ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

Стр 1 из 18Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ГОРПИНИЧ А.В.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

По курсу

«ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

для студентов дневной и заочной форм обучения

По специальности

Электротехнические системы электропотребления

Мариуполь 2009 г.

УДК 621.37/39

Конспект лекций по курсу «Промышленная электроника» для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 7.090603 – электротехнические системы электропотребления / Составил: А.В. Горпинич. – Мариуполь: ПГТУ, 2009. – 53 с.

Составил: канд. техн. наук, доц. Ответственный за выпуск зам. зав. каф. ЭПП, докт. техн. наук, проф. Рецензент канд. техн. наук, доц.

Горпинич А.В. Саенко Ю.Л. Нестерович В.В.

Тема 1. Введение. Полупроводники. p-n-переход

Введение

Электроникой называется наука, изучающая:

1) физические явления, происходящие в газообразных, жидких и твердых телах при протекании в них электрического тока (протекание тока в вакууме и в газах изучает электровакуумная электроника, протекание тока в жидкостях – хемотроника, протекание тока в твердых телах – электроника твердых тел);

2) методы разработки устройств, использующих эти физические явления;

3) применение таких устройств в различных отраслях техники.

Первое из этих направлений составляет физическую электронику, второе и третье – техническую электронику.

На практике электроника подразделяется по сферам применения на:

1) радиоэлектронику;

2) промышленную электронику;

3) ядерную электронику;

4) электронику живых организмов.

В промышленную электронику входят:

1) информационная электроника – изучает методы и средства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации;

2) энергетическая электроника – связана с устройствами и системами преобразования электрической энергии средней и большой мощности (выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и т.д.);

3) электронная технология – включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанных на действии электромагнитных волн различной длины (высокочастотные нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка и сварка и т.д.).

Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод – полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. В зависимости от исходного полупроводникового материала выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Последние получили наибольшее распространение, поскольку имеют во много раз меньшие обратные токи и бóльшие обратные напряжения. Допустимый диапазон рабочих температур для германиевых диодов составляет -60 ÷ +70 ⁰С, для кремниевых – -60 ÷ +150 ⁰С. Германиевые диоды целесообразно применять при низких напряжениях, так как при одинаковых токах падение напряжения на германиевом диоде, включенном в обратном направлении, меньше, чем на кремниевом.

Для силовых (большой мощности) выпрямительных диодов проблематичным является отвод тепла, поэтому для эффективного охлаждения разрабатывают специальные конструкции таких диодов и методы охлаждения (воздушное, жидкостное и т.д.).

Технические характеристики выпрямительных диодов

1. Прямое напряжение при заданном прямом токе .

2. Обратный ток при заданном обратном напряжении .

3. Максимально допустимый прямой ток .

4. Максимально допустимое обратное напряжение .

Параллельное и последовательное соединение выпрямительных диодов

В ряде практических случаев применяют групповое включение выпрямительных диодов. Для получения более высокого обратного напряжения применяют последовательное соединение диодов. При этом через диоды протекает одинаковый обратный ток , однако из-за неидентичности обратных ветвей ВАХ диодов обратное напряжение будет распределено между ними неравномерно (рис. 5, а), что может привести к пробою. Для устранения неравномерного распределения обратного напряжения между диодами их шунтируют сопротивлениями кОм (рис. 5, б).

Рис. 5. Последовательное соединение диодов: а – обратные ветви их ВАХ; б – выравнивание обратных напряжений

Для увеличения прямого тока применяют параллельное включение диодов. При этом из-за неидентичности прямых ветвей ВАХ диодов токи в параллельных ветвях будут распределены неравномерно, что может привести к перегреву (рис. 6, а). Для выравнивания токов в каждую ветвь последовательно с диодом включают добавочное сопротивление величиной от единиц до десятков Ом (рис. 6, б).

Рис. 6. Параллельное соединение диодов: а – прямые ветви их ВАХ; б – выравнивание токов

Для выравнивания токов в параллельные ветви могут быть включены и дроссели.

Варикапы

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. В качестве полупроводникового материала для изготовления варикапов служит кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения , которая называется вольт-фарадной характеристикой варикапа, а также его условное обозначение показаны на рис. 9. Максимальная емкость варикапа в зависимости от его типа составляет 5-500 пФ. Отношение минимальной и максимальной емкостей для данного типа прибора около 1:5. Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Биполярного транзистора

При отсутствии внешних напряжений распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда показано на рис. 12, б пунктирными линиями. Концентрация дырок в эмиттере и коллекторе больше, чем концентрация электронов в базе. В состоянии равновесия на границах p-n-переходов (П₁ и П₂) возникают потенциальные барьеры, как показано на рис. 12, в. Если к выводам транзистора подключить внешние напряжения таким образом, что эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном, то такое включение соответствует усилительному режиму работы транзистора и называется нормальным. Применительно к структуре p-n-p-типа такому смещению переходов соответствуют напряжения > 0 и < 0. При наличии внешних напряжений распределение концентраций носителей заряда показано на рис. 12, б сплошными линиями, потенциальные барьеры показаны на рис. 12, д.

Рис. 12. Структура биполярного транзистора типа p-n-p, распределение потенциала φ и концентраций основных и неосновных носителей

При этом потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшился на величину , а потенциальный барьер коллекторного перехода увеличился на величину . Поскольку потенциальный барьер коллекторного перехода увеличился, дырки через этот переход из коллектора в базу не поступают. Снижение потенциального барьера эмиттерного перехода приводит к тому, что увеличивается количество дырок, которые могут преодолеть этот барьер и перейти в базу, в результате чего концентрация дырок на границе эмиттерного перехода увеличивается. При этом создаются условия для движения электронов из базы в эмиттер, но так как концентрация дырок на 2-3 порядка выше, бóльшая часть дырок после рекомбинации с электронами базы попадает в базовую область и образует ток эмиттера .

Для базы дырки являются неосновными носителями. В базе происходит рекомбинация дырок с электронами, поступающими от "–" источника питания , поэтому концентрация дырок в базе начинает уменьшаться. За счет того, что база выполняется очень тонкой (толщина базовой области составляет несколько микрометров), время свободного пробега дырок через базу намного меньше времени их жизни. Таким образом, бóльшая часть дырок быстро проходит базовую область, достигает границы коллекторного перехода, втягивается его полем в коллекторную область и образует ток коллектора .

Ток базы характеризует ту часть дырок, которая теряется на рекомбинацию с основными носителями базы (электронами) и с электронами, поступающими от "–" источника питания . – обратный ток коллекторного перехода (обусловлен движением неосновных носителей заряда через коллекторный переход).

Ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы:

. (1)

Ток коллектора

, (2)

где – коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору.

Рассматриваемая схема включения транзистора (рис. 12, г) называется схемой с общей базой (ОБ), так как база является общим электродом для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепи, существует три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). В схеме с ОБ эмиттерный ток называется управляющим, а коллекторный ток – управляемым.

Схема с ОБ усилением по току не обладает, так как ток коллектора меньше тока эмиттера < . Усиление по мощности в данной схеме может быть достигнуто только за счет усиления по напряжению. Схематическое изображение усилительного каскада (УК) по схеме с ОБ показано на рис. 13 (каскад – схема, обеспечивающая одну ступень усиления). Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОБ:

;

где – сопротивление, которое включается в цепь коллектора (сопротивление коллекторной нагрузки); – сопротивление эмиттерного перехода.

Так как эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном, то сопротивление составляет единицы ÷ десятки Ом, а сопротивление коллекторного перехода – сотни кОм ÷ единицы МОм. Значит, при включении в выходную цепь транзистора сопротивления коллекторной нагрузки , которое составляет единицы ÷ десятки кОм, изменение напряжения на сопротивлении за счет тока превышает изменение напряжения на сравнительно малом входном сопротивлении эмиттерной цепи за счет тока (рис. 13).

Выражения для расчета коэффициентов усиления УК по схеме с ОБ приведены ниже.

Коэффициент усиления по току

< 1.

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

В схеме с ОЭ входным током является ток базы , выходным – ток коллектора (рис. 14). Для получения соотношения между входным и выходным токами в схеме с ОЭ подставим выражение (1) в уравнение (2). Тогда

Решаем полученное уравнение относительно :

, (3)

где – коэффициент передачи тока от базы к коллектору в схеме с ОЭ.

При изменении от 0,9 до 0,999 коэффициент изменяется в пределах . Таким образом, схема с ОЭ обладает значительным усилением по току. Так как эта схема обладает также усилением по напряжению, усиление по мощности данной схемы значительно выше, чем в схеме с ОБ:

Кроме того, схема с ОЭ характеризуется малым значением тока базы во входном контуре:

. (4)

Указанные преимущества и обусловили широкое практическое применение схемы с ОЭ. Схематическое изображение УК по схеме с ОЭ показано на рис. 15.


Рис. 15. УК по схеме с ОЭ	Рис. 16. УК по схеме с ОК

Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОЭ:

;

где – сопротивление базы.

Напряжение на выходе каскада с ОЭ находится в противофазе с напряжением на его входе.

В схеме с ОК входным током является ток базы , выходным – ток эмиттера . Для схемы с ОК соотношение между входным и выходным токами имеет вид:

. (5)

Коэффициент усиления по току УК по схеме с ОК (рис. 16)

Коэффициент усиления по напряжению

Следовательно, схема с ОК не обладает усилением по напряжению, коэффициент усиления по току значительный.

Входное и выходное сопротивления УК по схеме с ОК:

Если кОм, β = 100, то входное сопротивление составляет кОм; при этом выходное сопротивление равно десятки Ом. Значит, каскад с ОК обладает очень низким выходным сопротивлением и очень высоким входным, поэтому его используют на входе многокаскадного усилителя, если источник сигнала имеет большое внутреннее сопротивление, и на выходе – если нагрузка низкоомная.

В схеме с ОК напряжение на выходе совпадает по фазе с напряжением на входе и примерно равно ему по значению, поэтому УК с ОК называют эмиттерным повторителем.

Сравнительная характеристика УК на биполярных транзисторах

Каскад с ОЭ дает усиление по току, напряжению и максимальное усиление по мощности, каскад с ОК – по току и мощности, каскад с ОБ – по напряжению и мощности. Наибольшее входное сопротивление имеет каскад с ОК, наименьшее – каскад с ОБ; наименьшее выходное сопротивление имеет каскад с ОК. Преимущества УК с ОБ:

1) большая термостабильность;

2) при использовании одного и того же транзистора в схеме с ОБ можно получить неискаженный выходной сигнал с бóльшей амплитудой, чем в схеме с ОЭ.

Недостатки УК с ОБ:

1) не усиливает ток;

2) малое входное сопротивление.

Биполярного транзистора

H-параметры транзистора

Недостатком Т-образной схемы является невозможность непосредственного измерения ее параметров, так как в реальном транзисторе внутренняя общая точка, соединяющая ветви Т-образной схемы, недоступна для присоединения измерительных приборов. Этот недостаток устраняется, если представить транзистор в виде линейного четырехполюсника с парой входных и парой выходных зажимов (рис. 21). Биполярный транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник только при усилении переменных сигналов малой амплитуды. Если к транзистору подведено питание постоянного тока и этим задана рабочая точка П на его ВАХ, то при наложении на протекающие токи малых переменных сигналов транзистор в отношении этих сигналов можно рассматривать как линейный элемент электрической цепи. Эквивалентная схема, приведенная на рис. 21, позволяет нелинейные ВАХ заменить аналитическими линейными выражениями, что дает возможность привлечь компьютерную технику к расчетам электронных схем. Такой четырехполюсник удобно описывать системой h-параметров:

;

Чтобы определить h-параметры и выяснить их физический смысл, необходимо осуществить режим холостого хода на входе четырехполюсника и режим короткого замыкания на выходе , что как раз легко выполнить для транзисторов:

	– входное сопротивление транзистора
	– коэффициент усиления по току
	– коэффициент обратной связи по напряжению
	– выходная проводимость транзистора

Существует связь между h-параметрами и физическими параметрами транзистора. Для этого необходимо выполнить режим короткого замыкания и холостого хода в Т-образной схеме. Тогда для схемы с ОБ получим:

Для схемы с ОЭ:

Так как ток базы в раз меньше тока эмиттера (см. выражение (4)), то:

Тема 5. Полевые транзисторы

Полевые (униполярные) транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, ток в которых обусловлен дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в таком приборе осуществляется за счет изменения проводимости полупроводника с помощью поперечного электрического поля (отсюда название – полевые транзисторы).

В отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы переноса зарядов обусловлены как основными, так и неосновными носителями, в полевом транзисторе управляемый ток обусловлен движением основных для данного типа полупроводника носителей заряда. Именно этим явлением объясняется второе название транзистора – униполярный.

В настоящее время получили применение две основные разновидности полевых транзисторов: транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы). Схемные обозначения и графики вольт-амперных характеристик сведены в таблицу и приведены на рис. 22.

Рис. 22. Схемные обозначения и проходные вольт-амперные характеристики полевых транзисторов

На рис. 23 приведена упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. В исходную пластину полупроводника n-типа на противоположных сторонах методом сплавления (или диффузии) вводятся акцепторные примеси таким образом, чтобы образовались области p-типа. Между областями с противоположными типами проводимости образуется p-n-переход. Область n-типа, заключенная между двумя p-n-переходами, образует проводящий канал. Область, от которой начинают движение основные носители в канале, называется истоком И. Область, к которой движутся основные носители, называется стоком С. Области p-типа, используемые для управления током в канале, образуют затвор З. Между затвором и истоком подается напряжение такой полярности, чтобы оно создавало обратное смещение p-n-перехода, а напряжение между стоком и истоком имеет такую полярность, чтобы основные носители двигались от истока к стоку.

При увеличении обратного смещения на p-n-переходе область обедненного слоя расширяется и распространяется в область полупроводника n-типа, поскольку для основных носителей в слоях всегда соблюдается условие . Так как в обедненном слое практически отсутствуют свободные носители заряда, то электрический ток может быть только в проводящем канале, расположенном между обедненными слоями. Изменяя напряжение , можно изменять поперечное сечение проводящего канала, его проводимость и управлять током транзистора. Другими словами, полевой транзистор можно рассматривать как управляемый резистор.

Сткозатворные (проходные) и стоковые (выходные) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 24, а и б.

а)

б)

Рис. 24. Стокозатворные (а) и стоковые (б) характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом

Рассмотрим стокозатворные характеристики. Если напряжение на затворе достаточно велико, то происходит смыкание обедненных областей и ток транзистора становится равным нулю. Напряжение , при котором происходит перекрытие канала, называется напряжением отсечки . При нулевом напряжении на затворе ток транзистора максимальный – ток насыщения стока на рис. 24, а. Изменяя управляющее напряжение в пределах , можно в широких пределах изменять ток стока .

Стоковые характеристики имеют ярко выраженные крутой (область I) и пологий (область II) участки, III – область пробоя. Усилительному режиму транзистора соответствует пологий участок, на котором ток стока практически не зависит от напряжения . Последнее объясняется тем, что ток стока вызывает падение напряжения в самом канале, которое создает дополнительное обратное смещение на управляющем p-n-переходе, в результате чего проводимость канала уменьшается. Имеет место эффект модуляции проводимости канала (эффект самовыравнивания канального тока) за счет внутренней отрицательной обратной связи – с ростом напряжения наблюдается увеличение напряжения и ток стока снижается. Выходные характеристики имеют некоторый наклон в основном за счет токов утечки.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (или МДП-транзисторы) имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник (представлена на рис. 25). МДП-транзисторы могут изготавливаться либо на полупроводниковой, либо на диэлектрической подложке. В рассматриваемом случае подложкой служит кремний n-типа. Путем окисления кремния на поверхности подложки образуется тонкий изолирующий слой диэлектрика из диоксида кремния SiO₂. По этой причине МДП-транзисторы часто называют МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). Через специальные отверстия в диэлектрике методом диффузии в подложке создаются две области p-типа. Межу областями p и n образуются два электронно-дырочных перехода. Одна из p-областей используется в качестве стока, а другая – в качестве истока. Подложку (ее вывод) обычно соединяют с истоком. Полярности приложенных напряжений при нормальном включении транзистора показаны на рис. 25.

При подаче на затвор отрицательного смещения электроны, находящиеся в подложке на границе с диэлектриком, вытесняются вглубь полупроводника и в поверхностном слое подложки образуется проводящий канал p-типа (дырки p притягиваются электрическим полем). От подложки канал отделен изолирующим p-n-переходом (обедненным слоем), смещенным в обратном направлении. Следует отметить, что канал индуцируется только при некотором пороговом значении напряжения . Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению концентрации подвижных носителей (дырок) в канале и ток стока возрастает. В результате стокозатворная ВАХ МДП-транзистора с индуцированным каналом будет иметь вид, показанный на рис. 26 (кривая 1).

Помимо МДП-транзисторов с индуцированным каналом изготавливаются МДП-транзисторы со встроенным каналом, у которых ток стока не равен нулю при нулевом напряжении на затворе (рис. 26, кривая 2). При подаче на затвор транзистора с каналом p-типа отрицательного смещения возрастает концентрация дырок в канале (режим обогащения) и ток стока увеличивается. При положительном смещении на затворе (режим обеднения) ток уменьшается и при напряжении отсечки становится равным нулю.

Рис. 26. Стокозатворные характеристики МДП-транзисторов с индуцированным (1) и встроенным (2) каналами

Таким образом, управляющее напряжение МДП-транзисторов со встроенным каналом может быть как положительным, так и отрицательным, поскольку в этих транзисторах проводящий канал существует уже при .

Стоковые характеристики МДП-транзисторов по виду подобны аналогичным характеристикам транзисторов с управляющим p-n-переходом.

В отличие от биполярного транзистора полевой транзистор управляется напряжением и характеризуется аналогично электронной лампе следующими дифференциальными параметрами:

крутизной характеристики

;

внутренним (выходным) сопротивлением

;

коэффициентом усиления

;

входным сопротивлением

Ток затвора для транзистора с управляющим p-n-переходом определяется обратной ветвью ВАХ p-n-перехода, смещенного в обратном направлении. Сопротивление таких транзисторов составляет 10⁶-10⁹ Ом. Для МДП-транзисторов входное сопротивление определяется сопротивлением слоя диэлектрика и может достигать 10⁹-10¹⁴ Ом.

Полевые транзисторы подвержены влиянию температуры в меньшей степени, чем биполярные, так как в процессе переноса зарядов неосновные носители не участвуют. Аналогично биполярным транзисторам полевые могут включаться тремя различными способами: по схеме с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). Схема с ОЗ самостоятельного применения не имеет и используется в качестве составной части более сложных каскадов. Полевые транзисторы очень чувствительны к электростатическому пробою, поэтому необходимо применять специальные защитные меры при эксплуатации этих приборов.

Затвором (IGBT-транзисторы)

В настоящее время основными полностью управляемыми приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А и напряжений до 500 В являются биполярные транзисторы и идущие им на смену МДП-транзисторы. Нишу высоковольтных силовых приборов с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Помимо области высоковольтных силовых преобразователей на мощности от единиц киловатт, IGBT-транзисторы используются в бытовой технике для управления относительно маломощными приводами с широким диапазоном регулирования скорости вращения. Так, IGBT нашли применение в стиральных машинах и инверторных кондиционерах. Их также с успехом применяют в качестве высоковольтных ключей для электронного зажигания автомобилей. Эти транзисторы с улучшенной характеристикой переключения широко используются в импульсных блоках питания телекоммуникационных и серверных систем.

IGBT-транзистор сочетает в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный транзистор p-n-p- типа управляется от сравнительно низковольтного МДП-транзистора с индуцированным каналом. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов, используемые различными производителями на принципиальных схемах электронных устройств, приведены на рис. 27. Эквивалентная схема IGBT-транзистора представлена на рис. 28.



Рис. 27. Условные графические обозначения IGBT-транзисторов	Рис. 28. Эквивалентная схема IGBT-транзистора

Таким образом, IGBT-транзистор имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор и затвор. Соединения эмиттера и истока, базы и стока являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии. По быстродействию силовые IGBT-транзисторы пока уступают МДП-транзисторам, но превосходят биполярные. Структуры IGBT-транзисторов показаны на рис. 29.

а)

б)

Рис. 29. Структуры IGBT-транзисторов:

а – обычного (планарного); б – выполненного по технологии с вертикальным затвором (trench-gate technology)

Процесс включения IGBT-транзистора можно представить в виде двух этапов: после подачи положительного напряжения на затвор формируется канал n-типа между истоком и стоком (на рис. 29 показан пунктиром) и происходит открытие МДП-транзистора, а движение дырок приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Усилительные свойства IGBT-транзистора характеризуются крутизной , которая определяется усилительными свойствами МДП- и биполярного транзисторов в структуре IGBT. Соответственно, значение крутизны для IGBT является более высоким в сравнении с биполярными и МДП-транзисторами. Типовые выходные характеристики IGBT-транзистора приведены на рис. 30.

В настоящее время IGBT-транзисторы выпускаются в виде модулей:

1) в прямоугольном корпусе с односторонним прижимом и охлаждением ("Mitsubishi", "Siemens", "Semikron");

2) в таблеточном исполнении с двухсторонним охлаждением ("Toshiba").

Современные IGBT-модули находят сегодня широкое применение при создании неуправляемых и управляемых выпрямителей, автономных инверторов для питания двигателей постоянного и переменного тока средней мощности, преобразователей индукционного нагрева, сварочных аппаратов, источников бесперебойного питания, бытовой и студийной техники. Особую роль IGBT-модули играют в развитии железнодорожного транспорта. Применение этих перспективных приборов в тяговом преобразователе позволило повысить частоту переключения, упростить схему управления, минимизировать загрузку сети гармониками и обеспечить предельно низкие потери в обмотках трансформатора и дросселей. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi приведена на рис. 31.

Рис. 31. Схема включения IGBT-модуля фирмы Hitachi

Затвор IGBT-транзисторов электрически изолирован от канала очень тонким слоем диэлектрика и легко может быть поврежден при неправильной эксплуатации. Для защиты IGBT-транзисторов от коммутационных перенапряжений в цепи коллектор-эмиттер применяют защитные (снабберные) RC- и RCD-цепи, установленные непосредственно на силовых выводах. Следует отметить, что IGBT-транзисторы не так чувствительны к электростатическому пробою, как МОП-транзисторы, поскольку входная емкость мощных IGBT-транзисторов значительно больше и может вместить в себя большую энергию, прежде чем разряд вызовет необратимый пробой затвора. Однако при транспортировке и хранении этих приборов затвор и эмиттерный вывод должны быть закорочены токопроводящими перемычками, которые не должны сниматься до момента подключения транзистора в схему. Производить монтажные работы с IGBT-транзисторами необходимо только при наличии антистатического браслета. Все инструменты и оснастка, с которыми может контактировать модуль, должны быть заземлены. Для защиты затвора от статического пробоя непосредственно в схеме необходимо подключение параллельно цепи затвор-эмиттер резистора сопротивлением 10÷20 кОм.

Тема 7. Тиристоры

Тиристор (от греч. thýra – "дверь" и англ. resistor – "сопротивление") – полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, используемый в качестве управляемого переключателя. Тиристоры, в зависимости от приложенного к ним напряжения и сопротивления внешней цепи, могут находиться в двух устойчивых электрических состояниях: максимально открытом (с большой проводимостью) и максимально закрытом (с малой проводимостью).

Основными типами тиристоров являются диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 32 (VS – вентиль включающий, А – анод, К – катод; УЭ – управляющий электрод).

а) б) в) г) д) е)

Рис. 32. Условные обозначения тиристоров: а – динистор; б – однооперационный тиристор (тиристор с управлением по катоду); в – тиристор с управлением по аноду; г – запираемый или выключаемый тиристор (двухоперационный); д – фототиристор; е – симистор (симметричный тиристор)

Динисторы (неуправляемые тиристоры) имеют два вывода от крайних областей структуры – анод и катод. Структура динистора показана на рис. 33, ВАХ – на рис. 34. При подаче прямого напряжения (рис. 33) p-n-переходы и смещаются в прямом направлении, а p-n-переход – в обратном. Динистор находится в закрытом состоянии и все приложенное к нему напряжение падает на переходе . Ток через прибор равен обратному току перехода ( на рис. 33, ток утечки на рис. 34). При повышении напряжения ток через прибор увеличивается незначительно до тех пор, пока оно не достигнет значения напряжения переключения , близкого к напряжению пробоя перехода . Участок 0А характеристики соответствует закрытому состоянию динистора.


Рис. 33. Структура динистора	Рис. 34. ВАХ динистора

При дальнейшем повышении напряжения происходит пробой перехода , ток динистора резко возрастает, напряжение на переходе падает и на участке АБ положительным приращениям тока соответствуют отрицательные приращения напряжения (дифференциальное сопротивление динистора на этом участке становится отрицательным). При некотором значении тока, равном току удержания , напряжение на переходе становится равным нулю.

Участок БВ характеристики соответствует открытому состоянию динистора. Падение напряжения на динисторе на этом участке называется остаточным . Выключение динистора осуществляется путем уменьшения тока до значения ниже .

Если к динистору приложено обратное напряжение, то переход открыт, а переходы и закрыты. Ток через прибор равен обратному току утечки . При увеличении обратного напряжения происходит пробой переходов и и ток динистора резко возрастает (участок ГД характеристики).

При анализе процесса перехода динистора в открытое состояние его удобно представить в виде двух соединенных между собой транзисторов: p-n-p и n-p-n (рис. 35). Появившийся ток первого транзистора является базовым током для второго и поэтому будет усилен вторым транзистором в раз. Коллекторный ток второго транзистора является базовым током первого, который, в свою очередь, усиливает его.

Рис. 35. Двухтранзисторная модель динистора: а – деление динистора на две структуры; б – схема замещения

Таким образом, возникает внутренняя положительная обратная связь, которая приводит к появлению участка АБ с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ и практически мгновенному отпиранию динистора.

Ток перехода представляет собой сумму трех токов:

где – обратный ток перехода ; – ток дырок, инжектированных переходом и достигших перехода ; – ток электронов, инжектированных переходом и достигших перехода ; и – коэффициенты передачи тока транзисторов p-n-p и n-p-n (рис. 35, а).

Переходы включены последовательно, поэтому токи переходов и ток во внешней цепи равны между собой:

Тогда из предыдущего выражения получаем:

, (6)

где .

При ток динистора равен (динистор закрыт), при динистор открыт.

Соотношение (6) описывает ВАХ динистора, так как параметры , и зависят от напряжения на переходе . Зависимость этих параметров от напряжения обусловлена умножением носителей заряда в электрическом поле перехода , когда напряжение близко к напряжению пробоя . Коэффициент умножения носителей заряда при этом равен

Для электронов и дырок в кремнии коэффициент .

Тринисторы (управляемые тиристоры) кроме выводов от крайних областей (анода и катода) имеют третий управляющий вывод от одной из средних (базовых) областей (рис. 36, а). ВАХ тринистора приведена на рис. 36, б. Ток перехода определяется управляющим током . Наличие управляющего тока приводит к тому, что тиристор открывается при меньшем напряжении переключения.

б)

Рис. 36. Структура (а) и ВАХ (б) тринистора

При управляющем токе ВАХ спрямляется и тринистор сразу переходит в открытое состояние (в этом случае ВАХ тринистора представляет собой ВАХ диода). Обратная ветвь ВАХ тринистора такая же, как и у динистора.

Симистор (симметричный тиристор) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. ВАХ симистора показана на рис. 37. Симисторы могут использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.

Запираемый или GTO-тиристор (GTO – Gate-Turn-Off) может быть включен и выключен через управляющий электрод. Первые подобные тиристоры появились в 1960 г. в США. Структура GTO-тиристора показана на рис. 38. Катодный n-слой разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади структуры при выключении прибора. Базовый p-слой, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно.


Рис. 37. ВАХ симистора	Рис. 38. Структура запираемого тиристора

Базовый n-слой выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора. Анодный p-слой имеет шунты (n-зоны), соединяющие n-базу с анодным контактом. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой n-области.

Для выключения GTO-тиристора к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. В базовом p-слое происходит рассасывание основных носителей заряда (дырок, поступивших в p-слой из базового n-слоя) за счет рекомбинации с электронами, поступающими по управляющему электроду.

Использование GTO-тиристоров требует применения специальных защитных цепей. Назначение любой защитной цепи – ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. Схема включения защитной цепи показана на рис. 39. Конденсатор ограничивает скорость нарастания прямого напряжения при выключении тиристора и подключается параллельно защищаемому прибору. Дроссель ограничивает скорость нарастания прямого тока при включении тиристора и включается последовательно с ним. Диод VD шунтирует резистор при выключении тиристора VS и заряде конденсатора . Резистор ограничивает ток разряда конденсатора при включении тиристора VS. Большие потери энергии в защитной цепи при коммутации – главный недостаток GTO-тиристоров. Основные потери возникают в резисторе в момент разряда конденсатора при включении тиристора. Повышение частоты увеличивает потери, поэтому на практике GTO-тиристоры коммутируются с частотой не более 250-300 Гц.

В середине 90-х годов фирмами ABB и Mitsubishi был разработан запираемый тиристор с кольцевым выводом управляющего электрода. Он получил название Gate-Commutated Thyristor (GCT) и стал дальнейшим развитием GTO-технологии. В конструкции GCT удалось отказаться от снабберной цепи, сделав тиристор нечувствительным к скорости нарастания прямого напряжения . Основная особенность GCT, по сравнению с GTO-тиристорами, – быстрое выключение, которое реализуется при запирании превращением тиристорной структуры в транзисторную. Минимальное время выключения и блокирующего состояния для GTO-тиристоров составляет 100 мкс, для GCT эта величина не превышает 10 мкс.

При выключении управление GCT имеет две особенности:

1) ток управления равен или превосходит анодный ток (для GTO-тиристоров меньше в 3-5 раз);

2) управляющий электрод обладает низкой индуктивностью, что позволяет достичь скорости нарастания тока управления , равной 3000 А/мкс и более (для GTO-тиристоров значение составляет 30-40 А/мкс).

Распределение токов в GCT при выключении показано на рис. 40. После подачи отрицательного импульса управления весь проходящий через прибор прямой ток отклоняется в систему управления и достигает катода, минуя переход . В дальнейшем выключение GCT аналогично выключению биполярного транзистора типа p-n-p.

Создание IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) – запираемого тиристора с интегрированным блоком управления (драйвером) – следующий шаг в развитии GTO-технологии. В этих приборах используется концепция "жесткого" управления. Работая при "жестком" управлении тиристор переходит при запирании из p-n-p-n-состояния в p-n-p-режим за 1 мкс. Скорость выключаемого тока достигает 4 кА/мкс. Использование буферного слоя на стороне анода позволило снизить толщину прибора на 30 % при том же пробивном напряжении. За счет так называемой "прозрачной" конструкции анода мощность, необходимая для управления, снижена в 5 раз по сравнению со стандартными GTO-тиристорами. Характеристики современных мощных силовых ключей приведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики современных мощных силовых ключей

Тип прибора	Преимущества	Недостатки	Область применения
SCR (Silicon-Controlled Rectifier) – традиционный тринистор	Самые низкие потери во включенном состоянии. Самая высокая перегрузочная способность. Высокая надежность. Легко соединяются параллельно и последовательно.	Не способен к принудительному запиранию по управляющему электроду. Низкая рабочая частота.	Привод постоянного тока, мощные источники питания, сварка, плавление и нагрев, статические компенсаторы, ключи переменного тока
GTO	Способность к управляемому запиранию. Сравнительно высокая перегрузочная способность. Возможность последовательного соединения. Рабочие частоты – до 250 Гц при напряжении до 4 кВ.	Высокие потери во включенном состоянии. Очень большие потери в системе управления. Сложные системы управления. Большие потери на переключение.	Электропривод, статические компенсаторы, системы бесперебойного питания, индукционный нагрев
IGCT	Способность к управляемому запиранию. Перегрузочная способность та же, что и у GTO. Низкие потери во включенном состоянии, на переключение. Рабочая частота – до единиц кГц. Встроенный блок управления (драйвер). Возможность последовательного соединения.	Не выявлены из-за отсутствия опыта эксплуатации	Мощные источники питания (инверторная и выпрямительная подстанции линий передач постоянного тока), электропривод (инверторы напряжения для преобразователей частоты и электроприводов различного назначения)
IGBT	Способность к управляемому запиранию. Самая высокая рабочая частота – до 10 кГц. Простая неэнергоемкая система управления. Встроенный драйвер.	Очень высокие потери во включенном состоянии	Электропривод, системы бесперебойного питания, статические компенсаторы и активные фильтры, ключевые источники питания

Элементы и компоненты ИМС

К пассивным компонентам ИМС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные соединения.

Резисторы в тонкоплёночных ИМС представляют собой или полоску, или плёнку определённой конфигурации, нанесенную между двумя контактами на непроводящем основании (подложке). На рис. 41, а, б показаны две основные конфигурации плёночных резисторов.

Рис. 41. Конструкция плёночных резисторов (а, б); структура диффузионного резистора (в): 1 – плёнка резистора; 2 – эпитаксиальная плёнка; 3 – подложка; В – выводы

Изменение сопротивления резистора осуществляется как за счёт изменения геометрических размеров плёнки (ширины, длины и толщины), так и за счёт изменения её материала. Металлоплёночные резисторы получают путём осаждения из паров нихрома, тантала, нитрида тантала или из смесей металлов с диэлектриком, которые называются керметами. Их применение обеспечивает высокое удельное сопротивление. Керметы получают их хрома и монооксида кремния путём одновременного осаждения их из паров на подложку. Подложку выполняют из стекла, керамики или пластмассы.

В монолитных ИМС роль резистора выполняет объёмное сопротивление участка монокристалла полупроводника, в объёме которого изготавливают ИМС. Кристалл в этом случае является подложкой. Чаще всего такие резисторы получают методом локальной диффузии и поэтому называют диффузионными (структура подобного резистора показана на рис. 41, в). При этом одновременно создаются базовые или эмиттерные области соответствующих транзисторов.

Конденсаторы в ИМС используются двух типов: тонкоплёночные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной ёмкости p-n-перехода. Тонкоплёночные конденсаторы (рис. 42, а) представляют собой трёхслойную структуру металл-диэлектрик-металл. В качестве диэлектрика обычно используют оксид тантала Ta₂O₅, сульфид цинка ZnS, оксид алюминия Al₂O₃ и монооксид кремния SiO или германия GeO и др.

Рис. 42. Структура тонкоплёночного конденсатора (а); структура конденсатора с обкладкой в виде кремниевой подложки (б); структура конденсатора монолитных ИМС (в): 1 – диэлектрик; 2 – обкладки конденсатора; 3 – эпитаксиальный слой; 4 – подложка; А, В – выводы

В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремниевая подложка (в случае монолитных ИМС), на которой методом окисления получен слой диэлектрика SiO₂. На диэлектриках, в свою очередь, напылена вторая обкладка. Структура такого конденсатора показана на рис. 42, б.

Конденсаторы полупроводниковых ИМС могут выполняться в виде закрытого p-n-перехода. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления резисторов; их также создают одновременно с формированием соответствующих областей транзисторов. Структура конденсатора монолитных ИМС показана на рис. 42, в.

При создании ИМС наибольшую трудность представляет изготовление катушек индуктивности. В настоящее время для этого используют только тонкоплёночную технологию, при которой катушки индуктивности получают осаждением на подложку материала, имеющего малое удельное сопротивление. Их обычно выполняют в виде спирали с малым шагом (рис. 43).

Рис. 43. Плёночная индуктивная катушка: 1 – тонкая плёнка; 2 – подложка

Тонкоплёночные индуктивные катушки имеют размеры, значительно бóльшие размеров других компонентов ИМС. Трудности, возникающие при изготовлении индуктивных катушек, заставляют при разработке ИМС почти полностью отказаться от их использования.

Полевые и биполярные транзисторы, применяемые в ИМС, изготавливают по технологии монолитных ИМС. Иногда используют отдельные дискретные миниатюрные бескорпусные транзисторы. Диоды, используемые в ИМС, выполняют либо по технологии монолитных ИМС, либо применяют дискретные навесные. Для упрощения технологического процесса в монолитных ИМС в качестве диодов используют транзисторы, выводы которых на стадии формирования контактов соединяют между собой.

Вопросы согласования усилителей

Задача передачи максимальной энергии от источника сигнала на вход усилителя, а также с выхода усилителя на нагрузку называется согласованием. Для оптимального согласования входное сопротивление усилителя должно быть как можно больше, т.е. значительно больше внутреннего сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление значительно меньше сопротивления нагрузки.

Вопросы согласования возникают и в многокаскадных усилителях (каскадное включение усилительных устройств показано на рис. 49). Коэффициент усиления многокаскадного усилителя

или .

Рис. 49. Каскадное включение усилительных устройств

Для согласования усилителей напряжения , усилителей тока – , усилителей мощности . Если два УК не согласованы между собой по входному и выходному сопротивлению, то между ними включается эмиттерный повторитель, имеющий большое входное и малое выходное сопротивления.

Тема 10. Каскады предварительного усиления

Эмиттерный повторитель

Смещение схемы на рис. 50 осуществляется за счёт протекания базового тока . При этом увеличивается входное сопротивление, но ухудшается стабильность. Схема на рис. 51 обладает высоким входным сопротивлением и достаточной стабильностью, однако снижен коэффициент усиления на переменном токе.


Рис. 50. Схема с ОЭ	Рис. 51. Схема с ОЭ

Схема на рис. 52 обладает высоким входным сопротивлением, высоким коэффициентом усиления, работа отрицательной обратной связи дает наибольший эффект, наилучшая схема. Схема с ОБ показана на рис. 53, используется чаще всего для усиления сигналов переменного тока.


Рис. 52. Схема с ОЭ	Рис. 53. Схема с ОБ

Для увеличения коэффициента передачи тока в схеме с ОК применяют составные эмиттерные повторители (рис. 54, 55).


Рис. 54. Схема Дарлингтона	Рис. 55. Схема Шиклаи

В схеме Дарлингтона (рис. 54) эмиттерный ток первого транзистора является базовым током для второго, в результате чего общий коэффициент передачи тока и может достигать нескольких тысяч. В данной схеме используются транзисторы с одинаковым типом проводимости. Недостаток схемы Дарлингтона – пороговое напряжение открывания составляет уже не 0,6 В, как у обычного кремниевого транзистора, а вдвое больше – 1,2 В. Этот недостаток устранен в схеме Шиклаи (рис. 55). В ней используются транзисторы с дополняющим типом проводимости, а для управления током второго транзистора (р-n-р) служит коллекторный ток первого. В остальном свойства этого транзистора такие же, как и у предыдущего.

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Например, при измерении электрических потенциалов различных точек человеческого тела, снятии электрокардиограммы и т.д.

Рис. 59. Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой схему, предназначенную для усиления разности напряжений двух входных сигналов (рис. 59). В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов и определяется только их разностью. Выходной сигнал можно снимать либо между коллекторами (симметричный выход), либо между любым из коллекторов и общим проводом (несимметричный выход).

Основное преимущество таких усилителей – высокое усиление дифференциального сигнала и низкое усиление синфазного сигнала (синфазный сигнал – одновременное и одинаковое изменение сигналов на обоих входах). Дифференциальный коэффициент усиления равен:

при симметричном выходе и

при несимметричном выходе.

Коэффициент усиления синфазного сигнала (изменение разности коллекторных напряжений с изменением синфазного входного напряжения)

Обычно и составляет меньше единицы. Чем выше , тем меньше . Вместо сопротивления часто используется активный источник тока (рис. 57), что приводит к снижению ( заменяется выходным сопротивлением активного источника тока, которое теоретически равно бесконечности).

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

Тема 12. Классы усиления

В зависимости от положения рабочей точки в режиме покоя на ВАХ транзисторов различают три основных режима или класса усиления: А, В и АВ. Основными характеристиками этих режимов являются КПД и нелинейные искажения. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостатками (табл. 2).

Таблица 2. Характеристика классов усиления

Класс усиления	A	B	AB
КПД	max 50%	max 78%	max 60-75%
Искажения	малые	высокие	средние
Потребляемая мощность	постоянная	зависит от выходной	зависит от выходной
Термостабильность	низкая	высокая	средняя

В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка ВАХ транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала – и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.

В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов – каждый из них усиливает свою "половину" сигнала (в качестве примера может служить схема на рис. 60). В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимум 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток – в диапазоне (-0,5÷-0,6) В – (0,5÷0,6) В образуются искажения типа "ступенька" (переключательные искажения), т.е. возникает определённая "мёртвая зона" усиливаемых сигналов (рис. 61).


Рис. 60. Двухтактный усилитель	Рис. 61. Искажения сигнала

В режиме A - B рабочая точка выбрана в начале линейного участка ВАХ транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через каскад протекает некоторый ток покоя (например, в схеме на рис. 62 это достигается подбором сопротивлений , , , в результате чего падение напряжения на сопротивлении становится равным величине "мёртвой зоны"). КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность удовлетворительная.

Рис. 62. Режим А-В

В режиме С рабочую точку выбирают в области отсечки. Этот режим применяют в избирательных усилителях, характеризуется значительными искажениями, но высоким КПД.

В усилителях класса D возможен режим непосредственного усиления цифровых сигналов без их преобразования в аналоговую форму. Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. Фильтр нижних частот на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей доходит до 92-95%. Это преимущество особенно проявляется при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%.

Принципы обратной связи

Обратная связь (ОС) – процесс передачи сигнала из выходной цепи во входную. ОС называют отрицательной, если её сигнал вычитается из входного, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. Местной ОС называют ОС, охватывающую отдельные части усилителя, общей ОС называют ОС, охватывающую весь усилитель. В усилителях в основном используют отрицательную обратную связь (ООС). Рассмотрим усилитель, охваченный ОС (рис. 63).

Рис. 63. Структурная схема усилителя, охваченного ОС: 1 – основной усилитель; 2 – устройство обратной связи; 3 – сумматор (при положительной ОС) или вычитатель (при ООС)

Пусть – коэффициент усиления основного усилителя (общий коэффициент усиления до введения ОС), – коэффициент передачи устройства ОС (коэффициент ОС). Предположим, что обратная связь – отрицательная. Тогда напряжение сигнала ОС:

После введения ООС

Отсюда общий коэффициент усиления после введения ООС:

при значительном . (6)

Основной вывод – устройство с глубокой ООС имеет характеристики, зависящие практически только от цепи обратной связи, а не от основной цепи при значительном .

Из выражения (6) следует, что результирующий коэффициент усиления после введения ООС становится меньше. Может показаться, что введение ООС – глупая затея, которая приведёт лишь к уменьшению коэффициента усиления. Именно такой отзыв получил Гарольд С. Блэк, который в 1928 г. попытался запатентовать ООС: "К нашему изобретению отнеслись так же, как к вечному двигателю". В чём же польза ООС?

Рассмотрим пример. Пусть имеем усилитель, у которого при изменении частоты от до коэффициент усиления меняется от 100 до 10000 (рис. 64). После введения ООС с коэффициентом в соответствии с выражением (6) коэффициент усиления на разных частотах составит

Рис. 64. АЧХ усилителя

на частоте

В этом примере ООС стабилизирует коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания. С помощью ООС улучшают качественные характеристики усилителей за счёт снижения результирующего коэффициента усиления.

Виды обратной связи

Обратная связь классифицируется:

1) по фазе сигнала обратной связи:

а) положительная;

б) отрицательная;

2) по способу подачи во входную цепь:

а) последовательная по входу (рис. 65, а);

б) параллельная по входу (рис. 65, б).

Рис. 65. Схемы подачи ОС во входную цепь

3) по выходу:

а) обратная связь по напряжению (рис. 66, а), когда сигнал ОС пропорционален напряжению выходной цепи;

б) обратная связь по току (рис. 66, б), когда сигнал ОС пропорционален току выходной цепи.

Рис. 66. Схемы ОС в зависимости от способа получения сигнала

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) – это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (10⁵-10⁶) коэффициентом усиления и несимметричным выходом. Название "операционный" он получил в связи с первоначальным применением для выполнения различных операций с аналоговыми сигналами (суммирование, вычитание, интегрирование и т.д.). ОУ выполняются в виде аналоговой интегральной микросхемы. По размерам и цене они практически не отличаются от отдельного транзистора, реализация различных электронных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах. Поэтому ОУ почти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем ("кирпичиков") во многих областях аналоговой схемотехники.

Условные обозначения ОУ приведены на рис. 67, а, б. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно выходного напряжения, называется инвертирующим (обозначен знаком инверсии "○" на рис. 67, а). Вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным напряжением, – неинвертирующий. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника и (как правило, ± 15 В), позволяющие получить выходной потенциал, равный в состоянии покоя нулю.

Рис. 67. Условные обозначения ОУ

Идеальный ОУ обладает следующими свойствами:

1) коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности (на рис. 67, а обозначено " ");

2) бесконечное входное сопротивление ;

3) нулевое выходное сопротивление ;

4) при ;

5) бесконечная ширина полосы пропускания (отсутствие задержки при прохождении сигнала через усилитель).

ОУ никогда не используются без ОС, при этом результирующие характеристики устройства на базе ОУ зависят только от цепи ОС. Промышленностью выпускаются сотни типов ОУ. В качестве примера рассмотрим устройство ОУ LF411 фирмы National Semiconductor. Как и все ОУ, он представляет собой крошечный элемент, размещенный в миниатюрном корпусе мини-DIP с двухрядным расположением выводов (на рис. 68 показано соединение с выводами корпуса).

Рис. 68. Соединение ОУ LF411 с выводами корпуса (вид сверху)

ОУ LF411 – это кристалл кремния, содержащий 24 транзистора (21 биполярный и 3 полевых), 11 резисторов и 1 конденсатор. Точка на крышке корпуса и выемка на его торце служат для обозначения точки отсчета при нумерации выводов. В большинстве корпусов электронных схем нумерация выводов осуществляется в направлении против часовой стрелки со стороны крышки корпуса. Выводы "установка нуля" (или "баланс", "регулировка") служат для устранения небольшой асимметрии, возможной в операционном усилителе.

Рассмотрим основные правила, определяющие работу ОУ, охваченного ОС.

1. ОУ потребляет очень небольшой входной ток (например, ОУ LF411 потребляет 0,2 нА; ОУ со входами на полевых транзисторах – порядка пикоампер), поэтому можно считать, что входы ОУ ток не потребляют ( ).

2. С помощью цепи ОС напряжение из выходной цепи во входную подаётся таким образом, чтобы разность напряжений между входами стремилась к нулю.

Основные схемы включения ОУ

Рассмотрим схему на рис. 69. Эта схема называется инвертирующим усилителем, так как входной сигнал подаётся на инвертирующий вход.

Рис. 69. Инвертирующий усилитель

Выполним анализ схемы с учётом рассмотренных выше правил 1 и 2. Потенциал точки В равен потенциалу земли. В соответствии с правилом 2 потенциал точки А равен потенциалу точки В и также равен потенциалу земли. Значит, падение напряжения на резисторе равно входному напряжению , падение напряжения на резисторе равно выходному напряжению .

С учётом правила 1 , поэтому входной ток будет равен

Знак минус перед правой частью выражения означает, что выходной сигнал инвертирован.

Из последнего выражения следует, что коэффициент усиления по напряжению равен

Входное сопротивление схемы , выходное сопротивление близко к нулю (на практике составляет доли Ом).

Рассмотрим схему неинвертирующего усилителя (рис. 70).

Рис. 70. Неинвертирующий усилитель

Потенциал точки А равен входному напряжению . В то же время, потенциал точки А равен падению напряжения на сопротивлении делителя напряжения :

Тогда коэффициент усиления по напряжению

Входное сопротивление этого усилителя намного больше, чем у инвертирующего усилителя и теоретически равно бесконечности (для ОУ LF411 оно составляет 10¹² Ом и больше, для ОУ на биполярных транзисторах обычно превышает 10⁸ Ом). Выходное сопротивление, как и в предыдущем случае, равно долям Ома.

На рис. 71 показан повторитель на основе ОУ, подобный эмиттерному. Он представляет собой неинвертирующий усилитель, в котором сопротивление R₁ равно бесконечности, а сопротивление R₂ – нулю (коэффициент усиления равен 1).

Рис. 71. Повторитель

Усилитель с единичным коэффициентом усиления называют иногда буфером, так как он обладает изолирующими свойствами (большим входным сопротивлением и малым выходным). Существуют специальные ОУ, предназначенные для использования только в качестве повторителей, они обладают улучшенными характеристиками (в основном более высоким быстродействием).

Схема интегратора на ОУ приведена на рис. 72.

Рис. 72. Интегратор на ОУ:

Если на вход интегратора подать ступенчатый сигнал, выходной сигнал будет представлять наклонную прямую с полярностью, противоположной полярности входного сигнала.

На рис. 73 показан дифференциатор на ОУ, который создаёт выходное напряжение, пропорциональное скорости изменения входного.

Рис. 73. Дифференциатор на ОУ:

При дифференцировании ОУ должен пропускать только переменную составляющую входного напряжения и коэффициент усиления этой схемы должен возрастать при увеличении скорости изменения входного сигнала.

Характеристики ОУ

Основными характеристиками ОУ являются:

1) усилительные;

2) амплитудные (передаточные);

3) входные и выходные;

4) энергетические;

5) амплитудно-частотные и фазо-частотные;

6) скоростные;

7) дрейфовые.

Амплитудные (передаточные) характеристики ОУ

Эти характеристики снимают для каждого из входов (инвертирующего и неинвертирующего ) при условии, что другой вход заземлён (рис. 74). Они имеют линейные участки (пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного) и участки насыщения, вызванные ограничениями по напряжению источника питания.

Рис. 74. Амплитудные характеристики ОУ

Теоретические амплитудные характеристики проходят через нуль (показаны на рис. 74 сплошными линиями). Угол наклона линейного участка определяет коэффициент усиления ОУ:

Входные характеристики

На практике существует остаточная несимметрия ОУ, которая характеризуется входным напряжением смещения (рис. 74). Напряжение смещения можно регулировать с помощью выводов "установка нуля" (рис. 68). Входные токи ОУ вызваны конечным значением входного сопротивления дифференциального каскада, разность входных токов – разбросом параметров транзисторов. Входные сопротивления в зависимости от характера подаваемого сигнала подразделяют на дифференциальное (для дифференциального входного сигнала) и синфазное (характеризует изменение входного тока при подаче на входы синфазного напряжения). Также нормируется максимальное входное дифференциальное напряжение.

Выходные характеристики

Выходное сопротивление, максимальный выходной ток, минимальное и максимальное выходное напряжение. Выходные напряжения меньше напряжения источников питания на 1 В.

Энергетические характеристики

Значение напряжения источников питания, потребляемый ток (его величина нормируется в режиме холостого хода), в некоторых случаях нормируется КПД.

Амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики

АЧХ и ФЧХ типового ОУ показаны на рис. 75.

а)

б)

Рис. 75. АЧХ (а) и ФЧХ (б) типового ОУ

Частота , при которой коэффициент усиления равен единице, называется частотой единичного усиления. Фазовый сдвиг на частоте равен -45⁰. Для получения нужной ФЧХ и ФЧХ применяют цепи внутренней или внешней коррекции.

Скоростные характеристики

Являются следствием ограниченности АЧХ и энергетических характеристик. Определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 76). К ним относятся время установления и скорость нарастания выходного напряжения ( – время, в течение которого выходное напряжение изменяется на участке от до ; – отношение приращения выходного напряжения ко времени на этом участке).

Рис. 76. Реакция ОУ на воздействие скачка напряжения на входе

Дрейфовые характеристики

Определяют изменения параметров ОУ от температуры и времени: температурный и временной дрейф напряжения смещения , входных токов и их разности.

СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1. Введение. Полупроводники. p-n-переход	3
Тема 2. Полупроводниковые диоды	13
Тема 3. Транзисторы. Устройство и принцип действия биполярного транзистора	20
Тема 4. Характеристики и параметры биполярного транзистора	28
Тема 5. Полевые транзисторы	35
Тема 6. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы)	41
Тема 7. Тиристоры	44
Тема 8. Интегральные микросхемы (ИМС)	53
Тема 9. Общие сведения об усилителях и их классификация. Основные параметры и характеристики усилителей	57
Тема 10. Каскады предварительного усиления	62
Тема 11. Усилители постоянного тока	64
Тема 12. Классы усиления	67
Тема 13. Обратные связи в усилителях	70
Тема 14. Операционные усилители	73
Тема 15. Общие сведения об импульсных устройствах	81
Тема 16. Транзисторный ключ как формирователь импульса	83