Физические основы электроники; диоды, транзисторы, тиристоры, микросхемы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА» ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ (Конспект лекций) Нижний Новгород 2020 1 Оглавление ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 5 ГЛАВА 1. Полупроводниковые диоды ............................................................ 8 1.1. Краткие сведения из физики полупроводников. Принцип работы диода ................................................................................ 8 1.2. Вольт-амперная характеристика диода .................................... 13 1.3. Выпрямительные диоды ............................................................ 16 1.4. Высокочастотные диоды ........................................................... 18 1.5. Импульсные диоды .................................................................... 18 1.6. Стабилитроны и стабисторы ..................................................... 18 ГЛАВА 2. Биполярные транзисторы .............................................................. 19 2.1. Общие принципы работы .......................................................... 19 2.2. Основные параметры транзистора............................................ 22 2.3. Схемы включения транзисторов ............................................... 25 2.3.1. Схема с общим эмиттером ............................................. 25 2.3.2. Ключевой режим работы биполярного транзистора ... 27 2.3.3. Усилительный режим работы транзистора. Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме...................................................... 29 2.3.4. Понятие о классах усиления усилительных каскадов . 35 2.3.5. Схема включения транзистора с общим коллектором 39 2.3.6. Схема с общей базой ....................................................... 40 ГЛАВА 3. Полевые транзисторы .................................................................... 41 3.1. Полевой транзистор с p-n переходом ....................................... 41 3.1.1. Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа ............ 43 3.1.2. Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом ............................................................................................ 45 3.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором ................. 46 3.2.1. Входные и выходные характеристики МОП транзистора с встроенным каналом n -типа (КП 305).. 47 3.2.2. МОП - транзисторы с индуцированным каналом ........ 48 3.2.3. Крутизна стокозатворной характеристики S ................ 50 2 3.2.4. Особенности полевых МОП транзисторов ................... 51 3.2.5. Ключ на КМОП - транзисторах с индуцированным каналом .............................................................................. 51 3.2.6. Переключатели аналоговых сигналов ........................... 54 3.3. Охлаждение полупроводниковых приборов ........................... 57 ГЛАВА 4. Тиристоры....................................................................................... 58 4.1. Принцип работы тиристора ....................................................... 58 4.2. Основные параметры тиристоров ............................................. 59 4.3. Двухполупериодный управляемый выпрямитель................... 61 4.4. Регулятор переменного напряжения ........................................ 62 4.5. Схема на тиристоре для определения порядка чередования фаз ......................................................................... 63 ГЛАВА 5. Интегральные микросхемы........................................................... 66 5.1. Общие положения ...................................................................... 66 5.2. Аналоговые микросхемы. Операционные усилители ............ 66 5.2.1. Свойства ОУ..................................................................... 67 5.2.2. Основы схемотехники ОУ .............................................. 67 5.2.3. Параметры операционных усилителей ......................... 71 5.2.4. Основные схемы включения ОУ ................................... 72 5.2.5. Активные фильтры .......................................................... 75 5.2.6. Неинвертирующее включение ОУ ................................ 76 5.2.7. Ограничители сигналов на ОУ....................................... 77 5.2.8. Схема прецизионного выпрямителя .............................. 78 5.2.9. Компараторы .................................................................... 79 5.2.9. Триггер Шмитта на ОУ ................................................... 82 ГЛАВА 6. Цифровые интегральные микросхемы ........................................ 85 6.1. Общие понятия ........................................................................... 85 6.2. Основные свойства логических функций ................................ 85 6.3. Основные логические законы ................................................... 86 6.4. Функционально полная система логических элементов ........ 86 6.5. Обозначения, типы логических микросхем и структура ТТЛ .............................................................................................. 87 3 6.6. Синтез комбинационных логических схем ............................. 89 6.6.1. Методы минимизации логических функций ................ 91 6.6.2. Примеры минимизации, записи функции и реализации ............................................................................................ 94 6.7. Интегральные триггеры ............................................................. 97 6.7.1. RS асинхронный триггер ................................................ 97 6.7.2. Асинхронный D - триггер ............................................... 99 6.7.3. Синхронный D - триггер со статическим управлением .......................................................................................... 100 6.7.4. Синхронный D - триггер с динамическим управлением .......................................................................................... 101 6.7.5. Синхронный JK - триггер ............................................. 102 6.7.6. T - триггер ...................................................................... 103 6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров ...................... 104 6.8. Мультиплексоры и демультиплексоры .................................. 106 6.9. Дешифраторы............................................................................ 107 6.10. Двоичные счетчики-делители ............................................... 108 6.11. Регистры .................................................................................. 111 ГЛАВА 7. Элементы оптоэлектроники........................................................ 113 ГЛАВА 8. Практические занятия ................................................................. 115 8.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления ......... 115 8.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления ......... 117 8.3. Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя при прямоугольном питающем напряжении ........................ 118 8.4. Стабилизатор напряжения на стабилитроне ......................... 119 8.5. Схема триггера на биполярных транзисторах ....................... 121 8.6. Мультивибратор на транзисторах .......................................... 123 8.7. Ждущий одновибратор на транзисторах ............................... 124 8.8. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) ......................... 125 8.9. Функциональные преобразователи с нелинейным коэффициентом усиления ....................................................... 129 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................ 136 4 ВВЕДЕНИЕ Электроника – это область науки и техники, которая занимается изучением физических основ функционирования, исследованием, и применением приборов, принцип действия которых основан на протекании электрического тока в вакууме, газе, в твердом теле. Такими приборами являются: электронные приборы (ток в вакууме), ионные приборы (ток в газе), полупроводниковые приборы. В настоящее время наиболее распространены полупроводниковые приборы. Часть электроники, которая занимается вопросами применения различных приборов, называется промышленной электроникой. Она разделяется на два направления: 1. Информационная электроника – занимается вопросами управления различными процессами. К устройствам информационной электроники относятся: аналоговые усилители и преобразователи сигналов, генераторы сигналов, оптоэлектронные устройства, логические элементы, цифровые устройства, микропроцессорные системы. Они предназначены для измерения, обработки, передачи, хранения и отображения информации. 2. Энергетическая (силовая) электроника – занимается преобразованием параметров электроэнергии. К устройствам энергетической электроники относятся: выпрямители, инверторы, преобразователи частоты, регуляторы напряжения. В качестве примера на рис. 1 показана структура электропривода с АД, где устройство управления УУ и система датчиков Д относятся к устройствам информационной электроники, а полупроводниковый преобразователь электроэнергии ПП - к устройствам энергетической электроники. Рис. 1. Структура электропривода с АД 5 Начало развития электроники можно отнести к началу 20 века, когда в 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу (диод). В 1906 г. американец Л. Форест, введя в диод управляющий электрод, получил триод, способный усиливать и генерировать электрические колебания. В России первую электронную лампу создал в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В 30-х годах началось активное изучение полупроводниковых материалов с целью их использования в электронике. Большой вклад в решение этой проблемы внесли теоретические работы советских физиков, возглавляемых академиком А.Ф. Иоффе. В 1947 г. американскими учеными был изобретен первый полупроводниковый усилительный прибор – биполярный транзистор. Авторами этого замечательного изобретения стали американские физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн. В 1956 году все три американца были удостоены Нобелевской премии в области физики. Аналогичные приборы несколько позже разработали советские ученые А.В. Красилов и С.Г. Мадоян. Обладая существенными преимуществами по сравнению с электронными лампами, транзисторы обусловили бурное развитие полупроводниковой электроники. Применение транзисторов в сочетании с печатным монтажом позволило получить малогабаритные электронные устройства с относительно малым потреблением электроэнергии. В 1957 г. фирмой General Electric был создан тиристор. В 1958 г. появился первый полевой транзистор. Дальнейший скачок в развитии электроники стал возможен с появлением интегральных микроэлектроных схем. Первая интегральная микросхема была анонсирована в 1958 г. американцем Джек Килби – инженер из Texas Instruments. Интегральная микросхема (ИС) – это электронное устройство, элементы которого изготовляются в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на едином основании - подложке. Промышленный выпуск ИС был начат в начале 60-х годов. Первая цифровая интегральная микросхема ТТЛ-логики появилась в 1961 г., первый интегральный операционный усилитель был разработан в 1964 г. двадцатичетырехлетним американским ученым Р. Видларом (спустя два года после окончания университета, где он получил степень бакалавра). В этом же году был выпущен ОУ μА709, который быстро завоевал симпатии разработчиков и стал широко использоваться в серийной аппаратуре. В конце 60-х годов появились более совершенные ОУ второго поколения: μА741 (отечественный аналог К140УД7), LM101 и многие другие. В 1972 году только в США было продано более 50 млн. интегральных ОУ. Все это способствовало бурному прогрессу в развитии информаци6 онной электроники и микроминиатюризации электронных устройств. Эти тенденции получили еще большее развитие с появлением больших (БИС – 1969 г.), а затем и сверхбольших (СБИС – 1975 г.) интегральных микросхем, которые позволили разработать и внедрить во все сферы деятельности человека микроЭВМ. Основным элементом в таких ЭВМ стал микропроцессор – СБИС, содержащая десятки и сотни тысяч элементов на одном кристалле. Первый четырехразрядный микропроцессор был изготовлен фирмой Intel в 1971 г., а на следующий год - восьмиразрядный. В настоящее время интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые приборы стали основной элементной базой современных устройств промышленной электроники. Совместно с ними применяются резисторы, конденсаторы, дроссели. . 7 ГЛАВА 1. Полупроводниковые диоды 1.1. Краткие сведения из физики полупроводников. Принцип работы диода Полупроводниковые вещества имеют кристаллическую структуру. Во всех твердых веществах атомы неподвижны, т.к. закреплены в узлах кристаллической решетки. К таким веществам относятся четырехвалентные полупроводниковые элементы: германий Ge, кремний Si, селен Se и некоторые химические соединения (например, арсенид галия GaAs). Полупроводники, которые не содержат чужеродных атомов, называются беспримесными или собственными полупроводниками. В собственных полупроводниках при комнатной температуре под действием тепла возможна очень малая проводимость этих материалов (т.к. создается и поддерживается относительно невысокая, взаиморавная концентрация электронов проводимости и дырок; концентрация – это количество зарядов в единице объема). Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона. Чтобы полупроводниковый элемент был пригоден для создания электронного устройства, в него необходимо добавить примесь. Введением в полупроводник соответствующей примеси, т.е. легированием, можно резко увеличить его электропроводность. Примесь обычно вводят с концентрацией N=1014-1017 в см3, что существенно превышает концентрацию электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике. При такой концентрации примеси один примесный атом приходится на 106-108 атомов основного вещества, содержащего в 1 см3 около 1023 атомов. Т.е. примеси составляют примерно 1/10 млн долю вещества. Существует два типа полупроводников c примесями: n–типа и p– типа. Для получения полупроводника n–типа в него добавляют пятивалентный химический элемент, например, мышьяк As, фосфор Р, сурьму Sb и т.д. При этом пятивалентные атомы примеси, располагаясь в узлах кристаллической решетки основного вещества, обеспечивают (насыщают) четыре валентные связи, пятый же валентный электрон, являясь лишним в структуре ковалентных связей кристалла, оказываются относительно слабо связанным с соответствующим узлом. Поэтому под действием тепла этот электрон примесного атома отрывается от него и становится электроном проводимости, а сам пятивалентный атом превращается в положительно заряженный ион, который из-за сильных валентных связей с соседними атомами не может свободно перемещаться по кристаллу и быть переносчиком электрического заряда. Положительный ион – это атом, потерявший электрон. Однако, в целом кристалл остается нейтральным, 8 так как положительно заряженные ионы полностью уравновешиваются отрицательными зарядами электронов проводимости. Такая примесь называется донорной. При введении такой примеси концентрация электронов проводимости в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает электронный характер (электропроводность n-типа). В обычных температурных условиях практически все примесные атомы ионизируются, поэтому в равновесном состоянии полупроводника концентрация электронов проводимости примерно равна концентрации примеси. Наряду с ионизацией доноров, поставляющих электроны проводимости, в кристалле происходит термогенерация пар носителей зарядов: электронов проводимости и дырок. Но дырки в среде с повышенной концентрацией электронов проводимости интенсивно рекомбинируют с ними, поэтому их время жизни, а соответственно и их концентрация оказываются много меньше, чем в собственном полупроводнике. Электроны проводимости в полупроводнике n-типа принято называть основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда. Если в качестве примеси взять трехвалентный химический элемент, например, индий In, галлий Ga, алюминий Al, бор В и т.д., то трехвалентный атом, располагаясь в узле кристаллической решетки, сможет установить (обеспечить) лишь три ковалентные связи с соседними атомами. Отсутствующая четвертая валентная связь у трехвалентного атома, расположенного в узле кристаллической решетки, относительно легко может быть заполнена общим валентным электроном соседней пары атомов. Трехвалентный примесный атом, захвативший дополнительный (четвертый) валентный электрон, превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион, а у соседней пары атомов, потерявших один валентный электрон, возникает дырка. Отрицательный ион – это атом, получивший электрон. В дальнейшем дырка под действием тепла, путем последовательного перемещения валентных электронов, начинает хаотически блуждать по всему кристаллу, становясь подвижным носителем положительного заряда. Такая примесь называется акцепторной. При введении такой примеси концентрация дырок в кристалле возрастает и его электропроводность приобретает дырочный характер (электропроводность р-типа). При обычных температурах почти все примесные атомы ионизируются. В данном случае основными носителями заряда являются дырки. А неосновными – электроны проводимости, возникающие вследствие процесса термогенерации. Электропроводность полупроводника, обусловленная примесями, 9 называется примесной электропроводностью. Т.о. в полупроводниках n–типа ток переносят отрицательно заряженные частицы – электроны, а в полупроводниках p–типа – положительно заряженные частицы – дырки. Перемещение дырок – это перемещение мест с отсутствующими электронами в результате движения электронов. Основой полупроводникового диода является двухслойная структура, созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую – акцепторная (p- область). Структура полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис.1.1. Рис. 1.1. Структура полупроводникового диода Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется. p-n переходом. В приграничных областях двух полупроводниковых сред с различным типом проводимости происходит диффузионное перемещение (взаимопроникновение) подвижных носителей зарядов. Дырки диффундируют из p-области, где их много, в n-область, где их относительно мало, а электроны проводимости, наоборот, из n-области в pобласть. Из-за встречной диффузии через p-n переход дырок (из р- в nобласть) и электронов (из n- в р- область) в тонком слое вблизи p-n перехода происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов (дырки заполняются электронами). В результате между р- и n- областями образуется так называемый обедненный слой, который имеет очень мало свободных носителей заряда. Обедненный слой, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор. Примечание: толщина p-n перехода зависит от концентрации при10 месей в р- и n-областях (при несимметричном p-n переходе, когда концентрация примеси в одной из областей больше, чем в другой, обедненный слой практически располагается в области с малой концентрацией примеси). Как только электроны покидают n- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть свободные электроны обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Точно также, когда дырки покидают p- область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов, который будет тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону р-n перехода. Эти равные по абсолютной величине заряды неподвижных ионов примесей оказываются не скомпенсированы и создадут по обе стороны p-n перехода область объемного заряда – рис. 1.1. Этот объемный заряд образует потенциальный барьер. Потенциальный барьер затрудняет диффузию основных носителей. Энергия носителей зарядов оказывается недостаточной, чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается. Однако, потенциальный барьер создает благоприятные условия для перехода неосновных носителей из одной области в другую. Так, некоторые электроны проводимости полупроводника р-типа, совершая беспорядочное тепловое движение, подходят к границе обедненного слоя, где их захватывает ускоряющее электрическое поле, и они переходят в n-область. То же самое происходит с дырками полупроводника n-типа, которые аналогичным способом переходят в р-область. Этот ток называют тепловым током Iт=Iтр+Iтn. Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так, чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в сторону р-n перехода. Переход основных носителей зарядов через границу (электронов из n-слоя и дырок из p-слоя) и их взаимная компенсация возрастают, потенциальный барьер уменьшается. Следовательно, через диод будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а в p-слое создавать новые дырки. При обратном знаке напряжения электроны притягиваются к положительному потенциалу источника, а дырки - к отрицательному, потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход зарядов через границу почти прекращается, ток через диод очень мал. Этот ток обусловлен тепловым разрушением ковалентных связей в обоих слоях и образованием пар электрон-дырка. Эти неосновные носители (электроны в pслое и дырки в n-слое) имеют такой знак заряда, который способствует их прохождению через переход. 11 Полупроводниковый диод – это своеобразный конденсатор: области n и p можно рассматривать как обкладки конденсатора, а p-n переход – как изолятор между обкладками. Различают диффузионную (при прямом приложенном напряжении) и барьерную (при обратном напряжении) емкости диода. Емкость полупроводникового диода – это бесплатное приложение к его основному свойству – к односторонней проводимости. Во многих случаях это свойство является вредным, т.к. ухудшает работу диода на высоких частотах, в импульсных режимах и обуславливает его инерционность. Изображение диода на электрической схеме показано на рис. 1.2. Вывод p-слоя называется анодом (А). Вывод n-слоя называется катодом (К). Рис. 1.2. Изображение диода на электрической схеме Включение диода в простейшую электрическую цепь показано на рис. 1.3 и 1.4. На рис. 1.3 диод является проводником, поэтому в цепи должен быть элемент, ограничивающий ток. Таким элементом является резистор Rн. Ток через него равен: I = (U − Uпр)/Rн. Uпр≈0, поэтому I=U/Rн; URн=IRн=U. Рис. 1.3. Прямое включение диода При обратном включении диода через него протекает незначительный обратный ток. Для диодов на малые токи обратный ток может составлять десятки нА, у больших диодов − десятки mА. Схема при обратном включении диода представлена на рис. 1.4. Для нее U=URн+Uобр, URн=Iобр⋅Rн≈0, т.к. Iобр ≈0, поэтому U=Uобр. 12 Рис. 1.4. Обратное включение диода Часто диод включен в схему, где приложенное напряжение является переменным. Виды этих напряжений: 1. Синусоидальное, показано на рис. 1.5. 2. Прямоугольное, показано на рис. 1.6. 3. Треугольное. 4. Экспоненциальное. Рис. 1.5. Синусоидальное напряжение Рис. 1.6. Прямоугольное напряжение 1.2. Вольт-амперная характеристика диода Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 1.7. Приближенно она может быть описана уравнением: I=IO(e U/mϕт –1), (1.1) где IO – ток насыщения обратно смещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; ϕт = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов ϕк на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения; k =1,38⋅10-23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,6⋅10-19кулон – заряд электрона; m 13 - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории. При комнатной температуре Т=300К (27оС), ϕт = 0,026В. Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика диода На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1.1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1.1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия. На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В. Идеализированная ВАХ представлена на рис. 1.8. Рис. 1.8. Идеализированная ВАХ Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в 14 широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде UобрIобр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход. У любого диода оговаривается несколько основных параметров: - номинальный прямой ток; - максимальное обратное напряжение; - прямое падение напряжения; - постоянный обратный ток; - максимальный прямой ток (для него оговаривается режим работы, например, время проводимости). Преобладают кремниевые диоды, так как имеют более высокую предельную рабочую температуру (150оС против 75оС для германиевых), допускают большую плотность прямого тока (60...80А/см2 по сравнению с 20... 30А/см2), обладают меньшими обратными токами (примерно на порядок) и большими допустимыми обратными напряжениями (1500...2800В по сравнению с 600...800В). Однако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения при прямом номинальном токе обозначается Uпр. Uпр=0,3...0,4В для германиевых диодов, Uпр=0,6...1,2В для кремниевых диодов. Работоспособность диода определяется выделяемой на нем мощностью P=UI. U и I относятся к определенной точке ВАХ. Мощность определяет нагрев. Рабочий участок диода на ВАХ рис. 1.7 отмечен жирной линией. Если диод начинает работать на не рабочих участках ВАХ, он выходит из строя. На не рабочих участках мощность превышает допустимую, нагрев превышает допустимый. При нагреве, превышающем допустимый, диод разрушается. Зависимость ВАХ от температуры показана на рис. 1.9. 15 Рис. 1.9. Зависимость ВАХ от температуры При рассмотрении режимов работы схем с диодами их часто представляют в виде идеализированных приборов, которые являются идеальными проводниками в прямом направлении и идеальными изоляторами в обратном направлении. По назначению различают следующие типы диодов: 1. Выпрямительные. 2. Импульсные. 3. Высокочастотные. 4. Стабилитроны и стабисторы. Диоды различают также по мощности и по частотным свойствам. 1.3. Выпрямительные диоды Предназначены для работы при напряжениях частоты до нескольких кГц и при некрутых фронтах питающего напряжения. Не предназначены для прямоугольного питающего напряжения. Для выпрямительных диодов оговариваются два основных параметра: 1.Ток прямой номинальный (среднее значение). 2. Напряжение обратное максимальное (мгновенное). Диоды выпускаются на ток 10мА...1000А. Обратное напряжение находится в пределах от 10В до нескольких кВ. Для мощных диодов (ток более 10А) обратное напряжение определяют классом диода. Класс диода - это 100В, умноженное на цифру класса. Цифра класса от 1 до 20. Например: Д50-12, здесь 50 −ток прямой номинальный в А; 12 - класс. Класс это параметр, используемый для мощных диодов и характеризующий обратное напряжение. У мощных диодов номинальный прямой ток допустим только при установке диода на радиатор и при принудительном охлаждении со скоростью воздуха 12м/с. Без принудительного охлажде16 ния воздухом (имеется только радиатор) допустимый ток составляет около 30% от номинального. У современных диодов распространены следующие обозначения: ДXXXY или КДXXXY, где КД - кремниевый диод, XXX - цифры, Y - буква. Первая цифра говорит о виде диода (выпрямительные - 1,2). Буква определяет обратное напряжение. Второстепенные параметры: 1. Максимальный обратный ток Iобр.макс (от десятков нА до десятков мА). 2. Прямое падение напряжения Uпр (0,3...1,2В). 3. Максимальная рабочая частота, до которой обеспечиваются заданные токи, напряжения и мощность. 4. Время восстановления запирающих свойств диода. Диод не проводит (или запирается) при приложении обратного напряжения. Запирание - переход от проводящего состояния к непроводящему. При приложении прямоугольного обратного напряжения диод ведет себя как показано на рис. 1.10. Рис. 1.10. Запирание диода Интервал I - время рассасывания носителей, интервал II - бросок обратного тока. Он связан с наличием барьерной емкости диода. Интервал tв - время восстановления, т.е. время перехода от проводящего состояния до момента установления обратного тока на ВАХ. Из-за не идеальности диода ограничивается предельная частота его работы. При очень высокой частоте диод перестает выполнять свои функции. Примеры применения выпрямительных диодов даны в параграфах 8.1 – 8.3 раздела Практические занятия. 17 1.4. Высокочастотные диоды Для них оговариваются те же параметры (основные и второстепенные), но они могут работать при высокой частоте и обладают малым временем восстановления (по сравнению с выпрямительными). Для них приводится график прямого тока в зависимости от частоты. График представлен на рис. 1.11. Рис. 1.11. Зависимость прямого тока от частоты 1.5. Импульсные диоды Оговариваются те же основные параметры, что и для рассмотренных выше диодов, и приводится еще важный второстепенный параметр - импульсный ток за оговоренное время. 1.6. Стабилитроны и стабисторы Рабочей частью ВАХ у стабилитронов является обратная ветвь. Прямая ветвь такая же как у диодов, она также может использоваться. ВАХ стабилитрона представлена на рис. 1.12. Рис. 1.12. ВАХ стабилитрона Для стабилитронов указывается два основных параметра: Uст 18 напряжение стабилизации стабилитрона и Iст.н – номинальный ток стабилитрона (Uст=3,3...170В). Для Uст указывается разброс в процентах или в вольтах, а также изменение Uст при изменении температуры. У маломощных стабилитронов Iст.min=1...3mА, Iст. max=30mA. Iст.н у мощных стабилитронов составляет несколько сотен mA. Стабисторы - это стабилитроны, у которых используется прямая ветвь ВАХ. ВАХ стабистора показана на рис. 1.13. Рис. 1.12. ВАХ стабистора Такая ВАХ создается технологически. Стабистор – это диод с большим падением напряжения, которое постоянно при изменении тока. Стабилитроны и стабисторы могут соединяться последовательно, но не параллельно. Они используются в стабилизаторах и ограничителях напряжения. Примеры применения стабилитронов для построения простейших стабилизаторов напряжения даны в параграфе 8.4 раздела Практические занятия. ГЛАВА 2. Биполярные транзисторы 2.1. Общие принципы работы Биполярные транзисторы - это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры, которые представлены на рис. 2.1а и 2.1б. Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода. Существуют еще полевые транзисторы, имеющие другие структу19 ры. а) б) Рис. 2.1. Структуры биполярного транзистора Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К-Э является управляемой цепью. С помощью тока через переход Б-Э можно управлять током через переход К-Э. Принцип работы транзистора поясняется с помощью рис. 2.2. Рис. 2.2. Принцип работы транзистора Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благо20 даря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к плюсу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинирует с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб. Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе зарядов, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор. Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера α=Iк/Iэ. Обычно α=0,9…0.995. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы в рассматриваемой схеме включения транзистора (она называется схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10…300. Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным. При рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан тем, что область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое количество свободных электронов. В тоже время область базы легируется очень слабо, что дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно составляет всего лишь 6В, поэтому в прак21 тических схемах всегда необходимо беспокоится о том, чтобы обратные напряжения база-эмиттер не превышали это значение. Таким образом, транзистор является усилительным прибором. В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности. Обозначения транзисторов типа p-n-p и n-p-n на электрических схемах показаны на рис. 2.3. Рис. 2.3. Обозначения транзисторов типа p-n-p и n-p-n на электрических схемах 2.2. Основные параметры транзистора 1. Коэффициент усиления по току. Обычно используется коэффициент усиления h21Э в схеме с общим эмиттером: h21Э=Iк/Iб>>1, где Iб - ток базы; Iк - ток коллектора. Транзистор является как бы узлом, как показано на рис. 2.4, поэтому Iэ=Iб+Iк. токи коллектора и эмиттера связаны соотношением: Iк/Iэ=α<1. Рис. 2.4. Токи в транзисторе Найдем связь α и h21Э: α=Iк/(Iб+Iк)=1/(Iб/Iк+1)=1/(1/h21Э+1)=h21Э/(1+h21Э) 22 Значение α очень близко к 1. Аналогично находим: h21Э=Iк/Iб=α/(1-α). Иногда для получения большого коэффициента усиления используется схема составного транзистора, показанная на рис. 2.5. Рис. 2.5. Схема составногно транзистора Коэффициент усиления составного транзистора: Iк1= β1⋅Iб1; Iк2=β2⋅Iб2; Iб2=Iэ1=(1+β1)⋅Iб1; Iк=Iк1+Iк2. Из этих уравнений: Iк=[β1+(1+β1)⋅β2]⋅Iб1≈β1⋅β2⋅Iб1. Коэффициент усиления транзистора h21э зависит от частоты, на которой работает транзистор, и от тока коллектора. С увеличением частоты h21Э падает. Это связано с проявлением его инерционных свойств в основном из-за наличия емкости коллекторного перехода. Для большинства транзисторов указывается граничная частота, при которой коэффициент усиления равен единице. Зависимость h21Э от тока коллектора представлена на рис. 2.6. Рис. 2.6. Зависимость h21Э от тока коллектора Любое включение, отличное от нормального, называется инверсным. Инверсия - изменение знака. Инверсное включение транзистора показано на рис. 2.7. При этом h21Э сильно падает и прибор перестает быть усилителем, хотя и остается управляемым. 23 Рис. 2.7. Инверсное включение транзистора 2. Напряжение коллектор-эмиттер максимальное - Uкэ max. Указывается при отключенной (оборванной) базе или при конечном значении сопротивления Rбэ, которое включается как показано на рис. 2.8. Uкэ при оборванной базе меньше, чем Uкэ при наличии Rбэ. Величина Rбэ обычно указывается в справочнике. В настоящее время выпускаются транзисторы на напряжение до1500 В. Рис. 2.8. Схема для опеределения максимального напряжения коллекторэмиттер 3. Ток коллектора максимальный - Iк max; ток коллектора импульсный за определенное время - Iки>Iк max. 4. Частотные свойства транзистора. Различают: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (СВЧ) – Таблица 1. Есть также импульсные или переключательные транзисторы. Обозначения транзисторов: КТ ХХХ А, Б..., где ХХХ – цифры; буквы А,Б…характеризуют особенности электрических параметров. Например, КТ 908- импульсный, КТ 315 - очень распространен. ГТ ХХХ - германиевый транзистор. Чем больше значения цифр, тем выше частотные свойства и мощность транзистора. Изменение свойств транзисторов в зависимости от значений цифр иллюстрируется с помощью табл. 2.1. В настоящее время существует большое количество транзисторов с четырьмя цифрами в обозначении. Частотные свойства транзистора 24 Таблица 2.1 Граничная частота Низкочастотные fгр<9МГц Средней частоты fгр<30МГц Высокочастотные fгр>30МГц Маломощные Рк<0,3 101…199 МощностьРк, Вт Средней мощности 0,3<Рк<3 401…499 Большой мощности Рк>3 701…799 201…299 501…599 801…899 301…399 601…699 901…999 2.3. Схемы включения транзисторов В зависимости от того, какой из трех выводов является общим для входной и выходной цепи, различают три основные схемы включения транзисторов: схема с общим эмиттером, схема с общим коллектором, схема с общей базой. 2.3.1. Схема с общим эмиттером Схема с общим эмиттером используется наиболее часто. Схема представлена на рис. 2.9. Рис. 2.9. Схема с общим эмиттером Взаимосвязь токов и напряжений в транзисторе устанавливают входные и выходные характеристики. Входные и выходные характеристики представлены соответственно на рис. 2.10, и 2.11. Входная характеристика повторяет уже знакомую нам вольт-амперную характеристику диода. При изображении выходной характеристики необходимо помнить, что коллекторный переход работает в режиме диода, включенного в обратном направлении. Поэтому выходная характеристика – это обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода, перенесенная в первый квадрант. Выходных характеристик целое семейство, т.к. они изоб25 ражаются для разных значений токов базы. При Iб=0 через транзистор протекает тепловой ток Iк0 обратно смещенного коллекторного перехода. Рис. 2.10. Входные характеристики Рис. 2.11. Выходные характеристики Из зависимости коллекторного тока Iк от напряжения коллекторэмиттер Uкэ при заданном токе базы видно, что с увеличением напряжения Uкэ от нуля вначале происходит резкое нарастание коллекторного тока, т.к. все большая часть электронов затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и создает коллекторный ток (увеличивается эффективность коллектора). Это происходит до тех пор, пока Uкэ не достигнет 0,6В. После этого кривая становится горизонтальной и дальнейшее увеличение Uкэ незначительно влияет на ток коллектора. Это обусловлено тем, что расширившийся обедненный слой перехода коллекторэмиттер, лишенный свободных носителей, ведет себя как изолятор и на горизонтальном участке при увеличении Uкэ сопротивление этого изолятора Rиз растет почти пропорционально прикладываемому напряжению, 26 поэтому Iк=(Uкэ/Rиз)=const. Незначительный подъем кривой вызван небольшим увеличением коэффициента усиления тока при повышении Uкэ. Это имеет место из-за расширения обедненного слоя коллектор-база, делающего область базы более узкой, что приводит к рекомбинации меньшего числа носителей. Семейство выходных характеристик транзистора получается при различных значениях базового тока. Коэффициент усиления входного тока базы схемы с общим эмиттером h21Э=Iк/Iб. Схема обеспечивает также усиление по напряжению и по мощности. Cхема применяется как усилительная и как ключевая. 2.3.2. Ключевой режим работы биполярного транзистора Схема с общим эмиттером с ключевым режимом работы транзистора применяется для промежуточного усиления, как схема сигнализации, как схема питания электромагнитного реле. Такая схема является основой интегральных логических элементов. Свойства транзистора как усилителя тока описываются уравнением: Iк=h21Э⋅Iб, где h21Э>10. Из этого уравнения видно, что регулируя сравнительно небольшой ток базы, можно управлять значительным током нагрузки, расположенной в коллекторе транзистора. Максимальный ток коллектора, который можно получить в схеме с коллекторной нагрузкой, равен: Iк max≈Uпит/Rк. Максимальному току коллектора соответствует максимальный ток базы Iб max. Дальнейшее увеличение тока базы не приведет к увеличению тока коллектора, т.к. транзистор полностью открыт, падение напряжения на нем близко к нулю, и он не определяет ток коллектора. Принято говорить, что он находится в состоянии насыщения. Это состояние характеризуется коэффициентом насыщения. Коэффициент насыщения характеризует превышение реального базового тока над требуемым. Он равен отношению Iб/Iб max. Его величина всегда больше единицы. Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньше будет напряжение коллектор– эмиттер и тем меньше будут тепловые потери в транзисторе. Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью – в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора, когда прекращается ток базы. При выключении транзистора в цепь базы подается отрицательное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным Iб выкл. Пока происходит рассасывание неосновных носителей в базе, токи коллектора и базы не меняют своего значения, а 27 транзистор находится в открытом состоянии. Это время называется временем рассасывания tрас. После окончания процесса рассасывания происходит спад отрицательного тока базы и спад протекавшего через транзистор тока коллектора – время спада tсп. Время выключения транзистора tвыкл равно: tвыкл= tрас+ tсп. Минимальное время выключения получается, если в базу транзистора до момента выключения подавался ток пограничного режима насыщения Iб≤Iб max. Для объяснения ключевого режима работы используют выходные характеристики, которые представлены на рис. 2.12. Рис. 2.12. Пояснение ключевого режима работы А и В - возможные рабочие точки. В точке А транзистор выключен (или ключ разомкнут), в точке В транзистор включен (ключ замкнут). Чтобы получить точку В, необходимо обеспечить соответствующий ток базы. В точке А: Uкэ=Uп-Rк⋅Iко; Iк=Iко. В точке В: Uкэ≈0,1В; Iк=(Uп-Uкэ)/Rк. В расчетах обычно пренебрегают величинами Iко≈0, Uбэ≈0,6В и Uкэ≈0,1В. Диаграмма работы транзистора в ключевом режиме представлена на рис. 27. Обычно в открытом состоянии транзистора ток Iк задан. Требуемый ток базы Iб=Iк/h21Э обеспечивается базовой цепью Iб =(Uб-Uбэ)/Rб. Uбэ≈0,6В, тогда 28 Rб=(Uб-0,6)/Iб; Iк=(Uп-Uкэ)/Rк; Uкэ≈0,1В. Т.к. h21Э может меняться от значений Iк, от температуры, от времени, то ток базы Iб приходится задавать с запасом. При расчете Iб исходят из величины h21Эmin/(1,5...2). Число 1,5... 2 − это коэффициент насыщения. Работу транзистора в точках А и В принято характеризовать следующими терминами: точка А - состояние отсечки (отсечен ток коллектора); точка В - состояние насыщения (транзистор открыт полностью). Переход из состояния в состояние происходит скачком. 2.3.3. Усилительный режим работы транзистора. Способы задания рабочей точки по постоянному току в усилительном режиме Рассмотрим мощность, выделяемую на транзисторе в двух возможных режимах: ключевом и усилительном. График мощности Pк представлен на рис. 2.13. Рис. 2.13. Пояснение ключевого режима работы Нагрузочная прямая определяет возможные рабочие точки транзистора. В ключевом режиме мощность, выделяемая на транзисторе, соответствует точке А или В, т.е. всегда меньше максимальной возможной мощности. В усилительном режиме, когда возможно существование любых рабочих точек на нагрузочной прямой, мощность Pк может принимать и максимальное значение. В усилительном режиме в общем случае входной сигнал может быть знакопеременным, например, синусоидальным. Переход база-эмиттер является диодным p-n переходом. Чтобы входная цепь транзистора могла работать с сигналом переменного тока, необходимо переход база-эмиттер сместить в прямом направлении, т.е. задать в базовой цепи рабочую точку по постоянному току. Относительно этого постоянного тока можно подавать в базовую цепь сигнал переменного тока, который будет усиливаться. 29 Схема включения транзистора с общим эмиттером и диаграммы его работы в режиме усиления гармонического сигнала представлены соответственно на рис. 2.14 и 2.15, где Iсм - постоянный ток смещения базы. Рис. 2.14. Схема включения транзистора с общим эмиттером Рис. 2.15. Диаграммы работы в режиме усиления гармонического сигнала Постоянный ток смещения базы будет определять постоянную составляющую тока коллектора в соответствии с соотношением Iк=Iб⋅h21Э. В усилительном режиме возможные рабочие точки находятся на нагрузочной прямой между точками А′ и В′ на рис. 2.16. Рис. 2.16. Рабочая точка на нагрузочной прямой 30 Ток смещения должен выводить рабочую точку коллектора транзистора по постоянному току на середину отрезка А′ В′, чтобы напряжение на коллекторе могло изменяться от этой середины как в сторону источника питания, так и в сторону общей точки. Для задания рабочей точки по постоянному току необходимо в базу транзистора подать ток смещения. При этом необходимо обеспечить стабильность рабочей точки коллектора транзистора по постоянному току, т.е. исключить ее смещение при изменении параметров базовой цепи, при изменении температуры и с течением времени. Обычно рабочая точка по постоянному току соответствует максимальной мощности Pк (т.е. максимальному нагреву транзистора). 1 ВАРИАНТ Схема представлена на рис. 2.17. Рис. 2.17. Схема задания рабочей точки Ток смещения будет определятся по Iсм=(Uпит-Uбэ)/Rсм. Схема отличается простотой, но имеет существенный недостаток: рабочая точка по постоянному току не стабильна. При изменении Rсм, например, из-за температуры, Iсм изменяется. Рабочая точка на коллекторе Iк=Iсм⋅h21Э также может изменяться из-за изменения коэффициента усиления транзистора h21Э. 2 ВАРИАНТ Схема представлена на рис. 2.18. Ток смещения можно определить по соотношению Iсм=Uпит/2Rсм. Эта схема обладает гораздо большей стабильностью. При изменении по какой-либо причине тока смещения базы будет меняться рабочая точка коллектора. Через цепь отрицательной обратной связи с коллектора на ба31 зу будет соответствующее воздействие на базовую цепь, уменьшающее эти изменения. Рис. 2.18. Схема задания рабочей точки 3 ВАРИАНТ Схема представлена на рис. 2.19. Здесь потенциал базы Uб≅Uбэ. Рис. 2.19. Схема задания рабочей точки Обычно принимают, что ток Iдел через делитель напряжения из резисторов Rсм1 и Rсм2 от источника питания на порядок больше тока Iсм, т.е. задаются Iдел=(Uпит–Uбэ)/Rсм1 ≈10⋅Iсм. При этом потенциал базы Uб≈0,6В и может быть точно определен по входной характеристике транзистора исходя из требуемого тока смещения. Эта схема является достаточно стабильной. Т.к. в схеме задаётся по32 тенциал базы (относительно общей точки), то при изменении сопротивлений Rсм1, Rсм2 они изменяются оба одновременно, их отношение меняется мало, поэтому мало изменяется потенциал базы, т.е. ток смещения. 4 ВАРИАНТ Схема представлена на рис. 2.20. Рис. 2.20. Схема задания рабочей точки Это схема задания рабочей точки обладает очень высокой стабильностью. Увеличение неуправляемых тепловых токов через транзистор приводит к увеличению падения на резисторе Rэ. Это падение призакрывает транзистор, т.е. уменьшает этот ток. Аналогично схема реагирует на изменение коэффициента усиления h21Э. Обычно сопротивление резистора Rэ выбирают из условия, чтобы падение напряжения на нем от постоянного тока эмиттера не превышало 10% от напряжения питания Uпит. Чтобы сигнал переменного тока не создавал на Rэ падения и не уменьшал сигнал на нагрузке Rк, резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ (рис. 2.21). Должно выполняться соотношение: Xс=1/ωmaxCэ→0, где ωmax=2πfmax – максимальная частота усиливаемого сигнала. Из этого выражения определяется емкость конденсатора Cэ. 33 Рис. 2.21. Схема задания рабочей точки Схема смещения по постоянному току может оказывать влияние на источник входного переменного сигнала. С другой стороны, источник входного сигнала может шунтировать схему смещения, если он низкоомный. Для исключения этого источник входного сигнала и цепь смещения отделяют разделительным конденсатором Ср1. Схема представлена на рис. 2.22. Рис. 2.22. Схема задания рабочей точки Для отделения постоянной составляющей в выходной цепи от полезной переменной составляющей, которая усилилась, так же применяется разделительный конденсатор Ср2. Графики напряжений представлены на рис. 2.23. 34 Рис. 2.23. Графики напряжений при применении разделительного конденсатора 2.3.4. Понятие о классах усиления усилительных каскадов В зависимости от значения и знака напряжения смещения и напряжения сигнала в схеме транзисторного каскада с общим эмиттером возможно несколько принципиально различных режимов его работы, называемых классами усиления. Для обозначения различных классов усиления используются прописные латинские буквы. Рассмотрим их подробнее. Класс усиления А. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения входного напряжения, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого класса является выполнение условия ∆Iк< (Iк см), для обеспечения которого ток смещения Iсм в схеме рис. 2.14 должен быть положительным и превышать максимальную величину Iвх. Максимальная амплитуда выходного напряжения в данном режиме может достигать значения, близкого к Uпит/2. Для этого необходимо, чтобы Uк см=Uпит/2 или Iк см= Uпит/2Rк. Таким образом, класс усиления А имеет место при выборе рабочей точки по постоянному току в средней части нагрузочной характеристики (рис. 2.16). Минимальные искажения входного сигнала при его усилении является характерной чертой усилителей класса А. При этом форма выходного напряжения повторяет форму входного сигнала, транзистор работает в усилительном режиме без захода в области насыщения и отсечки. В то же время работа усилителя в классе А характеризуется низким к.п.д., который не может превышать 0,5, что объясняется протеканием постоянного тока (Iк см) в цепи коллектора вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала. Действительно, мощность, которая рассеивается в транзисторе Рк = (Iк см) ∙ (Uпит/2), максимальная мощность в нагрузке Рнагр=Рк, тогда η= Рнагр/(Рнагр+Рк)=0,5. Поэтому режим усиления класса А используется в сравнительно маломощных каскадах, в которых важен малый коэффициент нелинейных искажений усиливаемого сигнала, а зна35 чение к.п.д. не играет решающей роли. Класс усиления В. Это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения входного сигнала. Данный режим соответствует Iсм=0, Uк см=Uпит. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе при отсутствии входного сигнала, близка к нулю, т.к. транзистор находится в режиме отсечки. Это способствует существенному повышению к.п.д. транзисторного каскада, по сравнению с режимом класса А. Поэтому класс В предпочтительнее для использования в усилителях средней и большой мощности. В этом режиме значение к.п.д. можно довести до 0,7 и более при мощности, рассеиваемой на транзисторе, менее 0,25 от максимума полезной мощности в нагрузке. Вместе с тем, в классе В усиливается лишь одна положительная полуволна входного сигнала, поэтому выходной коллекторный ток имеет прерывистый характер. Для усиления как положительной, так и отрицательной полуволны входного сигнала применяют двухтактные усилители, работающие в классе усиления В. Примером такого усилителя является реверсивный эмиттерный повторитель, рассматриваемый в разделе 5.2.2 и показанный на рис. 2.24. Рис. 2.24. Схема реверсивного эмиттерного повторителя Основным недостатком усилителей, работающих в классе В, являются значительные нелинейные искажения выходного напряжения. Причиной этого является существенная нелинейность начального участка входной характеристики транзистора, из-за которой коэффициент пропорциональности между входным и выходным напряжениями не будет оставаться постоянным. Большие искажения усиленного сигнала являются причиной того, что класс усиления В в чистом виде практически не используется в усилителях. 36 Класс усиления АВ. Недостаток усилителей класса В отсутствует в усилителях, работающих в классе АВ. Класс усиления АВ – это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения входного сигнала. В режиме класса В на вход усилительного каскада подается небольшое смещение, которое выводит рабочую точку по постоянному току на линейный участок входной характеристики транзистора. Практически достаточно обеспечить величину смещения, немного превышающую значение Uбэ пор=0,6…0,7В. Режим усиления класса АВ нашел широкое применение при построении выходных каскадов усилителей мощности, т.к. при высоком к.п.д. они обеспечивают получение небольших искажений выходного сигнала. На рис. 2.25 показано, как следует модифицировать схему реверсивного эмиттерного повторителя (рис. 2.24) с режимом класса В для работы в классе АВ. Рис. 2.25. Модифицированная схема реверсивного эмиттерного повторителя Вместо того, чтобы непосредственно соединять базы транзисторов, их разделяют парой диодов VD1 и VD2, смещенных c помощью резисторов R1 и R2 в прямом направлении. Диоды обеспечивают необходимое смещение для транзисторов VT1 и VT2. С помощью эмиттерных резисторов R3 и R4 создается обратная связь по току, улучшающая стабильность задания рабочей точки по постоянному току. Класс усиления С. Это режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение времени, 37 меньшем половины периода изменения входного сигнала. В этом режиме транзистор больше половины периода находится в режиме отсечки. Он находит широкое применение в мощных резонансных усилителях радиопередающих устройств. В них для поддержания колебаний транзистор должен обеспечивать подкачку энергии в контур для комп6енсации потерь в его активных элементах. При больших добротностях контура эта энергия может быть существенно меньше энергии собственных колебаний и для ее восстановления достаточно подключение внешнего источника питания на время, меньше половины периода колебаний. Реализовать такой режим можно, если на вход каскада подать напряжение смещения Uсм<0. Общим для всех рассмотренных режимов является тот факт, что усиление входного сигнала сопровождается потерями мощности в транзисторе усилительного каскада. Величина этих потерь для различных классов усиления различна, и они не могут быть сведены к нулю. Это вытекает из того, что сам процесс усиления связан с перераспределением напряжения (мощности) между регулирующим элементом (транзистором) и нагрузкой. Существует только две точки, для которых можно считать, что мощность, выделяющаяся в транзисторе, близка к нулю. Это точка, соответствующая режиму отсечки (цепь нагрузки практически разорвана – выключена), и точка, соответствующая режиму насыщения транзистора (цепь нагрузки непосредственно подключена к источнику питания – включена). В этих точках потери в транзисторе определяются лишь его собственными параметрами и не связаны с процессом усиления входного сигнала. Класс усиления D. Это режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме транзистор может находиться только в состоянии включено (режим насыщения) или выключено (режим отсечки). Этот режим работы транзистора называется еще ключевым режимом. Таким образом, ток в выходной цепи каскада, работающего в режиме усиления класса D, может принимать только два значения: Iк макс и Iк мин. При этом потери в транзисторе минимальны, поэтому к.п.д. такого усилительного каскада близок к единице. Для реализации режима класса D не требуется подавать смещение на вход транзистора, а входной сигнал должен принимать либо значение, близкое к нулю, обеспечивающее режим отсечки транзистора, либо значение, обеспечивающее насыщение транзистора. Выходное напряжение усилителя, работающего в режиме класса D, всегда имеет форму прямоугольного импульса и усиление входного сигнала обусловлено изменением того или иного параметра этого импульса, например, амплитуды, длительности, фазы. 38 Следует отметить, что, строго говоря, к.п.д. каскада, работающего в режиме класса D только теоретически близок к единице. На практике в таких каскадах всегда присутствуют три составляющие потерь, связанные с не идеальностью транзистора: потери в режиме насыщения, потери в режиме отсечки и потери на переключение. Последние обусловлены перемещением рабочей точки по нагрузочной прямой из режима насыщения в режим отсечки и обратно за конечное время, а не мгновенно. При правильном проектировании эти потери могут быть незначительны. Основные параметры транзисторного каскада для различных классов усиления сведены в табл. 2.2. Параметры транзисторного каскада Класс усиления А Напряжение смещения >0 Зависимость тока коллектора от времени Таблица 2.2 Примечание Iкm0 Iкm В =0 Iкm С <0 Iкm D Iксм Iкm0). Дальнейшее увеличение Uси приводит к еще большему сужению канала (увеличению его сопротивления), почти точно уравновешивающему увеличение Uси. При этом в самом узком месте возле стока всегда остается малое сечение канала, пропускающее ток, т.е. происходит ограничение тока канала. Это, так называемое, насыщение канала. Напряжение, при котором оно наступает, называется напряжением насыщения Uси нас. При этом ток равен значению Ic нач. Так же, как и в случае биполярного транзистора, в области насыщения имеется небольшой положительный наклон. Описанные процессы отражены на выходных характеристиках на рис. 3.4. Из условия Up-n=Uзи отс=Uзи-Uси нас находим: Uси нас=Uзи-Uзи отс=|Uзи отс|-|Uзи|. Выражение для тока стока имеет вид: Iс=Ic нач(1–Uзи/Uзи отс)2. Это – парабола, график которой является входной характеристикой показана на рис. 3.5. 44 Рис. 3.5. Входная характеристика полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа Если в полевом транзисторе при Ucи>Ucи нас изменять напряжение на затворе от 0 до |Uзи|>|Uзи отс|, то толщина суженного участка канала будет уменьшаться до нуля и ток канала станет равным нулю, а в цепи стока протекает некоторый малый остаточный ток (ток отсечки). Он состоит в основном из обратного тока p-n перехода, протекает от стока на затвор и пренебрежительно мал (обычно имеет значение несколько микроампер). При большом напряжении Ucи, когда Ucи+|Uзи|>Uпроб в обратновключенном управляющем p-n переходе вблизи стока возникает электрический (лавинный) пробой и ток стока резко возрастает. Этот ток замыкается через электрод затвора. На рис. 3.4 при Uзи=0, Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач – начальный ток стока; напряжение Uотс - напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА. На выходных характеристиках также может быть проведена нагрузочная прямая, как и у биполярных транзисторов. Типы транзисторов с p-n переходом: КП103 – с каналом p-типа; КП302, КП 303, КП307 – с каналом n-типа. Полевые транзисторы могут работать как в усилительном, так и в ключевом режимах. 3.1.2. Схема ключа на полевом транзисторе с p-n переходом Схема и диаграммы показаны на рис. 3.6. Состояние I - ключ разомкнут (транзистор не проводит). Cостояние II - ключ замкнут (транзистор проводит). Такой ключ может быть применен в генераторе пилообразного напряжения для периодического сброса напряжения на конденсаторе. 45 Рис. 3.6. Схема и диаграммы ключа на полевом транзисторе с p-n переходом 3.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n переходом в МОП-транзисторах электрод затвора изолирован от канала слоем диэлектрика толщиной 0,2…0,3 мкм, в качестве которого обычно применяют окисел (двуокись кремния SiO2). Структура такого транзистора представлена на рис. 3.7. Если в этой структуре окисел заменить на p -слой, то мы возвратимся к транзистору с p-n переходом. Рис. 3.7. Структура полевого транзистора с изолированным затвором Транзистор со структурой, показанной на рис. 3.7, называется МОПтранзистор: М-металл, О-окисел, П-полупроводник. Английское название транзистора: MOSFET-Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect46 Transistor. Вывод П - это подложка, т.е. слой, на который наложен слой n канала. Вывод подложки снабжают стрелкой, указывающей на тип проводимости канала. Обычно подложку присоединяют к истоку. Причем, иногда это делается внутри транзистора. Ее можно оставить и не присоединенной. МОП-транзисторы имеют две конструктивные разновидности - с встроенным каналом и с индуцированным каналом. Обозначение на схеме транзистора с встроенным каналом n-типа показано на рис. 3.8. Рис. 3.8. Обозначение транзистора с встроенным каналом n-типа Таким транзистором является КП 305X. Х- буква, характеризующая параметры. Обозначение транзистора с каналом p-типа, приведено на рис. 3.9. Рис. 3.8. Обозначение транзистора с встроенным каналом p-типа При работе с МОП-транзисторами необходимо соблюдать меры предосторожности. Изоляция затвора в МОП-транзисторе приводит к тому, что такой транзистор очень чувствителен к статическим зарядам, из-за которых может появиться большой потенциал на затворе и произойти пробой изоляции. Поэтому МОП-транзисторы поставляются с выводами, замкнутыми между собой временной перемычкой. Лучше не удалять эту перемычку, пока транзистор не впаян в схему. У некоторых МОПтранзисторов имеются встроенные защитные диоды и поэтому они не боятся статического электричества. 3.2.1. Входные и выходные характеристики МОП - транзистора с встроенным каналом n -типа (КП 305) Характеристики показаны на рис. 3.9. Недостаток транзистора с та47 кими характеристиками: Uзи=0, а прибор проводит, т.е. у рассмотренных ранее транзисторов при Uзи=0 существует ток стока. Иногда желательно, чтобы при Uзи=0, Iс=0. Этим свойством обладают полевые транзисторы с индуцированным (наведенным) каналом. Рис. 3.9. Входные и выходные характеристики МОП - транзистора с встроенным каналом n -типа 3.2.2. МОП - транзисторы с индуцированным каналом Предыдущие МОП-транзисторы имели встроенный канал (p или nтипа). Эти транзисторы при Uзи=0 проводят. В полевом транзисторе с индуцированным каналом при Uзи=0 ток отсутствует. Структура транзистора с индуцированным каналом p-типа представлена на рис. 3.10. Рис. 3.10. Структура транзистора с индуцированным каналом p-типа В теле подложки n-типа имеются две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости (p-типа). Одна из этих областей используется как исток И, другая – как сток С. Электрод затвора З изолирован от полупроводниковой пластины слоем диэлектрика (SiO2) толщиной 0,2…0,3 мкм. Исток, сток и подложка имеют контакты с соответствующими полупроводниковыми областями и снабжены выводами. Т.к. высоко легированные р-области истока и стока с полупроводником подложки n-типа образуют p-n переходы, то при любой полярности напряжения сток-исток один из этих переходов оказывается включенным 48 в обратном направлении и препятствует протеканию тока канала, следовательно, между истоком и стоком отсутствует токопроводящий канал. При подаче отрицательного напряжения на затвор его отрицательный потенциал отталкивает электроны в подложке n-типа от затвора. При некотором отрицательном пороговом напряжении на затворе относительно истока и подложки Uзи пор<0 в подложке n-типа возникает обедненный основными носителями (электронами) инверсный поверхностный слой р-типа, образованный дырками. Этот слой соединяет р-области истока и стока и формирует между ними токопроводящий канал p-типа. Этот канал и обеспечивает проводимость между стоком и истоком. Изменяя напряжение на затворе можно управлять величиной тока стока. Говорят, что такой МОП-транзистор работает в режиме обогащения, в отличие от полевого транзистора с р-n переходом, который работает в режиме обеднения. Дырки в индуцированном канале в n-области подложки являются неосновными носителями заряда. Изображение на схеме МОП-транзистора с индуцированным каналом p-типа показано на рис. 3.11. Рис. 3.11. Изображение на схеме МОП-транзистора с индуцированным каналом p-типа У такого транзистора канал показан в виде прерывистой линии, которая подчеркивает, что собственный проводящий канал между стоком и истоком отсутствует. Типы транзисторов с индуцированным каналом pтипа: КП 301, КП 304. Входные и выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом p-типа приведены на рис. 3.12. Рис. 3.12. Входные и выходные характеристики транзистора с индуцированным каналом p-типа 49 Транзистор начинает проводить ток при |Uзи|=|Uпор|. Здесь Uпор называется - пороговое напряжение. На рис. 3.13 показано изображение МОП - транзистора с индуцированным каналом n-типа. Рис. 3.13. Изображение МОП - транзистора с индуцированным каналом n-типа Входная характеристика приведена на рис. 3.14. Рис. 3.14. Входная характеристика МОП - транзистора с индуцированным каналом n-типа 3.2.3. Крутизна стокозатворной характеристики S Как можно судить о качестве полевого транзистора? У биполярного транзистора важнейшим параметром является коэффициент усиления по току, который определяется отношением токов. В случае полевого транзистора ток стока Iс управляется напряжением Uзи между затвором и истоком. Таким образом, о способности транзистора усиливать можно судить по величине отношения Iс/Uзи, которое имеет размерность проводимости. Эта величина называется крутизной, обозначается буквой S и определяется как отношение S=dIс/dUзи. Если Iс измеряется в миллиамперах, а Uзи - в вольтах, то крутизна S указывается в мA/B или в миллисименсах (мСм). 50 3.2.4. Особенности полевых МОП транзисторов 1. Очень большое Rвх, он управляется не током, как биполярный, а напряжением, прикладываемым к цепи затвор–исток. Поэтому для управления им требуется очень маленькая мощность 2. Высокое быстродействие в ключевых режимах по сравнению с быстродействием биполярных транзисторов, т.к. нет процессов накопления и рассасывания неосновных носителей, как это наблюдается у биполярных транзисторов. В биполярных транзисторах помимо основных носителей тока, существуют также и неосновные, которые транзистор набирает благодаря току базы. С наличием неосновных носителей связано такое понятие как, время рассасывания, которое обуславливает задержку выключения транзистора. 3. Положительный ТКС, что упрощает включение их на параллельную работу для получения большой нагрузочной способности по току. Между параллельно включенными транзисторами обеспечивается равномерное токораспределение из-за эффекта самовыравнивания токов: если ток через какой-либо транзистор будет больше, чем через другие параллельно включенные транзисторы, то возрастет его нагрев, увеличится сопротивление канала, возрастет напряжение проводимости, в результате возрастет ток через параллельно включенный транзистор. Здесь работает правило электротехники: в цепи с параллельным соединением элементов токи распределяются обратно пропорционально сопротивлениям элементов. 4. Отсутствие у полевого транзистора явления вторичного пробоя, поэтому его область безопасной работы в координатах ток-напряжение гораздо больше, чем у биполярного транзистора. 5. Высоковольтные полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют повышенное падение напряжения в режиме насыщения, поэтому они имеют большие потери мощности. Падение напряжения сильно растет с повышением температуры (у биполярных и IGBT – уменьшается) и с ростом рабочего напряжения. Последнее обусловлено тем, что с ростом напряжения растет сопротивление канала (примерно по квадратичному закону). 3.2.5. Ключ на КМОП - транзисторах с индуцированным каналом Буква К обозначает, что в ключе применена пара из двух транзисторов с разным типом проводимости. Такая пара называется комплементарной. Схема ключа и диаграммы работы показана на рис. 3.15. Интервал I - входной ключ управления переключен вверх, II - на общей точке. 51 Рис. 3.15. Схема ключа и диаграммы работы Часто наличие на входе напряжения какой-то величины обозначают единицей, нулевое напряжение - обозначают нулем. Uвых рисуется, оценивая состояние каждого полевого транзистора при подаче на вход единичного или нулевого напряжения. Схема замещения для I интервала показана на рис. 3.16а, для II интервала - на рис. 3.16б. а) б) Рис. 3.16. Схема ключа и диаграммы работы Состояние ключей определяется по входным характеристикам. Когда состояние выхода ключа противоположно состоянию входа, ключ называется инвертором. В заключение раздела по полевым транзисторам приводим табл. 3.1 обозначений и входных характеристик транзисторов и табл. 3.2 режимов работы каналов и полярностей электродных напряжений. 52 УГО и входные характеристики транзисторов Канал n-типа Обозначение Вид характеристики Таблица 3.1 Канал p-типа Обозначение Вид характеристики Таблица 3.2 Режимы работы каналов и полярности электродных напряжений полевых транзисторов Тип полевого Тип ка- Подложка Режим транзистора нала Транзистор с управляющим pn переходом МОП-транзистор с индуцированным каналом ртипа МОП-транзистор с индуцированным каналом nтипа n p p n Обеднение Uзи Uси Uпи <0 Uзи отс (Uзи пор) <0 >0 <0 >0 >0 <0 >0 <0 <0 <0 >0 >0 >0 <0 Обогащение p n Обеднение n p Обогащение 53 <0 >0 МОП-транзистор с встроенным каналом n p p n Обеднение Обогащение Обеднение Обогащение <0 >0 >0 <0 <0 >0 <0 >0 <0 >0 В настоящее время выпускаются МОП-транзисторы на напряжения до 1000В и токи до сотен ампер при рабочей частоте 30…100кГц, управление от цифровых микросхем с напряжением питания 5В. Разработан составной транзистор из комбинации МОП-транзистора с биполярным. Название такого транзистора: биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Изображение этого транзистора и его входная характеристика показаны на рис. 3.17. Рис. 3.17. УГО IGBT транзистора и его входная характеристика 3.2.6. Переключатели аналоговых сигналов Примеры, где применяются переключатели: подключение измерительного прибора к цепям с аналоговыми сигналами; процедура модуляции сигналов; переключения в устройствах контроля параметров работы различных схем электрооборудования и др. Идеальные переключатели - это полевые транзисторы. Обычно применяются полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы обеспечивают изоляцию цепи управления ключом от цепи входного переключаемого сигнала. Самый распространенный ключевой элемент это полевой транзистор (с изолированным затвором и индуцированным каналом). Транзистор с индуцированным каналом наиболее подходит, так как он может обрабатывать сигналы любого знака и является нормально закрытым. Схема простейшего аналогового переключателя показана на следующем рис. 3.18. 54 Рис. 3.18. Схема аналогового переключателя Для этого переключателя ±Uвх, при замкнутом VT; Uвых=0, при разомкнутом VT. Для сравнения приводим соотношения для логического ключа: 1, при замкнутом VT; Uвых=0, при разомкнутом VT. Отсюда видно основное различие между ключами. Для отпирания полевого транзистора VT в соответствии с его входной характеристикой на затвор нужно подать напряжение, которое отрицательнее напряжения на остальных электродах (сток и исток VT взаимозаменяемы) на величину порогового напряжения Uпор. Для VT p-типа Uпор<0, а характеристика имеет вид, показанный на рис. 3.19. Рис. 3.19. Входная характеристика аналогового переключателя Чем больше соотношение Uз>Uпор, тем меньше сопротивление канала. Подложку полевого транзистора обычно подключают к источнику постоянного напряжения. Это позволяет исключить влияние подложки на передачу Uвх. Для правильной работы переключателя с каналом p - типа необходимо выполнять несколько условий: 1. Для разомкнутого состояния VT на затворе требуется напряжение Uз выкл>Uпoр+Uвх мах. Например, при Uпoр=-5В для входного напряжения -10В, на затвор необходимо подать 55 Uз выкл>-5В+(-10В)=-15В,т.е. -14В, -13В и т.д. Для входного напряжения +10В, на затвор необходимо подать Uз выкл>-5В+ (+10В)=+5В, т.е. +6В, +7В и т.д. Соответственно для переключения знакопеременного сигнала на затвор надо подавать большее из этих расчетных напряжений, например, +10В. 2. Для замкнутого состояния VT: Uз вкл>0: VT1-открыт, VT2-закрыт, IVT1=IVT3=IVT4=I0, IVT2=0, поэтому Iн=Iн2=−I0. При Uвх<<0: VT1-закрыт, VT2-открыт, IVT1=IVT3=IVT4=0, IVT2=I0, поэтому Iн=Iн1= I0. Существуют и другие варианты подобных каскадов. Для получения большого коэффициента усиления операционные усилители обычно делаются трехкаскадными. Следующий второй каскад 70 называется промежуточным каскадом. Промежуточный каскад Он может быть выполнен: а) как первый входной каскад; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором. Выходной каскад Чаще всего применяется реверсивный эмиттерный повторитель на транзисторах разного типа проводимости. Схема его показана на рис. 5.9. Рис. 5.9. Схема реверсивного эмиттерного повторителя 5.2.3. Параметры операционных усилителей 1. Напряжение питания UПИТ.НОМ=2×(5…16,5)В. 2. Ток потребления IПОТ=(0,15…10)мА. 3. Коэффициент усиления KU=103…105. 4. Напряжение смещения UСМ=(0,5…20)мВ. Это напряжение, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы UВЫХ=0. 5. Входной ток IВХ=(0,1…1000)нА. 6. Разность входных токов ∆IВХ=(0,05…500)нА. 7. Входное сопротивление RВХ=5кОм…50Мом. 8. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОС.СФ=(60…100)Дб. 9. Максимальное синфазное напряжение UCФ.MAX=(10…30)В. 10. Максимальное дифференциальное напряжение UДФ.MAX=(5…30)В. 11. Максимальное выходное напряжение UВЫХ.MAX=(10…12)В. 12. Минимальное сопротивление нагрузки RН.MIN=2кОм. 13. Частота единичного усиления f1=(0,5…30)МГц. 14. Скорость нарастания выходного напряжения VU=(0,2…500)В/мкс. 71 Классификация ОУ 1. ОУ общего применения. 2. Прецизионные ОУ имеют большой КУ(3*105), малое UCМ (0,05мВ), большое RВХ (30 МОм). 3. Быстродействующие ОУ с высоким значением VU. 4. Микромощные ОУ с малым током потребления. 5.2.4. Основные схемы включения ОУ Инвертирующее включение ОУ ОУ обычно применяется с обвязывающими цепями. Применение этих цепей позволяет выполнять с помощью его математические операции: алгебраическое суммирование, интегрирование, дифференцирование. Инвертирование - это изменение знака. Одновременно со всеми указанными операциями выполняется усиление входного сигнала. Типовая схема инвертирующего включения представлена на рис. 5.10. Рис. 5.10. Типовая схема инвертирующего включения Схема замещения выходной цепи представлена на рис. 5.11. Рис. 5.11. Схема замещения выходной цепи На основе свойств ОУ можно записать следующие уравнения: Iвх=Uвх/Zвх; 72 Iос=Iвх; Iос= −Uвых/Zос. На основе этих уравнений получаем: −Uвых/Zос=Uвх/Zвх; Uвых= −Zос/Zвх×Uвх; Uвых/Uвх= −Zос/Zвх, где Zос/Zвх=Ку -коэффициент усиления схемы. Отношение Uвых/Uвх в случае, если каждая из этих величин записана в преобразовании Лапласа, называется передаточной функцией схемы. Понятие передаточной функции - одно из основополагающих понятий теории управления. Применение инвертирующего усилителя в качестве интегратора Схема представлена на рис. 5.12. Рис. 5.12. Схема инвертирующего усилителя в качестве интегратора На ней: Zвх=Rвх; Zос=1/pCос. Тогда −Uвых/Uвх=1/(pCос×Rвх)=1/pТи, где Ти=Сос×Rвх-постоянная интегрирования. Получение этих же зависимостей с помощью подробного описания на основе двух свойств ОУ: iвх=uвх/Rвх; iвх=iос. Выходное напряжение ОУ: uвых= –1/Cос∫iосdt= –1/Cос∫(uвх /Rвх)dt= –1/(CосRвх)∫uвх dt ⇒ – 1/(pСосRвх)×Uвх. Диаграмма работы интегратора без учета инвертирования представлена на рис. 5.13. 73 Рис. 5.13. Диаграмма работы интегратора без учета инвертирования На рис. 5.14 приведена широко распространенная в системах регулирования схема ПИ-регулятора. Рис. 5.14. Схема ПИ-регулятора Задание: для этой схемы найдите самостоятельно передаточную функцию. Схема дифференцирования Схема представлена на рис. 5.15. Zвх=1/pСвх; Zос=Rос; −Uвых/Uвх=Rос/(1/ рСвх)= рСвхRос=рТд, где Тд=СвхRос - постоянная дифференцирования. Рис. 5.15. Схема дифференцирования 74 зе. Диаграммы работы представлены на рис. 5.16, где π/2 - сдвиг по фа- Рис. 5.16. Диаграммы работы схемы дифференцирования Амплитуда выходного сигнала зависит от Тд (чем больше Тд, тем больше амплитуда). Схема суммирования Схема представлена на рис. 5.17. Исходные уравнения: I1=Uвх1/Rвх1; I2=Uвх2/Rвх2; I3=Uвх3/Rвх3; Iос=I1+I2+I3; Uвых=Iос×Rос. Отсюда Uвых= Uвх1×Rос/Rвх1 + Uвх2× Rос/Rвх2 + Uвх3×Rос/Rвх3. Рис. 5.17. Схема суммирования Входов может быть сколько угодно, знаки входных напряжений произвольны. Если в качестве Zос применить Cос, то одновременно с суммированием будет выполняться и интегрирование. На практике резисторы устанавливаются величиной 1кОМ÷десятки кОМ. 5.2.5. Активные фильтры Фильтры применяются для выделения постоянной составляющей в изменяющемся от времени сигнале. Фильтрация требуется, например, для 75 выходного напряжения выпрямителей, выходного напряжения широтноимпульсного регулятора. Фильтр первого порядка Схема представлена на рис. 5.18. Рис. 5.18. Фильтр первого порядка Uвых(р)/Uвх(р) -передаточная функция. ОУ работает в линейном режиме (все свойства действуют). Исходные уравнения: Uвых(р)/Uвх(р)=Zос/Zвх; Zос=(R2×(1/pС))/(R2+1/pС)=R2/(pR2C+1); Zвх=R1. Тогда Uвых/Uвх=R2/R1/(pR2C+1). Если р⇒d/dt, то Uвых×рСR2+Uвых=(R2/R1)×Uвх. Решение этого дифференциального уравнения ищется в виде экспоненты. 5.2.6. Неинвертирующее включение ОУ Схема представлена на рис. 5.19а. Другое возможное изображение представлено на рис. 5.19б. а) б) Рис. 5.19. Неинвертирующее включение ОУ 76 Исходные уравнения: I1=Uвх/R1; I1=Iос; Iос=(Uвых-Uвх)/Rос. Отсюда Uвх/R1=(Uвых-Uвх)/Rос; Uвх/R1+Uвх/Rос=Uвых/Rос. Следовательно, Uвых=(Rос/R1+1)× Uвх =(Rос+R1)/R1×Uвх или Uвых/Uвх=(Rос+R1)/R1. 5.2.7. Ограничители сигналов на ОУ Применение нелинейных элементов позволяет реализовать нелинейную связь между входным и выходным напряжениями. Обычно это выполняется с помощью инвертирующего включения. Характеристика, связывающая входное и выходное напряжения в инвертирующем включении, имеет вид, представленный на рис. 5.20. При этом tgα=Rос/Rвх. Рис. 5.20. Характеристика ограничителя сигналов на ОУ Схема, реализующая характеристику без положительных значений выходного напряжения, представлена на рис. 5.21а, характеристика на рис. 5.21б. а) б) Рис. 5.21. Схема и характеристика 77 Ограничение выходного напряжения на заданном уровне может быть выполнено с помощью схемы, представленной на рис. 5.22. 1. При Uвх>0: если UОС≥UVD1+UСТ2, то Uвых=UОГР1=UVD1+UСТ2, т.е. напряжение на цепи обратной связи будет постоянным. 2. При Uвх<0: если UОС≥UVD2+UСТ1, то Uвых=UОГР2=UVD2+UСТ1. Когда UСТ1 не равно UСТ2, уровень ограничения UОГР1 будет не равен уровню ограничения UОГР2. Отметим, что Uвых всегда равно падению напряжения на сопротивлении обратной связи. а) б) Рис. 5.22. Схема и характеристика 5.2.8. Схема прецизионного выпрямителя Нелинейность прямой ветви ВАХ диода делает неточным выпрямление малых переменных сигналов, т.к. реальный диод перестает проводить ток при напряжениях в прямом направлении, менее примерно 0,6 В. ОУ позволяет построить прецизионный выпрямитель, который будет точно выполнять операцию выпрямления малых по величине переменных напряжений. Схема прецизионного выпрямителя показана на рис. 5.23. Рис. 5.23. Схема прецизионного выпрямителя 78 Здесь диод VD1 выполняет функцию однополупериодного выпрямления, напряжение на выходе ОУ DA1 – это инвертированное входное положительное напряжение, которое равно напряжению на резисторе R2 (напряжение на VD1 не участвует в формировании выходного напряжения). При отрицательном входном напряжении напряжение на выходе ОУ DA1 равно положительному падению на диоде VD2, которое является обратным напряжением для диода VD1 и не проходит на выходную нагрузку. 5.2.9. Компараторы Компараторы определяют знак входного сигнала. Компараторы являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Zвх, Zос. Характеристика компаратора должна иметь вид, показанный на рис. 5.24. Рис. 5.25. Характеристика компаратора Чтобы из инвертирующего включения получить компаратор, из схемы необходимо убрать Rос. R1 можно закоротить, как показано на рис. 5.25. Рис. 5.25. Компаратор на ОУ Возможно и неинвертирующее включение ОУ (рис. 5.26). 79 Рис. 5.26. Компаратор на ОУ и его выходная характеристика Выпускаются специализированные микросхемы компараторов: К521СА3, К554СА3, КР597СА2 и др. Специализированные компараторы обладают повышенным быстродействием и имеют цифровой выход 1 и 0. Диаграммы работы компаратора представлены на рис.5.27. Рис. 5.26. Компаратор на ОУ и его выходная характеристика Схема применения компаратора для широтно-импульсного регулирования Схема представлена на рис. 5.27. Рис. 5.27. Схема применения компаратора для широтно-импульсного регулирования 80 Получение пилообразного входного напряжения показано на рис.5.28. Рис. 5.28. Схема применения компаратора для широтно-импульсного регулирования Диаграммы работы исходной схемы показаны на рис. 5.29. Рис. 5.29. Диаграммы работы схемы для широтно-импульсного регулирования В схеме рис. 5.27 ОУ является компаратором, который сравнивает два сигнала - пилообразный и управляющий. Изменяя величину Uупр можно менять длительность интервалов t1 и t2. При этом период выходного сигнала T изменяться не будет, а соотношение между t1 и t2 будет зависеть от Uупр. Варианты: 1. Uупр=0: t1=0, t2=T, Uвых = −Uнас. 2. Uупр=Uпил.max/2: t1=t2=T/2, Uвых.ср.=0. 3. Uупр=Uпил.max: t1=T, t2=0, Uвых =Uнас. Т.о. изменяя величину Uупр от 0 до max можно менять среднее значение выходного напряжения Uвых.ср. от −Uнас. до Uнас. Uвых.ср. - это постоянная составляющая выходного сигнала, которая может быть выделена с помощью фильтра. При изменении ширины интервалов t1 и t2 меняется Uвых.ср, поэтому такой способ регулирования среднего значения 81 напряжения называется широтно-импульсное регулирование. 5.2.9. Триггер Шмитта на ОУ Триггер Шмитта на ОУ является компаратором с зоной нечувствительности. Зона нечувствительности может быть установлена любая желаемая, например, такой величины, чтобы при определении знака входного сигнала не чувствовался уровень помех во входном сигнале. Триггер Шмитта строится на основе компаратора, но добавляется положительная обратная связь. Схема представлена на рис. 5.30. Рис. 5.30. Триггер Шмитта на ОУ В этой схеме на неинвертирующий вход через делитель R1R2 подана часть выходного напряжения, причем знак напряжения на неинвертирующем входе зависит от знака выходного напряжения. Напряжение на неинвертирующем входе называют опорным Uоп=Uвых×R2/(R1+R2). Диаграммы работы представлены на рис. 5.31. Иногда Uоп называют пороговым напряжением. Т.о., если полезный сигнал содержит уровень помех меньше Uоп, то эти помехи на определение знака не будут сказываться. Знак определяется только гладкой составляющей опорного сигнала. Рис. 5.31. Диаграмма работы триггера Шмитта на ОУ 82 При отсутствии опорного сигнала при переходе входного сигнала через нуль и наличии помех было бы многократное переключение компаратора за счет помех (рис. 5.32). Рис. 5.32. Диаграмма работы триггера Шмитта на ОУ Схема мультивибратора на ОУ Мультивибратор является автоколебательной схемой. Выход мультивибратора изменяет свое состояние на противоположное за счет действия времязадающей RC цепи. Составной частью мультивибратора (рис. 5.33) является схема триггера Шмитта. При изображении мультивибратора к триггеру Шмитта добавляют времязадающую RC цепь, которая действует на инвертирующий вход ОУ вместо источника внешнего входного сигнала. Рис. 5.33. Мультивибратор 83 Будем рассматривать работу мультивибратора с момента подачи питания в схему. При подаче питания выход примет значение +Uнас или −Uнас (рис. 5.34). Рис. 5.33. Диаграмма работы мультивибратора В первый момент конденсатор С разряжен и напряжение между входами равно Uоп. При установке в исходное состояние конденсатор С начинает заряжаться. Между входами ОУ напряжение Uоп−Uс, т.к. Uоп>Uс, то Uоп определяет выход ОУ. Когда Uс достигнет Uоп, произойдет переключение ОУ на противоположное. В момент равенства этих напряжений ОУ начинает работать в соответствии с его свойствами. Т.к. при этом напряжение между входами близко к нулю и меняет знак на противоположный, то и выходное напряжение меняется на противоположное. При изменении знака выходного напряжения меняется знак опорного и конденсатор начинает перезаряжаться по пунктирной стрелке. Когда положительное напряжение на конденсаторе сравнивается с положительным опорным (момент времени t2), выходное напряжение ОУ изменится на противоположное. При включении схемы интервал (0-t1) короче, чем последующие интервалы. Для установившегося режима: t1=t2=t3=...; T=t1+t3≡R3C1; f=1/T. 84 ГЛАВА 6. Цифровые интегральные микросхемы 6.1. Общие понятия Анализ и синтез цифровых схем проводят на основе Булевой алгебры. Джон Буль - английский математик XIX века. Цифровые схемы оперируют с логическими переменными, которые обозначаются буквами латинского алфавита. Над логическими переменными можно совершать 3 основных действия: операция ИЛИ; операция И; операция НЕ. ИЛИ - логическое сложение (дизъюнкция). И - логическое умножение (конъюнкция). НЕ - инверсия, отрицание. Обозначение этих действий: ИЛИ обозначается +,(V); И обозначается ×,(/\); НЕ обозначается чертой над логической переменной. 6.2. Основные свойства логических функций Переменная, связанная логическими операциями, образует логическую функцию. Свойства логических функций: 1. Свойства логического сложения. 0+0=0; 0+1=1; 1+1=1. 2. Свойства логического умножения. 0×0=0; 0×1=0; 1×1=1. 3. Свойства отрицания. 0 = 1; 1 = 0; 1 = 1; 0 = 0; Приведенные соотношения называются аксиомами. Основные свойства в общем виде: а+0=а; а×0=0; а+1=1; а+а=а; а×1=а; а×а=а; a + a = 1; a × a = 0. a = a; 85 6.3. Основные логические законы 1. Переместительный закон 2. Сочетательный закон a+b=b+a; a⋅b=b⋅a. (a+b)+c=a+(b+c); (a⋅b)⋅c=a⋅(b⋅c). 3. Распределительный закон a⋅(b+c)=a⋅b+a⋅c; a+(b⋅c)=(a+b)⋅(a+c). Доказательство: a+bc=a(1+b+c)+bc=a+ab+ac+bc=a(a+c)+b(a+c)=(a+c)⋅(a+b). 4. Закон поглощения a+ab=a(1+b)=a; a⋅(a+b)=a+ab=a. 5. Закон склеивания ab + a b = a ; (a + b)(a + b) = a. 6. Закон отрицания (законы Моргана) a + b = a × b; a × b = a + b. Законы Моргана позволяют реализовать функционально полные системы на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. 6.4. Функционально полная система логических элементов Функционально полная система - это такой набор элементов, используя который можно реализовать любую сколь угодно сложную логическую функцию. Набор из основных логических элементов И, ИЛИ, НЕ является естественно функционально полным. Функционально полные системы могут быть реализованы также на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Реализация основных логических функций на элементах И-НЕ доказывается следующими соотношениями: Для И: ab = ab . Для ИЛИ: a + b = a × b. Для НЕ: a × a × 1 × ... 1 = a . 86 6.5. Обозначения, типы логических микросхем и структура ТТЛ Обозначения основных логических микросхем показано на рис. 6.1. В корпусе микросхемы содержится несколько логических элементов. Типы логических микросхем: 1. ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика. Выпускаются серии: К133, К155, К555, К1531, К1533. 2. КМОП - микросхемы на основе комплементарных полевых транзисторов по структуре металл-окисел-полупроводник: К176, К561, К1561. 3. ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика: К500. Рис. 6.1. Обозначения основных логических микросхем Структура ТТЛ логического элемента 2И-НЕ представлена на схеме рис. 6.2. На входе схемы используется многоэмиттерный транзистор VT1, который имеет 2 эмиттера для организации двух входов. VT2, VT3 образуют усилительные каскады. Рис. 6.2. Структура ТТЛ логического элемента 2И-НЕ Рассмотрим работу схемы. При нулевом сигнале на вх1 протекает ток через R1, Б-Э VT1, ключ Кл на общую точку ОТ. VT1 работает в ключевом режиме, на эмиттер подан ноль, напряжение на базе составляет примерно 0,6в. Тогда через переход Б-К транзистора VT1 и базовые переходы транзисторов VT2, VT3 ток протекать не может, т.к. эта цепь зако87 рочена переходом Б-Э VT1. Значит, ток через Б-Э VT2 и Б-Э VT3 отсутствует, транзисторVT3 закрыт, напряжение питания приложено к выводам К-Э VT3, следовательно, напряжение на выходе схемы соответствует 1. Логический элемент по одному из входов реализует логическую функцию НЕ (0 на входе, 1 на выходе). При 1 на вх1 ток по входной цепи протекать не может. Закоротка БК VT1 отсутствует. Ток протекает по цепи +5В, R1, Б-К VT1, Б-Э VT2, БЭ VT3.Транзистор VT3 открыт. Он закорачивает выход с ОТ, что соответствует 0 на выходе. Для реализации функции ИЛИ-НЕ в рассматриваемой структуре используют параллельное включение транзисторов. На рис. 6.3 приведена схема элемента 2ИЛИ-НЕ. В этой схеме параллельно включены транзисторы VT2 и VT2'. Работу схемы поясняет таблица. Рис. 6.3. Структура ТТЛ логического элемента ИЛИ-НЕ Основные функции И, ИЛИ, НЕ могут быть изображены в виде схем из контактов реле. Катушки реле являются входами таких схем. Элементу И соответствует последовательное соединение контактов - рис. 6.4. Рис. 6.4. Элемент И 88 Элементу ИЛИ соответствует параллельное соединение контактов рис. 6.5. Рис. 6.5. Элемент ИЛИ Работа схем поясняется приведенными таблицами. Сигнал 0 на входе соответсвует разомкнутому состоянию контакта, 1 –замкнутому. Столбец значений выходного сигнала записывается на основе аксиом. Основные параметры логических ТТЛ элементов 1. Напряжение питания Uпит=+5В±(5÷10)%. 2. Быстродействие. Характеризуется временем переключения (изменение состояния на противоположное), составляет 5...50 нс. 3. Помехоустойчивость (по входу). Определяется тем уровнем помех на полезном сигнале, который не приводит к ложному изменению состояния элемента. У большинства ТТЛ -элементов порогом срабатывания их является напряжение Uпор=1,4В, т.е. напряжение от 0 до 1,4В воспринимается как 0, а 1,4В и больше воспринимается как 1. 4. Потребляемая мощность. 5. Нагрузочная способность (по выходу). Составляет несколько миллиампер. 6. Выходные параметры ТТЛ: Логической 1 соответствует Uвых>2,4В, логическому 0 соответствует Uвых<0,4В. 6.6. Синтез комбинационных логических схем Комбинационные схемы - это схемы, которые не содержат элементов памяти и элементов выдержки времени. Последовательность синтеза следующая: 1. Задаётся словесный алгоритм работы схемы. 89 2. Составляется таблицы истинности. 3. Записывается исходная логическая функция и выполняется её минимизация. 4. Выполняется реализация полученной логической функции на логических элементах. Пример: требуется построить логическую схему голосования на 3 входа: cигнал на выходе схемы равен 1, когда большинство входных сигналов равно 1. Составляем таблицу истинности: таблица истинности - это табличная запись алгоритма. Обозначим входные переменные: x1, x2, x3. В таблице истинности для входных переменных должны быть записаны все возможные комбинации. Число строк в такой таблице равно 2 в степени n, где n -количество входных переменных. Выходная логическая функция ƒ записывается по словесному алгоритму (рис. 6.6). Когда две или три входных переменных равны 1, выходная функция тоже равна 1. Рис. 6.6. Выходная логическая функция По таблице истинности может быть записано логическое выражение. Форма записи по таблице истинности называется совершенно нормальной формой. Существует две формы записи: дизъюнктивная совершенно нормальная форма - сокращенно ДСНФ, конъюнктивная совершенно нормальная форма - КСНФ. Обычно запись ведётся в дизъюнктивной форме. В этой форме записи принимаются во внимание строки, в которых логическая функция принимает значение 1. Произведения переменных этих строк складываются логически. ДСНФ для нашего примера: f = x1x2x3 + x1x2x3 + x1x2 x3 + x1x2x3. Можно принимать во внимание строки с нулевым значением функции, только при этом каждая строка - это сумма переменных строки, а между собой суммы переменных соединяются произведением. Функция 90 называется КСНФ. Дальше выполняется следующий этап синтеза - минимизация, т.к. реализация логической функции по ДСНФ является достаточно сложной ввиду большого размера выражения для f. Цель минимизации - упростить выражение до такого вида, которое далее бы не упрощалось. В результате получается, так называемая, тупиковая форма. 6.6.1. Методы минимизации логических функций Минимизация может быть выполнена несколькими способами. 1. На основе законов алгебры логики. Недостаток метода - сложно выбрать из законов подходящий закон для очередного упрощения, трудно наметить путь преобразования, нельзя гарантировать, что полученная упрощенная форма является тупиковой. 2. Метод карт Карно. Применяется при числе переменных n<5...6. 3. Метод Квайна и его модификации. Является табличным, не имеет ограничений по количеству переменных. Сложный, но хорошо поддаётся алгоритмизации и исполнению на ЦВМ. Минимизация с помощью карт Карно Карта Карно представляет собой прямоугольную таблицу, в которой число клеток равно 2 в степени n. Карта заполняется на основе таблицы истинности или записи логической функции в ДСНФ. Для приведенного выше примера таблица истинности имеет вид, представленный на рис. 6.7. Рис. 6.7. Таблица истинности Внутри карты Карно записываются значения логической функции. Значения входных переменных записываются по краям карты. Каждая входная переменная делит поле карты пополам. Для одной половинки поля значения входных переменных равны 1, для другой - 0. При расстановке переменных необходимо соблюдать следующее правило: соседние 91 столбцы и строки должны различаться только одной переменной. Значение входной переменной, равное 1, принято охватывать скобочкой. Там, где нет скобочки, значение переменной равно 0. Возможно другое обозначение переменной по краю Карты (рис. 6.8). Рис. 6.7. Карта Карно Далее единицы в карте Карно объединяются контурами. Правила нанесения контуров: 1. Каждый контур должен быть прямоугольным. 2. Количество клеток внутри контура должно быть равным 2 в степени k, где k=1,2,3,...,n. 3. Одни и те же клетки с единицами могут входить в несколько контуров. 4. Размеры контуров должны быть как можно большими, а число контуров как можно меньшим. 5. Нижняя и верхняя строки, левый и правый столбцы считаются соседними. Запись минимизированного выражения по карте Карно с нанесенными контурами выполняется по следующим правилам: 1. Количество слагаемых в дизъюнктивной форме равно количеству контуров. 2. Из конъюнкции переменных исчезают те переменные, границы изменения которых пересекаются контуром. Для рассматриваемого примера: f = x1x2 + x2x3 + x1x3. В этом выражении x1x2 записано из первого контура, x2x3 - из второго контура, x1x3 - из третьего контура. Реализация по этому выражению имеет вид, представленный на рис. 6.8. Реализация требует два корпуса микросхем. 92 Рис. 6.8. Реализация логической функции Для уменьшения количества корпусов преобразуют полученную логическую функцию по законам Моргана и записывают её в базисе И-НЕ или в базисе ИЛИ-НЕ. Применение законов Моргана позволяет избавиться от “+” в логической функции или от произведений. Один из законов Моргана имеет вид: Изменим запись закона a + b = a × b. a + b = a × b. Запись справедлива для любого количества элементов. Под a и b можно понимать логические выражения. Применим формулу для нашего выражения: f = x1x2 ⋅ x2x3 ⋅ x1x3. Реализация по данному выражению показана на рис. 6.9. Реализация требует два корпуса микросхем. Рис. 6.9. Реализация логической функции 93 6.6.2. Примеры минимизации, записи функции и реализации Пример 1 (рис. 6.10). Свойство 5 в Правилах нанесения контуров можно понимать так, что края карты не являются границами. Говорят, что карта Карно представляет собой “бублик”. Она может быть соединена по левому и правому краю, образуя цилиндр, а затем по верхнему и нижнему краю, образуя ”бублик”. Рис. 6.10. Логическая функция Для нашего примера f = x3. Реализация представлена на рис. 6.11. Рис. 6.11. Реализация логической функции Пример 2 (рис. 6.12). Логическая функция имеет вид: f=x1 + x2 = x1x2. Рис. 6.12. Логическая функция 94 Реализация – рис. 6.13. Рис. 6.13. Реализация логической функции Реализация после применения закона Моргана – рис. 6.14. Рис. 6.14. Реализация по применения закона Моргана логической функции Пример 3 Рассмотрим типовую функцию, которая называется “Сумматор по модулю 2” или “Исключающее ИЛИ”. Таблица истинности для неё имеет вид (для двух входов), представленный на рис. 6.15. Рис. 6.15. Таблица истинности Обозначение функции “Исключающее ИЛИ”: f=x1 ⊕ x2. Карта Карно для этой функции показана на рис. 6.16. Она показывает, что нельзя организовать контур с несколькими единицами, т.е. минимизация невозможна и логическую функцию можно записать только в ДСНФ 95 f = x1x2 + x1x2 = x1x2 ⋅ x1x2 . Рис. 6.16. Карта Карно Обращаем внимание, что x1x2 ≠ x1x 2 . Реализация представлена на рис. 6.17. Требуется 2 корпуса. Рис. 6.17. Реализация логической функции 6.18. Пример 4 Вид карты Карно для четырёх входных переменных показан на рис. Рис. 6.18. Вид карты Карно 96 6.7. Интегральные триггеры В отличие от комбинационных логических схем, триггеры - это последовательностные схемы, т.е. устройства с памятью. Их выходные сигналы зависят не только от сигналов на входах в данный момент времени, но и от ранее воздействовавших сигналов. Типы триггеров в зависимости от способов управления: 1. Асинхронные или не тактируемые. 2. Синхронные или тактируемые. Изменение состояние асинхронного триггера происходит сразу же после изменения сигналов на его управляющих входах. У синхронного триггера изменение состояния под действием управляющих сигналов возможно только при присутствии сигнала на специальном тактовом входе. Тактирование может осуществляться импульсом (т.е. потенциалом) или фронтом импульса (т.е. перепадом потенциала). Поэтому различают триггеры со статическим и динамическим управлением. Существуют также универсальные триггеры, которые могут работать как в тактируемом, так и в не тактируемом режиме. Чаще всего применяются синхронные триггеры, которые обладают большой помехоустойчивостью. Типы триггеров в зависимости от функционального назначения: 1) RS - триггеры; 2) D - триггеры; 3) JK - триггеры; 4) T - триггеры. На основе триггеров строятся счетчики, регистры, элементы памяти, которые составляют основу ЦВМ. 6.7.1. RS асинхронный триггер 6.19. Реализация на элементах 2И-НЕ имеет вид, представленный на рис. Рис. 6.19. RS асинхронный триггер На нем обозначено: S - Set - установка, R - Reset - cброс. Черточки 97 над S и R означают инверсию, т.е. управление триггерами ведется нулевыми сигналами. При подаче 0 на инверсный вход S на выходе Q устанавливается 1. При подаче 0 на инверсный вход R на выходе Q устанавливается 0. Одновременная подача нулевых сигналов на оба входа запрещена. Наличие 1 на обоих входах - это состояние хранения предыдущей информации (память). Отличительная схемотехническая особенность триггера - это наличие обратной связи с каждого выхода на вход. На основе корпуса с элементами 2И-НЕ можно реализовать 2 триггера. Функционирование RS триггера можно записать на основе таблицы истинности (рис. 6.20). Рис. 6.20. Таблица истинности RS асинхронный триггер Состояние выходов триггера определяют нулевые сигналы на входах. Форма сигналов на управляющих входах, представлена на рис. 6.21. При подаче питания такой триггер встает в одно из возможных состояние Q=1 или Q=0. Заранее это определить нельзя. Рис. 6.21. Форма сигналов на управляющих входах Реализация RS триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ показана на рис. 6.22. Состояние его выходов определяют 1 на входах, т.к. черточек над R и S нет. Это означает, что управление ведется 1. 98 Рис. 6.22. Реализация RS триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ Таблица истинности представлена на рис. 6.23. Рис. 6.23. Таблица истинности 6.7.2. Асинхронный D - триггер Буква D в названии триггера - это начальная буква слова Delayзадержка. Основой D -триггера является RS триггер, у которого выполняется условие несовпадения управляющих сигналов, а управляющий вход у триггера один (рис. 6.24). Рис. 6.24. Асинхронный D - триггер 99 Диаграммы работы представлены на рис. 6.25. Рис. 6.25. Диаграмма работы асинхронного D - триггера 6.7.3. Синхронный D - триггер со статическим управлением Схема такого триггера (рис. 6.26) имеет вход D -информационный вход и вход C -вход синхронизации. Рис. 6.26. Синхронный D - триггер со статическим управлением Логические элементы 2И-НЕ на входе при подаче на вход C единичного сигнала разрешает пройти на выход триггера сигналу с входа D. При подаче на вход С нулевого сигнала -на выходе логических элементов появляется единица, информация на выход со входа D не проходит и триггер хранит предыдущую информацию. На вход С всегда подаются импульсы постоянной частоты. Частота обычно выбирается достаточно высокой по сравнению с частотой изменения сигнала на входе D. Обозначение триггера на схемах показано на рис. 6.27. 100 Рис. 6.27. Обозначение триггера на схемах Диаграммы работы приведены на рис. 6.28. В серии 155 выпускается 2 типа D -триггеров со статическим управлением: К155ТМ7, К155ТМ5. Рис. 6.28. Диаграммы работы 6.7.4. Синхронный D - триггер с динамическим управлением Триггеры с динамическим управлением обычно строятся по структуре двухступенчатого триггера, содержащего ведущий и ведомый триггеры. Это так называемая структура MS (ведущий-ведомый). Обозначение на схемах показано на рис. 6.29. R и S -это установочные входы, используются при включении триггера для предварительной установки в нужное состояние. Рис. 6.29. Обозначение триггера на схемах 101 Выпускается триггер K155TM2. Значок > на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по фронту импульса синхронизации, подаваемого на вход C. Если применяется значок <, то синхронизация осуществляется по спаду импульса синхронизации. Диаграммы работы триггера приведены на рис. 6.30. Рис. 6.30. Диаграммы работы 6.7.5. Синхронный JK - триггер Буква J обозначает слово Jump-прыжок, K - Keep-держать. Выпускается триггер К155ТВ1, он является универсальным. Обозначение на схемах показано на рис. 6.31. Рис. 6.31. Обозначение триггера на схемах Значок < на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по спаду импульса синхронизации, т.е. при С=1→0: Q var. Возможные режимы работы: 1. J=1, K=0. Это режим записи Q=1 по спаду сигнала синхронизации 102 С=1→0. 2. J=0, K=1. Это режим записи Q=0 по спаду сигнала синхронизации С=1→0. 3. J=1, K=1. При этом Q=var по спаду сигнала С=1→0. Это счетный режим работы. 4. J=0, K=0 или С=0=const. При этом Q=const. Это режим хранения информации. JK-триггер может быть преобразован в D-триггер, как показано на рис. 6.32. Рис. 6.32. D-триггер из JK-триггера 6.7.6. T - триггер Это счетный триггер. Обозначение на схемах показано на рис. 6.33а, диаграммы работы - на рис. 6.33б. а) б) Рис. 6.33. T – триггер и его диаграмма работы Т - тактовый вход. С приходом тактового импульса Т- триггер изменяет свое состояние на противоположное. На рис. 6.34а показано преобразование JK - триггера в T- триггер, а на рис. 6.34б - преобразование D - триггера в Т- триггер. 103 а) б) Рис. 6.34. Схемы преобразования триггеров 6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров Схема генератора импульсов Схема представлена на рис. 6.35. Рис. 6.35. Схема генератора импульсов Она используется для получения импульсов, подаваемых на вход С или Т синхронных триггеров. Основой схемы является RS - триггер, у которого одна обратная связь с выхода на вход заменена конденсаторной обратной связью. Величина сопротивления резисторов R≈300 Ом. Резисторы R обеспечивают лучшую возбуждаемость генератора и стабильность работы. Триггер имеет управляющий вход. В режиме генерации на вход управления должна быть подана 1, при 0 - генерация запрещена. Форма выходных импульсов и диаграммы напряжений в различных точках схемы приведены на рис. 6.36. Период работы T=t1+t2=f(C). 104 Рис. 6.36. Форма выходных импульсов и диаграммы напряжений Формирователь импульса Формирует импульсы заданной ширины. Схема приведена на рис. 6.37, диаграммы работы - на рис. 6.38. Рис. 6.37. Схема формирователя импульса Инверторы на входе и выходе схемы придают ей универсальность - в качестве входа можно использовать Вх.1 или Вх.2, а в качестве выхода Вых.1 или Вых.2 или Вых.3. 105 Рис. 6.38. Диаграмма работы формирователя импульса 6.8. Мультиплексоры и демультиплексоры Мультиплексор (MS) (другие названия – селектор данных, коммутатор) – это комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных, которые поступают по нескольким входам, на один выход. Выбор того или иного входа осуществляется в соответствии с поступающим кодом адреса. Согласно определению, мультиплексор имеет две группы входов (информационные и адресные) и один выход. Код, подаваемый на адресные входы, определяет, какой из информационных входов в данный момент подключен к выходному выводу. Если число адресных входов равно n, то число информационных входов может быть равно 2n . На рис. 6.39а приведена схема мультиплексора К561КП2. Это восьмивходовой мультиплексор-демультиплексор. Микросхема имеет три адресных входа 1, 2 и 4, восемь информационных входов Х0-Х7 и вход стробирования S, с помощью которого выход мультиплексора отключается от входов и переходит, в так называемое, третье состояние (верхний и нижний ключи выходного каскада микросхемы находятся в закрытом состоянии). Для получения третьего состояния на вход S необходимо подать лог.1. При подаче на адресные входы 1, 2 и 4 двоичного кода адреса, а на вход S лог. 0 выход мультиплексора соединяется с входом, номер которого равен двоичному коду адреса. В этой микросхеме соединение входов с 106 выходом организуется с помощью двунаправленного ключа на КМОПтранзисторах. Передаваемый через мультиплексор сигнал может быть, как аналоговым, так и цифровым, он может передаваться как с входов на выход (режим мультиплексора), так и с выхода распределяться по входам (режим демультиплексора). Мультиплексор может применяться для опроса различных датчиков цифровых и аналоговых сигналов и передачи этой информации на вход одного приемника (для усиления, преобразования, индикации). Демультиплексор (DMS) – это комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от одного источника информации в несколько информационных каналов. Согласно определению, демультиплексор в общем случае имеет один информационный вход, n адресных входов и 2n выходов. Демультиплексор может применяться для распределения сигнала, принятого по одному проводу, к различным потребителям (рис. 6.39б). а) б) Рис. 6.39. Схема мультиплексора и демультиплексора 6.9. Дешифраторы Дешифратор или декодер (DC) – это комбинационное логическое устройство, предназначенное для преобразования входного кода в другой код. В качестве примера рассмотрим дешифратор К561ИД1 (рис. 6.40). Он преобразует входной код в так называемый унитарный: выходной сигнал с уровнем лог.1 появляется на том выходе дешифратора, номер которого соответствует десятичному эквиваленту входного кода, а на остальных выходах дешифратора при этом лог.0. Широко распространены также дешифраторы двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора. В заключение отметим, что мультиплексоры и дешифраторы отно107 сятся к классу комбинационных логических устройств. Далее рассматриваются устройства на основе последовательностных логических устройств (триггеров). Рис. 6.40. Схема дешифратора 6.10. Двоичные счетчики-делители Счетчик (CT) – это последовательностное устройство, предназначенное для подсчета числа входных импульсов и хранения результатов счета в двоичном коде (преобразование последовательности импульсов в параллельный двоичный код), а также для деления частоты входных импульсов. В ЦВМ они используются для образования адресов команд, подсчета количества циклов и т.п. Счетчики выполняются на основе триггеров. По целевому назначению счетчики могут быть простыми (для суммирования или вычитания) или реверсивными (для работы в обоих режимах). По принципу работы различают: • Асинхронные счетчики, информация у которых передается последовательно по цепочке триггеров, начиная с входного; • Синхронные счетчики, у которых входные импульсы поступают одновременно на все триггеры счетчика. Основным параметром счетчика является коэффициент или модуль счета К – это наибольшее число, которое может быть подсчитано счетчиком. В зависимости от значения модуля счета счетчики делятся на двоичные (К=2n , где n – число триггеров), декадные (К=10), с произвольным модулем счета. На рис. 6.41 представлен типичный четырехразрядный асинхронный счетчик-делитель на JK-триггерах. 108 Рис. 6.41. Четырехразрядный асинхронный счетчик-делитель на JK-триггерах Диаграммы работы счетчика показаны на рис. 6.42. Каждый из триггеров делит частоту пополам, поэтому частота выходного сигнала Q4 равна 1/16 частоты входного сигнала синхронизации. Рис. 6.42. Диаграммы работы счетчика Перед началом счета на входы R всех триггеров кратковременно подается низкий уровень сигнала (R=0) для предварительной очистки счетчика (для установки на всех прямых выходах Q триггеров логического ноля). Как видно из диаграммы счетчик на прямых выходах формирует линейно нарастающие кодовые наборы от 0000 до 1111, являющиеся двоичными эквивалентами десятичных чисел от 0 до 15. Шестнадцатый импульс переводит все триггеры в нулевое состояние. Модуль счета этого счетчика К=24=16. Очевидно, что при счете импульсов на инверсных выходах триггеров 109 формируются линейно убывающие коды от 1111 до 0000, что используется для реализации вычитающих счетчиков. В вычитающем счетчике синхронизирующий вход каждого триггера связан с инверсным выходом предыдущего триггера. Перед началом счета должна быть выполнена предварительная установка счетчика в состояние 1111. Для увеличения скорости счета применяют синхронные (параллельные) счетчики, у которых счетные импульсы поступают одновременно на входы синхронизации всех триггеров (рис. 6.43). Рис. 6.43. Синхронный счетчик Порядок переключения триггеров в таких счетчиках определяют логические схемы совпадения «И». В схеме рис. 6.43 первый импульс при условии J=K=1 изменит состояние только первого триггера (Q1=1) и одновременно подготовит к переключению второй триггер, т. к. для него будет J2=K2=1. При модуле счета К<2n двоичный счетчик будет иметь избыточные состояния, которые необходимо исключить с помощью дополнительной комбинационной схемы. Например, если требуется создать суммирующий счетчик с К=6, то потребуется не менее 3-х триггеров, т.к. 22<6<23. Счетчик из 3-х триггеров возвращается в исходное состояние после 8-го импульса, а надо после 6-го. Избыточные состояния исключаются с помощью комбинационной схемы И-НЕ, которая после 6-го импульса, когда будет набран двоичный код 110, эквивалентный заданному К=6, подаст сигнал 0 на сбросовые R- входы триггеров и возвратит триггеры в исходное состояние Q1=Q2=Q3=0. Для исключения избыточных состояний входы логического элемента И-НЕ надо соединять только с выходами тех разрядов счетчика, на которых будут единицы при достижении кодового набора, соответствующего требуемому модулю счета К. Пример счетчикаделителя c модулем счета К=3 приведен на рис. 6.44. 110 Рис. 6.44. Счетчик-делитель c модулем счета К=3 Задание: используя рисунок 6.42 нарисовать диаграммы работы этого счетчика-делителя. Широкое распространение получили декадные (десятичные) счетчики с К=10. Декадный счетчик можно реализовать на основе схемы рис. 6.41, если дополнить ее логическим элементом 2И-НЕ, подав на его входы сигналы Q2=Q4=1 (1010 – двоичный код числа 10) для очистки счетчика по входу R с приходом 10-го импульса. Различные счетчики изготовляются в виде готовых микросхем. 6.11. Регистры Регистр (RG) – это последовательностное устройство, предназначенное для записи, хранения и (или) сдвига информации, представленной в виде многоразрядного двоичного кода. В зависимости от функционального назначения различают регистры сдвига (последовательные) и памяти (параллельные). Регистры выполняются на основе триггеров. В четырехразрядном регистре сдвига, выполненном на JK-триггерах (рис. 6.45), с приходом каждого спадающего фронта тактового импульса синхронизации на входы «С» происходит запись сигналов с прямых и инверсных выходов на информационные входы каждого последующего триггера, от младшего разряда к старшему. 111 Рис. 6.45. Четырехразрядный регистр сдвига Если на входе данных первого триггера имеем 0, т.е. J=0, К=1, то в исходном состоянии на выходах Q1=0, Q1 =1. Эти же уровни сигналов последовательно передаются каждому триггеру после прихода тактовых импульсов, но не изменяют их состояния. Если же на входе первого триггера J=1, К=0, то после первого тактового импульса на его выходах установятся новые логические уровни Q1=1, Q1 =0; вторым тактовым импульсом в это состояние переключится второй триггер и т.д. (рис. 6.46). Очевидно, что четвертый тактовый импульс сдвинет уровень логической единицы в четвертый триггер, и на выходах разрядов регистра появится кодовый набор 1111. Рис. 6.46. Диаграмма работы четырехразрядного регистра сдвига 112 Регистры памяти применяются для хранения информации, представленной в виде двоичного кода. Такие регистры должны по тактовому разрешающему импульсу принимать параллельный код входной информации и хранить его до прихода следующего тактового импульса. Для построения регистров памяти наиболее удобны D–триггеры. На рис. 6.47 показана схема четырехразрядного регистра памяти К155ТМ5. Он содержит четыре тактируемых потенциалом D–триггера. Если на тактовые входы триггеров подан потенциал С=1, то информация с входов D1–D4 устанавливает триггеры в соответствующие состояния и эта информация появляется на выходах регистра. При С=0 триггеры хранят запомненную информацию вне зависимости от того, какие потенциалы присутствуют при этом на входах D1–D4. Рис. 6.45. Регистр памяти ГЛАВА 7. Элементы оптоэлектроники Оптоэлектроника – это раздел электроники, в котором изучаются вопросы генерации, передачи и хранения информации на основе совместного использования оптических и электрических явлений. Элементная база: 1. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы – преобразователи световой энергии в электрическую. 2. Светодиодные оптоизлучатели – преобразователи электрической энергии в световую. 3. Оптоэлектрические пары (оптопары, оптроны) – приборы для электрической изоляции при передаче информации по световому каналу. Обратный ток утечки в p-n переходе обусловлен неосновными носителями. Обычно пары электрон-дырка образуются за счет тепловой энергии. Но если на p-n переход падает свет, то это приводит к значительному увеличению концентрации неосновных носителей. Электроны и дырки, освобожденные энергией фотонов, вызывают значительное увеличение обратного тока утечки. Фотодиод – это p-n переход, помещенный в корпус с прозрачным 113 окном. Обычно такой диод работает со смещением в обратном направлении и типичное значение его тока в темноте равно 1нА. При освещении с интенсивностью 1мВт/см2 ток увеличивается до 1 мкА. Такую интенсивность дает лампа мощностью 60 Вт на расстоянии 30 см. Изображение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 7.1а. Фототранзистор – это обычный транзистор с прозрачным окном в корпусе. Когда свет падает на транзистор, в обоих p-n переходах освобождаются неосновные носители, но увеличение фототока дают те из них, которые образуются у смещенного в обратном направлении перехода коллектор-база. Как тепловой ток утечки IКО перехода коллектор-база усиливается транзистором и дает больший ток утечки коллектор-эмиттер, так же усиливается и фототок. Чувствительность фототранзисторов обычно в сто раз выше, чем у фотодиода. Базовый вывод у фототранзистора часто не используется. Изображение фототранзистора на электрических схемах показано на рис. 7.1б. Светодиоды – это полупроводниковые диоды на основе фосфида галлия и арсенида галлия, которые излучают свет при протекании прямого тока. Обычно прямой ток составляет 2…40 млА и для ограничения его последовательно с диодом включают резистор. Имеются светодиоды с красным, зеленым, желтым и синим свечением. Срок службы светодиодов практически не ограничен. Изображение светодиода на электрических схемах показано на рис.7.1в. Для индикации цифр на цифровых дисплеях применяют светодиодные индикаторы. Наиболее распространены семисегментные индикаторы. а) б) в) Рис. 7.1. Изображение фотодиода, фототранзистора, светодиода Оптроны – это приборы, содержащие в одном корпусе оптоизлучатель и фотоприемник, оптически связанные друг с другом. В качестве оптоизлучателя используются светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне излучения. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Т.к. между приемником и излучателем существует только оптическая связь, это позволяет передавать сиг114 налы при разности потенциалов между приемником и излучателем до нескольких кВ. При этом практически полностью исключаются паразитные емкостные и индуктивные связи в канале передачи информации, поэтому оптический канал связи обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью. Обозначения различных оптопар (оптронов) показано на рис. 7.2. Рис. 7.2. Обозначения различных оптопар ГЛАВА 8. Практические занятия 8.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления Задача любого выпрямителя - сформировать однополярное напряжение с заданой величиной постоянной составляющей Ud. В идеальном случае график выпрямленного напряжения должен быть прямой линией. Схема выпрямления и идеальная ВАХ диода VD представлены на рис. 8.1. Рис. 8.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления Трансформатор TV нужен для того, чтобы на нагрузке Rн иметь заданный уровень выпрямленного напряжения. Графики напряжений и тока в схеме показаны на рис. 8.2, где U2 - напряжение на вторичной обмотке трансформатора, Uд - действующее значение вторичного напряжения. + } - положительная полуволна; − (−) } - отрицательная полуволна. (+) 115 Рис. 8.2. Графики напряжений и тока Среднее значение выпрямленного напряжения: Ud = 1 T T/2 ∫U 2 ( t )dt; U 2 ( t ) = 2 U Д ⋅ sin ωt; U d = 0,45U Д . Равенство S1 и S2 определяет уровень Ud. Диаграммы с учетом реальных свойств диода показаны на рис.8.3. Рис. 8.3. Графики напряжений и тока с учетом свойств диода 8.4. Работа схемы при прямоугольном напряжении представлена на рис. 116 Рис. 8.4. Работа схемы при прямоугольном напряжении 8.2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления Усложнение схемы выпрямления делается для того, чтобы приблизить мгновенное выпрямленное напряжение к значению среднего выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение - это постоянный уровень. Мгновенное выпрямленное напряжение - это пульсирующее напряжение. Схема представлена на рис. 8.5. Рис. 8.5. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления Для получения второй полуволны выпрямленного напряжения применяют вторую полуобмотку питающего трансформатора. Схема реализуема только в трансформаторном варианте, трансформатор позволяет получить два напряжения, которые имеют общую точку. Обязательно должно быть согласное включение обмоток. Диаграммы показаны на рис. 8.6. Надписи VD1, VD2 на диаграмме напряжения на нагрузке Uн показывают, при работе какого диода образуется полуволна выпрямленного напряже117 ния. Частота выпрямленного напряжения в два раза больше, чем питающего. Рис. 8.6. Диаграммы работы 8.3. Работа однофазного двухполупериодного выпрямителя при прямоугольном питающем напряжении Будем полагать, что фронта питающего напряжения являются вертикальными. Диаграммы работы схемы для этого случая показаны на рис. 8.7. В действительности фронта напряжения не являются вертикальными, а имеют какой-то наклон, как показано на рис. 8.7 тонкими линиями. В выпрямленном напряжении при этом имеются провалы, для устранения которых приходится применять фильтр. Чем ближе к идеальному случаю, тем эти провалы меньше. Рис. 8.7. Диаграммы работы 118 8.4. Стабилизатор напряжения на стабилитроне В реальных условиях работы схем выпрямления возможно изменение питающего напряжения и тока нагрузки. Это приводит к изменению среднего значения выходного напряжения схемы выпрямления. Кроме того, напряжение на выходе выпрямителя является пульсирующим. Чтобы сгладить это напряжение и приблизить его к идеальному постоянному напряжению (напряжение аккумулятора), на выходе выпрямителей включают конденсатор. Типичная емкость конденсатора для сети с частотой 50Гц в зависимости от тока нагрузки и требуемой степени сглаживания находится в диапазоне от 100 мкФ до 10000 мкФ. Схема и диаграммы работы однополупериодного выпрямителя с фильтром на выходе в виде конденсатора Сф представлены на рис. 8.8. Рис. 8.8. Схема и диаграммы работы однополупериодного выпрямителя с фильтром на выходе Чем меньше емкость конденсатора и больше ток нагрузки, тем выше пульсации напряжения на нагрузке и меньше его среднее значение. Т.о. даже применение фильтра не позволяет получить постоянное по величине напряжение без пульсаций. Расчетные соотношения для процесса сглаживания с помощью конденсатора Сф можно получить, рассматривая интервалы заряда и разряда конденсатора на диаграмме, приведенной на рис. 8.8. На диаграмме конденсатор Сф заряжается вблизи амплитуды выпрямленного напряжения и затем разряжается на нагрузку в течение оставшейся части периода выпрямленного напряжения. Таким образом, большую часть времени ток в нагрузке обеспечивается за счет конденсатора, а выпрямитель пополняет заряд конденсатора вблизи амплитуды выпрямленного напряжения. Если ток нагрузки равен нулю, то конденсатор будет оставаться заряженным до амплитуды выпрямленного напряжения. Ток нагрузки Iн вызывает пульсации напряжения на конденсаторе Сф на некоторую величину ∆U в течение периода выпрямленного напряжения. Пульсации напряжения можно рассматривать как переменное напряжение, наложенное на постоянное 119 напряжение, равное по величине среднему значению напряжения на конденсаторе (на нагрузке). При реальных емкостях конденсатора Сф, когда пульсации напряжения на конденсаторе ∆U малы по сравнению со средним значением выпрямленного напряжения, интервал заряда конденсатора составляет сравнительно малую часть от периода выпрямленного напряжения. Поэтому временем заряда можно пренебречь и считать, что разряд конденсатора продолжается весь период Т выпрямленного напряжения. Тогда величина пульсаций выпрямленного напряжения определяется выражением: ∆U=Iн*Т/C=Iн/fC, где f- частота пульсаций выпрямленного напряжения. Наличие пульсаций напряжения на конденсаторе Сф, накладывающихся на среднее значение выпрямленного напряжения, вызывает падение этого среднего значения по мере увеличения тока нагрузки Iн. Среднее значение пульсаций, если принять, что форма напряжения пульсаций близка к треугольной, будет равно половине размаха пульсаций, т.е. ∆U/2. Следовательно, среднее значение выходного напряжения: Uн=Um-(Iн/2fC), где Um-амплитуда напряжения питания выпрямителя. У двухполупериодного выпрямителя размах пульсаций ∆U=Iн/2fC, а среднее значение выходного напряжения: Uн=Um-(Iн/4fC). Таким образом, у двухполупериодного выпрямителя пульсации вдвое меньше, чем у однополупериодного выпрямителя. По этой причине он применяется гораздо чаще, чем однополупериодный выпрямитель. Задача схемы стабилизатора - получить выходное напряжение в виде прямой линии. Желательно его иметь неизменным при изменении входного напряжения и тока нагрузки. Схема простейшего стабилизатора на стабилитроне и диаграммы его работы показаны на рис. 8.9. Рис. 8.9. Схема простейшего стабилизатора на стабилитроне и диаграммы его работы 120 Uпит - пульсирующее, постоянное по знаку напряжение. Например, это выпрямленное отфильтрованное напряжение. Для схемы можно записать уравнение: Uпит=URб+Uст; Uст=Uн. Условие нормальной работы схемы: Uст