники связаны с разработкой и изготовлением различных видов полупроводниковых приборов:  полупроводниковых диодов (выпрямительных, смесительных, параметрических, стабилитронов); усилительных и генераторных диодов (туннельных, лавинно-пролетных, диодов Ганна); транзисторов (биполярных и униполярных), тиристоров, оптоэлектронных приборов (светоизлучающих диодов, фотодиодов, фототранзисторов, оптронов, светодиодных и фотодиодных матриц), интегральных схем;  диэлектрическая электроника, изучающая электронные процессы в диэлектриках (в частности, в тонких диэлектрических пленках) и их использование, например, для создания диэлектрических диодов, конденсаторов;  магнитоэлектроника, использующая магнитные свойства вещества для управления потоками электромагнитной энергии с помощью ферритовых вентилей, циркуляторов, фазовращателей и т. д., запоминающих устройств, в т. ч. на магнитных доменах; 12 и для создания  акустоэлектроника распространения и пьезоэлектроника, поверхностных и рассматривающие объемных акустических вопросы волн и создаваемых ими переменных электрических полей в кристаллических материалах и взаимодействия этих полей с электронами в приборах с полупроводниково-пьезоэлектрической структурой (кварцевых стабилизаторах частоты, пьезоэлектрических фильтрах, ультразвуковых линиях задержки, акустических усилителях и т. д.);  криоэлектроника, исследующая изменения свойств твердого тела при глубоком охлаждении генераторов СВЧ, для построения малошумящих сверхбыстродействующих усилителей вычислительных и и запоминающих устройств;  разработка и изготовление резисторов. Наиболее важные направления квантовой электроники – создание лазеров и мазеров. На основе приборов квантовой электроники строятся устройства для точного измерения расстояний (дальномеры), квантовые стандарты частоты, квантовые гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии. Энергетическое воздействие лазерного концентрированного излучения на вещество используется в промышленной технологии. Лазеры находят различное применение в биологии и медицине. Перспективы развития электроники Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием увеличения вычислительными и количества управляющими обрабатываемой электронными информации системами с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. Эта проблема решается путем:  создания полупроводниковых интегральных схем, обеспечивающих время переключения до 10-11 сек; 13  увеличения степени интеграции на одном кристалле до миллиона и более транзисторов размером менее 1-2 мкм на основе использования нанотехнологий и в перспективе – молекулярной электроники;  использования в интегральных схемах устройств оптической связи и оптоэлектронных преобразователей, сверхпроводников;  разработки запоминающих устройств емкостью несколько гигабайт на одном кристалле;  применения лазерной и электронно-лучевой коммутации;  расширения функциональных возможностей интегральных схем (например, переход от микропроцессора к мини-ЭВМ на одном кристалле);  перехода от двумерной (планарной) технологии интегральных схем к трехмерной (объемной) и использования сочетания различных свойств твердого тела в одном устройстве;  разработки и реализации принципов и средств стереоскопического телевидения, обладающего большей информативностью по сравнению с обычном;  создания электронных приборов, работающих в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн, для широкополосных (более эффективных) систем передачи информации, а также приборов для линий оптической связи;  разработки мощных, с высоким к.п.д., приборов СВЧ и лазеров для энергетического воздействия на вещество и направленной передачи энергии (например, из космоса). Одна из тенденций развития электроники – проникновение ее методов и средств в биологию (для изучения клеток и структуры живого организма и воздействия на него) и медицину (для диагностики, терапии, хирургии). 14 2. Элементы электронных схем Современные электронные схемы содержат в качестве нелинейных элементов большое количество функциональных компонентов, основанных на использовании свойств полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению ρ занимают место между проводниками и диэлектриками (ρ=10-3…108 Ом-см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры. В полупроводниках присутствуют подвижные носители зарядов двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки. Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках термогенерации. Техническое возникают применение обычно получили в результате так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость. В зависимости от типа проводимости (основных носителей заряда) полупроводники подразделяются на полупроводники р-типа (дырочного типа) и n-типа (электронного типа). Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуры все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежительно мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от 15 температуры, увеличиваясь в 2-3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С. Рассматриваемые электронные приборы представлены на рис. 2.1. Рис. 2.1. Классификация электронных полупроводниковых приборов Полупроводниковые диоды Полупроводниковым полупроводниковый диодом прибор с называется одним электропреобразовательный 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 16 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. 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 (рис. 2.3): 1. обратный ток при некоторой величине обратного напряжения Iобр, мкА; 17 2. падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод Uпр, 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 fгр, 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 fгр. Это значит, что параметры всех диодов не превышает (а в случае частоты – не ниже) заданного техническими условиями значения. Общий вид диодов показан на рис 2.4. Рис. 2.4. Конструкция диодов малой мощности (а) и средней мощности (б) Стабилитрон. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона представлено на рис. 2.5,а. 18 Рис. 2.5. Графическое изображение полупроводниковых диодов: а) стабилитрон; б) диод Шоттки; в) варикап; г) туннельный диод; д) обращенный диод В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно, т. е. стабилитрон стабилизирует напряжение. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д представлена на рис. 2.6. Рис. 2.6. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Д814Д 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: 19 1. Uст – напряжение стабилизации (при заданном токе в режиме пробоя); 2. Iст.мин – минимально допустимый ток стабилизации; 3. Iст.макс – максимально допустимый ток стабилизации; 4. rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (на участке пробоя), rст  du di ; 5. U ст (ТКН) – температурный коэффициент напряжения стабилизации. Величины Uст , Iст.мин и Iст.макс принято указывать как положительные. Для примера применения стабилитрона обратимся к схеме так называемого параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.7.). Легко заметить, что если напряжение uвх настолько велико, что стабилитрон находится в режиме пробоя, то изменения этого напряжения практически не вызывают изменения напряжения uвых (при изменении напряжения uвх изменяется только ток i, а также напряжение u R  i  R ). Рис. 2.7. Схема параметрического стабилизатора напряжения Стабилитрон является быстродействующим прибором и хорошо работает в импульсных схемах. Стабистор. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором при прямом включении (около 0,7 В) мало зависит от тока (прямая ветвь на соответствующем участке почти вертикальная). Стабистор предназначен для стабилизации малых напряжений. 20 Диод Шоттки. В диоде Шоттки используется не p-n-переход, а выпрямляющий контакт металл-полупроводник. Условное графическое обозначение диода Шоттки представлено на рис. 2.5, б. В обычных условиях прямой ток, образованный электронами зоны проводимости, переходящими из полупроводника в металл, имеет очень малую величину. Это является следствием недостатка электронов, энергия которых позволила бы им преодолеть данный барьер. Для увеличения прямого тока необходимо «разогреть» электроны в полупроводнике, поднять их энергию. Такой разогрев может быть осуществлен с помощью электрического поля. Если подключить источник внешнего напряжения плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику n-типа, то потенциальный барьер понизится и через переход начнет протекать прямой ток. При противоположном подключении потенциальный барьер увеличивается и ток оказывается весьма малым. Диоды Шоттки – очень быстродействующие приборы, они могут работать на частотах до десятков гигагерц (1 ГГц=1·109 Гц). У диода Шоттки может быть малый обратный ток и малое прямое напряжение (при малых прямых токах) – около 0,5 В, что меньше, чем у кремниевых приборов. Максимально допустимый прямой ток может составлять десятки и сотни ампер, а максимально допустимое напряжение – сотни вольт. Варикап. Это полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве конденсатора, емкость которого управляется напряжением. Условное графическое обозначение варикапа представлено на рис. 2,5, в. На варикап подают обратное напряжение. Барьерная емкость варикапа уменьшается при увеличении (по модулю) обратного напряжения. Характер изменения емкости у варикапа такой же, как и у обычного диода. Туннельный диод. Это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики 21 участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Условное графическое обозначение диода представлено на рис. 2.5,г. Для примера изобразим (рис. 2.8) прямую ветвь вольт-амперной характеристики германиевого туннельного усилительного диода 1И104А (Iпр.макс=20 мА – постоянный прямой ток, Uобр.макс=20 мВ), предназначенного для усиления в диапазоне волн 2…10 см (это соответствует частоте более 1 ГГц). Рис. 2.8. Вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода Общая емкость диода в точке минимума характеристики составляет 0,8…1,9 пФ. Полезно отметить, что проверка диода тестером не допускается. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике обеспечивает возможность использования туннельных диодов в качестве усилительного элемента и в качестве основного элемента генераторов. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот. Обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде, поэтому зачастую 22 обращенный диод рассматривают как вариант туннельного диода. При этом участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт- амперной характеристике обращенного диода отсутствует или очень слабо выражен. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики обращенного диода (отличающаяся очень малым падением напряжения) используется в качестве прямой ветви «обычного диода», а прямая ветвь – в качестве обратной ветви. Отсюда и название – обращенный диод. Условное графическое обозначение обращенного диода представлено на рис. 2.5,д. Рассмотрим для примера вольт-амперные характеристики германиевого обращенного диода 1И104А (рис. 2.9), предназначенного, кроме прочего, для работы в импульсных устройствах (постоянный прямой ток – не более 0,3 мА, постоянный обратный ток – не более 4 мА (при t  35 C ), общая емкость в точке минимума вольт-амперной характеристики 1,2…1,5 пФ). Как видно из графика (рис. 2.9), обе ветви вольт-амперной характеристики практически симметричны (в зеркальном отражении) относительно начала координат. Участок отрицательного дифференциального сопротивления размещен на участке положительного напряжения между 0,1 и 0,3 В. При этом амплитуда тока на участке с отрицательным сопротивлением не превышает 0,05 мА. 23 дифференциальным Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика обращенного диода Классификация и система обозначений. Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-89. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) – подкласс приборов, третий (цифра) – основные функциональные возможности прибора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент – буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии. Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы: Г, или 1 – германий или его соединения; К, или 2 – кремний или его соединения; А, или 3 – соединения галлия; И, или 4 – соединения индия. 24 Для обозначения подклассов диодов используется одна из следующих букв: Д – диоды выпрямительные и импульсные; Ц – выпрямительные столбы и блоки; В – варикапы; И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; Г – генераторы шума; Л – излучающие оптоэлектронные приборы; О – оптопары. Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональных возможностей) используются следующие цифры. Диоды (подкласс Д): 1 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 2 – выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока более 0,3 А, но не свыше 10 А; 4 – импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс; 5 – импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не свыше 500 нс; 6 – импульсные диоды с временем восстановления 30…150 нс; 7 – импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс; 8 – импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс; 9 – импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда менее 1 нс. Выпрямительные столбы и блоки (подкласс Ц): 1 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3 А; 25 2 – столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А; 3 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3 А; 4 – блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10 А. Варикапы (подкласс В): 1 – подстроечные варикапы; 2 – умножительные варикапы; Туннельные диоды (подкласс И): 1 – усилительные туннельные диоды; 2 – генераторные туннельные диоды; 3 – переключательные туннельные диоды; 4 – обращенные диоды. Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А): 1 – смесительные диоды; 2 – детекторные диоды; 3 – усилительные диоды; 4 – параметрические диоды; 5 – переключательные и ограничительные диоды; 6 – умножительные и надстроечные диоды; 7 – генераторные диоды; 8 – импульсные диоды. Стабилитроны (подкласс С): 1 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 2 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 3 – стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В; 4 – стабилитроны мощностью не более 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 26 5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В; 7 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В; 8 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В; 9 – стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В. Генераторы шума (подкласс Г): 1 – низкочастотные генераторы шума; 2 – высокочастотные генераторы шума. Примеры обозначения приборов: 2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В. КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А. ЗИ309Ж – арсенидогаллиевый переключательный туннельный диод, номер разработки 09, группа Ж. 3. Биполярные транзисторы 27 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. Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. Устройство транзистора. Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n – перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором. На рис. 3.1,а показано схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 3.1,б). Транзистор p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 3.2, а. Более простой вариант условного графического обозначения – на рис. 3.2,б. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна. 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. 28 Рис. 3.1. Структура транзистора типа n-p-n (а) и его графическое обозначение (б) Рис. 3.2.Структура транзистора типа p-n-p (а) и его графическое обозначение (б) Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора. Количественные особенности структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора типа n-p-n лежат те же физические процессы, которые рассмотрены при изучении полупроводникового диода. Особенности транзистора определяются особенностями его конструкции. Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, показанное на рис. 3.3. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n–переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 3.4). 29 Рис. 3.3. Структура транзистора Рис. 3.4. Схема с двумя диодами В схеме с диодами ток каждого диода зависит от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода. Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 – 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора. Три схемы включения биполярного транзистора с ненулевым сопротивлением нагрузки. Транзисторы часто применяют для усиления переменных сигналов (которые при расчетах обычно считают синусоидальными), при этом в выходной цепи транзистора применяется нагрузка с ненулевым сопротивлением. Во входной цепи, кроме источника постоянного напряжения, необходимого для обеспечения активного режима работы, также используют источник входного переменного напряжения. Представим три характерные схемы включения транзистора. Схема с общей базой (ОБ) (рис. 3.5). Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх. Учитывая, что iвых  iвх , можно утверждать, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток такой схемы достаточно большой, а соответствующее входное сопротивление мало. 30 Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой (ОБ) Рис. 3.6. Схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) Схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.6). Так как iвых  iвх , а при достаточно большом сопротивлении Rн амплитуда переменной составляющей напряжения uвых значительно больше амплитуды напряжения uвх, 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) (рис. 3.7). При определении переменных составляющих токов и напряжений источники постоянного напряжения u1 и u2 заменяют закоротками (закорачивают). 31 Рис. 3.7. Схема включения транзистора с общим коллектором (ОК) После этого к коллектору оказываются подключенными и источник входного напряжения uвх, и сопротивление нагрузки. Отсюда и название – схема с общим коллектором. Напряжение uбэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения uвх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения uвых. Поэтому схемы с общим коллектором называют эмиттерным повторителем. Учитывая, что iвых  iвх , 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 uбэ, так и напряжения uвых. На практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером. h – параметры транзистора При определении переменных составляющих токов и напряжений (т. е. при анализе на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рис. 3.8). В четырехполюснике условно изображен транзистор с общим эмиттером. 32 Рис. 3.8. Транзистор в виде четырехполюсника Для разных схем включения транзистора токи и напряжения этого четырехполюсника обозначают различные токи и напряжения транзистора. Например, для схемы с общим эмиттером эти токи и напряжения следующие: i1 – переменная составляющая тока базы; u1 – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером; i2 – переменная составляющая тока коллектора; u2 – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером. Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры. Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u2=0) : h11  u1 i1 u2 0 . Аналогично h12  u1 u2 i2  0 - коэффициент обратной связи по напряжению. Режим работы при i1=0 называют холостым ходом на входе. Далее 33 h21  i2 i1 i2 h22  u2 u 2  0 - коэффициент передачи тока, i1  0 - выходная проводимость. При этом u1  h11 h12  i1  i   h h   u  ,  2   21 22   2  т. е. u1  h11  i1  h12  u 2 ; i2  h21  i1  h22  u 2 . Коэффициенты определяются hij опытным путем. Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначаются буквой «э», а схеме с общей базой – буквой «б» 4. Полевые транзисторы Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 году. Полевыми транзисторами 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. 34 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 35 управляющим p-n–переходом и каналом n–типа. Его условное графическое обозначение представлено на рис. 4.2,б. Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используют схемы с общим истоком (рис. 4.3). Рис. 4.3. Схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ) Так как в рабочем режиме i З  0 , а iи  ic , входными характеристиками обычно не пользуются. Например, для транзистора КП103Л для тока утечки затвора Iз.ут при t<85°C выполняется условие I з. ут  2 мкА . Выходные (стоковые) характеристики. Выходной характеристикой называют зависимость вида ic  f uис  u зи  const , где f – некоторая функция. Полевой транзистор характеризуется следующими предельными параметрами (смысл которых понятен из обозначений): Uис.макс, Uзс.макс, Рмакс. Для транзистора КП103Л Uис.макс=10 В, Uзс.макс=15 В, Рмакс=120 мВт (все при t=85°С). Стокозатворные характеристики (характеристики передачи, передаточные, переходные, проходные характеристики). Стокозатворной характеристикой называют зависимость вида 36 ic  f u зи  u ис  const, где f – некоторая функция. Такие характеристики не дают принципиально новой информации по сравнению с выходными, но иногда более удобны для использования. Для некоторых транзисторов задается максимальное (по модулю) допустимое отрицательное напряжение uзи, например, для транзистора 2П103Д это напряжение не должно быть по модулю больше чем 0,5 В. Параметры, характеризующие свойства транзистора усиливать напряжение. Крутизна стокозатворной характеристики S (крутизна характеристики полевого транзистора): S dic du зи u зи  заданное . u ис  const Обычно задается uзи=0. При этом для транзисторов рассматривается крутизна максимальная Для КП103Л S=1,8…3,8 мА/В при uис=0, t=20°C. Внутреннее дифференциальное сопротивление сопротивление) определяется выражением: Rис.диф  duис diс u ис  заданное . u зи  const Для КП103Л Rис.диф  25 кОм при uис=10 В, uзи=0. Коэффициент усиления M duис du зи u зи  заданное . iс  const Можно отметить, что 37 Rис.диф (внутреннее М  S  Rис.диф . Для КП103Л при S=2 мА/В и Rис.диф=25 кОм М=2 (мА/В)·25 кОм=50. 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 (флэшпамять). Устройства быстродействующими флэш-памяти программируемыми являются постоянными современными запоминающими устройствами (ППЗУ) с электрической записью и электрическим стиранием информации (ЭСП-ПЗУ). Эти устройства являются энергонезависимыми, так как информация не стирается при отключении питания, выдерживают не менее 100 000 циклов записи/стирания. 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. 5. Тиристоры Тиристорами называют полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен), имеющие три или более p-n– переходов. Тиристор по принципу действия – прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном – разомкнутому ключу. Те тиристоры, которые не имеют специальных электродов для подачи сигналов с целью изменения состояния, а имеют только два силовых электрода (анод и катод), называют неуправляемыми, или диодными, тиристорами 38 (динисторами). Приборы с управляющими электродами называют управляемыми тиристорами, или просто тиристорами. Тиристоры являются основными элементами в силовых устройствах электроники, которые называют также устройствами преобразовательной техники (управляемые выпрямители, инверторы и т. п.). Существует большое количество различных тиристоров. Наиболее часто используют незапираемые тиристоры с тремя выводами, управляемые по катоду. Такие тиристоры содержат два силовых и один управляющий электрод и проводят ток только в одном направлении. Упрощенное изображение структуры тиристора представлено на рис. 5.1, а его условное графическое обозначение – на рис. 5.2. Обратимся к простейшей схеме с тиристором (рис. 5.3), где использованы следующие обозначения:  ia – ток анода (силовой ток в цепи анод-катод тиристора);  uak – напряжение между анодом и катодом;  iy – ток управляющего электрода (в реальных схемах используют импульсы тока);  uyk – напряжение между управляющим электродом и катодом;  uпит – напряжение питания. Рис. 5.1. Структурная схема тиристора 39 Рис. 5.2. Графическое изображение тиристора Рис. 5.3. Схема управления с применением тиристора Предположим, что напряжение питания меньше так называемого напряжения переключения Uпер (uпитUпер или что после подключения источника питания (даже при выполнении условия uпит0), и он будет выключенным до подачи импульса управления. Существуют и широко используются так называемые симметричные тиристоры (симисторы, триаки). Каждый симистор подобен паре рассмотренных тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 5.4). Условное графическое обозначение симистора показано на рис. 5.5. Рис. 5.4 Рис. 5.5 41 Классификация и система обозначений тиристоров Выпускаемые с 1980 года тиристоры имеют классификацию и систему обозначений, установленные ГОСТ 20859.1-89. В основу обозначений тиристоров положен буквенно-цифровой код, состоящий из девяти элементов. Первый элемент (буква или буквы) обозначает вид прибора: Т – тиристор; ТЛ – лавинный тиристор; ТС – симметричный тиристор (симистор); ТО – оптотиристор; ТЗ – запираемый тиристор; ТБК – комбинированно выключаемый тиристор; ТД – тиристор-диод. Второй элемент (буква) – подвид тиристора по коммутационным характеристикам: Ч – высокочастотный (быстро включающийся) тиристор; Б – быстродействующий; И – импульсный. Третий элемент (цифра от 1 до 9) обозначает порядковый номер модификации (разработки). Четвертый элемент (цифра от 1 до 9) – классификационный размер корпуса прибора. Пятый элемент (цифра от 0 до 5) – конструктивное исполнение. Шестой элемент – число, равное значению максимально допустимого среднего тока. Седьмой элемент – буква Х для приборов с обратной полярностью (основание корпуса – катод). Восьмой элемент – число, обозначающее класс по повторяющемуся импульсному напряжению в закрытом состоянии (сотни вольт). Девятый элемент – группа цифр, обозначающая сочетание классификационных параметров: (duзс/dt). Аббревиатура «зс» означает запертое состояние. Пример условных обозначений тиристоров по ГОСТ 20859.1–89: ТЛ171-320-10-6 – тиристор лавинный первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41 мм, конструктивное исполнение – штыревое с гибким катодным выводом, максимально допустимый средний ток в открытом состоянии 320 А, повторяющееся импульсное напряжение в закрытом 42 состоянии 1000 В (10-й класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500 В/мкс. 6. Оптоэлектронные приборы Оптоэлектронными называют приборы, которые чувствительны к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также приборы, производящие или использующие такое излучение. Излучение в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях относят к оптическому диапазону спектра. Обычно к указанному диапазону относят электромагнитные волны с длиной от 1 нм до 1 мм, что соответствует частотам примерно от 0,5·1012 Гц до 5·1017 Гц. Иногда говорят о более узком диапазоне частот – от 10 нм до 0,1 мм (~5·1012…5·1016 Гц). Видимому диапазону соответствуют длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм (частота около 1015 Гц). На практике широко используются источники излучения (излучатели), приемники излучения (фотоприемники) и оптроны (оптопары). Оптроном называют прибор, в котором имеется и источник, и приемник излучения, конструктивно объединенные и помещенные в один корпус. Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Широко используются оптроны, в которых применяются пары светодиодфотодиод, светодиод-фототранзистор, светодиод-фототиристор. Основные достоинства оптоэлектронных приборов:  высокая информационная емкость оптических каналов передачи информации, что является следствием больших значений используемых частот;  полная гальваническая развязка источника и приемника излучения;  отсутствие влияния приемника (однонаправленность потока информации); 43 излучения на источник  невосприимчивость оптических сигналов к электромагнитным полям (высокая помехозащищенность). Излучающий диод (светодиод) Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом. Рассмотрим устройство, характеристики, параметры и систему обозначений излучающих диодов. Устройство. Схематическое изображение структуры излучающего диода представлено на рис. 6.1,а, а его условное графическое обозначение – на рис. 6.2,б. Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к указанной области. При рекомбинации излучаются фотоны. Характеристики и параметры. Для излучающих диодов, работающих в видимом диапазоне (длина волн от 0,38 до 0,78 мкм, частота около 1015 Гц), широко используются следующие характеристики:  зависимость яркости излучения L от тока диода характеристика); зависимость силы света Iv от тока диода i. Рис. 6.1. Структура светоизлучающего диода (а) и его графическое изображение (б) 44 i (яркостная Яркостная характеристика для светоизлучающего диода типа АЛ102А представлена на рис. 6.2. Цвет свечения этого диода – красный. Рис. 6.2. Яркостная характеристика светодиода График зависимости силы света от тока для светоизлучающего диода типа АЛ316А представлен на рис. 6.3. Цвет свечения – красный. Рис. 6.3. Зависимость силы света от тока светодиода 45 Для излучающих диодов, работающих не в видимом диапазоне, используют характеристики, отражающие зависимость мощности излучения Р от тока диода i. Зона возможных положений графика зависимости мощности излучения от тока для излучающего диода типа АЛ119А, работающего в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,93…0,96 мкм), представлена на рис. 6.4. Приведем для диода АЛ119А его некоторые параметры:  время нарастания импульса излучения – не более 1000 нс;  время спада импульса излучения – не более 1500 нс;  постоянное прямое напряжение при i=300 мА – не более 3 В;  постоянный максимально допустимый прямой ток при t <+85°C – 200 мА;  температура окружающей среды –60 …+85°С. Рис. 6.4 . Зависимость мощности излучения от тока светодиода Для информации о возможных значениях коэффициента полезного действия отметим, что излучающие диоды типа ЗЛ115А, АЛ115А, работающие в инфракрасном диапазоне (длина волны 0,95 мкм, ширина спектра не более 0,05 мкм), имеют коэффициент полезного действия не менее 10 %. Система обозначений. Используемая система обозначений светоизлучающих диодов предполагает применение двух или трех букв и трех цифр, например АЛ316 или АЛ331. Первая буква указывает на материал, вторая (или вторая и третья) – на конструктивное исполнение: Л – единичный 46 светодиод, ЛС – ряд или матрица светодиодов. Последующие цифры (а иногда буквы) обозначают номер разработки. Фоторезистор Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Схематическое изображение структуры фоторезистора приведено на рис. 6.5,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.5,б. Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости). Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика (рис. 6.6). Рис. 6.5. Структура (а) и схематическое обозначение (б) фоторезистора 47 Рис. 6.6. Люкс-амперная характеристика фоторезистора ФСК-Г7 Часто используют следующие параметры фоторезисторов:  номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм);  интегральную чувствительность (чувствительность, определяемая при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава). Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением: S iФ Ф, где iф – так называемый фототок (разность между током при освещении и током при отсутствии освещения); Ф – световой поток. Для фоторезистора ФСК-Г7 S=0,7 А/лм. 48 Фотодиод Устройство и основные физические процессы. Упрощенная структура фотодиода приведена на рис. 6.7,а, а его условное графическое изображение – на рис. 6.7,б. Рис. 6.7. Структура (а) и обозначение (б) фотодиода Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения. Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду под действием электрического поля p-nперехода). Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк). Вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода представлена на рис. 6.8. 49 Рис. 6.8. Вольт-амперные характеристики фотодиода Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n–перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n–перехода носители тока движутся к электродам (дырки – к электроду слоя p, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию. На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим). В режиме фотогенератора работают солнечные элементы, преобразующие свет в электроэнергию. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20 %. Пока энергия, полученная от солнечных 50 элементов, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Режим фотопреобразователя соответствует ВАХ в третьем квадранте. В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u · i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 6.9). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображаются в первом квадранте (рис. 6.10). Рис. 6.9 Фотодиоды Рис. 6.10 являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10 7–1010 Гц. Фотодиод часто используют в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Оптрон (оптопара) Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенных в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически и одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор. В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 107…108 раз. Кроме того, вольт-амперная 51 характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что обусловливает широкую применимость резистивных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01…1 с. В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс. Рассмотрим подробнее оптопару светодиод-фотодиод (рис. 6.11,а). Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или обратном направлении (режим фотопреобразователя). Направления токов и напряжений диодов оптопары приведены на рис. 6.11,б. Рис. 6.11. Схема оптопары (а) и направление токов и напряжений в ней (б) Изобразим зависимость тока iвых от тока iвх при uвых=0 для оптопары АОД107А (рис. 6.12). Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме. 52 Рис. 6.12. Передаточная характеристика оптопары АОД107А Фототранзистор и фототиристор Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, в котором положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока). Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса. 7. 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». В настоящее время операционные усилители широко используются в виде полупроводниковых интегральных схем. Эти схемы содержат большое число (десятки) элементов (транзисторов, диодов и т. д.), но по размерам и стоимости приближаются к отдельным транзисторам. Операционные усилители удобно использовать для решения самых различных задач преобразования и 53 генерирования маломощных сигналов, поэтому эти усилители очень широко применяются на практике. Рассмотрим наиболее широко используемые разновидности операционных усилителей, для питания которых применяются два источника напряжения (обычно +15 В и –15 В). По-другому это называется питанием от источника с нулевым выводом или от расщепленного источника. Условное графическое обозначение операционного усилителя показано на рис. 7.1. Рис. 7.1. Графическое обозначение операционного усилителя Обозначение общего вывода «0V» расшифровывается как «ноль вольт». Для пояснения назначения выводов на рис. 7.2 приведена типовая схема на операционном усилителе – схема инвертирующего усилителя. Рис. 7.2. Инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя Если входное напряжение uвх достаточно мало по модулю, то выходное напряжение uвых определяется выражением 54 u вых  u вх Rос R1 . Часто на схемах выводы +U, –U и 0V не указывают (но подразумевают) и используют упрощенное условное графическое обозначение (рис. 7.3). При этом приведенная на рис. 7.2 типичная схема приобретает упрощенный вид (рис. 7.4). Рис. 7.3 Рис. 7.4 Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя (рис. 7.5). Рис. 7.5 Напряжение uдиф между инвертирующим и неинвертирующим входами называют дифференциальным напряжением (дифференциальным сигналом). Ясно, что u диф  u   u  . Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы они как можно больше изменяли напряжение uвых при изменении дифференциального сигнала (т. е. разности u  u ) и как можно меньше изменяли напряжение uвых при одинаковом изменении напряжений u  и u . 55 Пусть uдиф=0. Обозначим синфазное напряжение (синфазный сигнал) uсф  u  u . Операционные усилители конструируют таким образом, чтобы влияние синфазного сигнала на выходное напряжение было как можно меньше. Передаточная характеристика. Операционный усилитель хорошо характеризует его передаточная характеристика – зависимость вида u вых  f u диф  , 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 uдиф, при котором выполняется условие uвых=0, называют напряжением смещения нуля и обозначают через Uсм. Для операционного усилителя типа К140УД1 известно, что напряжение Uсм лежит в диапазоне от –10 мВ до + 10 мВ. А это означает, что при нулевом напряжении uдиф напряжение uвых может лежать в пределах от минимально возможного (около –7 В) до максимально возможного (около +10 В). Рис. 7.6. Передаточная характеристика операционного усилителя К140УД1Б 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 56 смещения (балансировка, коррекция нуля, настройка нуля). операционных усилителях для компенсации В некоторых напряжения смещения предусмотрены специальные выводы. Типовая схема включения операционного усилителя типа К140УД8А, в котором предусмотрены такие выводы, представлена на рис. 7.7. Рис. 7.7. Схема включения операционного усилителя К140УД8А 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 u вых  К  u диф , где К – коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления напряжения, коэффициент усиления дифференциального сигнала). Обычно величина К лежит в пределах 104…105. Например, для операционного усилителя типа К140УД1Б К=1350…12000, для операционного усилителя К140УД14А К не менее 50000. Диапазоны выходного напряжения вне области усиления называются областями насыщения. Соответствующий этим областям режим называют режимом насыщения. 57 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). 8. Интегральные микросхемы Интегральные микросхемы, или интегральные схемы (ИС) – микроэлектронное изделие (т.е. изделие с высокой степенью миниатюризации), выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое. Элемент интегральной схемы – часть интегральной схемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (резистора, диода, транзистора и т.д.), причем эта часть выполнена нераздельно от других частей и не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Компонент интегральной схемы в отличие от элемента может быть выделен как самостоятельное изделие с указанной выше точки зрения. По конструктивно-технологическим признакам интегральные схемы обычно подразделяются на:  полупроводниковые;  гибридные;  пленочные. В полупроводниковой схеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или на поверхности полупроводника. В таких схемах нет компонентов. Это наиболее распространенная разновидность интегральных схем. Интегральную схему называют гибридной, если она содержит компоненты и (или) отдельные кристаллы полупроводника. 58 В пленочных интегральных схемах отдельные элементы и межэлементные соединения выполняются на поверхности диэлектрика (обычно используется керамика). При этом применяются различные технологии нанесения пленок из соответствующих материалов. По функциональным признакам интегральные схемы подразделяются на аналоговые (операционные усилители, источники вторичного электропитания и др.) и цифровые (логические элементы, триггеры и т.п.). Историческая справка. Первые опыты по созданию полупроводниковых интегральных схем были осуществлены в 1953 г., а промышленное производство интегральных схем началось в 1959 г. В 1966 г. был начат выпуск интегральных схем средней степени интеграции (число элементов в одном кристалле до 1000). В 1969 г. были созданы интегральные схемы большой степени интеграции (большие интегральные схемы, БИС), содержащие до 10000 элементов на одном кристалле. В 1971 г. были разработаны микропроцессоры, а в 1975 г. – интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (сверхбольшие интегральные схемы, СБИС), содержащие более 10000 элементов в одном кристалле. Предельная частота биполярных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах достигает 15 ГГц и более (1 ГГц=109 Гц). В настоящее время ожидается появление интегральных схем, содержащих до 100 млн МОП–транзисторов в одном кристалле (речь идет о цифровых схемах). Система обозначений. Условное обозначение интегральных микросхем включает в себя основные классификационные признаки. Оно состоит из четырех элементов. Первый элемент – цифра, соответствующая конструктивно- технологической группе. Цифрами 1, 5, 6 и 7 в первом элементе обозначаются полупроводниковые интегральные микросхемы. Гибридным микросхемам присвоены цифры 2, 4 и 8. Пленочные, вакуумные и керамические интегральные микросхемы обозначаются цифрой 3. 59 Второй элемент, определяющий порядковый номер разработки серии, состоит из двух (от 00 до 99) или трех (от 000 до 999) цифр. Третий элемент, обозначающий подгруппу и вид микросхемы, состоит из двух букв (см. таблицу). Четвертый элемент, обозначающий порядковый номер разработки микросхемы данной серии, состоит из одной или нескольких цифр. К этим основным элементам обозначений микросхем могут добавляться и другие классификационные признаки. Дополнительная буква в начале четырехэлементного указывает на особенность конструктивного исполнения: Р – пластмассовый корпус типа ДИП; А – пластмассовый планарный корпус; Е – металлокерамический корпус типа ДИП; С – стеклокерамический корпус типа ДИП; И – стеклокерамический планарный корпус; Н – керамический «безвыводной» корпус. 60 обозначения Серии бескорпусных полупроводниковых микросхем начинаются с цифры 7, а бескорпусные аналоги корпусных микросхем обозначаются буквой Б перед указанием серии. Через дефис после обозначения указывается цифра, характеризующая модификацию конструктивного исполнения: 1 – с гибкими выводами; 2 – с ленточными (паучковыми) выводами, в том числе на полиамидном носителе; 3 – с жесткими выводами; 4 – на общей пластине (неразделенные); 5 – разделенные без потери ориентировки (наклеенные на пленку); 6 – с контактными площадками без выводов. 9. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА Усилители Усилитель – это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причем, мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а форма входного (усиливаемого) и выходного (на нагрузке) сигналов совпадают (рис. 9.1). Рис. 9.1. Функциональная схема усилителя Классификация. Все усилители можно классифицировать по следующим признакам:  по частоте усиливаемого сигнала: усилители низкой частоты (УНЧ) для усиления сигналов с частотой от 10 Гц до 100 кГц; широкополосные 61 усилители, усиливающие сигналы от 1 до 100 МГц; избирательные усилители, усиливающие сигналы узкой полосы частот;  по роду усиливаемого сигнала: усилители постоянного тока (УПТ), усиливающие электрические сигналы с частотой от 0 Гц и выше; усилители переменного тока, усиливающие электрические сигналы с частотой, отличной от нуля;  по функциональному назначению: усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности (в зависимости от того, какой из параметров усиливается усилителем). Основным качественным параметром усилителя является коэффициент усиления. В зависимости от функционального назначения усилителя различают коэффициенты усиления по напряжению KU, току KI или мощности KP: KU  U вых U вх , KI  I вых I вх , KP  Pвых Pвх , где Uвх, Iвх – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на входе; Uвых, Iвых – амплитудные значения переменных составляющих соответственно напряжения и тока на выходе; Pвх, Pвых – мощности сигналов соответственно на входе и выходе. Коэффициенты усиления часто выражаются в логарифмических единицах – децибелах: KU(дБ)=20lgKU; KI(дБ)=20lgKI; КР(дБ)=10lgKP. Усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов. Для многокаскадных усилителей его коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления его каскадов: К=К1·К2·…·Кn. Если коэффициенты усиления каскадов выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления равен сумме коэффициентов усиления отдельных каскадов: К(дБ)=К1(дБ)+К2(дБ)+…+Кn(дБ). 62 Обычно в усилителе содержатся реактивные элементы, в том числе и «паразитные», а используемые усилительные элементы обладают инерционностью. В силу этого коэффициент усиления является комплексной величиной: K u  K u  e j , U вых K  u где U вх - модуль коэффициента усиления;  – сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями с амплитудами Uвх и Uвых. Помимо коэффициента усиления важным количественным показателем является коэффициент полезного действия  Pвых Pист , где Pист – мощность, потребляемая от источника питания. Роль этого показателя особенно возрастает для мощных, как правило, выходных каскадов усилителя. К количественным показателям усилителя относятся также входное Rвх и выходное Rвых сопротивления усилителя: Rвх  U вх I вх ; Rвых  U вых I вых , где Uвх и Iвх – амплитудные значения напряжения и тока на входе усилителя; U вых и I вых – приращения амплитудных значений напряжения и тока на выходе усилителя, вызванные изменением сопротивления нагрузки. Рассмотрим основные характеристики усилителей. Амплитудная характеристика – это зависимость амплитуды выходного напряжения (тока) от амплитуды входного напряжения (тока) (рис. 9.2). Точка 1 соответствует напряжению шумов, измеряемому при Uвх=0, точка 2 – 63 минимальному входному напряжению, при котором на выходе усилителя можно различать сигнал на фоне шумов. Участок 2–3 – это рабочий участок, на котором сохраняется пропорциональность между входным и выходным напряжением усилителя. После точки 3 наблюдаются нелинейные искажения входного сигнала. Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (или коэффициентом гармоник): KГ  2 U 22m  U 32m  ...  U nm U 1m , где U1m, U2m, U3m, Unm – амплитуды 1-й (основной), 2, 3 и n-ой гармоник выходного напряжения соответственно. Величина D  U вх. max характеризует динамический диапазон усилителя. U вх. min Рис. 9.2. Амплитудная характеристика усилителя Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя – это зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (рис. 9.3). Частоты fн и fв называются нижней и верхней граничными частотами, а их разность (fн–fв) – полосой пропускания усилителя. 64 Рис. 9.3. Амплитудно-частотная характеристика усилителя При усилении гармонического сигнала достаточно малой амплитуды искажения формы усиленного сигнала не возникает. При усилении сложного входного сигнала, содержащего ряд гармоник, эти гармоники усиливаются усилителем неодинаково, так как реактивные сопротивления схемы по-разному зависят от частоты, и в результате это приводит к искажению формы усиленного сигнала. Такие искажения называются частотными и характеризуются коэффициентом частотных искажений: M  K0 Kf , где Кf – модуль коэффициента усиления на заданной частоте. Коэффициенты частотных искажений Mн  К0 Кн и Mв  К0 Кв называются соответственно коэффициентами искажений на нижней и верхней граничных частотах. АЧХ может быть построена и в логарифмическом масштабе. В этом случае она называется ЛАЧХ (рис. 9.4), коэффициент усиления усилителя выражается в децибелах, а по оси абсцисс откладываются частоты через декаду (интервал частот между 10f и f ). 65 Рис. 9.4. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика усилителя (ЛАЧХ) Обычно в качестве точек отсчета выбирают частоты, соответствующие f=10n. Кривые ЛАЧХ имеют в каждой частотной области определенный наклон. Его измеряют в децибелах на декаду. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя – это зависимость угла сдвига фаз между входным и выходным напряжениями от частоты. Типовая ФЧХ приведена на рис. 9.5. Она также может быть построена в логарифмическом масштабе. В области средних частот дополнительные фазовые искажения минимальны. ФЧХ позволяет оценить фазовые искажения, возникающие в усилителях по тем же причинам, что и частотные. Рис. 9.5. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) усилителя 66 Пример возникновения фазовых искажений приведен на рис. 9.6, где показано усиление входного сигнала, состоящего из двух гармоник (пунктир), которые при усилении претерпевают фазовые сдвиги. Рис. 9.6. Фазовые искажения в усилителе Переходная характеристика усилителя – это зависимость выходного сигнала (тока, напряжения) от времени при скачкообразном входном воздействии (рис. 9.7). Частотная, фазовая и переходная характеристики усилителя однозначно связаны друг с другом. Рис. 9.7. Переходная характеристика усилителя Области верхних частот соответствует переходная характеристика в области малых времен, области нижних частот – переходная характеристика в области больших времен. 67 Обратная связь в усилителях Понятие «обратная связь» (ОС) широко используется как в технике, так и в других областях знаний. Обратной связью называют влияние некоторой выходной величины на некоторую входную, которая в свою очередь существенным образом влияет на выходную величину (определяет эту выходную величину). В усилителях, как правило, используется так называемая отрицательная обратная связь (ООС). При наличии отрицательной обратной связи выходной сигнал таким образом влияет на входной, что входной сигнал уменьшается и соответственно приводит к уменьшению выходного сигнала. При этом уменьшаются искажения сигнала, расширяется частотный диапазон и т. д. Классификация обратных связей в усилителях представлена на рис. 9.8. В соответствии с рисунком 9.8 обратные связи подразделяются на:  последовательная по напряжению (а);  параллельная по напряжению (б);  последовательная по току (в);  параллельная по току (г). Рис. 9.8. Классификация обратных связей усилителя: 68 К – коэффициент прямой передачи, или коэффициент усиления усилителя без обратной связи; β – коэффициент передачи цепи обратной связи Для определения вида обратной связи (ОС) нужно «закоротить» нагрузку. Если при этом сигнал обратной связи обращается в нуль, то это ОС по напряжению, если сигнал ОС не обращается в нуль – то это ОС по току. При обратной связи по напряжению сигнал обратной связи, поступающий с выхода усилителя на вход, пропорционален выходному напряжению. При обратной связи по току сигнал обратной связи пропорционален выходному току. При последовательной обратной связи (со сложением напряжений) в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, которое вычитается (для отрицательной обратной связи) из напряжения внешнего входного сигнала. При параллельной обратной связи (со сложением токов) в качестве сигнала обратной связи используется ток, который вычитается из тока внешнего входного сигнала. УСИЛИТЕЛИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В усилителе в качестве активного элемента использован биполярный транзистор. Перед тем, как подавать на вход усилителя сигнал, подлежащий усилению, необходимо обеспечить начальный режим работы (статический режим, режим по постоянному току, режим покоя). Начальный режим работы характеризуется постоянными токами электродов транзистора и напряжениями между этими электродами. Для характеристики проблемы обеспечения рассматривают следующие три схемы:  с фиксированным током базы;  с коллекторной стабилизацией;  с эмиттерной стабилизацией. Схема с фиксированным током базы (рис. 9.9). 69 начального режима Рис. 9.9. Схема включения транзистора с фиксированным током базы В соответствии со вторым законом Кирхгофа i K  RK  u КЭ  Е К  0 . Отсюда находим ток коллектора iK: iK   1 1  u КЭ   EK , RK RK что соответствует линейной зависимости вида y  a  x  b . Это уравнение описывает так называемую линию нагрузки. Изобразим выходные характеристики транзистора и линию нагрузки (рис. 9.10). В соответствии со вторым законом Кирхгофа iб  Rб  u бэ  Е К  0 . Отсюда находим ток базы iб: iб   1 1  u бэ   ЕК . Rб Rб Учитывая, что uбэ<<Ек, пренебрежем напряжением uбэ. Тогда iб  70 ЕК Rб . Рис. 9.10. Выходные характеристики транзистора с линией нагрузки Таким образом, в рассматриваемой схеме ток iб задается величинами Eк и Rб (ток «фиксирован»). При этом iK   cт  iб  I K 0 . Пусть iб=iб2. Тогда начальная рабочая точка (НРТ) займет то положение, которое указано на рис. 9.10. Видно, что самое нижнее возможное положение начальной рабочей точки соответствует точке Y (режим отсечки, iб=0), а самое верхнее положение – точке Z (режим насыщения, iб ≥ iб4). Схему с фиксированным током базы используют редко по следующим причинам:  при воздействии дестабилизирующих факторов (например, температуры) изменяются величины  cт и I K 0 , что изменяет ток Iкн и положение начальной рабочей точки;  для каждого значения  cт необходимо подбирать соответствующее значение Rб, что нежелательно при использовании как дискретных приборов (т. е. приборов, изготовленных не по интегральной технологии), так и интегральных схем. 71 Схема с коллекторной стабилизацией (рис. 9.11). Эта схема обеспечивает лучшую стабильность начального режима. Рис. 9.11. Схема включения транзистора с коллекторной стабилизацией В схеме имеет место отрицательная обратная связь по напряжению (выход схемы – коллектор транзистора соединен со входом схемы – базой транзистора с помощью резистора Rб). При увеличении тока iк (например, из-за повышения температуры) начинает увеличиваться напряжение uRк. Это приведет к уменьшению напряжения uкэ и тока iб ( iб  u кэ ), что будет препятствовать Rб значительному увеличению тока iк, т. е. будет осуществляться стабилизация тока коллектора. Схема с эмиттерной стабилизацией (рис. 9.12). Основная идея, реализованная в схеме, состоит в том, чтобы зафиксировать ток iэ и через это – ток iк iк  i э  . С указанной целью в цепь эмиттера включают резистор Rэ и создают на нем практически постоянное напряжение uRэ. При этом оказывается, что: 72 iэ  u Rэ  соnst . Rэ Для создания требуемого напряжения uRэ используют делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Рис. 9.12. Схема включения транзистора с эмиттерной стабилизацией Резисторы R1 и R2 выбирают насколько малыми, что величина тока iб практически не влияет на величину напряжения uR2. При этом u R2  EK  R2 R1  R2 . В соответствии со вторым законом Кирхгофа uRэ = uR2 – uбэ . При воздействии дестабилизирующих факторов величина uбэ изменяется мало, поэтому мало изменяется и величина uRэ. На практике обычно напряжение uRэ составляет небольшую долю напряжения Ек. Различают следующие режимы работы транзистора (классы работы): А, АБ, В, С и D. Рассматриваемые RC – усилители обычно работают в режиме А. В режиме А ток коллектора всегда больше нуля (iк > 0). При этом он увеличивается или уменьшается в зависимости от входного сигнала. В режиме В ток Iкн=0, поэтому ток коллектора может только увеличиваться. При 73 синусоидальном входном сигнале в цепи коллектора протекают положительные полуволны тока. Режим АВ является промежуточным между режимами А и В. В режиме С на вход транзистора подается начальное запирающее напряжение, поэтому в цепи коллектора в каждый период входного сигнала ток протекает в течение времени, меньшего чем половина периода. Режимом D называют ключевой режим работы (транзистор находится или в режиме насыщения, или в режиме отсечки). Усилители на полевых транзисторах В качестве примера рассмотрим RC–усилитель на полевом транзисторе с p-n–переходом, включенным с общим истоком (рис. 9.13). Используем транзистор с каналом n-типа. Для используемого транзистора начальное напряжение uиз должно быть положительным (p-n-переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью получения этого напряжения в цепь истока включают резистор Rи, на котором возникает падение напряжения uRи от протекания по нему начального тока истока Iин. Рис. 9.13. Усилитель на полевом транзисторе Напряжение uRи через резистор Rз передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, падение напряжения на резисторе Rз практически равно нулю, поэтому uиз=uRи. 74 Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением. Пусть задан начальный ток стока (ICH = IИН) и начальное напряжение UИЗН между истоком и затвором. Тогда резистор RИ следует выбрать из соотношения RИ  U ИЗН I СН . Резистор RЗ обычно выбирают порядка 1 МОм. Рассматриваемая схема обеспечения начального режима работы характеризуется повышенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока IСН начнет увеличиваться, то это приведет к увеличению напряжений URИ и UИЗ, что будет препятствовать значительному увеличению тока ICН. Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством KU  S RC  RH RC  RH , где S – статическая крутизна характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам. Назначение конденсаторов С1, С2 и С4 аналогично назначению соответствующих конденсаторов RC–усилителя на биполярном транзисторе. Частотные характеристики рассматриваемого усилителя подобны частотным характеристикам RC–усилителя на биполярном транзисторе. 10. Линейные схемы на основе операционных усилителей Операционные усилители (ОУ) в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схемы на основе операционных усилителей. 75 При создании схем с операционными усилителями используется ряд допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Примем следующие допущения: 1. Входное сопротивление ОУ равно бесконечности, токи входных   электродов равны нулю Rвх  , i  i . 2. Выходное сопротивление ОУ равно нулю, т. е. ОУ со стороны выхода является идеальным источником напряжения (Rвых=0). 3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент усиления дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов ОУ). 4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжения питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. 5. Синфазный сигнал не действует на ОУ. 6. Напряжение смещения нуля равно нулю. 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 76 по напряжению Так как i = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i1 = i2. Если ОУ работает в режиме усиления, то uдиф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим i1  u вх R1 i2   , uвых R2 . Учитывая, что i1 = i2, получаем uвых  uвх R2 R1 . Например, если R1=1 кОм, R2=10 кОм, тогда uвых = –10 · uвх. Для уменьшения влияния входных токов ОУ на выходное напряжение в цепь неинвертирующего входа включают резистор R3 (рис. 10.2), которое определяется из выражения R3  R1 // R2  R1  R2 R1  R2 . 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 77 Учитывая, что u диф  0 , входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R1. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах Rвых.ос существенно меньше выходного сопротивления на низких частотах Rвых собственно операционного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению. Можно показать, что Rвых.ос  Rвых 1 К  R1 , R1  R2 где К – коэффициент усиления по напряжению ОУ. 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 uдиф = 0. Рис. 10.3. Неинвертирующий усилитель на основе ОУ с обратной связью 78 На основании второго закона Кирхгофа получаем u R1  u вх , uR 2  uвх  uвых . Неинвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению Ku  1  R2 R1 . Коэффициент усиления усилителя, охваченный обратной связью, определяется выражением K u.ос  К 1 К   . При К   K u .ос  1  . Коэффициент β определяется выражением  R1 R1  R2 . Таким образом, при К   K u.ос  1  R2 R1 . Пусть, например, R1=2 кОм, R2=4 кОм и uвх=2 В. Тогда u вых  4  10 3    6В .  2  1  3  2  10   Входное сопротивление неинвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью  R1   , Rвх.ос  Rвх  1  K R1  R2   79 причем при К→  Rвх.ос→  . На входах операционного усилителя, использующегося в неинвертирующем усилителе, имеется синфазный сигнал, равный напряжению uвх. Это недостаток такого усилителя. В инвертирующем усилителе синфазный сигнал отсутствует. Повторитель напряжения на основе ОУ Схема повторителя (рис. 10.4) легко может быть получена из схемы неинвертирующего усилителя при R1→  , R2→ 0. Здесь предполагается, что операционный усилитель работает в режиме усиления (uдиф  0). Используя второй закон Кирхгофа, получаем uвых = uвх. Рис. 10.4. Повторитель напряжения на основе ОУ Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор) Рассмотрим схему сумматора, приведенную на рис. 10.5. Рис. 10.5. Сумматор напряжения (инвертирующий сумматор) 80 Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, n тогда uдиф  0. Учитывая, что i–= i+= 0, получим i j 1 j  iос . При u  0 диф получим uRj = uвхj, j = 1,…,n; uRос = uвых. На основании этих выражений после несложных преобразований получаем u вх  j Rj . j 1 n u вых   Rос   Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор с сопротивлением Rэ = R1 // R2 //… // Rn // Rос . Вычитающий усилитель (усилитель с дифференциальным входом) В вычитающем усилителе (рис. 10.6) один входной сигнал подается на инвертирующий вход, а второй – на неинвертирующий. Рис. 10.6. Вычислительный усилитель с дифференциальным входом Предположим, что ОУ работает в линейном режиме. Тогда все устройство можно считать линейным и для анализа принцип суперпозиции (наложения). Если uвх2 = 0, тогда соответствующее выходное напряжение u'вых будет определяться выражением, соответствующим инвертирующему усилителю: 81   u вх1 u вых Если R2 R1 . uвх1 = 0, определим напряжение на выходе воздействия напряжения эквивалентном uвх2 генераторе целесообразно преобразование на цепи, u''вых. Для оценки основе теоремы об подключенной к неинвертирующему входу (рис. 10.7). Как следует из теоремы, u экв  u вх 2 R4 R3  R4 , Rэкв  R3 // R4  R3  R4 R3  R4 . Рис. 10.7 В соответствии с принципом суперпозиции, общее напряжение на выходе uвых определяется из выражения   u вых   u вх 2  u вых  u вых R4 R3  R4  R  R  1  2   u вх1 2 R1  R1  при R1=R2=R3=R4 u вых  u вх 2  u вх1 . 82 , Схемы с диодами и стабилитронами на основе ОУ Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы – диоды и стабилитроны. Однако такие схемы часто рассматривают как линейные, считая диоды и стабилитроны идеальными и заменяя открытые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны – разрывами, а стабилитроны, работающие в режиме пробоя, источниками напряжения. При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, чтобы определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент. Для примера выполним анализ схемы на рис. 10.8, предполагая, что диоды – идеальные. Пусть вначале uвх = 1 В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 – закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.9. Рис. 10.8. Схема усилителя на ОУ с диодами 83 Рис. 10.9. Эквивалентная схема усилителя на ОУ Из схемы на рис. 10.9 следует, что  R  u вых  u вх  1  2   3В . R1   Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток iD1 диода D1 и напряжение uD2 диода D2. Используя допущение о том, что uдиф = 0, получаем uD2 = –2 В и iD1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D2 отрицательное, а ток через диод D1 положителен, можно утверждать, что предположение было правильным. Пусть теперь uвх = –1 В. Предположим, что диод D1 закрыт, а диод D2 открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10.10, из которой получаем  0 u вых  u вх 1    1В .  R1  84 Рис. 10.10. Эквивалентная схема усилителя с обратной связью Для проверки правильности сделанного предположения определим iD2: i D 2  i R1   u вх 1   0,2 мА . R1 5  10 3 Очевидно, что uD1 = 0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным. 11. Усилители постоянного тока Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель можно использовать и для усиления переменных сигналов. К таким усилителям можно отнести и операционные усилители. Для того, чтобы постоянные или медленно изменяющиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. Полученные переменные сигналы могут быть усилены с помощью усилителей переменного тока, в которых гальванические связи разорваны с 85 помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся. Характерным свойством УПТ является дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом входном под действием влияния внешней среды (изменений температуры, питающего напряжения, старения электронных элементов). Основными методами снижения дрейфа являются жесткая стабилизация источников питания усилителей, использование отрицательных обратных связей, применение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью параметров от температуры. Для устранения отмеченных недостатков УПТ строят в виде параллельнобалансных каскадов, представляющих собой сбалансированный мост, который можно назвать дифференциальным усилителем. Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах Схема дифференциального усилителя представлена на рис. 11.1. Рис. 11.1. Дифференциальный усилитель 86 Основная идея, реализованная в дифференциальном каскаде, состоит в использовании в одном целом двух совершенно одинаковых половин. Это приводит к тому, что выходное напряжение uвых.диф очень слабо зависит от входного синфазного напряжения и практически определяется только uвх.диф. Дифференциальное входное напряжение определяется выражением u вх.диф  u вх 2  u вх1 . Коэффициент усиления по напряжению для дифференциального сигнала Кдиф описывается выражением К диф  u вых.диф u вх.диф    Rк R  к   1  rэ rэ . Как известно, при увеличении начального тока в цепи эмиттера величина rэ уменьшается, а при уменьшении увеличивается. Поэтому при увеличении тока i0 коэффициент Кдиф увеличивается. Это позволяет изменять коэффициент усиления, изменяя начальный режим работы усилителя. Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией (усилитель типа МДМ) В усилителях рассматриваемого типа входной постоянный или медленно изменяющийся сигнал преобразуется (модулируется) в переменный повышенный частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряжения часто составляет десятки килогерц. Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 11.2. 87 Рис. 11.2. Структура усилителя с МДМ Рис. 11.3. Временные диаграммы напряжений в усилителе Модулятор преобразует постоянный или медленно изменяющийся входной сигнал в переменное напряжение с частотой fоп, определяемой генератором опорного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение uм с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилителя переменного тока. Демодулятор – фазочувствительный выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу. Временные диаграммы указанных на схеме напряжений, поясняющих работу усилителя, приведены на рис. 11.3. Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорваны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут использоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах. Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора входную и выходную части. 88 Изолирующие усилители широко используются, например, в медицинской электронике. УСЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ (мощные выходные усилители) Усилителем мощности называют усилитель, предназначенный для обеспечения заданной мощности нагрузки Рн при заданном сопротивлении нагрузки Rн. Усилитель мощности является примером устройства силовой электроники. Основная цель таких устройств состоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность. Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных характеристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД – в режиме классов В или АВ. Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые – в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт). В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Pн при разработке усилителя мощности должен быть решен вопрос о соответствующем выборе напряжения усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может создать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения Um  E . 2 Тогда максимально возможная нагрузки Рн.макс определится выражением 89 2 PН .МАКС U m2 Um  1 Е2       , R 2  R 8  RН 2   Н Н откуда Е  2  РН .МАКС  RН  2 . Для согласования усилителя и нагрузки часто используют трансформатор (рис. 11.4). Через W1 и W2 обозначено соответственно количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, а через uвых и Rвых – соответственно выходное напряжение и выходное сопротивление усилителя. Рис. 11.4. Трансформатор согласования усилителя и нагрузки При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 11.5. В ней через R'н обозначено приведенное сопротивление нагрузки RН  RН , n2 где n – коэффициент трансформации ( n  W2 W1 ). 90 Рис. 11.5. Эквивалентная схема согласования усилителя с нагрузкой Изменяя коэффициент трансформации, можно добиться необходимого согласования усилителя и нагрузки, причем известно, что максимальная мощность в нагрузку отдается при Rвых=R'н. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации: nопт  RН Rвых . Трансформаторные усилители мощности Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в котором трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 11.6). Рис. 11.6. Трансформаторный усилитель мощности 91 Трансформаторы ТР1 и ТР2 предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением источника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а элемент С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т. Мощность, потребляемая усилителем от источника питания Pпотр=Ек·Iкн. Следовательно, КПД усилителя  PН Р ПОТР . Для идеального усилителя теоретический КПД усилителя Реальный же КПД ТЕОР  0,5 . РЕАЛ  0,3  0,35 . Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 11.7). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 11.7,а), либо с ОБ (рис. 11.7,б). Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисторы R1 и R2 обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов). Двухтактный усилитель можно рассматривать как две независимые схемы, работающие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала (рис. 11.8). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из транзисторов с учетом обратного тока Iк0 I срТ1  I cрр 2  1  I km  I k 0 . Коэффициент полезного действия двухтактного усилителя мощности класса В  PН  U I   кт кт  ТР . PПОТР 4 Е к  I 1 92 Рис. 11.7. Двухтактный усилитель мощности Рис. 11.8. Временные диаграммы двухтактного усилителя класса В 93 Для идеального усилителя Uкт = Ек, теоретический КПД ТЕОР   4 Iкт = I1, ηтр = 1, а следовательно,  0,78 . Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7. Бестрансформаторные усилители мощности В настоящее время наибольшее бестрансформаторные усилители усилитель на мощности мощности. биполярных распространение Рассмотрим транзисторах находят двухтактный различного типа проводимости (комплементарный эмиттерный повторитель, усилитель с дополнительной симметрией) (рис. 11.9). Транзисторы усилителя работают в режиме класса В. При поступлении на вход усилителя положительной полуволны напряжения uвх транзистор Т1 работает в режиме усиления, а транзистор Т2 – в режиме отсечки. При поступлении отрицательной полуволны транзисторы меняются ролями. Рис. 11.9. Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности 94 Максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением 2 Pн. макс Um  1 Е2      R 2  RН . 2   H При максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением Pпотр. макс 2 Е2    RН . Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя  макс  Для Pн. макс    0,78 . Pпотр. макс 4 уменьшения нелинейных искажений обеспечивают некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 11.10). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается. Рис. 11.10. Двухтактный усилитель АВ-класса Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем (рис. 11.11). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R1 и R2), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и 95 на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для каскада на транзисторах Т1 и Т2. Рис. 11.11. Двухтактный усилитель мощности с операционным усилителем Поскольку напряжение на нагрузке Rн примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ. Фильтром 12. ЭЛЕКТРОННЫЕ ФИЛЬТРЫ называют устройство, которое передает (пропускает) синусоидальные сигналы в одном определенном диапазоне частот (в полосе пропускания) и не передает (задерживает) их в остальном диапазоне частот (в полосе задерживания). Фильтры используют для передачи не только синусоидальных сигналов, но, определяя полосы пропускания и задерживания, ориентируются именно на синусоидальные сигналы. Зная, как фильтр передает синусоидальные сигналы, обычно достаточно легко определить, как он будет передавать сигналы и другой формы. В устройствах электроники, широко использующих фильтры, различают аналоговые и цифровые фильтры. В аналоговых фильтрах обрабатываемые сигналы не преобразуют в цифровую форму, а в цифровых фильтрах перед обработкой сигналов осуществляют такое преобразование. 96 Аналоговые фильтры строят на основе как пассивных элементов (конденсаторов, катушек индуктивности, резисторов), так и активных элементов (транзисторов, фильтрации широко пьезоэлектрические операционных используют и также механические. усилителей). Для аналоговой электромеханические фильтры: пьезоэлектрических фильтрах В используют естественный и искусственный кварц, а также пьезокерамику. Основу механического фильтра составляет то или иное механическое устройство. Важно различать требования, предъявляемые к фильтрам силовой и информативной (информационной) электроники. Фильтры силовой электроники должны иметь как можно больший коэффициент полезного действия. Для них очень важной является проблема уменьшения габаритных размеров. Такие фильтры строятся на основе только пассивных элементов. К фильтрам силовой электроники относятся сглаживающие фильтры выпрямителей, проходные фильтры силовых трансформаторов и т. д. Фильтры использовании информативной активных электроники элементов. При чаще разрабатывают этом широко при используют операционные усилители. Фильтры, содержащие активные элементы, называют активными. В современных конструкциях фильтров обычно не используют катушки индуктивности из-за их больших габаритов и высокой трудоемкости изготовления. Поэтому активные фильтры могут быть изготовлены с применением технологии интегральных микросхем. Нередко активные фильтры оказываются дешевле соответствующих фильтрах на пассивных элементах и занимают меньшие объемы. Активные фильтры способны усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания. Во многих случаях их достаточно легко настроить. К недостаткам активных фильтров можно отнести:  использование источника питания; 97  невозможность работы на таких высоких частотах, на которых используемые операционные усилители уже не способны усиливать сигнал. Классификация фильтров по виду их амплитудно-частотных характеристик Фильтры нижних частот. Для фильтров нижних частот (ФНЧ) характерно то, что входные сигналы низких частот, начиная с постоянных сигналов, передаются на выход, а сигналы высоких частот задерживаются. На рис. 12.1,а показана характеристика идеального (не реализуемого на практике) фильтра (ее иногда называют характеристикой типа «кирпичная стена»). На других рисунках представлены характеристики реальных фильтров. Рис. 12.1.Амплитудно-частотные характеристики фильтров нижних частот Полоса пропускания лежит в пределах от нулевой частоты до частоты среза ωс. Обычно частоту среза определяют как частоту, на которой величина А(ω) равна 0,707 от максимального значения (т. е. меньше максимального значения на 3 дБ). Полоса задерживания (подавления) начинается от частоты задерживания ωз и продолжается до бесконечности. В ряде случаев частоту задерживания 98 определяют как частоту, на которой величина А(ω) меньше максимального значения на 40 дБ (т. е. меньше в 100 раз). Между полосами пропускания и задерживания у реальных фильтров расположена переходная полоса. У идеального фильтра переходная частота отсутствует. Фильтры верхних частот. Фильтр верхних частот характерен тем, что он пропускает сигналы верхних и задерживает сигналы нижних частот. На рис. 12.2,а приведена идеальная (нереализуемая) амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот, а на рис. 12.2,б – одна из типичных реальных. Через ωс и ωз обозначены частоты среза и задерживания. Рис. 12.2. Амплитудно-частотные характеристики фильтров верхних частот Полосовые фильтры (полосно-пропускающие). Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот. Сигналы с частотами вне этой полосы фильтр задерживает. На рис. 12.3,а приведена амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра и одна из типичных реальных характеристик (рис. 12.3,б). Через ωс1 и ωс2 обозначены две частоты среза, ω0 – средняя частота. Она определяется выражением  0   c1   c 2 . 99 Рис. 12.3. Амплитудно-частотные характеристики полосового фильтра а-идеальная характеристика; б-реальная характеристика Режекторные фильтры (полосно-заграждающие). Режекторные фильтры не пропускают (задерживают) сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускают сигналы с другими частотами. Амплитудно-частотная характеристика идеального (нереализуемого) фильтра приведена на рис. 12.4,а. На рис. 12.4,б показана одна из типичных реальных характеристик. Рис. 12.4. Амплитудно-частотные характеристики режекторного фильтра Всепропускающие фильтры (фазовые корректоры). Эти фильтры пропускают сигналы любой частоты. Такие фильтры используются в некоторых электронных системах для того, чтобы изменить с той или иной целью фазочастотную характеристику всей системы (рис. 12.5). 100 Рис. 12.5. Амплитудно-частотная характеристика всепропускающего фильтра Классификация фильтров по передаточным функциям Рассмотрим эту классификацию на примере фильтров низкой частоты. На практике широко используются фильтры, отличающиеся характерными особенностями амплитудно-частотных характеристик. Это фильтры Баттерворта, Чебышева, Бесселя (Томсона) (рис. 12.6). Рис. 12.6. Амплитудно-частотные характеристики фильтров Фильтры Баттерворта характеризуются наиболее плоской амплитудночастотной характеристикой в полосе пропускания. Это их достоинство. Но в переходной полосе указанные характеристики спадают плавно, недостаточно резко. Фильтры Чебышева отличаются резким спадом амплитудно-частотных характеристик в переходной полосе, характеристики не являются плоскими. 101 но в полосе пропускания эти Фильтры Бесселя характеризуются очень пологим участками амплитудночастотных характеристик в переходной полосе, еще более пологими, чем у фильтров Баттерворта. Их фазочастотные характеристики достаточно близки к идеальным, соответствующим постоянному времени замедления, поэтому такие фильтры мало искажают форму входного сигнала, содержащего несколько гармоник. Активные фильтры Приведем в качестве примера две схемы фильтров второго порядка. Схема фильтра нижних частот приведена на рис. 12.7. Можно отметить, что на низких частотах (и на постоянном токе) фильтр имеет коэффициент усиления, который описывается следующим выражением: K  1 K  1  R R , где К – величина, определяющая сопротивление в цепи обратной связи (К-1)·R (рис. 12.7). Рис. 12.7. Активный фильтр нижних частот Приведенное выражение соответствует неинвертирующему усилителю. При увеличении частоты входного сигнала напряжение на выходе уменьшается во-первых, в связи с уменьшением напряжения на неинвертирующем входе (т.е. 102 на емкости С2) из-за уменьшения модуля комплексного сопротивления емкости С2. Во-вторых, уменьшается напряжение uа из-за того, что модуль комплексного сопротивления емкости С1 уменьшается и через эту емкость с выхода усилителя в точку «а» подается ток, который значительно сдвинут по фазе относительно напряжения uвх. Фильтр верхних частот представлен на рис. 12.8. На высоких частотах коэффициент усиления фильтра равен К. В зависимости от параметров резисторов R1 и R2 и конденсаторов С1 и С2 схема реализует фильтры Баттерворта, Чебышева или Бесселя. Рис. 12.8. Активный фильтр верхних частот Краткая характеристика активных фильтров на переключаемых конденсаторах. Переключаемый конденсатор – это своего рода дозатор, передающий строго определенные заряды из одной электрической цепи в другую. Упрощенная схема, поясняющая работу переключаемого конденсатора, представлена рис. 12.9. Ключи S1 и S2 работают в противофазе, т.е. когда ключ S1 замкнут, ключ S2 разомкнут, и наоборот. После замыкания ключа S1 конденсатор накапливает заряд uвх· С, получая его от источника входного напряжения. После замыкания ключа S2 конденсатор отдает указанный заряд в цепь этого ключа. 103 Рис. 12.9. Активный фильтр на переключаемых конденсаторах Чем чаще будут переключаться ключи, тем больший заряд в единицу времени будет передаваться в указанную цепь, т.е. тем больше будет среднее значение тока i. Использование переключаемого конденсатора позволяет изменять среднее значение тока i путем изменения частоты переключения. В этом режиме переключаемый конденсатор играет роль резистора с регулируемым сопротивлением. Активные фильтры на переключаемых конденсаторах имеют следующие достоинства, позволяющие достаточно часто использовать их на практике:  они достаточно дешевые, так как при их изготовлении используется относительно простая технология;  их легко перестраивать на другие частоты, для чего достаточно изменять частоту переключения. 13. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение при отсутствии входных сигналов. Генератор преобразует энергию источника постоянного напряжения в энергию переменного входного сигнала. Различают два режима возбуждения генератора: самовозбуждение (мягкий режим) и с внешним начальным сигналом (жесткий режим). RC-генераторы с мостом Вина. Мостом Вина обычно называют схему, приведенную на рис. 13.1. 104 Рис. 13.1. Мост Вина При частоте входного сигнала, равной резонансной частоте f0, напряжение на выходе uвых равно нулю (при ненулевом входном напряжении uвх). Резонансная частота определяется выражением f0  1 . 2RC В реальных схемах генераторов для поддержания колебаний необходимо, чтобы на частоте колебаний напряжение uвых несколько отличалась от нуля. Поэтому реально мост работает с некоторым рассогласованием, когда отношение сопротивлений R1/R2 несколько отличается от 2 (более точно R1/R2>2). Схема генератора на операционном усилителе с очень простой схемой автоматической стабилизации амплитуды, которую обеспечивают диоды, представлена на рис. 13.2. Пунктиром показан усилитель, представляющий из себя ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связью (ООС) и имеющий коэффициент усиления К. С помощью частотно-зависимой RC-цепи (упрощенный мост Вина) этот усилитель охвачен цепью положительной обратной связи. 105 Рис. 13.2. Генератор на ОУ с мостом Вина и стабилизатором амплитуды на диодах На частоте f0 коэффициент передачи упрощенного моста Вина β=1/3. Для соблюдения условия баланса амплитуд необходимо, чтобы К·β≥1, т.е. R1+R2≥2R3. При практическом применении подобных генераторов нагрузку часто желательно подключать через дополнительный буферный усилительный каскад. Кварцевые генераторы. Основой генераторов составляют кварцевые резонаторы. Кварцевый генератор – это пластинка кварца, закрепленная определенным образом в кварцедержателе и представляющая собой электромеханическую колебательную систему. Эти резонаторы относятся к пьезоэлектрическим элементам, принцип действия которых основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта. При анализе схемы с кварцевым резонатором (рис. 13.3,а) его удобно заменить эквивалентной схемой (рис. 13.3,б). 106 Рис. 13.3. Схема кварцевого резонатора (а) и его эквивалентная схема (б) В эквивалентной схеме могут иметь место и параллельный, и последовательный резонанс. На практике используют оба вида резонанса. На частоте последовательного резонанса К  1 LK  C K резонатор имеет минимальное сопротивление RК. Частота параллельного резонанса 1 0  LK C K  C0 . C K  C0 В диапазоне частот между ωк и ω0 резонатор ведет себя как некоторая индуктивность. Кварцевые резонаторы характеризуются высокой стабильностью и добротностью (Qк=104 ÷ 105). Использование кварцевых резонаторов позволяет снизить относительное изменение частоты генераторов до очень малых значений (10–6 ÷ 10–9). Упрощенная схема кварцевого генератора на основе операционного усилителя при использовании последовательного резонанса (рис. 13.4). 107 Рис. 13.4. Кварцевый генератор с ОУ с последовательным резонансом На частоте последовательного резонанса в схеме имеет место сильная положительная обратная связь, что и поддерживает автоколебания. 14. Вторичные источники питания Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. На рис. 14.1 приведена структурная схема источника питания без преобразователя частоты. Рис. 14.1. Типовая схема вторичного источника питания 108 Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее). Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжений на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой. Напряжение в сети обычно может изменяться в диапазоне +15…-20 %. Для уменьшения веса и габаритов трансформатора и сглаживающего фильтра, работающих на частоте 50 Гц, используют источник питания с преобразователем частоты (рис. 14.2). Рис. 14.2. Структурная схема вторичного источника питания с преобразователем частоты В источниках электропитания такого типа напряжение от сети подается непосредственно на выпрямитель 1 и через сглаживающий фильтр 1 постоянное напряжение подается на инвертор, который вновь преобразует постоянное напряжение в переменное повышенной частоты (десятки килогерц). Трансформатор, работающий на повышенной частоте, имеет меньшие вес и габариты. Вес и габариты сглаживающего фильтра 2 также незначительны. В такой схеме инвертор выполняет роль стабилизатора напряжения. 109 Рассматриваемые источники питания широко используются в современных устройствах электроники, в частности в компьютерах. Они обладают значительно лучшими технико-экономическими показателями в сравнении с источниками без преобразования частоты. Рассмотрим основные элементы структурной схемы вторичного источника питания с преобразователем частоты. Однофазный однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, приведенную на рис. 14.3,а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 14.3,б). Основные параметры однополупериодного выпрямителя:  среднее значение выходного напряжения U ср  2  U вх  0,45  U вх , где U вх  2,22  U ср ;  среднее значение тока на нагрузке выпрямителя I ср  U ср Rн ;  коэффициент пульсаций выходного напряжения   2  1,57 . 110 б Рис. 14.3. Однополупериодная схема выпрямителя Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей (рис. 14.4,а). Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 14.4,б). 111 б Рис. 14.4. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой Основные параметры такого выпрямителя:  среднее значение выходного напряжения U ср  2  2   U 2  0,9  U 2 , где U2 – действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки, U2≈1,11·Uср; U ср I   среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ср Rн ;  коэффициент пульсаций выходного напряжения  2  0,67 . 3 Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется в технике. Недостаток – необходимость двойного количества витков во вторичной обмотке трансформатора. 112 Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 14.5,а) можно считать пределом совершенства бестрансформаторных выпрямителей. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D1 и D2, а другая – D3 и D4. а Рис. 14.5. Однофазный мостовой выпрямителя Основные параметры такого выпрямителя:  среднее значение выходного напряжения U ср  2  2   U вх  0,9  U вх , где Uвх ≈ 1,11·Uср; U ср I   среднее значение тока на нагрузке выпрямителя ср Rн ;  коэффициент пульсаций выходного напряжения  2  0,67 . 3 113 Такой выпрямитель характеризуется высокими технико- экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус. Сглаживающие фильтры. Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры – устройства, уменьшающие эти пульсации (рис. 14.6). Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания S. По определению S=ε1/ε2, причем ε1 и ε2 определяют как коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра соответственно. Рис. 14.6. Сглаживающий ёмкостной фильтр Простейшим фильтром является емкостной фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однофазного однополупериодного 114 выпрямителя (рис. 14.6). Емкостной фильтр подключается параллельно нагрузке (рис. 14.6,а). На отрезке времени t1…t2 диод открыт и конденсатор заряжается (рис. 14.6,б). На отрезке t2…t3 диод закрыт, источник входного напряжения отключен от конденсатора и нагрузки. Разряд конденсатора характеризуется экспонентой с постоянной времени τ = Rн·С. Ток через диод протекает только часть полупериода (отрезок t1…t2). Чем короче отрезок t1…t2, тем больше амплитуда тока диода при заданном среднем токе нагрузки. Если емкость С очень велика, то отрезок t1…t2 оказывается очень малым, а амплитуда тока диода очень большой, и диод может выйти из строя. Такой фильтр широко используется в маломощных выпрямителях; в мощных выпрямителях он используется редко, так как режим работы диода и соответствующих электрических цепей (к примеру, обмоток трансформатора) достаточно тяжел. На практике используют также следующие фильтров (рис. 14.7): индуктивно-емкостной или Г-образный LC-фильтр (а), Г-образный RCфильтр (б), П-образный LC-фильтр (в), П-образный RC-фильтр (г). Рис. 14.7. Схемы фильтров, применяемых в выпрямителях Обычно Г- и П-образные RC-фильтры применяются только в маломощных схемах, так как они потребляют значительную долю энергии. На практике в силовых цепях применяются другие, более сложные фильтры. 115 Инверторы – это устройства, преобразующие постоянный ток в переменный (рис. 14.8), где имеет место соотношение uc1=uc2=1/2uвх. В схеме часто используются электролитические конденсаторы большой емкости. Рис. 14.8. Инвертор на биполярных транзисторах Транзисторы работают в ключевом режиме: включаются и выключаются поочередно. На выходе схемы возникает переменное напряжение. Управляемые выпрямители позволяют регулировать выходное напряжение. Они построены на основе однополупериодных (незапираемых) тиристоров (рис. 14.9). Рис. 14.9. Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель Рис. 14.10. Временная диаграмма Включение тиристоров производится с некоторой задержкой tвкл (рис. 14.10). Угол αвкл=ω·tвкл – угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и импульсами управления. Угол αвкл называют углом управления, который может изменяться в пределах от 0 до 180°. 116 15. Цифровая и импульсная электроника Импульсный режим работы и цифровое представление преобразуемой информации. Импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и информативной электроники. Импульсный режим работы устройств информативной электроники имеет следующие два важнейших преимущества:  резко повышается помехоустойчивость, так как и при высоком уровне помех обычно не возникает проблемы отличить одно состояние схемы от другого, а именно состояние схемы определяет информацию о преобразуемом сигнале;  информация о сигнале простым и естественным образом представляется в цифровой форме, что позволяет использовать большие и все возрастающие возможности цифровой обработки информации. Импульсные сигналы. Основные термины. Обратимся для примера к идеализированному импульсу, который называют трапецеидальным (рис. 15.1,а). Рис. 15.1. Виды идеализированных импульсов Участок трапецеидального импульса АВ называют фронтом, участок ВС – вершиной, участок СD – срезом, отрезок АD – основанием. Иногда участок АВ называют передним фронтом, а участок СD – задним фронтом. 117 На рис. 15.1,б приведены другие идеализированные импульсы характерных форм и даны их названия. Более сложный по форме, приближенный к реальному, вид импульса показан на рис. 15.2,а. Рис. 15.2. Характерные параметры импульса Участок импульса, соответствующий отрицательному напряжению, называют хвостом импульса, или обратным выбросом. Для величин, указанных на рис. 15.2, обычно используют следующие названия: tи – длительность импульса; tф – длительность фронта импульса; tс – длительность среза импульса; tх – длительность хвоста импульса; Um – амплитуда (высота) импульса; 118 ΔU – спад вершины импульса; Uобр – амплитуда обратного выброса. При определении параметров реальных импульсов обычно нет возможности однозначно разделить импульс на характерные участки, поэтому в этих случаях параметры импульсов определяют исходя из тех или иных допущений. Например, длительность импульса и фронта импульса часто определяют так, как показано на рис. 15.2,б. Обратимся к периодически повторяющимся импульсам (рис. 15.3). Рис. 15.3. Периодически повторяющиеся импульсы В этом случае используют следующие параметры: Т – период повторения импульсов; f=1/T – частота повторения импульсов; tи – длительность импульса; tп – длительность паузы; Q=T/tи – скважность импульса; Кз=1/Q=tи/T – коэффициент заполнения. Цифровое представление преобразуемой информации. Для цифрового представления информации характерно полное абстрагирование от особенностей электрических процессов в электронной схеме, выполняющей обработку сигналов. 119 В устройствах цифровой электроники в большинстве случаев используется сигналы двух уровней – высокого и низкого. При этом обычно имеется в виду уровни напряжения, а не тока. Важным является не абсолютные значения амплитуд напряжений для высокого и низкого уровня, а их четко различимая разность. Изобразим диаграмму, поясняющую изложенное (рис. 15.4): Рис. 15.4. Соотношение высокого и низкого уровня сигналов На этой диаграмме, соответствующей цифровым схемам транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ), имеющей напряжение питания 5 В, укажем диапазоны напряжений для входных и выходных сигналов (заштрихованные прямоугольники). Это такие диапазоны, что сигнал, оказавшись в одном из них, безошибочно квалифицируется как сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низкому уровню сигналов ставятся в соответствие логические состояния 1 и 0. Если высокому уровню сигналов ставится в соответствие состояние 1, а низкому – состояние 0, то говорят о так называемой позитивной логике. Если высокому уровню соответствует состояние 0, а низкому – 1, то говорят о так называемой негативной логике. Транзисторные ключи Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники и очень многих устройств силовой электроники. Параметры и 120 характеристики транзисторного ключа в очень большой степени определяют свойства соответствующих схем. Ключи на биполярных транзисторах. Простейший ключ на биполярном транзисторе, включенный по схеме с общим эмиттером, и соответствующая временная диаграмма входного напряжения представлены на рис. 15.5. Рис. 15.5. Ключ на биполярном транзисторе Рассмотрим работу транзисторного ключа в установившихся режимах. До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме iк = –iб = Iко (Iко – обратный ток коллектора), iэ ≈ 0. При этом uRб ≈ uRк ≈ 0; uбэ ≈ –U2; uкэ ≈ –Ек. В промежутке времени t1…t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находится или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близким к режиму насыщения. 121 Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. 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. 122 Рис. 15.7. Цифровой ключ на полевом транзисторе На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси = Ес. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи.порог транзистора, то он открывается и напряжение uси уменьшается. Логические элементы Логический элемент (логический вентиль) – это электронная схема, выполняющая некоторую простейшую логическую операцию. На рис. 10.8 123 приведены примеры условных графических обозначений некоторых логических элементов. Рис. 15.8. Логические элементы Логический интегральной элемент схемы. может Часто быть реализован интегральная схема в виде отдельной содержит несколько логических элементов. Логические элементы используются в устройствах цифровой электроники (логических устройствах) для выполнения простого преобразования логических сигналов. Классификация логических элементов. Выделяются следующие классы логических элементов (так называемые логики):  резисторно-транзисторная логика (ТРЛ);  диодно-транзисторная логика (ДТЛ);  транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);  эмиттерно-транзисторная логика (ЭСЛ);  транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ);  логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа р (р-МДП);  логика на основе МОП-транзисторов с каналами типа n (n-МДП);  логика на основе комплементарных ключей на МДП-транзисторах (КМДП, КМОП);  интегральная инжекционная логика И2Л;  логика на основе полупроводника из арсенида галлия GaAs. В настоящее время наиболее широко используются следующие логики: ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, ЭСЛ. Логические элементы и другие цифровые электронные устройства выпускаются в составе серий микросхем: ТТЛ – К155, 124 КМ155, К133, КМ133; ТТЛШ – 530, КР531, КМ531, КР1531, 533, К555, Км555, 1533, КР1533; ЭСЛ – 100, К500, К1500; КМОП – 564, К561, 1564, КР1554; GaAs – К6500. Наиболее важные параметры логических элементов:  Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигнала tзр и максимальной рабочей частотой Fмакс. Время задержки принято определять по перепадам уровней 0,5Uвх и 0,5ΔUвых. Максимальная рабочая частота Fмакс – это частота, при которой сохраняется работоспособность схемы.  Нагрузочная способность характеризуется коэффициентом объединения по входу Коб (иногда используют термин «коэффициент объединения по выходу»). Величина Коб – это число логических входов, величина Краз – максимальное число однотипных логических элементов, которые могут быть подключены к выходу данного логического элемента. Типичные значения их таковы: Коб =2…8, Краз=4…10. Для элементов с повышенной нагрузочной способностью Краз=20…30.  Помехоустойчивость напряжением Uпст, в статическом которое режиме называется характеризуется статической помехоустойчивостью. Это такое максимально допустимое напряжение статической помехи на входе, при котором еще не происходит изменение выходных уровней логического элемента.  Мощность, потребляемая микросхемой от источника питания. Если эта мощность различна для двух логических состояний, то часто указывают среднюю потребляемую мощность для этих состояний.  Напряжение питания.  Входные пороговые напряжения высокого и низкого уровня Uвх.1порог и Uвх.0порог, соответствующие изменению состояния логического элемента.  Выходные напряжения высокого и низкого уровней Uвых1 и Uвых0. Используются и другие параметры. 125 Особенности логических элементов различных логик. Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла – базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.  Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 15.9). Рис. 15.9. Базовый элемент ТТЛ Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмитттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т2 закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т4, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения. Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т.е. реализуется функция И-НЕ. Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами или транзисторами Шоттки.  Базовый логический элемент ТТЛШ (на примере серии К555). В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ (рис. 15.10,а), а на рис. 15.10,б показано графическое изображение транзистора Шоттки. 126 Рис. 15.10. Логический элемент ТТЛШ Транзистор VT4 – обычный биполярный транзистор. Если оба входных напряжения uвх1 и uвх2 имеют высокий уровень, то диоды VD3 и VD4 закрыты, транзисторы VT1, VT5 открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT1 и VT5 закрыты, а транзисторы VT3 и VT4 открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:  напряжение питания +5 В;  выходное напряжение низкого уровня не более 0,4 В;  выходное напряжение высокого уровня не менее 2,5 В;  помехоустойчивость – не менее 0,3 В;  среднее время задержки распространения сигнала 20 нс;  максимальная рабочая частота 25 МГц. 127 Особенности других логик. Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ, схема которого подобна схеме дифференциального усилителя. Микросхема ЭСЛ питается отрицательным напряжением (–4 В для серии К1500). Транзисторы этой микросхемы не входят в режим насыщения, что является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ. В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналами и динамической нагрузкой и на МОПтранзисторах с p-каналом. Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП-логические элементы (КМДП или КМОП-логика). Логика на характеризуется основе полупроводника наиболее высоким из арсенида быстродействием, галлия что GaAs является следствием высокой подвижности электронов (в 3…6 раз больше по сравнению с кремнием). Микросхемы на основе GaAs могут работать на частотах порядка 10 ГГц. 16. Комбинационные цифровые устройства Логические устройства разделяют на два класса: комбинационные и последовательностные. Устройство называют комбинационным, если его выходные сигналы в некоторый момент времени однозначно определяются входными сигналами, имеющими место в этот момент времени. Иначе автоматом устройство (цифровым называют последовательностным автоматом, автоматом с или конечным памятью). В последовательностных устройствах обязательно имеются элементы памяти. Выходные сигналы последовательностных устройств определяются не только сигналами, имеющимися на входах в данный момент времени, но и состоянием элементов памяти. Таким образом, реакция последовательностного устройства на определенные входные сигналы зависит от предыстории его работы. 128 Шифратор – это комбинационное устройство, преобразующее десятичные числа в двоичную систему счисления, причем каждому входу может быть поставлено в соответствие десятичное число, а набор выходных логических сигналов соответствует определенному двоичному коду. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением n=2m, где n – число входов, m – число выходов. Шифратор для преобразования десятиразрядного единичного кода (десятичных чисел от 0 до 9) в двоичный код. Условное изображение такого шифратора и таблица соответствия кода приведены на рис. 11.1. Используя данную таблицу соответствия, запишем логические выражения, включая в логическую сумму те входные переменные, которые соответствуют единице некоторой выходной переменной. Так, на выходе y1 будет логическая «1» тогда, когда логическая «1» будет или на входе Х1, или Х2, или Х5, или Х7, или Х9, т.е. у1=Х1+Х3+Х5+Х7+Х9. Рис. 16.1. Схема шифратора и таблица соответствия кода Представим на рис. 16.2 схему такого шифратора, используя элементы ИЛИ. 129 Рис. 16.2. Шифратор на логических элементах ИЛИ Если на всех входах – логическая единица, то на всех выводах также логическая единица, что соответствует числу 0 в так называемом инверсном коде (1111). Если хотя бы на одном входе имеется логический ноль, то состояние выходных сигналов определяется наибольшим номером входа, на котором имеется логический ноль, и не зависит от сигналов на входах, имеющих меньший номер. Основное назначение шифратора – преобразование номера источника сигнала в код (например, номера нажатой кнопки некоторой клавиатуры). Дешифратором называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сигнал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответствует двоичному колу. Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе связано соотношением m=2n, где n – число входов, а m – число выходов. Если в работе дешифратора используется неполное число выходов, то такой дешифратор называется неполным. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 16 выходов, будет неполным, а если бы выходов было только 10, то он являлся бы полным. Обратимся для примера к дешифратору К555ИД6 серии К555 (рис. 16.3). 130 Рис. 16.3. Схема дешифратора Дешифратор имеет 4 прямых входа, обозначенных через А1, …, А8. Аббревиатура А обозначает «адрес». Указанные входы называют адресным. Цифры определяют значения активного уровня (единицы) в соответствующем разряде двоичного числа. Дешифратор имеет 10 инверсных выходов Y 0,..., Y 9 . Цифры определяют десятичное число, соответствующее заданному двоичному числу на входах. Дешифратор – одно из широко используемых логических устройств. Его применяют для Шифраторы и построения различных дешифраторы комбинационных являются примерами устройств. простейших преобразователей кодов. Преобразователями кодов называют устройства, предназначенные для преобразования одного кода в другой, при этом часто они выполняют нестандартные преобразования кодов. Преобразователи кодов обозначают через X/Y. Рассмотрим особенности реализации преобразователя преобразователя трехэлементного кода в пятиэлементный соответствия кодов, приведенной на рис. 16.4. 131 на примере по таблице Рис. 16.4. Таблица соответствия кодов для преобразователя кодов Здесь через N обозначено десятичное число, соответствующее входному двоичному коду. Преобразователи кодов создают по схеме дешифратор – шифратор. Дешифратор преобразует входной код в некоторое десятичное число, а затем шифратор формирует выходной код. Схема преобразователя, созданного по такому принципу, приведена на рис. 16.5. Рис. 16.5. Схема преобразователя кодов Мультиплексором называют комбинационное устройство, обеспечивающее передачу в желаемом порядке цифровой информации, поступающей по нескольким входам на один выход. Мультиплексоры обозначают через MUX, а также через MS. Функционально мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют информационными) к одному выходу устройства. Кроме информационных входов в мультиплексоре имеются 132 адресные входы и разрешающие (стробирующие). Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных входов n и числом адресных входов m действует соотношение n=2m, то такой мультиплексор называют полным. Если n<2m, то мультиплексор называют неполным. Рассмотрим функционирование двухвходового мультиплексора (2→1), который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов Х 1, Х2 и выхода Y приведено в таблице (рис. 16.6). Рис. 16.6. Двухвходовый мультиплексор Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение: Y  X1  A  X 2  A . На рис. 16.7 показаны реализация такого устройства и его условное графическое обозначение. Основой данной схемы является являются две схемы совпадения на элементах И, которые при логическом уровне «1» на одном из своих входов повторяют на выходе то, что есть на другом входе. Рис. 16.7. Реализация двухвходового мультиплексора на логических элементах И 133 Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использовать в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах, для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный и др. Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS. Рис. 16.8. Функциональная схема демультиплексора с двумя выходами Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n=2m, то такой демультипликатор называют полным, при n<2m демультиплексор является неполным. Рассмотрим функционирование демультипликатора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов приведено в таблице Y1  X  A; Y2  X  A , (рис. 16.8). Из этой таблицы следует: т.е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 16.9. 134 Рис. 16.9. Реализация демультиплексора с двумя выходами на логических элементах И Функции Дешифратор демультиплексоров можно сходны рассматривать как с функциями дешифраторов. демультиплексор, информационный вход поддерживает напряжение у которого выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы – ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИД3, К531ИД7 и др. Сумматоры – это комбинационные устройства для сложения чисел. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отразим значения входных чисел А и В, значение результата суммирования S и значение переноса в старший разряд P (рис. 16.10). Работа устройства, реализующего таблицу истинности, описывается следующими уравнениями: S  A  B  A  B; P  A  B . Очевидно, что по отношению к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т.е. S=A  B. 135 Рис. 16.10. Таблица истинности Устройство, реализующее таблицу (рис. 16.10), называют полусумматором, и оно имеет логическую структуру, изображенную на рис. 16.11. Поскольку полусумматор имеет только два входа, он может использоваться для суммирования лишь в младшем разряде. Рис. 16.11. Схема полусумматора При суммировании двух многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего) необходимо использовать устройство, дополнительный вход переноса. Рис. 16.12. Схема полного сумматора 136 имеющее Такое устройство (рис. 16.12) называют полным сумматором и его можно представить как объединение двух полусумматоров (Рвх – дополнительный вход переноса). Сумматор обозначают через SM. Последовательностные цифровые устройства Триггер – простейшее последовательностное устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств. Триггеры классифицируют по следующим признакам:  способу приема информации;  принципу построения;  функциональным возможностям. Различают асинхронные и синхронные триггеры. Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала. Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на входе синхронизации С (строб). По функциональным возможностям триггеры разделяются на следующие классы:  с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS – триггеры);  универсальные (JK – триггеры);  с приемом информации по одному входу D (D – триггеры, или триггеры задержки);  со счетным входом Т (Т-триггеры). Входы триггеров обычно обозначают следующим образом: S – вход для установки состояния «1»; R – вход для установки состояния «0»; J – вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере; 137 К – вход для установки в состояние «0» в универсальном триггере; Т – счетный (общий) вход; D – вход для установки в состояние «1» или в состояние «0»; V – дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V). Рассмотрим асинхронный RS-триггер, имеющий условное графическое обозначение, приведенное на рис. 16.13. Триггер имеет два информационных входа: S и R. Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов (таблицей истинности) (рис. 16.14). Через St, Rt, Qt обозначены соответствующие логические сигналы, имеющие место в некоторый момент времени t, а через Qt+1 – выходной сигнал в следующий момент времени t+1. Рис. 16.13. RS-триггер Рис. 16.14. Таблица истинности Комбинацию входных сигналов St=1, Rt=1 часто называют запрещенной, так как после нее триггер оказывается в состоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозможно. Подобных ситуаций следует избегать. Рассмотренный триггер может быть реализован на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 16.15). Микросхема К564ТР2 содержит 4 асинхронных RS-триггера и один управляющий вход (рис. 16.16). При подаче на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются от выводов микросхем и переходят в третье, так называемое высокоимпедансное, состояние. При подаче на вход V логического сигнала «1» триггеры работают в соответствии с таблицей истинности (рис. 16.14). 138 Рис. 16.15. Триггер на элементах ИЛИ-НЕ Рис. 16.16. Микросхема К564ТР2 Счетчики импульсов – это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика – модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначаются через СТ. Счетчики классифицируют: по модулю счета:  двоично-десятичные;  двоичные;  с произвольным постоянным модулем счета;  с переменным модулем счета; по направлению счета:  суммирующие;  вычитающие;  реверсивные; по способу формирования внутренних связей:  с последующим переносом; 139  с параллельным переносом;  с комбинированным переносом;  кольцевые. Рис. 16.17. Суммирующий счетчик на JK –триггерах Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 16.17,а). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» переключаются в моменты появления на входах синхронизации отрицательных перепадов напряжения. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика, приведены на рис. 16.17,б. Через Ксн обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого – старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения. Таким образом, данный счетчик реализует суммирование входных 140 импульсов. Из временных диаграмм (рис. 16.17,б) видно, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т.е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты. Регистр – это последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами. Типичными является следующие операции:  прием слова в регистр;  передача слова из регистра;  поразрядные логические операции;  сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;  преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;  установка регистра в начальное состояние (сброс). Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединенных друг с комбинационных цифровых устройств. Регистры классифицируются по следующим видам:  накопительные (регистры памяти, хранения);  сдвигающие. В свою очередь сдвигающие регистры делятся:  по способу ввода-вывода информации на – параллельные; – последовательные; – комбинированные; 141 другом при помощи  по направлению передачи информации на – однонаправленные; – реверсивные. Рассмотрим накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации (рис. 16.18). Основой регистра являются D-триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на входах Х1 – Х4 (информационные синхронизации входы) (т.е. при логическом осуществляется сигнале параллельный 1 на ввод входе входной информации в регистр). Рис. 16.18. Накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации На четырех двухвходовых элементах «И» реализованы схемы совпадения, входные сигналы которых совпадают с выходными сигналами триггеров в том случае, когда на вход Y2 подана логическая единица. Таким образом осуществляется параллельный вывод информации. В качестве примера рассмотрим микросхему регистра К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы внутренних и выходных состояний (рис. 16.19). 142 Рис. 16.19. Микросхема регистра К155ИР15 17. Цифровые запоминающие устройства Цифровыми запоминающими называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде. Запоминающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению, технологии изготовления, способу адресации, способу хранения информации и т.д. По назначению запоминающие устройства подразделяют на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства 143 (ПЗУ). ОЗУ обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе ее обработки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации. По технологии изготовления ЗУ делятся на биполярные (ТТЛ-, ТТЛШ-, ЭСЛ-, И2Л-технологии) и униполярные (n-МОП, КМОП- и другие технологии). По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение к элементам памяти производится в соответствии с их адресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание информации осуществляется по ее содержанию и не зависит от физических координат элементов памяти. Ассоциативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов. К основным параметрам ЗУ относятся информационная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие и др. Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопитель), которая состоит из n строк. Каждая строка имеет m ячеек памяти, образующих m-разрядное слово. Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) подразделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер на биполярных или полевых транзисторах, что определяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность считывания информации без ее разрушения. ОЗУ динамического типа позволяют реализовать большой объем памяти, но они сложнее в использовании, так как необходимо наличие специальной схемы управления режимами работы. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы регенерации и синхронизации. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не отличаются от статических ОЗУ. Рассмотрим в качестве примера некоторые микросхемы ОЗУ (рис. 17.1). 144 Рис. 17.1. Микросхемы ОЗУ Выводы микросхем имеют следующие обозначения: CS – выбор микросхемы, Ai – адресные входы, DIi – информационные входы, DOi – информационные выходы, W/R – разрешение записи/считывания, RAS – строб адреса строки, CAS – строб адреса столбца, CE –сигнал разрешения. Микросхема К155РУ2 – это статическое ОЗУ с открытым коллекторным выходом – выполнена на основе ТТЛ-структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16×4, т.е. может хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое. Микросхема К537РУ8 – это статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет двунаправленную 8-разрядную шину данных, которая используется и для записи, и для считывания информации. Микросхема К565РУ5 – это динамическое ОЗУ на основе n-МОПструктурами, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64К×1. Шина адреса работает в мультиплексном режиме. 145 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) можно разделить на следующие группы:  программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);  с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначаются как ППЗУ или PROM);  перепрограммируемые (репрограммируемые), с возможностью многократного электрического перепрограммирования, с электрическим или ультрафиолетовым стиранием информации (обозначают как РПЗУ или RPROM). Приведем некоторые характеристики ПЗУ (табл. 17.1). Таблица 17.1 Промышленность выпускает большое количество микросхем ПЗУ. Приведем для примера две микросхемы ПЗУ (рис. 17.2). На схемах использованы следующие обозначения: Ai – адресные входы; Di информационные выходы; CS – выбор микросхемы; CE – разрешение входа. 146 – Рис. 17.2. Микросхемы ПЗУ Микросхема К573РФ5 – это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2К×8. По входу и выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-структурами. Микросхема К556РТ5 – это однократно программируемая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512 бит×8. 18. Устройства для формирования и аналого-цифрового преобразования сигналов Односторонний амплитудный ограничитель – это устройство, напряжение на выходе которого Uвых(t) остается на постоянном уровне Uогр, когда входное напряжение Uвх(t) либо превышает некоторое пороговое значение Uпор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного. Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях. Наиболее простыми являются ограничители на диодах (диодные ограничители). Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных – параллельно нагрузке. 147 Рис. 18.1. Последовательный диодный ограничитель Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя (рис. 18.1). До тех пор пока входное напряжение меньше E0, диод закрыт и Uвых равно Е0. В промежутках времени, когда входное напряжение превышает E0, диод открыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу. Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 18.2. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из резисторов R1 или R2 переменным. 148 Рис. 18.2. Реальная схема последовательного диодного ограничителя Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя (рис. 18.3). Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем E0, диод открыт и Uвых равно Е. Во все остальные моменты времени диод закрыт и Uвых повторяет Uвх. ограничитель является параллельным Таким образом, данный диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу. Рис. 18.3. Параллельный диодный ограничитель Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ. На рис. 18.4,а приведена схема одностороннего ограничителя на 149 основе ОУ, на рис. 18.4,б – передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 18.4,в – временные диаграммы его работы. Рис. 18.4. Ограничитель амплитуды на ОУ Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени, когда напряжение Uвых отрицательное или меньше, чем Uст+Uд, диод закрыт и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Uд – прямое падение напряжения на диоде). В промежутках времени, когда напряжение Uвх выше уровня Uст+Uд, диод закрыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение Uвых ограничивается на уровне Uст+Uд. Входное напряжение U1, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением 150 U1  U cn  U д  / K , где К=R2/R1. Цифроаналоговые преобразователи Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большие расстояния или хранения (таким сигналов, в частности, может быть звук). К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность , время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст – интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования. ЦАП является «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП. На рис. 18.5 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов. Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1…S4 (при этом uвых=0). U0 – опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа. По существу этот ЦАП – инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Если замкнут один ключ S1, то u вых  U 0 Rос , что соответствует единице в первом и нулям в R остальных разрядах. Модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1…S4. Токи ключей S1…S4 суммируются в точке «а» причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы. 151 Рис. 18.5. ЦАП с суммированием токов На рис. 18.6 приведена схема ЦАП на основе резистивной матрице R – 2R (матрицы постоянного сопротивления. Рис. 18.6. ЦАП на основе резистивной матрицы В схеме использованы так называемые перекидные ключи S1…S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1…S4 подключены к общей точке. Тогда напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «а»…«d» в 2 раза больше, чем в 152 предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжение Ua, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом: Ud=U0; Uc=U0/2; Ud=U0/4; Ua=U0/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «а»…«d» не изменится, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое. На рис. 18.7 приведена схема ЦАП для преобразования двоичнодесятичных чисел. Рис. 18.7. ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R - 2R (обозначены прямоугольниками). Z0…Z3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R – 2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы равно R. На  выходе ЦАП получим  uвых  U 0  10 3 10 3  Z 3  10 2  Z 2  10  Z1  Z 0 . Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 18.1 приведены параметры некоторых из них. 153 Таблица 18.1 Аналого-цифровые преобразователи Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т.е. определенными мгновенные значения уровнями, аналогового называемыми сигнала уровнями ограничить квантования. Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 18.8. Рис. 18.8. Квантование аналогового сигнала Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т.е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h – шаг квантования). 154 К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210=1024)-1, т.е. при шкале АЦП, соответствующей 10 В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования tпр – интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода. Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования. Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала (рис. 18.9). По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной. Например, если Uвх>3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах кодирующего преобразователя (КП) кода 010. Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью (рис. 18.10). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. 155 Рис. 18.9. АЦП с параллельным преобразованием Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП – U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого отсчета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению. 156 Рис. 18.10. АЦП с последовательным преобразование входного сигнала Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП времяимпульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения – ГЛИН) (рис. 18.11). Рис. 18.11. Последовательное АЦП с время-импульсным преобразованием Принцип действия рассматриваемого АЦП основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Используются следующие обозначения: СС – схема 157 сравнения; ГИ – генератор импульсов; Кл – электронный ключ; Сч – счетчик импульсов. Отмеченный на временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 – равенству входного напряжения и текущего напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и UГЛИН. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие. Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 18.2). Таблица 18.2 Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшими – АЦП последовательного преобразования. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения. Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и синхронизации. 158 В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала. Генераторы прямоугольных импульсов делятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах. Автоколебательные мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рис. 18.12. Рис. 18.12 . Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ В данной схеме с помощью резисторов R1 и R2 введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Епит, либо –Епит, где Епит – напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжение U+1, или напряжение U+2. Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, 159 перезаряжается с постоянной времени τ=RC. Период следования импульсов Т определяется выражением  R  T  2 RC ln 1  2 2  . R1   Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения. Блокинг-генераторы используют для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор (рис. 18.13). Рис. 18.13. Автоколебательный блокинг-генератор Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или в режиме синхронизации. Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи E–R–W2 с постоянной времени τ1=RC. В момент времени, когда напряжение на 160 конденсаторе С (и, следовательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатора W2), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепи W2–C – входное сопротивление транзистора rвх с постоянной времени τ2=rвх·С. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце заряда транзистор выходит из насыщения и закрывается. После этого энергия, запасенная в индуктивности, разряжается на нагрузку. Так как rвх<