|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Схема однополупериодного выпрямителяСтр 1 из 9Следующая ⇒
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов 1 курса
специальности 11.02.02 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники (по отраслям)
г. Нижний Новгород
2017г.
Содержание
1 Полупроводниковые диоды………………………………….….….3 1.1 Выпрямительный диод………………………………….…....3 1.2 Стабилитрон…………………………………………….….…4 1.3 Фотодиод…………………………………………………..….6 1.4 Светодиод…………………………………………….…….…7 2 Транзисторы……………………..……………………………….....9 2.1 Биполярные транзисторы……………………………………9 2.2 Полевые транзисторы………………………………………20 3 Интегральные микросхемы (ИМС) логических элементов…….27 3.1 Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)..……………………...27 3.2 МОП-транзисторная логика (МОП-ТЛ)…………………..29 3.3 Комплементарная МОП-транзисторная логика (КМОП-ТЛ)………………………………………….31 4 Усилительные устройства…………………………………………34 4.1 Структурна схема усилителя……………………………….34 4.2 Классификация усилителей………………………………....34 4.3 Показатели качества усилителей…………………………..36 4.4 Обратная связь в усилителях………………………………42 5.5 Питание усилителей по постоянному току………………..44 4.6 Стабилизация режима работы усилителя…………………46 4.7 Анализ АЧХ ШПУ…………………………………….….....48 4.8 Резонансные усилители………………………………….….51 4.9 Оконечные каскады (усилители мощности)………….……55 4.10 Усилители постоянного тока………………………….…..58 Литература…………………………………………………………....67
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – это прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств p-n перехода. Обозначение: VD Стрелка указывает направление прямого тока Выпрямительный диод Назначение выпрямительного диода – преобразование переменного напряжения в постоянное. Работа выпрямительного диода основана на его односторонней проводимости. Схема однополупериодного выпрямителя
Трансформатор служит для понижения входного напряжения
0 + t
IД
0 t UВЫХ заряд разряд 0 t
При положительной полуволне напряжения Таким образом, через диод и нагрузку протекает пульсирующий ток (то он есть, то его нет). Для сглаживания пульсаций параллельно сопротивлению нагрузки Механизм сглаживания пульсаций: При положительной полуволне конденсатор быстро заряжается через малое сопротивление открытого диода. При отрицательной полуволне конденсатор медленно разряжается через относительно большое сопротивление нагрузки. В результате выходное напряжение приближается к постоянному напряжению. Чем больше емкость блокировочного конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше пульсации. Емкость блокировочного конденсатора выбирается из условия: реактивное сопротивление конденсатора должно быть много меньше сопротивления нагрузки, т.е. В электронной технике понятие «много» означает на порядок, поэтому данное неравенство можно переписать: Учитывая, что Отсюда выражаем
Таким образом, зная частоту входного сигнала и сопротивление нагрузки, легко определить емкость блокировочного конденсатора.
Конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный.
Докажем это. Для постоянного тока
Стабилитрон Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого обратная ветвь ВАХ используется для стабилизации напряжения. Рабочим участком стабилитрона является область электрического пробоя, а рабочим напряжением – напряжение пробоя. В качестве стабилитронов используют кремниевые диоды, обладающие бо́ льшей устойчивостью к тепловому пробою. Обозначение: Пример: КС182А
IПР
UОБР UСТ НОМ 0 1В UПР
IСТ НОМ
IОБР
Одним из характерных параметров стабилитрона является температурный коэффициент напряжения стабилизации:
Иногда в качестве рабочего участка стабилитрона используется прямая ветвь ВАХ, имеющая Для компенсации температурных изменений последовательно со стабилитроном включают 1 или несколько стабисторов:
Созданные по данному принципу стабилитроны называются прецизионными (например, КС191А). Прецизионные стабилитроны обладают высокой температурной стабильностью и высокой точностью стабилизации. Используются они в качестве источников опорного (эталонного) напряжения в цифровых схемах. Вместо стабистора можно использовать обычный выпрямительный диод, у которого прямая ветвь ВАХ также имеет Применение стабилитронов: · Стабилизаторы напряжений. · Источники опорного напряжения в цифровых схемах. Фотодиод Фотодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие световую энергию в энергию электрическую. Обозначение:
Изготавливают фотодиоды из германия и кремния. Работает фотодиод при обратном включении. Устройство: P-n переход помещается в металлический корпус со стеклянным окном. Принцип работы: Принцип работы фотодиода основан на внутреннем и внешнем фотоэффекте. Когда диод не освещен, в цепи протекает обратный темновой ток небольшой величины Фотодиод может включаться в схему как с внешним источником питания ( фотодиодный режим ), так и без него ( ве́ нтильный режим ).
(Используется при слабых световых (Используется при мощных потоках) световых потоках, например, солнечное излучение)
p n
ННЗ Ө
ЕВН
ЕВНЕШН
а) Пусть имеется поток фотонов с энергией б) Пусть освещение перехода отсутствует. В этом случае фотогенерация также будет отсутствовать, поэтому через переход суммарным полем будут перебрасываться в небольшом количестве ННЗ, образованные за счет генерации, и через диод будет протекать темновой ток Рассмотрим ве́ нтильный режим: В этом режиме будут происходить те же самые процессы, что и в фотодиодном режиме, только переброс ННЗ через переход будет осуществляться исключительно за счет внутреннего поля Применение фотодиодов: · В вычислительной технике фотодиоды используют в устройствах ввода-вывода информации, т.к. фотодиоды обладают хорошей развязкой между входом и выходом (отсутствует электрическая связь между входом и выходом). · В кино-, фото-аппаратуре. · В оптронах в качестве фотоприёмников. · Вентили – в качестве солнечных батарей.
Светодиод Светодиоды – это полупроводниковые диоды, преобразующие электрическую энергию в световую.
Обозначение: Пример: АЛ102Б, АЛ307А
Принцип работы: Под действием прямого напряжения ОНЗ диффундируют в соседние области, где они рекомбинируют с зарядами противоположного знака. Рекомбинация сопровождается переходом электронов из ЗП в ВЗ. При этом выделяется энергия в виде квантов излучения W(эВ) Ө WП hv WВ
Для получения видимого излучения, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны находилась в пределах: Отсюда видно, что германий и кремний для изготовления светодиодов непригодны, т.к. они имеют ширину запрещенной зоны меньшую, чем необходимо для видимого излучения ( Для изготовления светодиодов применяется фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC), тройные соединения, называемые твердыми растворами и состоящими из галлия, алюминия и мышьяка (Ga, Al, As) или галлия, мышьяка, фосфора (Ga, As, P). Внесение в полупроводник некоторых примесей позволяет получить свечение различного цвета. Кроме светодиодов, дающих видимое свечение, используются светодиоды инфракрасного излучения на основе арсенида галлия (GaAs ), у которого Конструктивно светодиоды выполняются: · В непрозрачных корпусах с линзой, обеспечивающей направленное излучение. · В прозрачном пластмассовом корпусе, создающем рассеянное излучение. · В бескорпусном варианте. Применение: Индикация, реле, датчики, пульты.
Транзисторы Биполярные транзисторы Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами.
Биполярным транзистор называется потому, что его работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок).
Биполярные транзисторы бывают p-n-p и n-p-n проводимости. В транзисторах p-n-p проводимости стрелка направлена к базе, основными носителями заряда являются дырки. В транзисторах n-p-n проводимости стрелка направлена от базы, основными носителями заряда являются электроны. И в том, и в другом случае стрелка указывает направление эмиттерного тока. Обозначение:
Если транзистор рассматривать как узловую точку, тогда справедлив 1-й закон Кирхгофа (сумма входящих токов равна сумме выходящих), т.е.:
Из этого выражения вытекает:
Режимы работы транзистора Биполярный транзистор имеет два p-n перехода: эмиттерный переход (ЭП) – переход между эмиттером и базой и коллекторный переход (КП) – переход между базой и коллектором. В зависимости от того, как смещены эмиттерный и коллекторный переходы (прямо или обратно), различают 4 режима работы биполярного транзистора: Режим отсечки . К обоим переходам подводится обратное напряжение. В цепи транзистора текут небольшие неуправляемые токи. Транзистор полностью закрыт. Режим нерабочий.
Режим насыщения.Оба перехода находятся под прямым напряжением. Эмиттер и коллектор инжектируют НЗ в базу, поэтому ток базы – максимальный. Транзистор полностью открыт, но при этом неуправляем (выходной ток не регулируется входным током). Режим нерабочий.
Активный (рабочий) режим . ЭП находится под прямым напряжением, а КП – под обратным. Эмиттер инжектирует ОНЗ в базу, где они становятся ННЗ и подвергаются экстракции в коллектор.
Инверсный режим. Транзистор – прибор обратимый. К ЭП подводится обратное напряжение, а к КП – прямое, т.е. эмиттер и коллектор меняются ролями. Режим нерабочий (не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора, т.к. эмиттер и коллектор имеют разные размеры и обладают разными электрофизическими свойствами).
Принцип работы транзистора
p ЭП n КП p IЭР IКР ЭК IЭ IЭn IРЕК IКБО IК ЕВН IЭБ IК IБ ЕВНЕШН + IБ + UПР UОБР Пусть транзистор находится в активном (рабочем) режиме, т.е. на ЭП подано прямое напряжение, а на КП – обратное. При этом возникает инжекция дырок из эмиттера в базу, в обратном направлении будет происходить инжекция электронов. Ток, проходящий через ЭП, равен сумме дырочной и электронной составляющих: Т.к. концентрация ОНЗ в эмиттере много больше концентрации ОНЗ в базе, то инжекция дырок будет преобладать над инжекцией электронов, т.е. Пришедшие в базу дырки начинают рекомбинировать с электронами. Но рекомбинация – процесс не мгновенный. Поэтому бо́ льшая часть дырок успевает пройти через тонкий слой базы и достигнуть КП.Суммарное поле КП ( Те дырки, которые всё же успевают прорекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока рекомбинации Таким образом, суммарный ток базы равен: Все составляющие этого тока малы, следовательно, ток базы также мал. Рекомбинация в базе + инжекция электронов из базы в эмиттер нарушают электрическую нейтральность базы (база приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности базы от внешнего источника питания ( Пришедшие в эмиттер из базы электроны и ушедшие из эмиттера дырки нарушают электрическую нейтральность эмиттера (эмиттер приобретает отрицательный заряд). Для восстановления нейтральности эмиттера избыточные электроны уходят из эмиттера к внешнему источнику питания ( Пришедшие в коллектор дырки нарушают его электрическую нейтральность(коллектор приобретает положительный заряд). Для восстановления электрической нейтральности в коллектор поступают электроны от внешнего источника питания ( Транзисторе. H-параметры Недостаток первичных параметров – невозможность их измерения, т.к. общая точка, относительно которой определяются первичные параметры, находится внутри Базы транзистора. Поэтому переходят к вторичным параметрам транзистора, которые легко измерить. Самыми распространенными вторичными параметрами транзистора являются h-параметры. В системе h-параметров в качестве независимых переменных (аргументов) принимают входной ток (I1) и выходное напряжение (U2). Зависимыми переменными (функциями) являются входное напряжение (U1) и выходной ток (I2). Связь между зависимыми и независимыми переменными выражается с помощью системы уравнений: U1 = h11I1 + h12U2 I2 = h21I1 + h22U2
Здесь I1, I2, U1, U2 – амплитуды переменных токов и напряжений (индекс «1» относится к входному сигналу, а индекс «2» - к выходному), h11, h12, h21, h22 являются коэффициентами пропорциональности (индекс «11» означает 1-я строчка, 1-й столбец; «12» - 1-я строчка, 2-й столбец и т.д.)
Таким образом, имеем систему 2-х уравнений с четырьмя неизвестными. Решить такую систему уравнений в общем виде невозможно. Для ее решения необходимы дополнительные условия. Так, например, чтобы определить из первого уравнения h11, нужно второе слагаемое этого уравнения занулить, т.е. считать, что U2=0. Тогда Аналогично определяем:
Пример расчета h-параметров транзистора ОЭ Изобразим транзистор ОЭ с его входными и выходными токами и напряжениями:
а) Определим входное сопротивление транзистора. Для этого запишем формулу: индекс «э» означает, что транзистор собран по схеме ОЭ Входное сопротивление транзистора определяется по входным вольт-амперным характеристикам. Точка А – это рабочая точка, в которой определяются h-параметры. Iб (mA) 0, 75 Uкэ=5В
=
0, 25 Uбэ (В)
0, 3 Чтобы определить б) Определим коэффициент обратной связи по напряжению. Заменив в формуле Коэффициент обратной связи по напряжению определяется по входным вольт-амперным характеристикам транзистора. Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие Iб(mA) Uкэ=0 Uкэ=5В
А`
Uбэ(В) 0, 5
в)Определим коэффициент усиления по току. Заменив в формуле Коэффициент усиления по току определяется по выходным вольт-амперным характеристикам транзистора. Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие Iк(mA)
40 Iб=1, 5mA А
20 Iб=0 Uкэ(В)
Для транзистора, собранного по схеме ОЭ: г) Определим выходную проводимость и выходное сопротивление транзистора. Заменив в формуле Дополнительное построение должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие Iк(mA)
Iб=1mA A Iб=0, 5mA
6 Iб=0 Uкэ(В)
5
Примечание: · Чтобы перенести рабочую точку А с входных характеристик на выходные, необходимо определить ток базы в рабочей точке (IБА). Затем на выходных характеристиках выбирают характеристику, соответствующую этому току. Точка пересечения выбранной характеристики и перпендикуляра, соответствующего указанному на входных характеристиках рабочему значению напряжения UКЭ, и даст положение рабочей точки на выходных ВАХ. · Чтобы перенести рабочую точку А с выходных характеристик на входные, необходимо определить ток базы в рабочей точке (IБА). Затем на входных характеристиках на оси токов отмечают это значение и через полученную точку проводят прямую, параллельную оси напряжений, до пересечения с рабочей входной характеристикой. Точка пересечения и даст положение рабочей точки на входных ВАХ.
Полевые транзисторы Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы с управляемым каналом для тока ОНЗ. Полевой транзистор содержит 3 электрода: · Исток – электрод, через который в канал втекают НЗ, создающие ток канала; · Сток – электрод, через который НЗ вытекают из канала; · Затвор – управляющий электрод, регулирующий поток НЗ в канале. Полевой транзистор относится к однополярным транзисторам, т.к. в нем используется движение НЗ только одного знака (через канал движутся либо электроны, либо дырки). НЗ в полевом транзисторе движутся от Истока к Стоку через канал под действием продольного электрического поля, создаваемого напряжением Затвор управляет величиной тока канала с помощью поперечного электрического поля, создаваемого напряжением Наличие этих 2-х полей объясняет название “полевой транзистор”. Полевые транзисторы бывают:
МОП – транзисторы МОП-транзисторы были разработаны в 1962г. В отличие от полевого транзистора с p-n затвором, у МОП транзистора Затвор изолирован слоем диэлектрика, в результате чего входное сопротивление МОП-транзисторов очень велико (достигает величины 1014 Ом) – достоинство. МОП ТЛ (ИЛИ-НЕ)
Транзисторы
а) Пусть
б) Пусть
в) Пусть Таким образом, схема выполняет операцию ИЛИ-НЕ. МОП ТЛ (И-НЕ) Транзисторы
а) Пусть Сопротивления закрытых транзисторов велики. Т.к. транзисторы соединены последовательно, их общее сопротивление, равное сумме этих сопротивлений, будет велико, следовательно, велико будет и падение напряжения на нем, т.е. на выходе установится высокий потенциал:
б) Пусть
в) Пусть Таким образом, схема реализует операцию И-НЕ. КМОП-ТЛ (ИЛИ-НЕ)
Затворы Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-11; Просмотров: 528; Нарушение авторского права страницы
. Диод – это несимметричный p-n переход.
до значения 
. U2 
, который создает на нагрузке падение напряжения 
(закон Ома). При отрицательной полуволне напряжения 
диод находится под обратным напряжением, его сопротивление велико, через диод ток не протекает. При этом и падение напряжения на нагрузке будет 
.
подключают блокировочный конденсатор 
.
.
.
, получим: 
.
или
, где 
, следовательно, реактивное сопротивление конденсатора в этом случае будет стремиться к бесконечности, а через бесконечно большое сопротивление ток протекать не может.
ВАХ стабилитрона: 
- напряжение стабилизации при температуре 
; 
- напряжение стабилизации при температуре 
; 
- разность температур.
показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1К.
бывают больше и меньше нуля. Обычно используют стабилитроны с 
, работающие на лавинном пробое. 
- такие стабилитроны называются стабисторами. 
- стабилитрон ( 
)
- стабистор ( 
) 
.
. При освещении фотодиода происходит фотогенерация пар НЗ (т.е. возникает внутренний фотоэффект – валентные электроны, получив световую энергию фотонов, переходят из ВЗ в ЗП). Проводимость диода при этом возрастает, следовательно, возрастает обратный ток фотодиода до значения 
. Разность между световым и темновым токами называется фототоком: 
ННЗ
. Образовавшиеся за счет фотогенерации НЗ диффундируют к переходу . Суммарное поле перехода ( 
) является ускоряющим для ННЗ, поэтому ННЗ перебрасываются полем в соседние области, образуя световой ток 
. 
Светодиоды работают при прямом включении. 
.
.
).
. Они применяются в фотореле, различных датчиках, пультах, входят в состав некоторых оптронов.
– основное уравнение транзистора 
- это максимальный ток транзистора. 
.
.
) является ускоряющим для дырок, поэтому дырки перебрасываются этим полем через КП (происходит экстракция ННЗ) и участвуют в образовании дырочной составляющей коллекторного тока 
(управляемая часть коллекторного тока). Т.к. КП находится под обратным напряжением, через него протекает еще один ток – неуправляемый тепловой ток коллекторного перехода 
. Суммарный ток коллектора равен: 
. Т.к. тепловой ток мал, то 
.
. 
) в базу поступают электроны. Т.к. ток всегда направлен в сторону, противоположную движению электронов, токи 
и 
имеют направление сверху вниз, следовательно, ток базы 
имеет такое же направление.
), т.е. во внешней эмиттерной цепи протекает ток 
снизу вверх.
), т.е. во внешней коллекторной цепи протекает ток 
сверху вниз.
при 
- входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе.
при 
- коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе; 
при 
- коэффициент усиления по току при короткозамкнутом выходе; 
при 
- выходная проводимость транзистора при разомкнутом входе.
при 
. Заменив амплитуды на малые приращения и подставив значения входного тока, входного и выходного напряжений конкретно для транзистора ОЭ, получим: 
при 
, т.е. при 
б 
бэ 0, 55
, необходимо выполнить дополнительное построение: это построение обязательно должно проходить через рабочую точку А и при этом должно выполняться условие 
(в данном случае 
). Исходя из вышесказанного, строим небольшой прямоугольный треугольник таким образом, чтобы его гипотенуза прилегала к входной характеристике и делилась рабочей точкой А пополам. Тогда катеты этого треугольника и будут искомыми значениями 
и 
, зная которые, легко определить входное сопротивление транзистора: 
при 
амплитуды на малые приращения, получим: 
при 
, т.е. при 
.
. В данном случае это будет прямая, параллельная осинапряжений и проходящая через точку А. 
кэ
А
бэ 0, 7
при 
амплитуды на малые приращения, получим: 
при 
, т.е. при 
.
. В данном случае это будет прямая, параллельная оси токов и проходящая через точку А. 
Iб=1mA
к 
б
Iб=0, 5mA
, где 
- коэффициент передачи тока базы в коллектор.
при 
амплитуды на малые приращения, получим: 
при 
, т.е. при 
.
. В данном случае это будет прямоугольный треугольник, у которого гипотенуза делится рабочей точкой А пополам. 
к 
кэ 10
; 
.
.
соединены параллельно.
- динамическая нагрузка (открыт всегда). Сопротивление этого МОП-транзистора играет роль нагрузочного резистора. При этом увеличивается плотность компоновки, все элементы создаются в едином технологическом цикле, что уменьшает время разработки ИМС и ее стоимость – достоинство.
. Транзисторы 
.
. При этом транзисторы 
.
. При этом 
открыт (в нем образуется канал), сопротивление его мало. 
закрыт (канал в нем не образуется), его сопротивление велико. Общее сопротивление при параллельном соединении будет меньше меньшего, т.е. мало, следовательно, мало будет и падение напряжения на нем, т.е. на выходе установится низкий потенциал: 
.
. Транзисторы 
.
- параллельно.
соединены.