Мультимедийное сопровождение лекций по дисциплине "Основы слаботочной электроники"

Основы слаботочной электроники

Мультимедийное сопровождение лекций

Выполнил: В.А.Митрофанов

Содержание учебного материала:

• Введение. Место и значение электроники в современном мире (слайд №3)
• Физический принцип работы электронных приборов (слайд №6)
• Полупроводниковые диоды (слайд №26)
• Транзисторы (слайд №39)
• Тиристоры (слайд №58)
• Интегральные микросхемы (ИМС) (слайд №75)
• Оптоэлектронные приборы (слайд №87)
• Приборы отображения информации (слайд №120)
• Источники питания (слайд №140)
• Выпрямители, фильтры (слайд №145)
• Устройства защиты от перегрузок (слайд №171)
• Электрические усилители и их особенности (слайд №173)
• Транзисторный усилительный каскад переменного напряжения (слайд №178)
• Усилители в интегральном исполнении, резонансные усилители (слайд №183)
• Усилители постоянного тока (УПТ) с одним источником питания (слайд №190)
• Интегральные микросхемы операционных усилителей (ИМС ОУ) (слайд №195)
• Усилительные каскады с ИМС ОУ (слайд №204)
• Усилители мощности (слайд №212)
• Генераторы низкочастотных гармонических колебаний и RC -генератор (слайд №226)
• Логические элементы и логические устройства (слайд №235)
• Триггеры (слайд №294)
• Интегральные микросхемы триггеров (слайд №300)
• Элементы памяти цифровых вычислительных устройств и счетчики импульсов (слайд №313)
• Шифраторы и дешифраторы (слайд №334)
• Мультиплексоры и демультиплексоры (слайд №342)
• Аналогово-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) (слайд №349)
• Программируемые устройства, микропроцессоры (МП) и микроЭВМ (слайд №381)

Место и значение электроники в современном мире

Лекция №1

Место и значение электроники в современном мире

• Сегодня в нашем мире существует огромное количество открытий в разных областях науки и техники, благодаря которым можно найти друг друга в любом уголке планеты, увидеть прошлое и приоткрыть завесу над будущим. Роботы и машины выполняют однообразную и тяжелую работу. То, что раньше было фантастикой, в 20-21 веках, стало обычным явлением. Автоматические производственные линии, мобильные телефоны, Интернет – стали неотъемлемой частью жизни. С ростом технического прогресса мир стал сложнее, но в то же время жить стало интереснее. Наша планета начинена электроникой, окутана кабельными проводами и заполнена электрическими сигналами и электромагнитными волнами. В мире, котором мы живем, все это стало возможным при помощи электроники. Люди создали антенны, передатчики и приемники только благодаря глубокому изучению колебаний и волн, исследованию распространения электромагнитных сигналов в пространстве. Электроника сделала возможным существование микропроцессорной техники, это компьютеры, планшеты, сотовые телефоны и еще масса полезного оборудования. Постепенно электронная техника проникла во все сферы жизни человека, без которой уже, не возможно представить себе не одного дня. Они производят сложнейшие вычисления, управляют производственными процессами и делают нашу жизнь более «удобной». В итоге можно смело сказать, без электроники немыслимы не только радиоприемники, магнитофоны и телевизоры, но и ЭВМ, ракеты, измерительные приборы, сверхзвуковые самолеты и т. д.

Место и значение электроники в современном мире

Контроллеры - для автоматизации производства.

Физический принцип работы электронных приборов

Лекция №2

Физический принцип работы электронных приборов

• Электроника — область науки, техники и производства, связанная с изучением физических свойств, методов исследования и практики применения устройств, основанных на взаимодействии электронов с электрическим и магнитным полями в вакууме или твердом теле.
• Электронные приборы — это элементарные электронные устройства, выполняющие определенные функции (электровакуумные и твердотельные электронные приборы).
• Электронное устройство — это изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы электроники.

Физический принцип работы электронных приборов

• В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электронных устройств.
• I п о к о л е н и е электроники (1904 — 1950) характерно тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные приборы. В таких приборах рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной рабочей средой (парами или газами); действие таких приборов основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. В соответствии с характером рабочей среды электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные.
• Электронный электровакуумный прибор — это прибор, в котором электрический ток создается только свободными электронами.
• Ионный электровакуумный прибор — прибор с электрическим разрядом в газе или парах. Этот прибор называют также газоразрядным. Семейство электронных электровакуумных приборов обширно и объединяет такие группы, как электронные лампы, электронно-лучевые приборы, электровакуумные фотоэлектрические приборы и др.
• Наиболее широко в элементной базе электронных устройств I поколения применялись электронные лампы — электровакуумные приборы, предназначенные для различного рода преобразований электрического тока. Электронные устройства, выполненные на лампах, имели сравнительно большие габаритные размеры и массу. Число элементов в единице объема (плотность монтажа) электронных устройств I поколения составляло γ = 0,001 ...0,003 эл/см ³ .

Сборка таких электронных устройств осуществлялась, как правило, вручную путем соединения электровакуумных приборов между собой и с соответствующими пассивными элементами (резистивными, индуктивными и емкостными) при помощи проводов.

Физический принцип работы электронных приборов

• I I п о к о л е н и е электронных приборов (1950 — начато 1960-х гг.) характеризуется применением в качестве основной элементной базы дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов и тиристоров). Сборка электронных устройств II поколения осуществлялась обычно автоматически с применением печатного монтажа, при котором полупроводниковые приборы и пассивные элементы располагаются на печатной плате — диэлектрической пластине с металлизированными отверстиями (для подсоединения полупроводниковых приборов и пассивных элементов), соединенными между собой проводниками. Проводники выполнялись путем осаждения медного слоя на плату по заранее заданному печатному рисунку, соответствующему определенной электронной схеме. Плотность монтажа электронных устройств II поколения за счет применения малогабаритных элементов составляла γ = 0,5 эл/см ³ .
• Появление полупроводниковых приборов ознаменовало начало научно-технической революции, развитие которой все более ускоряющимися темпами продолжается и в настоящее время.

Появление полупроводниковых приборов ознаменовало начало научно-технической революции, развитие которой все более ускоряющимися темпами продолжается и в настоящее время.

Физический принцип работы электронных приборов

• I I I п о к о л е н и е электронных устройств (1960 — 1980) связано с бурным развитием микроэлектроники — раздела электроники, охватывающего исследование и разработку качественно нового типа электронных приборов и принципов их применения. Основой элементной базы этого поколения электронных устройств стали интегральные микросхемы и микросборки.
• Интегральная микросхема , или интегральная схема (ИС), представляет собой совокупность нескольких взаимосвязанных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.), изготовленных в едином технологическом цикле, т.е. одновременно, на одной и той же несущей конструкции (подложке), и выполняющих определенную функцию преобразования информации.
• Микросборка представляет собой ИС, в состав которой входят однотипные элементы (например, только диоды или только резисторы).
• Широкое развитие находит блочная конструкция электронных устройств — набор печатных плат, на которые монтируют и микросборки. Плотность монтажа электронных устройств III поколения γ = 50 эл/см ³ .
• Этот этап развития электронных устройств характеризуется не только резким уменьшением габаритных размеров, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том числе за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовлении электронных устройств.

Этот этап развития электронных устройств характеризуется нетолько резким уменьшением габаритных размеров, массы и энергопотребления, но и резким повышением их надежности, в том

числе за счет сведения к минимуму ручного труда при изготовле-

нии электронных устройств.

Физический принцип работы электронных приборов

• IV п о к о л е н и е (с 1980 г. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств на базе применения больших (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем, когда уже отдельные функциональные блоки выполняются в одной интегральной схеме. Плотность монтажа электронных устройств IV поколения γ = 1000 эл/см ³ и выше.
• Основу БИС и СБИС составляют элементы, принцип действия которых основан на использовании свойств прохождения электрического тока через полупроводниковые материалы.

Физический принцип работы электронных приборов

• При изготовлении электронных приборов и устройств используют самые разнообразные материалы: проводники , диэлектрики , полупроводники .
• Металлы широко используются в качестве соединительных проводников и элементов катушек индуктивности, органические и неорганические диэлектрики – в качестве изоляторов и составных частей конденсаторов, полупроводники – для изготовления диодов и транзисторов.

Физический принцип работы электронных приборов

• Все вещества состоят из одного или более химических элементов (железа, меди, кислорода, серы и т.д.).
• Мельчайшими составными частицами вещества являются атом и молекула.
• Атомы химически чистых элементов соединяются с образованием молекул вещества.
• Атом состоит из более мелких частиц – электронов, вращающихся вокруг ядра, находящегося в центре атома и содержащего один или более протонов и нейтронов.
• Отрицательно заряженные электроны притягиваются к ядру положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг него.

На рисунке справа представлено строение атома на основе современных научных представлений.

Физический принцип работы электронных приборов

• В соответствии с квантовой теорией энергия электрона, вращающегося по своей орбите вокруг ядра, не может принимать произвольных значений. Электрон может иметь только вполне определенные дискретные или квантованные значения энергии и дискретные значения орбитальной скорости.
• Поэтому электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным (разрешенным) орбитам.

На рисунке: Разрешенные орбиты электрона в атоме водорода

Физический принцип работы электронных приборов

• В металлических веществах электроны, слабо связанные с ядром (свободные электроны), под действием электрического потенциала покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электрический ток. Такие вещества, имеющие хорошую электрическую проводимость, называются проводниками .
• Диэлектрик (изолятор) – это материал, имеющий только связанные электроны, т.е. не имеющий свободных электронов.
• Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости (т.е. способности проводить электрический ток) занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
• При комнатной температуре удельное сопротивление, Ом • м,
• проводников — 10 -8 ... 10 -5 ,
• полупроводников — 10 -6 ... 10 8
• диэлектриков — 10 7 ... 10 17 .

Физический принцип работы электронных приборов

• Наиболее широкое распространение получили полупроводниковые элементы германий (Ge) и кремний (Si), расположенные в четвертой группе периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, а также некоторые соединения — арсенид галлия (GaAs), окись цинка (ZnO) и т.д.
• Чистые проводники являются аморфными, но при определенных условиях при выращивании из расплавов могут образовывать монокристаллы с правильной структурой, называемой кристаллической решеткой .

Строение полупроводникового материала – кремния (Si)

• В кристалле этого полупроводника атомы располагаются в узлах кристаллической решетки, а электроны наружной электронной оболочки образуют устойчивые ковалентные связи, когда каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам и образует связывающую эти атомы силу. Так как у элементов IV группы на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона, то в идеальном кристалле полупроводника все ковалентные связи заполнены, и все электроны прочно связаны со своими атомами.

При (Т = О °К) температуре абсолютного нуля все энергетические состояния внутренних зон и валентная зона занята электронами полностью, а зона проводимости совершенно пуста. Поэтому в этих условиях кристалл полупроводника является практически диэлектриком.

Кристаллическая решетка

• Полупроводники имеют слабую собственную проводимость из-за небольшого количества свободных электронов.
• Появление свободного электрона под действием температуры или света создает появление положительно заряженного атома с недостающим электроном, который называется дыркой .
• Процесс образования электронов и дырок под действием тепла и света называется генерацией носителей зарядов .

Генерация пары свободных носителей заряда «электрон – дырка»

При рекомбинации электрона и дырки происходит высвобождение энергии, в зависимости от того, как расходуется эта энергия, рекомбинацию можно разделить на два вида: излучательную и безизлучательную.

Излучательной является рекомбинация, при которой энергия, освобождающаяся при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света – фотона.

При безизлучательной рекомбинации избыточная энергия передается кристаллической решетке полупроводника, т. е. избыточная энергия идет на образование фононов – квантов тепловой энергии.

• После своего образования пары «электрон – дырка» существуют в течение некоторого времени, называемого временем жизни носителей электрического заряда.

• Проводимость полупроводника можно повысить посредством введения определенного количества легирующих присадок (примесей).
• Присадки (например атом мышьяка As) вносят в кристаллическую решетку атома германия дополнительные электроны, в результате чего получают полупроводник n – типа (negative) .
• Присадки (например атом алюминия Al) вносят в кристаллическую решетку атома германия недостаток электронов в его внешней оболочке, т.е. образование дырок, имеющих положительный заряд, в результате чего получают полупроводник p – типа (positive) .

полупроводник n – типа (negative) называются атомами-донорами.

полупроводник p – типа (positive) называются атомами-акцепторами.

Кристаллическая решётка с донорной примесью

• В результате добавления примеси появляется большое количество свободных электронов, и удельное сопротивление всего проводника уменьшается на порядки даже, приближается к сопротивлению проводника.

• Поскольку основными носителями зарядов являются электроны, то полупроводник называется полупроводником n типа .

Зонная теория

• Зонная теория – это энергетическое состояние электрона, обладающего кинетической и потенциальной энергией.
• Электроны в твердом веществе могут находиться только в валентной зоне (ВЗ) или зоне проводимости (ЗП), между которыми имеется запрещенная зона (ЗЗ). (см. слайд 21)
• Для перевода электрона из ВЗ в ЗП требуется придать ему дополнительную энергию Δ Е , называемую энергией активации и измеряемую в электрон-вольтах ( эВ ).
• Δ Е Ge = 0,72 эВ; Δ Е Si = 1,12 эВ

Согласно зонной теории энергия электрона в твердом теле может изменяться в некоторых пределах практически непрерывно, но при этом существуют интервалы значений энергии (запрещенные уровни), которые электрон может преодолевать только скачком.

Энергетические зоны полупроводника

Согласно зонной теории энергия электрона в твердом теле может изменяться в некоторых пределах практически непрерывно, но при этом существуют интервалы значений энергии (запрещенные уровни), которые электрон может преодолевать только скачком.

• а – без напряжения; б – под напряжением; Е – энергия электрона; х – пространственная координата;

Свойства p-n-перехода

• Если проводник p – типа соединить с полупроводником n – типа и поместить в высокотемпературный вакуумный реактор, то под действием диффузии образуется монолитный пограничный слой с разными типами полупроводников по обе стороны границы раздела, называемый p - n-переходом.

• Пространственное распределение зарядов и соответственно энергетические диаграммы электронно-дырочных переходов при соединении полупроводников р- и n-типа без источника внешних ЭДС (а) и при прямом (б) и обратном (в) включениях напряжения (малые светлые кружки – электроны; темные – дырки; большие – обозначение потенциалов).

Полупроводниковый диод

Лекция №3

Диоды и их разновидности

• Диод представляет собой небольшую емкость с откачанным воздухом, внутри которого на небольшом расстоянии друг от друга находится анод и второй электрод это катод, одна из которых обладает электропроводностью типа р, а другая - n.
• Треугольная часть – это АНОД, а черточка это КАТОД. Анод это плюс, катод – минус. Диоды например, используют в блоках питания для выпрямления переменного тока, при помощи диодного моста можно превратить переменной ток в постоянный, применяются для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п.

Диодный мост

• Диодный мост представляет собой 4 диода, которые подключаются последовательно, причем два диода из этих четырех включены встречно.

• в некоторых схемах обозначают сокращенным вариантом

Диодный мост

• Диодные мосты применяют для питания радиоаппаратуры, применяются в блоках питания и зарядных устройствах. Как уже говорил, диодный мост можно составить из четырех одинаковых диодов, но продаются и готовые диодные мосты, выглядят они вот так:

Диод Шоттки

• Диоды Шоттки имеют очень малое падение напряжения и обладают повышенным быстродействием по сравнению с обычными диодами.
• Ставить вместо диода Шоттки обычный диод не рекомендуется, обычный диод может быстро выйти из строя. Обозначается на схемах такой диод вот так:

Полупроводниковый диод

• Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный (р—n) переход (П), разделяющий р- и n-области кристалла полупроводника.

Полупроводниковый диод

• Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемных зарядов р—n-перехода в отсутствие внешнего напряжения.

Полупроводниковый диод

• К р- и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.
• По конструктивному выполнению различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

• устройства точечного диода

Точечные диоды имеют малую емкость перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах, вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и, соответственно, их применяют на частотах не выше десятков килогерц, а допустимый ток бывает до сотен ампер. На рисунке представлена конструкция точечных и плоскостных диодов.

• устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методом(б)

Полупроводниковый диод

• Широкое применение диоды получили в источниках вторичного электропитания (выпрямителях). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (а следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером , а вторая, с меньшей концентрацией, — базой .
• Если эмиттером является p-область, для которой основными носителями заряда служат дырки, а базой — n-область(основные носители заряда — электроны), то выполняется условие p p » n n , где р р — дырки в p-области; n n — электроны в n-области.
• Дырки в n-области, где они являются неосновными носителями зарядов, обозначают р n .

Принцип работы диода

Для сохранения электрической нейтральности полупроводниковой структуры число диффундируемых через р—n -переход основных носителей заряда из одной области должно равняться числу диффундируемых основных носителей заряда из другой области. С учетом того что концентрация электронов nn в базе значительно меньше концентрации дырок рр в эмиттере, область объемного заряда со стороны базы будет больше, чем со стороны эмиттера. Образованный в результате встречной диффузии объемный заряд создает напряженность Езар электрического поля, препятствующего дальнейшей встречной диффузии основных носителей зарядов.

Диффузия практически прекращается, когда энергия носителей заряда недостаточна, чтобы преодолеть созданный потенциальный барьер .

Если к выводам диода приложить прямое напряжение, то создаваемая им напряженность Е электрического поля будет противоположна направлению напряженности Eзар объемного заряда. В область базы (по мере возрастания напряжения U) будет вводиться (инжектировать) все большее число дырок, являющихся не основными для n-области базы носителями заряда, которые и образуют прямой ток диода I. Встречной инжекцией nn в область эмиттера можно пренебречь, учитывая, что рр » nn .

Если к выводам диода приложить обратное напряжение -U, то создаваемая им напряженность - Е электрического поля, совпадая по направлению с напряженностью Езар объемного заряда, повышает потенциальный барьер и препятствует переходу основных носителей заряда в соседнюю область. Однако суммарная напряженность электрических полей способствует извлечению (экстракции) неосновных носителей заряда: n р — из р- в n-область и рn — из n- в p-область, которые и образуют обратный ток р—n -перехода. Число неосновных носителей заряда значительно изменяется при изменении температуры, возрастая с ее повышением, поэтому обратный ток, образованный за счет неосновных носителей, называют тепловым током Iобр .

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

I = I обр ( е U д / φ т - 1 ) ,

где U д — напряжение на p—n-переходе;

φ т = kT/q — температурный потенциал (при Т = 300 К, φ т = 0,025 В).

Здесь к — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура;

q — заряд электрона.

Формула соответствует ВАХ идеального р—n -перехода и не отражает некоторых свойств реального диода.

При определенном значении напряжения Uобр начинается лавинообразный процесс нарастания тока Iобр, соответствующий электрическому пробою р-n-перехода (отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ после точки В). Такая последовательность лавинообразного процесса нарастания тока р характерна для кремниевых диодов. Для германиевых диодов с увеличением обратного напряжения тепловой пробой р—n-перехода наступает практически одновременно с начатом лавинообразного процесса нарастания тока Iобр. Электрический пробой обратим, т.е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает р—n -переход. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением, хотя и в значительно меньшей степени, чем обратный ток. Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, К-1,

ТКН = AU/(UAT),

который показывает относительное изменение прямого напряжения за счет изменения температуры на 1 К при некотором значении прямого тока.

Графические обозначения полупроводниковых приборов (УГО)

1 — выпрямительный и импульсный диоды;

2 — стабилитрон и стабистор;

3 —симметричный стабилитрон;

4 — варикап;

5 — излучающий диод;

6 — биполярный транзистор р-n-р- типа;

7 — биполярный транзистор n- р-n -типа;

8 — полевой транзистор с управляющим р-n -переходом с n- каналом ;

9 — полевой транзистор с управляющим р-n -переходом с p-каналом ;

10 — полевой транзистор с встроенным n-каналом;

11 — полевой транзистор с встроенным р - каналом;

12 — МДП - транзистор с индуцированным n-каналом;

13 — МДП - транзистор с индуцированным p-каналом ;

14 — динистор;

15, 16— тринистор с управлением соответственно по катоду и аноду;

У Э — управляющий электрод

Транзисторы

Лекция №4

План лекции:

• Типы и структура биполярного транзистора.
• Физические принципы работы транзистора.
• Схемы включения, характеристики и параметры транзистора.
• h- параметры биполярного транзистора.
• Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором
• (IGBT)

Типы и структура биполярного транзистора

• Транзисторы – это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобно электровакуумному триоду.
• Различают биполярные транзисторы, называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы

Внешний вид биполярных транзисторов

Для изготовления транзисторов обычно используют германий (Ge) и кремний (Si), которые доводят до высокой степени чистоты.

• Биполярный транзистор – это прибор, составленный из полупроводников с двумя р–n -переходами и тремя выводами: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Плоскостной
• Биполярный транзистор представляет собой пластинку германия ( Gе ), кремния (Si ) или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводимостью:

n–р–n (рис. а) или р–n–р (рис. б).

• В первом случае средняя область имеет дырочную проводимость и две крайние – электронную (рисунок а).
• Во втором случае наоборот (рисунок б). Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером, а другая –коллектором.

Полевой транзистор

• Полевым транзистором (ПТ) называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Этот прибор предназначен для усиления электрических колебаний. Полевые транзисторы называют еще униполярными, поскольку их принцип действия основан на использовании носителей заряда только одного знака.
• Полевые транзисторы подразделяются на n -канальные и р- канальные. Они, в свою очередь, бывают: с управляющим p–n -переходом и с изолированным затвором (МДП-транзисторы или МОП-транзисторы). Следует отметить, что эти транзисторы также делятся на транзисторы со встроенным и с индуцированным каналами.

Фоторезистор

• Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под действием светового потока.
• Основой фоторезистора является светочувствительный элемент – прямоугольная или круглая «таблетка», спрессованная из полупроводникового материала, или тонкая пленка на стеклянной подложке с электродами с малым переходным сопротивлением.
• Принцип действия фоторезистора: при увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизирует их и создает дополнительный поток электронов (возникает фототок проводимости).
• При отсутствии тока через фоторезистор течет темновой ток: Iт = E/Rт+Rн , где R т - темновое сопротивление фоторезистора.
• При освещении фоторезистора через него протекает световой ток: Iс E/Rс+Rн

Основные характеристики фоторезистора

Физические принципы работы транзистора

• Рисунок 1 – Структура транзистора p–n–р -типа

• Рисунок 2 – Физические процессы в транзисторе p–n–р -типа (распределение потенциалов)

Схемы включения транзисторов в усилительных каскадах:

• а - схема с общей базой (ОБ)
• б - схема с общим эммитером (ОЭ)
• в - схема с общим коллектором (ОК)

Схемы включения транзисторов в усилительных каскадах:

• Схема с общим эмиттером (ОЭ).
• Общим выводом в ней является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером.
• Эта схема получила наиболее широкое распространение вследствие своей надежности и высокого коэффициента усиления.

1 ( β = 10…200). Так как i вых i вх (при достаточно большом сопротивлении Rк , амплитуда переменной составляющей напряжения U вых значительно больше амплитуды напряжения U вх), то схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Следует отметить, что входной ток такой схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем в схеме с общей базой. " width="640"

Схема с общим эмиттером (ОЭ).

• В такой схеме включения входным током является ток базы i б.
• Коэффициент передачи по току равен: β=Δ I к / Δ I б, где β= α /(1-α ) и принимает значения β 1 ( β = 10…200).
• Так как i вых i вх (при достаточно большом сопротивлении Rк , амплитуда переменной составляющей напряжения U вых значительно больше амплитуды напряжения U вх), то схема обеспечивает усиление и тока, и напряжения. Следует отметить, что входной ток такой схемы достаточно мал, поэтому входное сопротивление больше, чем в схеме с общей базой.

Схемы включения транзисторов в усилительных каскадах:

• Схема с общей базой (ОБ).
• Базовый вывод транзистора в ней является общим выводом для входного и выходного сигналов.
• Входной сигнал подают на эмиттер, а выходной – снимают с коллектора.

Схема с общей базой (ОБ).

• Входной ток в схеме ОБ является током эммитера i э, а выходной
• – током коллектора i к.
• Коэффициент усиления (передачи) по переменному току (α =Δ I к /Δ I э) представляет собой отношение приращений токов коллектора и эммитера и имеет величину меньше единицы. Если сопротивление нагрузки достаточно велико, то амплитуда переменной составляющей напряжения U вых значительно больше амплитуды напряжения U вх.
• Учитывая, что i вых = i вх, следует отметить, что схема не обеспечивает усиления тока, но усиливает напряжение. Входной ток в такой схеме i вх= i э достаточно большой, а входное сопротивление – малое.

Схемы включения транзисторов в усилительных каскадах:

• Схема с общим коллектором (ОК).
• В этой схеме общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор.
• Входной сигнал подают на базу.
• Такую схему называют также эмиттерным повторителем, т.к. в ней сигнал на выходе повторяет входной сигнал по напряжению.

βэ. В схеме с ОК коллектор является общим для входной и выходной цепей по переменному току. Напряжение U бэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения U вх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения U вых. В этой связи усилительные каскады с общим коллектором называют эмиттерными повторителями, в которых i вх i вых. Таким образом, данная схема усиливает ток, но не усиливает напряжение. Она отличается повышенным входным сопротивлением. " width="640"

Схема с общим коллектором (ОК).

• Коэффициент передачи тока в этой схеме равен: Δ i э/Δ i б= I э / I б= I э/( I э – I к)=1/(1 – α) = βэ+1, то есть его величина больше, чем в схеме с ОЭ: βк βэ. В схеме с ОК коллектор является общим для входной и выходной цепей по переменному току.
• Напряжение U бэ и особенно его переменная составляющая достаточно малы, поэтому амплитуда переменной составляющей напряжения U вх примерно равна амплитуде переменной составляющей напряжения U вых. В этой связи усилительные каскады с общим коллектором называют эмиттерными повторителями, в которых i вх i вых. Таким образом, данная схема усиливает ток, но не усиливает напряжение.
• Она отличается повышенным входным сопротивлением.

Характеристики транзистора

• Обычно используют два вида вольт - амперных характеристик: входные и выходные.
• Для схемы с ОЭ входной характеристикой называют зависимость входного тока или тока базы i б от напряжения базы – эмиттер U б-э.
• Выходной характеристикой называют зависимость i к от U к-э при фиксированных значениях i б = const.
• Для схемы с ОБ, входной характеристикой является зависимость i э= f(Uэ -б), а выходной – i к= f ( U к-б).
• Для схемы с ОК выходной характеристикой является i э= f(Uэ -к), а входной – i б= f ( Uк -б ).

Вольт - амперные характеристики

• а – входная характеристика
• б – выходная характеристика
• в – передаточная характеристика

Схемы включения транзисторов

Тиристоры

Лекция №5

Тиристор

• Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя или более взаимодействующими p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.
• Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором (динистором).
• Тиристор, имеющий два основных вывода и один управляющий вывод, называется триодным тиристором (тринистором). Тиристор, имеющий симметричную относительно начала координат вольт-амперную характеристику, называется симметричным тиристором (симистором).

Конструкции тиристоров различной мощности и назначения

Структура и УГО тиристора

Тиристор имеет два устойчивых состояния:

1) закрытое, то есть состояние низкой проводимости,

2) открытое, то есть состояние высокой проводимости.

Другими словами он способен под действием сигнала переходить из закрытого состояния в открытое.

Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и Катода еще и управляющий электрод - используется для перевода тиристора во включенное состояние. Современные импортные тиристоры выпускаются и в корпусах ТО-220 и ТО-92.

Назначение тиристоров

• Тиристоры часто используются в схемах для регулировки мощностей, для плавного пуска двигателей или включения лампочек. Тиристоры позволяют управлять большими токами. У некоторых типов тиристоров максимальный прямой ток достигает 5000 А и более, а значение напряжений в закрытом состоянии до 5 кВ. Мощные силовые тиристоры вида Т143(500-16) применяются в шкафах управления эл.двигателями, частотниках.

Структура (а) и эквивалентная схема (б) диодного тиристора

Структура и эквивалентная схема диодного тиристора

Диодный тиристор имеет три p–n -перехода, причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний (П2) – в обратном направлении. Крайнюю область р -типа называют анодом, а крайнюю область n -типа – катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из двух транзисторов: Т1 ( n–p–n -типа) и Т2 ( p – n – p -типа), соединенных между собой. Таким образом, получается, что переходы П1 и П3 являются эммитерными переходами этих транзисторов, а переход П2 в обоих транзисторах работает как коллекторный переход. Область базы Б1 транзистора Т1 одновременно является коллекторной областью К2 транзистора Т2, а база Б2 транзистора Т2 одновременно служит коллекторной областью К1 транзистора Т1. Соответственно этому коллекторный ток i k1= i б2, а коллекторный ток i k2= i б1.

ВАХ диодного тиристора

ВАХ диодного тиристора

При увеличении напряжения U пр , ток невелик и его величина растет медленно, что соответствует участку 0А . В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П2 влияют два взаимно противоположных процесса.

С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, поскольку основные носители уходят в разные стороны от границы.

Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эммитерных переходах П1 и П3 усиливает инжекцию носителей заряда, которые переходят к переходу П2 , обогащают его и уменьшают его сопротивление. До точки А влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже малое повышение подводимого напряжения создает преобладание второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. В этом случае возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Объясняется это следующим образом. Поскольку увеличивающееся напряжение на переходах П1 и П3 уменьшает сопротивление на переходе П2 и напряжение на нем, то ток резко возрастает ( участок АБ ), за счет чего еще больше возрастают напряжения на П1 и П2 . Это, в свою очередь, приводит к еще большему возрастанию тока, уменьшению сопротивления П2 и т. д. В результате такого процесса устанавливается режим, напоминающий режим насыщения транзистора, а именно: большой ток при малом напряжении ( участок БВ ).

Ток в этом режиме, когда тиристор открыт, определяется, главным образом, сопротивлением нагрузки R н , включенным последовательно с тиристором.

Динистор

Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, обычно кремния, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1-n1-p2-n2 . На границах раздела этих областей возникнут p-n-переходы: крайние переходы ( П1 и П3 ) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, – эмиттерами; средний p-n-переход (П2) называется коллекторным. Внутренние n1- и p2-области структуры называется базами. Область p1, в которую попадает ток из внешней сети, называется анодом (А), область n2 – катодом (К).

Параметры динистора:

1. Imax – максимальное значение прямого тока (точка В ), при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр

2. Iуд – ток удерживания (точка Б ), который возникает при резком уменьшении прямого тока. При этом напряжение резко возрастает, т. е. тиристор переходит «скачком» обратно в закрытое состояние, соответствующее участку ОА .

3. tвкл. и tвыкл. – время выключения и время включения тиристора.

4. Собщ. – общая емкость, которая складывается из емкостей всех p–n -переходов.

5. Uобр.max - обратное максимальное напряжение.

Триодный тиристор (тринистор)

• Если от одной из базовых областей динистора сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать значение напряжения включения Uв кл . Чем больший ток течет через такой управляющий переход I y , тем ниже напряжение U вкл .

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) триодного тиристора

Схема включения триодного тиристора

• Такой тиристор называют тиристором с управлением по катоду, поскольку управляющим электродом является базовая область, ближайшая к катоду n.
• Параметры у тиристоров такие же, как и у динисторов. К этим параметрам лишь добавляются величины, характеризующие управляющую цепь I y, U y.

Симистор

• Симистор используется в системах, питающихся переменным напряжением, его можно представить как два тиристора, которые включены встречно-параллельно. Симистор пропускает ток в обоих направлениях.

Структура симистора

• Симметричные тиристоры или симисторы имеют структуру n-p-n-p-n или p-n-p-n-p . Они отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в обоих направлениях.

ВАХ симистора

• При одной полярности работает левая половина прибора.
• При обратной полярности работает правая половина прибора.
• Роль симистора могут выполнять два диодных тиристора, включенных параллельно.

Интегральные микросхемы (ИМС)

Лекция №

Виды и уровень сложности ИМС

• Интегральную микросхему или сборку можно получить либо в пластине твердого материала, либо на ее поверхности.
• По конструктивному исполнению ИС делятся на полупроводниковые и гибридные .

Полупроводниковые ИС

На рис. б показан профиль структуры полупроводниковой ИС.

• В теле полупроводникового материала создают слои резисторов, структуры транзисторов, диодов и конденсаторов, выполняющие заданные электронные функции. Такие ИС называются полупроводниковыми .
• а — электрическая схема; б —профиль структуры; 1 — выводы диода; 2 — резистора; 3, 4 — транзистора; 5 — конденсатора

Гибридная ИС

• Все элементы ИС (кроме активных) наносят на диэлектрическую пластину (подложку) в виде поликристаллических или аморфных слоев (пленок), выполняющих заданные функции пассивных элементов. Полученную ИС при необходимости помещают в корпус с внешними выводами. Активные элементы (диоды и транзисторы) навешивают на пленочную схему, в результате чего получают смешанную (пленочно-дискретную) ИС, которую называют гибридной .
• а — электрическая схема; б — профиль структуры; 1 — нижняя обкладка конденсатора; 2 — верхняя обкладка конденсатора; 3 — слой диэлектрика ; 4 — соединительная шина ; 5 — транзисторсконтактами ; 6 — резистор с контактами ; 7 — контактная площадка; 8 — диэлектрическая подложка

Профиль структуры гибридной ИС показан на рис.б.

Гибридная ИС (ГИС) — это гибкий, дешевый, оперативно проектируемый тип ИС, хорошо приспособленный к решению специальных частных задач.

Наиболее распространены на практике и перспективны полупроводниковые ИС, так как они позволяют создавать надежные и достаточно сложные в функциональном отношении электронные устройства малых размеров при незначительной их стоимости. Характерной особенностью полупроводниковой ИС является отсутствие среди ее элементов катушки индуктивности и тем более трансформатора.

3 (т.е. N 1000) - сверхбольшой ИС. " width="640"

Полупроводниковые ИС

• В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные и МДП .
• Основной элемент биполярных ИС —n—p—n-транзистор, а МДП ИС — МДП-транзистор с индуцированным каналом. Все остальные элементы схемы (диоды, резисторы и конденсаторы) изготовляют на базе основного элемента и одновременно с ним.
• Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции , т.е. числом элементов (чаще всего транзисторов), входящих в состав интегральной схемы. При количественной оценке степени интеграции используют условный коэффициент

К = lgN ,

• где N — число элементов, входящих в ИС.
• Если К ≤ 1 (т.е. N ≤ 10), то схему называют простой ИС;
• при 1 ≤ 2 — средней ИС; при 2 ≤ 3 — большой ИС;
• при К 3 (т.е. N 1000) - сверхбольшой ИС.

Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС

Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИС

Применение ИС вместо дискретных элементов в качестве элементной базы электронных устройств дает значительные преимущества по надежности, габаритным размерам, стоимости и другим показателям. Это связано с тем, что при использовании ИС отпадает необходимость в многочисленных паяных соединениях — основном источнике ненадежности, резко сокращаются габаритные размеры и масса электронных устройств (благодаря отсутствию корпусов и внешних выводов у каждого элемента ИС), существенно снижается их стоимость за счет исключения множества сборочных и монтажных операций.

Типовые схемотехнические решения усилительных каскадов в аналоговых ИМС

Типовые схемотехнические решения усилительных каскадов в аналоговых ИМС

• а - усилитель напряжения;
• б,в - повторители соответственно напряжения и тока;
• г - каскодная схема;
• д - схема Дарлингтона;
• е - дифференциальный усилитель;

• Схема а,б,в, относятся к элементным каскадам и их характеристики такие же, как и у каскадов на транзисторах
• Схема г , представляет собой составной транзистор, т.е. состоит из двух последовательно соединенных транзисторов. Этот каскад имеет коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления каждого из транзисторов:

β = β 1 ∙β 2

• Схема Дарлингтона ( д ) также представляет собой составной транзистор, ток коллектора которого равен сумме токов коллекторов отдельных транзисторов:

I к = I к1 +I к2 =β 1 I б1 +β 2 I б2 учитывая, что I б2 =I э1 =(β 1 +1)I б1 , получим: β=β 1 +β 2 +β 1 ∙β 2 ≈β 1 ∙β 2

• Схема е , дифференциальный усилитель используемый в схемах операционных усилителей, имеет два входа и два выхода. Сигнал на входы может подаваться тремя способами:

• противофазным , когда U вх1 =-U вх2 или разные сравниваемые сигналы с разными знаками;
• синфазным , когда U вх1 =U вх2 или разные сигналы;
• несимметричным однофазным , когда на второй вход подают нулевое напряжение;

Оптоэлектронные приборы

Лекция №7

Оптоэлектронные приборы

• Оптоэлектроника – раздел науки и техники, в котором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования оптических и электрических явлений.
• В современной технике находят широкое применение оптоэлектронные полупроводниковые приборы.
• Оптоэлектронный полупроводниковый прибор – это полупроводниковый прибор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, чувствительный к этому излучению в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой областях спектра или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его элементов.

Фоторезистор

• Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава внешнего излучения.

Конструктивно фоторезисторы выполняют в металлическом или пластмассовом корпусе с прозрачным окном, под которым расположен полупроводниковый материал.

Фоторезистор

• а - условное обозначение;
• б - вольтамперные характеристики;

Это зависимости тока в фоторезисторе от напряжения источника питания при постоянном потоке излучения . Эти характеристики практически линейны. При через фоторезистор протекает маленький темновой ток; при освещении ток возрастает за счёт увеличения фотопроводимости.

Р мах определяют нелинейный участок ЛАХ. " width="640"

Фоторезистор

• При отсутствии внешнего светового потока (Ф = 0) сопротивление фоторезистора велико и определяется собственной проводимостью полупроводникового материала. Ток, обусловленный собственной проводимостью, называется темновым ( I т). Под действием светового потока сопротивление фоторезистора уменьшается. В этом случае ток называется световым ( I св). Разность между световым и темновым токами составляет фототок ( I ф).
• Зависимость тока I ф в цепи фоторезистора от освещенности Е , характеризуемой мощностью светового потока Р , называется люксамперной характеристикой (ЛАХ). При очень слабой освещенности (мощностью от 1 до 50 нВт) ЛАХ нелинейна:

I ф = а 1 ∙ Р 1/2 + Iт,

где а 1 - коэффициент пропорциональности;

• При освещенности мощностью от 0,05 до 1000 мВт участок ЛАХ будет линейным:

I ф = а1 ∙ Р + Iт

• Значения мощности Р Р мах определяют нелинейный участок ЛАХ.

Спектральные характеристики фоторезисторов

• Спектральная характеристика S ф =f( λ), где λ – длина волны электромагнитного излучения.
• Эта характеристика обусловлена материалом и технологией изготовления фотослоя.

Фотодиод

• Фотодиод представляет собой полупроводниковый фотоэлектрический прибор, содержащий p-n-переход, и использующий явление внутреннего фотоэффекта. Фотодиоды имеют различную конструкцию, различное назначение и различные параметры.

Вольт-амперная характеристика фотодиода

• При Ф=0 вольтамперная характеристика фотодиода превращается в вольт-амперную характеристику обычного p-n-перехода, достаточно подробно изученную ранее. При наличии освещения ток нагрузки, как видно из рисунка, потечёт по внешней цепи от области p к области n, а внутри кристалла – от области n к области p, т. е. в направлении, которое для обыкновенного диода является обратным и откладывается вниз от нуля по оси ординат; напряжение на фотодиоде – (+) на области p, (–) на области n является прямым для обыкновенного диода и поэтому откладывается вправо от нуля на оси абсцисс. Фактически вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой вольт-амперную характеристику обычного p-n-перехода, смещённую вниз и вправо в зависимости от светового потока Ф.
• Точки пересечения характеристики с осями координат представляют собой напряжение холостого хода Uхх (или фотоЭДС) на оси абсцисс и ток короткого замыкания Iкз на оси ординат.
• Участок характеристики за точкой Uхх представляет собой режим, когда фотодиод работает с внешним источником ЭДС, включенным встречно по отношению к фотодиоду.
• Участок за точкой Iкз характеризует работу фотодиода с внешним источником ЭДС, включенным согласно по отношению к фотодиоду.

Схема фотодиодного включения

• В данном случае фотодиод работает с внешним источником U , который по отношению к затенённому фотодиоду включен в обратном, запирающем направлении, и следовательно, при отсутствии освещения ток в цепи практически отсутствует. При освещении фотодиода появляется фотоЭДС E ф , которая по отношению к источнику Е включена последовательно и согласно и в цепи нагрузки появляется ток, пропорциональный световому потоку Ф .
• Этот режим иллюстрируется отрезками вольтамперной характеристики фотодиода в третьем квадранте.

Пин- и лавинные фотодиоды

• Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью и высокой чувствительностью, составляют p-i-n-фотодиоды (пин-фотодиоды)

и лавинные .

Конструкция p-i-n фотодиода

Конструкция p-i-n фотодиода

• В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р+ (база) и n+ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около l /4) с показателем преломления

n = √n пп ,

согласующим разные среды – стекловолокно ( n ОВ »1,46 ) и полупроводник ( n ПП » 3,5 ). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.

Схема включения p-i-n фотодиода

Лавинный фотодиод (ЛФД)

10 5 В/см ). Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле. Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами. Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки). " width="640"

Лавинный фотодиод (ЛФД)

• В лавинном фотодиоде достигается усиление первичного фототока за счет управляемого лавинного умножения числа носителей заряда. Этому способствует конструкция ЛФД. Лавинное умножение возникает в слое умножения.
• Лавинное умножение достигается за счет увеличения напряжения Е см до величины, близкой к пробойному.
• При этом на p - n переходе устанавливается очень сильное электрическое поле ( Е 10 5 В/см ).
• Эта напряженность достигается в узкой области. Высокое быстродействие прибора будет достигнуто, если основная часть фотонов поглощается в слое, где существует сильное электрическое поле.
• Фотоны пролетают слой умножения и не успевают взаимодействовать с кристаллами.
• Носители зарядов образуются в слое поглощения и дрейфуют к соответствующим потенциалам. Двигаясь в сильном поле, носители приобретают большую кинетическую энергию и, отдавая часть ее другим носителям, освобождают новые носители (электроны и дырки).

Схема включения ЛФД

Фототранзистор

• Фототранзистор по структуре аналогичен структуре биполярного транзистора ( рис.а ) . Он обладает более высокой чувствительностью, чем фотодиод. Световой поток действует перпендикулярно плоскости эмиттерного ^-«-перехода, генерируя в базе пары носителей заряда. Неосновные для базы носители заряда притягиваются коллекторным переходом, увеличивая коллекторный ток. Однако этот ток является только частью тока коллектора, так как уход из базы неосновных носителей создает в ней нескомпенсированный объемный заряд основных носителей. Этот заряд снижает потенциальный барьер эмиттерного перехода. В результате происходит увеличение числа носителей заряда, инжектируемых эмиттером в область базы, а следовательно, и увеличение коллекторного тока. Таким образом, в фототранзисторе происходит усиление фототока, что и объясняет большую чувствительность его по сравнению с фотодиодом.

Фототранзистор

а — структура;

б — схема включения ;

в — семейство выходных характеристик

Фототранзистор

• Из рассмотренного принципа работы фототранзистора следует, что вывод базы является необязательным ( рис.б ). Вольтамперные характеристики фототранзистора, используемого без вывода базы, аналогичны характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Отличие состоит в том, что управляющим параметром является не ток базы, а световой поток Ф ( рис. в ).

Фототиристоры

• Вместо управляющего электрода сигнал управления в виде потока лучистой энергии подаётся в специальное окно в корпусе прибора, что приводит к тем же явлениям, как если бы был подан электрический сигнал управления на управляющий электрод. Все остальные характеристики такого тиристора аналогичны характеристикам обычного тиристора с электрическим управлением.

Вольт-амперная характеристика фототиристора

• Фототиристоры используются для коммутации световым сигналом электрических сигналов большой мощности. Сопротивление фототиристора изменяется от 10 8 Ом (в запертом состоянии) до 10 -1 Ом в открытом состоянии. Время переключения тиристоров лежит в пределах 10 -5 … 10 -6 с.

Оптрон

• Оптрон – это (оптопары) устройство, объединяющее в одном корпусе светодиод и приёмник фотоизлучения, например фотодиод.
• В оптоэлектронных устройствах практически полностью устранена гальваническая связь между входными и выходными цепями и практически полностью устранена обратная связь между входом и выходом. Комбинируя элементы, входящие в оптоэлектронные устройства, можно получать самые различные их функциональные свойства.

Структура фотодиодного оптрона (а) и схема его включения (б)

• Входной усиливаемый сигнал U вх поступает на светодиод и вызывает его свечение, которое по световому каналу поступает на фотодиод. Фотодиод открывается и в его цепи протекает ток под действием внешнего источника Е . Эффективную оптическую связь между элементами оптрона осуществляют с помощью средств волоконной оптики – световодов, выполненных в виде жгута из тонких прозрачных нитей, по которым сигнал передаётся за счёт полного внутреннего отражения с минимальными потерями и с высокой разрешающей способностью. Вместо фотодиода в составе оптрона может быть фототранзистор, фототиристор, фоторезистор.

Оптроны

Диодный оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой 10 6 … 10 7 Гц и имеет сопротивление между входной и выходной цепями – 10 13 … 10 15 Ом.

• а – транзисторный;
• б – тиристорный;
• в – фоторезисторный

Схемы гальванических развязок:

• а - реализуемая с помощью дифференциального оптрона;
• б - двухступенчатого транзисторного усилителя с оптоэлектронно связью;
• в - двух блоков через диодную оптопару;

Применение оптронов в логических схемах и измерительных устройствах:

• а – реализация связи гальванически независимых логических элементов с помощью оптоэлектронного переключателя;
• б – согласование элементов технологическими типами логических элементов (ТТЛ) и МДП с помощью транзисторной оптопары;
• в – подключение датчика к измерительному блоку через развязывающий оптрон или оптопару;

Использование оптронов для сопряжения линий связи с дисплеем:

• В этой схеме операционный усилитель обеспечивает требуемый уровень сигналов на входе дисплея.
• Аналогичную схему можно применить для соединения передающего пульта с линией связи.

• Современная связь развивается в направлении использования оптоволоконных линий передачи информации.
• В качестве передающих устройств в этом случае используют полупроводниковый лазер или светодиод, а в качестве приемника – фотодиод.

Особенностью таких систем передачи информации является необходимость использования ключевого транзисторного каскада (драйвера) в цепи лазерного диода, который играет двоякую роль: обеспечивает оптимальный токовый режим в состоянии ожидания импульсов и ограничивает предельный ток лазера в момент рабочего импульса.

Принципиальные схемы включения полупроводникового лазера (а) и светодиода (б) в передающих модулях оптоволоконных линий связи

Операционные усилители (ОУ)

• Первоначально операционные усилители применяли в аналоговой вычислительной технике для выполнения различных математических операций (суммирования, умножения, интегрирования и т.д.).
• Сейчас выпускается широкая номенклатура ОУ, предназначенных для усиления сигналов различных фотоприборов, включая фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

Четыре схемы ОУ:

• Схемы подключения фотодиодов и фототранзисторов к инвертирующемим (а,б) и дифференциальным (в,г) ОУ

• Входной ток очень мал (единицы пикоампер), особенно если его входные ступени выполнены на полевых транзисторах.
• Выходное сопротивление составляет доли Ома.
• Так как входы ОУ тока практически не потребляют, то в общем случае коэффициент усиления инвертирующего усилителя (рис.а)

K = Uвых / Uвх = -(R 2 / R 1 )

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

K = 1 + (R 2 / R 1 )

Светодиоды

• Светодиод, или светоизлучающий диод (СИД) – это полупроводниковый диод на основе p-n- или гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.

Конструкции светодиодов (а); структура (б) и

условное графическое обозначение светодиода (в)

• Принцип действия светодиодов основан на использовании явления излучательной рекомбинации. Когда через p-n-переход протекает прямой ток, то при этом происходит рекомбинация носителей, т. е. заполнение свободного энергетического уровня в валентной зоне электроном, находящимся в зоне проводимости, что, естественно, сопровождается выделением энергии. Чаще всего эта энергия выделяется в виде тепла, но можно подобрать такие полупроводниковые материалы, в которых явление рекомбинации будет сопровождаться излучением квантов лучистой энергии. Обычно это наблюдается в полупроводниках, представляющих собой двойные и тройные соединения.

Приборы отображения информации

Лекция №8

• Устройство воспроизводящее информацию на экранах электронных устройств, приборов, калькуляторов и табло в форме, оптимального для зрительного восприятия, называют приборами отображения информации или индикаторными устройствами (ИУ).
• В настоящее время применяют самые различные формы визуального отображения информации:

буквенная, цифровая, буквенно-цифровая, графическая, символическая.

• При этом используют самые разные индикаторные устройства, работающие на различных физических принципах, основные:

газоразрядные, электролюминесцентные, светодиодные и жидкокристаллические (ЖК) .

Газоразрядные индикаторы

• Газоразрядные индикаторы представляют собой приборы, в которых прохождение тока основано на тлеющем разряде в газе. Простейшие приборы этого типа – сигнальные индикаторы (неоновые лампы). Они имеют два металлических электрода, выполненных в виде дисков, стержней и т.д, помещенных в стеклянный баллон, обычно заполненный неоном. Напряжение возникновения разряда в промежутке анод – катод для разных типов ламп колеблется в пределах от 60 до 235 В, рабочий ток – от 0,15 до 30 мА.
• Если на внутреннюю поверхность баллона лампы нанести слой люминофора, то будет получен сигнальный люминесцентный индикатор. Свечение люминофора происходит благодаря воздействию на него ультрафиолетового излучения, возникающего за счет ионизации газа-наполнителя при разряде. Цвет свечения зависит от сочетания типа люминофора и газа-наполнителя. Такие лампы широко используются при оформлении уличной рекламы.

Электролюминесцентный индикатор

• Электролюминесцентный индикатор представляет собой плоский конденсатор, одной из обкладок которого является сплошной прозрачный электрод, а другой — электрически разделенные металлические площадки (мозаичный электрод).
• Между электродами размещается тонкопленочная структура из люминесцентного порошка, приготовленного на основе сульфида цинка (кристаллофосфоры типа ZnS) или селена, легированного специальными активаторами. При приложении к электродам индикатора переменного напряжения в слое люминесцентного порошка возникает световое излучение.
• Спектр света, испускаемого электролюминесцентным источником, лежит в видимой части излучения (4000-6000 А). В значительной степени спектр излучения определяется типом применяемого активатора. Так, добавка к люминофору меди вызывает голубое свечение (максимум излучения приходится на длину волны 4550 А), меди и алюминия — зеленое свечение (5100 А) и т. д.
• Спектральный состав ЭЛИ также зависит от приложенного напряжения и частоты, смещаясь с их ростом в более высокую область.

Электролюминесцентный индикатор

Светодиодные индикаторы

Схема подключения светодиодного индикатора к цифровой ТТЛ микросхеме

Жидкокристаллические индикаторы

• Индикаторные устройства на ЖК позволяют осуществлять:

Считывание показаний с индикатора в широком интервале яркостей;

Реализацию одноцветных и многоцветных индикаторов либо применением одноцветных стекляных пластин, либо с помощью установки перед индикатором фильтров, либо окрашиванием слоя ЖК;

Запись и длительное хранение информации;

Воспроизведение информации в полутонах;

Многоцветную индикацию;

Создание панелей, управляемых непосредственно логическими цепями;

Индикаторы на ЖК имеют низкую потребляемую мощность (порядка 0,1 мВт/см ²) и высокую разрешающую способность (до 400 линий на 1 мм).

Жидкокристаллические индикаторы

Свойства ЖК и устройство ЖК

• Жидкий кристалл иначе мезофаза (англ. liquid crystal) — разновидность жидкого состояния вещества, которое характеризуется определенным позиционным и/или ориентационным упорядочением молекул, и в котором сочетается присущая жидкости текучесть с анизотропией ряда свойств, характерной для кристаллов.
• Жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным (мезос — промежуточный), а само вещество — мезофазой.

• Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, предложенной Фриделем (Франция), различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические , а в последнее время выделяют также дискотические фазы .

Смектические жидкие кристаллы

• Смектические (от греч. смегма — мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла — анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Нематические жидкие кристаллы

• Нематические (от греч. нема — нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо осаждаются на стенки сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее, они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают «муаровую» текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы

• Холестерические жидкие кристаллы — это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают оригинальными оптическими свойствами. Обычный свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он приобретает яркую окраску.

Физические принципы работы ЖКИ

• Работа сегментов на отражение: Свет отражается от металлической пленки – электрода 2 , расположенного на стеклянной подложке 1 . затем он проходит слой жидких кристаллов 3 и проводящий прозрачный слой – электрод 4 , нанесенный на стеклянное окно 5 .

Физические принципы работы ЖКИ

• Работа сегментов на просвет: здесь дополнительно с двух сторон от слоя ЖК установлены плёнки-поляризаторы 6 с поляризационными осями, ориентированными под углом 90 °. Свет, подаваемый снизу (или, как в предыдущем случае, отраженные от металлической подложки) поляризуется первой плёнкой 6 и, пройдя через слой прозрачного электрода 4 и слой ЖК 3, гасится второй плёнкой 6, которая не пропускает свет ортогональной поляризации (так как её плоскость повёрнута на 90 °). Скрещенные поляризаторы пропускают свет, если между ними имеется тонкий слой ЖК, разворачивающий плоскость поляризации при подаче напряжения на электроды.

Физические принципы работы ЖКИ

• Мерой оптической анизотропии (двулучепреломление) служит разность показателей преломления двух ортогональных поляризационных компонентов:

Δn = n 1 – n 2

где n 1 и n 2 – показатели преломления световых волн, электрические векторы которых соответственно параллельны и перпендикулярны молекулярной ориентации.

Структура матричной индикаторной панели

1 – вертикальные плёночные электроды;

2 – горизонтальные плёночные электроды;

Y и X – разъёмы с контактными электродами для управления соответственно по вертикали и горизонтали;

Структурная схема устройства управления матричной индикаторной панелью

1 – источник данных; 2 – память БИС и МДП-структурах; 3 – генератор символов; 4 – сдвигающий регистр; 5 – схема управления Х-проводниками; 6 – матричная панель; 7 – схема управления Y-проводниками; 8 – управляющая схема; 9 – генератор адресных сигналов; 10 – задающий генератор; 11 – делитель частоты;

Электронные схемы управления ЖКИ

Электрическая схема возбуждения и гашения сегментов ЖКИ сигналами переменной частоты.

С коллектора снимается сигнал прямоуголной формы амплитудой 40 В, а к общему электроду постоянное напряжение +20 В. На ключ-формирования подается напряжение возбуждения с частотой f в = 30 … 50 Гц и напряжение гашения с частотой f г = 10 … 40 кГц в зависимости от уровня управляющего сигнала U упр , поступающего с выхода дешифратора.

Электрическая схема возбуждения и гашения сегментов ЖКИ фазовым методом.

На входы вентилей подаются импульсные напряжения с частотой 15 …25 Гц, сдвинутые по фазе на 180 ° относительно друг друга. В зависимости от уровня управляющего напряжения U упр с выхода дешифратора через ключ формирователь VT1 на сегменты подаются сигналы различной фазы. На общий электрод индикатора через другой ключ формирователь VT2 подается сигнал постоянной фазы. При совпадении фаз напряжения на электродах ЖКИ сегменты не возбуждаются, а при напряжении в противофазе происходит возбуждение сегментов.

Схема управления индикаторной панелью

Источники питания

Лекция №9

Источники питания подразделяются на первичные и вторичные :

• К первичным относятся источники, непосредственно вырабатывающие электрическую энергию: аккумуляторы, батареи, солнечные батареи, генераторы постоянного и переменного тока.
• Вторичные источники питания преобразуют энергию первичного источника в энергию питания конкретных электронных устройств, радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов и т.д.

Питание широко используемых электронных устройств и бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Источники вторичного электропитания классифицируют:

• по виду первичного источника — выпрямители и преобразователи или стабилизаторы тока;
• по значению выходной мощности — маломощные (Р вых до 10 Вт), средней мощности (Р вых до 100 Вт) и большой мощности (Р вых свыше 100 Вт).

Структурная схема управляемого выпрямительного устройства

Трансформатор ( TP ) преобразует значение u 1 (t) входного напряжения в требуемое значение u 2 (t); выпрямитель ( В ) выпрямляет это напряжение в U ; сглаживающий фильтр ( СФ ) сглаживает пульсации выпрямленного напряжения, что необходимо для повышения качества постоянного тока нагрузки ( Н ); система регулирования ( CP ) обеспечивает постоянство выходного напряжения U H .

1 . " width="640"

Основные параметры ИВЭ:

1. Номинальные значения выходного напряжения и тока нагрузки, а также пределы их изменения.

2. Точность стабилизации δ выходного параметра ε ст (по напряжению, току или частоте); определяется отношением абсолютной погрешности

Δε = ε ст - ε ном к номинальному значению, т. е.

δ = Δε/ ε ном = ( ε ст - ε ном )/ ε ном

3. Коэффициент пульсации напряжения (тока)

qk=U mk /U cp ,

где U mk — амплитуда наименьшей (k- й) гармоники; U cp — среднее значение напряжения.

4. Коэффициент сглаживания фильтра по напряжению (току)

S k = q к /(q к ) ф ,

где q k — коэффициент пульсации к- й гармоники напряжения (тока)

при отсутствии сглаживающего фильтра; (q к ) ф — коэффициент пульсации на выходе фильтра (фактическое значение).

Так как в общем случае (q к ) ф q к , то коэффициент сглаживания S k 1 .

Выпрямители, фильтры

Лекция №10

Выпрямители

• Выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые, однофазные и трёхфазные.
• Они могут иметь сглаживающие фильтры и устройства стабилизации выходного тока или напряжения.

Однофазные неуправляемые выпрямители:

• Рис.а – в этой схеме диод пропускает только положительный полупериод входного напряжения Uвх(t) и на выходе выпрямителя наблюдается пульсирующее напряжение Uвых(t) . Диаграмма напряжений полупериодного выпрямителя.
• Рис.б – в этой схеме диоды пропускают два полупериода напряжений, сдвинутых по фазе на 180 ° во вторичной обмотке трансформатора со средней точкой (по времени на половину периода). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке Uн(t) значительно снижаются. Диаграмма напряжений двухполупериодного выпрямителя.

Однофазные неуправляемые выпрямители:

• В настоящее время большое распространение получила мостовая схема двухполупериодного выпрямителя .
• Если на выходе двухполупериодного выпрямителя установить конденсатор большой ёмкости С ф , он будет играть роль простейшего сглаживающего фильтра-накопителя.
• Изменение напряжения на нагрузке Uн.ф.(t) при этом показано утолщенной сплошной линией.

Многофазные неуправляемые выпрямители:

• Во многих электротехнических устройствах используется трёхфазное переменное напряжение, для преобразования которого применяют трёхфазный выпрямитель с нулевым выводом от трёхфазного трансформатора .
• В таком выпрямителе каждый диод проводит ток только в положительный полупериод колебания напряжения своей фазы: А , В и С . Так как напряжение в фазах сдвинуто на 120 °, то выпрямленные токи накладываются и на выходе формируется положительное напряжение с малыми пульсациями.

Многофазные неуправляемые выпрямители:

Мостовая схема бестрансформаторного выпрямителя.

• В такой схеме не нужен нулевой вывод, так как положительный полупериод одной из фаз подключается здесь через обратно включённые диоды двух других фаз.
• Максимальное значение выпрямленного напряжения такого выпрямителя составляет:

√ 3U max ,

где 3U max – амплитуда линейного межфазового напряжения.

Управляемые выпрямители:

• Часто для работы электрических устройств требуется изменять напряжение или ток в зависимости от режима работы нагрузки. Для этого используют регуляторы тока или напряжения с управляющими устройствами в виде мощных транзисторов и тиристоров .
• Тиристорные схемы более эффективны, так как они обеспечивают одновременно управление и выпрямление на данном элементе.

Управляемые выпрямители:

Электрические схемы выпрямителей, управляемые тиристорами:

а – двухполупериодная;

б – с сглажиавающим фильтром;

в – используемая для зарядки аккумуляторов;

• В управляемых выпрямителях используют те же схемы, что и в неуправляемых, но диоды заменяют тиристорами (управляемые вентилями).
• Программа включения тиристоров задаётся системой управления (СУ).

Инверторы:

• Инверторы подразделяются на ведомые сетью и автономные .
• Первые служат для передачи энергии в сеть с переменным током заданной частоты, а последние - для питания автономных приёмников или сетей, и частота преобразования в них задаётся системой управления инвертором.

Инверторы ведомые сетью:

• Наводимая в первичной обмотке трансформатора ЭДС, зависящая от фазового сдвига α между напряжением в сети и поступившим импульсом на тиристор VS1 , определяется по формуле:

E = 2U max ∙cos(180° - α)/ π + R вт ∙I н

где 0 ; R вт – сопротивление вторичной цепи; I н - ток нагрузки;

Изменяя угол фазового сдвига α , можно менять ток I н нагрузки и, следовательно, мощность, отдаваемую в сеть P = E∙I н

Автономные инверторы:

Инвертор тока с сглаживающим фильтром большой индуктивности L ф :

• Предположим, что тиристор VS1 закрыт, тиристор VS2 открыт. Конденсатор С в цепи источника тока и вторичной обмотки трансформатора заряжен, как показано на рисунке знаками без скобок. Первый импульс от СУ открывает VS1 , и начинается разрядка конденсатора по контуру, отмеченному пунктиром. Ток разрядки обеспечивает наведение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, закрывающего тиристор VS2 . При закрытом VS2 конденсатор перезаряжается (на рисунке знаками зарядов в скобках) поддерживая VS1 в открытом состоянии. После перезарядки напряжение на VS1 снижается.
• Через половину периода из СУ поступит второй импульс, который откроет VS2 , и конденсатор начнёт перезаряжаться, поддерживая его в открытом состоянии. Ток перезарядки обеспечит наведение напряжения в вторичной обмотке трансформатора, закрывающего тиристор VS1 .
• Наличие индуктивности L ф в цепи приводит к стабилизации тока, потребляемого от источника.

Преобразователи напряжения:

• Преобразователями постоянного напряжения (конверторами) называют устройства, изменяющие постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня.

Т , а индуктивность с конденсатором образуют LС –фильтр, выходное напряжение преобразователя изменяется мало и можно приближённо считать напряжение нагрузки U н , как и ток в цепи нагрузки, постоянным. Регулирование напряжения на выходе преобразователя осуществляется изменением длительности τ и импульса, подаваемого на ключ S . Напряжение на выходе: U н = Е ∙τ и /Т . " width="640"

Преобразователи напряжения:

Схема преобразователей постоянного напряжения с последовательным включением электронных ключей:

• используется источник питания с напряжением ЭДС Е , электронный ключ S , диод VD , индуктивный элемент (дроссель) L и конденсатор большой ёмкости С . Ключ включается на время длительности импульса τ и с постоянной частотой f и периодом T . За это время конденсатор заряжается до напряжения U c = U н . После прекращения импульса конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R н . Так как С ∙ R н Т , а индуктивность с конденсатором образуют LС –фильтр, выходное напряжение преобразователя изменяется мало и можно приближённо считать напряжение нагрузки U н , как и ток в цепи нагрузки, постоянным. Регулирование напряжения на выходе преобразователя осуществляется изменением длительности τ и импульса, подаваемого на ключ S . Напряжение на выходе: U н = Е ∙τ и /Т .

Преобразователи напряжения:

Схема преобразователей постоянного напряжения с параллельным включением электронных ключей:

• За время τ и в дросселе L накапливается электромагнитная энергия. При отключении ключа конденсатор большой ёмкости С заряжается через диод VD напряжением индукции от дросселя L . В этом случае напряжение на выходе преобразователя определяется соотношение:

U н = Е/(1 - τ и /Т)

Схемы выпрямления с умножением напряжения:

Электрическая схема выпрямителя с удвоением выходного напряжения и соответствующими диаграммами

Схемы выпрямления с умножением напряжения:

• Электрическая схема выпрямителя с учетверением выходного напряжения

Сглаживающие фильтры на основе емкости и индуктивности:

• Сглаживающие фильтры служат для уменьшения пульсаций напряжения на нагрузке выпрямителя.
• Важной характеристикой является коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра, который определяется как отношение амплитуды первой гармоники U г выходного напряжения к усреднённой составляющей выходного напряжения U 0 :

К п = U г / U 0

Коэффициент сглаживания:

• Эффективность работы фильтра оценивают коэффициентом сглаживания:

К с.ф = К п.вых / К п.н

где К п.вых и К п.н – коэффициенты пульсации напряжения на выходе выпрямителя и нагрузке (т.е. на входе и выходе фильтра).

• Коэффициент сглаживания можно записать в следующем виде:

К с.ф = U г.вых / U г.н

где U г.вых и U г.н – амплитуды первой гармоники напряжения на выходе выпрямителя и нагрузке (т.е. на входе и выходе фильтра).

Емкостной фильтр:

• где I 1 и I 1н - амплитуды первой гармоники токов соответственно на входе и выходе фильтра.
• Соотношение токов в цепи в этом случае будет определяться распределением токов в ёмкости фильтра С ф и нагрузке на частоте первой гармоники ω :

• где j = √ -1 - обозначение мнимой части комплексного выражения для сопротивления.
• Подставляя получим:

К е.ф = j ω С ф R н + 1 отсюда

K ≈ ω С ф R н

C ф = К е.ф /( ω R н )

R н , получим: К и.ф ≈ ωL ф / R н Индуктивность катушки и дросселя определяют по формуле: L ф ≈ R н К и.ф / ω " width="640"

Индуктивный фильтр:

• Используем для анализа соотношение напряжений на входе и выходе фильтра:

U 1 =(j ωL ф + R н )I 1

U 1н = R н I 1

где I 1 – амплитуда тока первой гармоники в цепи индуктивности и нагрузке.

По формуле К с.ф = К п.вых / К п.н получим коэффициент сглаживания индуктивного фильтра в виде:

К и.ф = U 1 /U 1н = (j ωL ф + R н ) / R н = j ωL ф / R н + 1

Так как ωL ф R н , получим:

К и.ф ≈ ωL ф / R н

Индуктивность катушки и дросселя определяют по формуле:

L ф ≈ R н К и.ф / ω

Г-образный индуктивный фильтр с ёмкостью (LC-фильтра)

• Этот фильтр можно представить в виде последовательного соединения двух фильтров: индуктивного и емкостного .
• Удачное сочетание характеристик этих двух фильтров обеспечивают Г-образному фильтру большой коэффициент сглаживания:

К Г.ф = К и.ф ∙ К е.ф

• где К и.ф и К е.ф – коэффициенты сглаживания индуктивного и емкостного фильтров.
• Подставляя в эту формулу выражения K ≈ ω С ф R н и К и.ф ≈ ωL ф / R н , получим:

К Г.ф = ω²L ф С ф

• Из этой формулы найдем выражение для параметров сглаживающей цепи:

L ф С ф = К Г.ф / ω²

Г-образный RC-фильтр:

• Г-образные RC-фильтры имеют меньшие габаритные размеры, массу и стоимость. Однако при больших токах такой фильтр имеет большие потери.
• Коэффициент сглаживания RC-фильтра определяется выражением:

К RCф = ω² C ф R ф R н /(R ф + R н )

• Схема RC-фильтра с операционным усилителем (рис.а) . Такой фильтр эффективен при сглаживании низких частот.
• Схема П-образного фильтра (рис.б) . Коэффициент сглаживания такого фильтра можно определить как произведение коэффициентов сглаживания емкостного и Г-образного LC-фильтра :

К П.ф = К П.ф К Г.ф ≈ ω² C ф R н ∙ω²L ф C ф = ω³L ф C ² ф R н

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ:

• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ):
• На рис. 1 приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ .
• Рассмотрим данную схему подробнее. Входным каскадом для нее является регулирующий транзистор (РТ ). Ему на вход подается постоянное нестабилизированное напряжение, которое он периодически с заданной частотой подключает к входу фильтра (Ф) . В принципе работу РТ можно рассматривать как работу электронного ключа (открыл – закрыл). Но для того, чтобы регулирующий транзистор выполнял эти функции, ему нужно управление. Этим занимается ШИМ, на котором и формируются управляющие импульсы для (РТ), длительность которых зависит от сигнала, поступающего от усилителя (У). Из всего сказанного выше, можно понять, что регулирующий транзистор периодически подключает источник питания к входу фильтра (Ф) , напряжение на котором имеет форму однополярных прямоугольных импульсов, а на выходе фильтра выделяется постоянная составляющая напряжения, которая будет являться и выходным напряжением стабилизатора.
• Далее, напряжение, снятое с выхода фильтра сравнивается с опорным ( происходит вычитание напряжений), и сигнал разности поступает на вход усилителя (У) , где он усиливается в к-раз и поступает на вход ШИМ .
• Теперь, если происходит изменение выходного сигнала, изменяется разностный сигнал между выходным и опорным напряжением, и далее по каскадам приводит к изменению длительности управляющих импульсов на (РТ). Вследствие чего изменяется длительность импульсов на входе фильтра (Ф), поэтому среднее значение выходного напряжения возвращается к своему первоначальному значению.

Uвых . В схеме (рис.3), наоборот, входное напряжение меньше выходного UвыхUвх. И третья схема (рис.4) является комбинированной полярно-инвертируемой, т. е. на выходе будет напряжение противоположной полярности входного напряжения. А по величине может быть больше или меньше значения входного напряжения, в зависимости от скважности управляющих импульсов. " width="640"

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ:

• Импульсный стабилизатор постоянного напряжения может быть выполнен в трех вариантах, а именно его силовая часть (РТ) и (Ф) как показано на рис.2,3,4. Здесь цепи (ШИМ), (У) и цепь опорного напряжения объединены в один блок управления, так как схемы построения для трех вариантов индетичны.
• В импульсном стабилизаторе по схеме (рис.2) входное напряжение больше выходного UвхUвых .
• В схеме (рис.3), наоборот, входное напряжение меньше выходного UвыхUвх.
• И третья схема (рис.4) является комбинированной полярно-инвертируемой, т. е. на выходе будет напряжение противоположной полярности входного напряжения. А по величине может быть больше или меньше значения входного напряжения, в зависимости от скважности управляющих импульсов.

ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ:

• На рис.5 показана схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа.
• Данная схема реализована на основе специализированной микросхеме К142ЕП1 , работающая как в релейном режиме, так и с ШИМ.

Устройства защиты от перегрузок

Лекция №11

Электрическая схема устройства защиты (УЗ) от перегрузок по току с автоматическим восстановлением рабочего состояния источника питания:

• Эти схемы состоят из следующих элементов:

Датчик контролируемой величины (тока, напряжения или температуры);

Пороговое устройство (ПУ) или схему сравнения;

Исполнительное устройство (ИУ);

• Работа УЗ:

Напряжение с вторичной обмотки трансформатора тока ТА , используемого в качестве преобразователя тока, выпрямляется диодом VD1 и сглаживается фильтром R1 , С1 . Переменный резистор R1 используется для регулировки порога срабатывания.

При повышенном токе нагрузки после срабатывания элемента DD1.1 запускается ждущий мультивибратор на основе логических элементов DD1.2 и DD1.3 (одновибратор), который формирует отрицательное выходное напряжение, отключающее (или запирающее) цепь питания нагрузки. Через некоторое время, определяемое временем разряда конденсатора С2 через резистор R3 , одновибратор переключается в исходное (ждущее) состояние с формированием на выходе скачка положительного напряжения.

Типы усилителей и их особенности

Лекция №12

Структурная схема усилителя

Усилитель предназначен для усиления мощности электрического сигнала, что достигается за счет энергии источников питания. Активными элементами, с помощью которых осуществляется управление энергией источников питания, чаще всего являются транзисторы.

К входной цепи усилителя подключают источник Ес усиливаемого сигнала, а к выходной — нагрузочное устройство с сопротивлением Z H .

Действие усилителя заключается в обеспечении условий, при которых маломощный сигнал u 1 (t) управляет изменениями существенно большего выходного напряжения u 2 (t), обусловленного наличием в выходной цепи более мощного источника питания Е п .

Классификация усилителей:

1. По виду усиливаемого сигнала .

Различают усилители гармонических и импульсных сигналов.

2. По типу усиливаемой величины . Различают усилители напряжения, тока и мощности. Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от преобразователя электрического сигнала. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе всегда остается неизменной по отношению к входной мощности трансформатора. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер, выражая лишь основное целевое назначение усилителя.

3. По диапазону усиливаемых частот . Различают усилители постоянного тока, для которых характерно изменение усиливаемого сигнала с частотой, близкой или равной нулю, и усилители переменного тока, которые, в свою очередь, подразделяются на усилители низкой (звуковой) ( f 300 МГц).

Классификация усилителей:

4. По виду соединительных цепей (межкаскадных соединений) управляемых нелинейных элементов. Усиление, которое может быть обеспечено с помощью реального транзистора, является, как правило, недостаточным для обеспечения работы исполнительного устройства. Поэтому для получения требуемых параметров выходного сигнала используют каскадное соединение нескольких транзисторов с помощью соединительных цепей. В этом случае различают: усилители с гальванической (непосредственной) связью, предусматривающей передачу сигнала как переменного, так и постоянного тока с выхода одного каскада на вход последующего; усилители с RС-связями, когда между выходом предыдущего и входом последующего транзисторов включают резистивно-емкостную цепь, исключающую передачу сигналов постоянного тока; усилители с трансформаторной связью.

5. По виду нагрузки . Различают усилители с активной, активно-индукгивной и емкостной нагрузкой. На практике встречаются также резонансные усилители, нагрузка которых обладает свойствами резонансного контура.

Основные характеристики усилителя

Коэффициент усиления — это отношение установившихся значений выходного и входного сигналов усилителя.

В зависимости от типа усиливаемой величины различают коэффициенты усиления:

по напряжению K U = Δ U 2 / Δ U 1 ;

по току K I = ΔI 2 / ΔI 1 ;

по мощности

К Р = K U ∙ K I = Δ Р2/ Δ Р1 = ( Δ U 2 ∙Δ I 2 )/( Δ U 1 ∙ΔI 1 ).

При каскадном соединении нескольких усилителей произведение их коэффициентов усиления определяет общий коэффициент усиления системы, т.е.

K = K 1 ∙ K 2 … Kn

Транзисторный усилительный каскад переменного напряжения

Лекция №13

Транзисторный RC–усилительный каскад переменного напряжения с резисторами в коллекторной и эмиттерной цепях:

;

• R б1 и R б2 - резисторы, которые образуют делители напряжения питания.
• Прежде чем подать на вход схемы переменное входное напряжение, необходимо обеспечить определённый режим работы транзистора по постоянному току. Эмиттерный p-n – переход смещен в прямом направлении (U б-э = 0,1/1 В), а коллекторный – в обратном (U к-э = 10/12 В). Напряжение от Ек , падающее на R д2 создает U б-э , определяющее рабочую точку А.
• Обычно I д ≈ (2/5)I б . В этом случае при изменении I б напряжение смещения на базе остается постоянным, что обеспечивает активный режим транзистора.
• Сопротивление делителя:
• R к - резистор нагрузки, обеспечивающий режим работы транзистора. На R х выделяется мощность усиливаемого сигнала.
• С1 и С2 - разделительные конденсаторы. не дает возможности постоянному току протекать через источник входного сигнала. С2 пропускает постоянную составляющую тока в следующий усилительный каскад.
• Rэ,Сэ - цепочка предназначена для термостабилизации режима работы усилительного каскада.

Графики, поясняющие усиление переменного тока в транзисторном каскаде:

• Согласно формуле:

К = - R к ∙ΔI к /ΔU б-э = -R к S = -βR к /R б-э

коэффициент усиления каскада:

К = -R к S .

Сопротивления R к и R н для переменного сигнала являются параллельными и соизмеримыми, т.е. R к ~ R н .

Выходное сопротивление схемы:

R вых = R к экв = R к R н /(R к + R н )

Коэффициент усиления с учетом нагрузки:

К н = -R вых S = -SR к R н /(R к + R н )

При R к = R н получим К н = -SR к /2 , т.е. коэффициент усиления каскада уменьшится в два раза по сравнению со схемой без нагрузки.

Эквивалентная схема транзисторного RC – усилителя с нагрузкой:

Усилители в интегральном исполнении, резонансные усилители

Лекция №14

Усилители в интегральном исполнении:

• В этих схемах не используются катушки индуктивности и конденсаторы большой ёмкости из-за нехватки площади на подложке кристалла.
• Цепь генератора тока на основе корректирующих сопротивления R кор , емкости С кор и транзисторов VT1 , VT2 имеет небольшую емкость, около 15 пФ, которая легко реализуется в интегральной схеме. В генераторах тока применяются также двух- и трёхсоставные транзисторы, в которых входная емкость меньше 15 пФ.

Усилители в интегральном исполнении:

Схема ВЧ коррекции с индуктивностью за счет транзистора:

• В эту схема включает в себя транзисторный каскад с общей базой, входное сопротивление которого имеет индуктивную составляющую.
• Конденсаторы блокировки С бл , фильтры С ф , разделительный С р и эмиттерный С э , в этой схеме навесные (внешние).

Резонансные усилители:

• Резонансными называют усилители, в которых в качестве сопротивления нагрузки транзистора, электронной лампы или операционного усилителя используется последовательный или параллельный колебательный LC–контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемых колебаний.

Резонансные усилители:

Электрическая схема одноконтурного транзисторного резонансного усилителя:

Коэффициент включения определяют по формулам:

m 1 = ω 1 /ω 0 ; m 2 = ω 2 /ω 0 ,

где ω 2 – число витков до отвода к коллектору транзистора ; ω 0 - общее число витков в катушке контура; ω 1 - число витков до отвода к нагрузке.

• Для резонансного контура важны следующие величины:

Резонансная частота: ω 0 = 1/ √L к C к.экв

Характерное или волновое сопротивление:

Относительная расстройка:

Где ω – текущая частота;

собственная добротность Q к ;

эквивалентное затухание контура d эк = 1/Q экв .

На резонансной частоте контура

ω = ω 0 ; α = 0; Z экв = R экв .

АЧХ и ФЧХ резонансного усилителя:

• АЧС имеет колоколообразную форму с максимумом К о на резонансной частоте ω 0 , а ФЧХ изменяется от π /2 до - π /2.
• Полоса пропускания контура определяется по формуле:

Усилители постоянного тока (УПТ) с одним источником питания:

лекция №15

Усилители постоянного тока (УПТ):

• Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов с частотой ω≥0 , т.е. название “усилители постоянного тока” подчеркивает тот факт, что эти усилители способны усиливать сигналы с очень низкой частотой, вплоть до нулевой. В связи с этим в качестве элементов связи между каскадами УПТ, а также между усилителем и нагрузкой и источником входного сигнала не могут использоваться конденсаторы или трансформаторы. Поэтому, если не касаться специальных типов УПТ с преобразованием частот, единственным видом межкаскадной связи в УПТ является непосредственная (гальваническая) связь.

R э2 R э3 . " width="640"

Электрическая схема усилителя постоянного тока на трёх транзисторах с резистивной связью:

в схеме резисторы эмиттерных цепей всех транзисторов подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие: R э1 R э2 R э3 .

АЧХ усилителя постоянного тока:

• Искажения сигнала на низких и средних частотах усилителя с прямыми резистивными связями практически отсутствуют.
• Верхняя частота АЧХ (частота среза), определяемая паразитными емкостями электрических цепей и переходов база-эмиттер, в зависимости от типа транзисторов может достигать 1 МГц.

Электрическая схема дифференциального каскада УПТ:

Интегральные микросхемы операционных усилителей (ИМС ОУ)

Лекция №16

• Операционный усилитель - это дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим (до 108 раз) коэффициентом усиления и несимметричным или симметричным выходом.
• Интегральная схема операционного усилителя (ИМС ОУ) – это высококачественный универсальный усилитель напряжения, предназначенный для решения разнообразных задач: усиления, преобразования, обработки, детектирования, формирования сигналов, фильтрации и т.д.
• ИМС ОУ – это усилитель, обеспечивающий качественное усиление по постоянному току, поэтому его часто называют усилителем постоянного тока с дифференциальным входом и однофазным выходом.

Типовая схема включения операционного усилителя:

• ОУ в интегральном исполнении чаще всего строятся по схеме УПТ – усилитель постоянного тока с непосредственной связью и дифференциальным входом. Пять клемм (выводы) составляют минимальное число выводов, необходимых для функционирования ОУ.
• Здесь Uвх.1 – инвертирующий вход, Uвх.2 – неинвертирующий вход.
• Инвертирующий вход отмечен знаком (-), а неинвертирующий – знаком (+)

• На входы ОУ можно подавать сигналы от одного источника с незаземлённым выходом или от двух разных источников, имеющих одну общую точку. В любом случае входным напряжением является разность входных сигналов:

Uвх = Uвх1 - Uвх2

• Коэффициент усиления ОУ определяется как

КА = Uвых / (Uвх1 - Uвх2) = Uвых / Uвх

• В идеальном случае К А = ∞ , в реальных схемах К А достигает 100дБ и более.
• Напряжение Uвх ОУ может быть небольшим (единицы мВ), в то же время как напряжение на каждом из входов (по отношению к общему проводу) может достигать нескольких вольт. Если амплитуды и фазы напряжений Uвх1 и Uвх2 на входах ОУ (также по отношению к общему проводу) совпадают, их называют синфазными входными напряжениями ( Uсф.вх .).
• В общем случае Uсф.вх. определяется как

Uсф.вх. = 0,5*(Uвх1+ Uвх2)

• Показателем качества, с помощью которого можно сравнить различные ОУ, служит коэффициент подавления синфазной составляющей (ещё его называют коэффициентом ослабления синфазного сигнала)

Кос.сф = К А / К С ,

• где К С – коэффициент усиления синфазного сигнала.
• Кос.сф уменьшается с увеличением амплитуды Uсф.вх .

Операционный усилитель 140УД1 и его УГО:

Электрическая схема интегральной микросхемы четырёхкаскадного ОУ 140УД1:

• I - входной дифференциальный усилитель;
• II - промежуточный усилитель напряжения;
• III - цепь сдвига уровня постоянного напряжения;
• IV - выходной усилитель мощности;

• Синфазный сигнал соответствует среднему значению напряжений двух одинаковых по знаку сигналов, приложенных к обоим входным выводам:

U сф = (U - +U + )/2

• Дифференциальный (разностный) сигнал соответствует разности напряжений двух сигналов одинаковых по знаку:

U диф = (U + -U - )

Серийные ОУ:

• Интегральная микросхема ОУ 153УД6

Серийные ОУ:

• Интегральная микросхема ОУ 544УД1

Усилительные каскады с ИМС ОУ:

Лекция №17

Инвертирующий усилитель:

• Входной сигнал через резистор R1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор RОС. Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.
• В соответствии с выражением U в -U А ≈0 т.е. U в ~ U А .

UA = UB = 0

• Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – «земли». Поэтому эта точка получила наименование «виртуальной земли».
• Используя полученное значение, находим для токов:

Приравнивая их и учитывая, что К = Uвых / Uвх,, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 180 ° (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной.

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя:

• Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.
• Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:

f е = F 1 /K и.ус

Неинвертирующий усилитель:

Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ через делитель R2 , R3 . Напряжение на прямом входе

где К дел – коэффициент деления делителя R2, R3.

Инвертирующий вход ОУ заземлен через резистор R1. Напряжение на инвертирующем входе

При отсутствии входного делителя коэффициент усиления всегда больше единицы.

Приравнивая эти напряжения, получаем

В неинвертирующем усилителе выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя может быть меньше 1 только при использовании делителя с К дел .

Повторители на основе ОУ:

• Иногда при построении различных электронных схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) единичные коэффициенты усиления (повторители).
• Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель при К дел = 1 можно реализовать 3-мя способами:

Сумматоры на основе ОУ:

• Сумматором называется электронное устройство, имеющее несколько входов и один выход, напряжение на котором пропорционально сумме напряжений всех входов. Такие устройства применяются, когда необходимо объединить в одном канале сигналы различных источников.
• Схема сумматора на основе ОУ приведена на рисунке ниже. Она имеет два входа, однако можно использовать и большее их число, подключая их через резисторы к точке виртуальной земли А.

Для определения зависимости выходного напряжения от входных воспользуемся принципом суперпозиции:

• I ос = I вх1 + I вх2

Откуда видно, что входные сигналы складываются со своими весовыми коэффициентами, – каждый из входных сигналов дополнительно умножается на некоторый коэффициент, определяющий его вклад в общий выходной сигнал. Весовой коэффициент задается отношением сопротивлением резистора в цепи ОС к сопротивлению резистора в соответствующей входной цепи. Суммирование осуществляется с изменением знака (инверсия входных сигналов). Если выполнить соотношение R ОС = R1 = R2, то можно осуществить чистое суммирование двух входных сигналов. Если выполняется только соотношение R1 = R2, то с помощью R ОС можно дополнительно масштабировать полученную сумму.

Устойчивость и коррекция ОУ:

• Схема коррекции АЧХ и ФЧХ операционного усилителя.
• Схема инвертирующего ОУ с конденсатором частотной коррекции С , элементами цепи коррекции нуля R3 , R4 , источником опорного напряжения ± Uоп , за счёт которых устанавливается Uвых=0 в отсутствии входного сигнала.

Усилители мощности

Лекция №18

Усилители мощности (УМ):

• Усилители мощности (УМ) предназначены для передачи больших мощностей сигнала без искажений в низкоомную нагрузку. Обычно они являются выходными каскадами многокаскадных усилителей.
• Основной задачей УМ является выделение в нагрузке возможно большей мощности сигнала, усиление напряжения в нем является второстепенным фактором.
• УМ классифицируются по:

способу усиления — на однотактные и двухтактные;

способу согласования — на трансформаторные и бестрансформаторные;

классу усиления — на классы A, B, AB, C, D.

Режим класса А:

• При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии, следовательно, угол отсечки (половина времени за период, в течение которого транзистор открыт) φост=180°. Потребление мощности источника питания происходит в любой момент, поэтому каскады, работающие в режиме класса А , характеризуются невысоким КПД (в идеале — 50%, реально — (35…45)%).
• Режим усиления класса А в УМ применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные нелинейные искажения (НИ), а мощность и КПД не имеют решающего значения.

Режим класса А:

Режим класса В:

• Более мощные варианты выходных каскадов работают в режиме класса В , характеризующегося φост=90°.
• В режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания, а открывается только в течение половины периода входного сигнала.
• Относительно небольшая потребляемая мощность позволяет получить в УМ класса B значение КПД до 70%.
• Режим класса В обычно применяется в двухтактных УМ. Основной недостаток УМ класса B — большой уровень нелинейного искажения (НИ) (K Г ≤10%).

Режим класса АВ:

• Режим класса АВ занимает промежуточное значение между режимами класса А и В и применяется в двухтактных УМ.
• В режиме покоя через транзистор протекает небольшой ток покоя I к0 , выводящий основную часть рабочей полуволны входного гармонического сигнала на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью.
• Угол отсечки в режиме класса АВ достигает (120…130)°, КПД и НИ — средние между значениями для режимов классов А и В.

Режим класса С:

• В режиме класса C транзистор заперт смещением Uсм , φост=90°, поэтому УМ класса С более экономичны, чем УМ класса В.
• Однако в режиме класса С велики НИ, поэтому класс С применяется, в основном, в генераторах и резонансных усилителях, где высшие гармонические составляющие отфильтровываются резонансным контуром в цепи нагрузки.

• В мощных усилителях — преобразователях находит применение режим класса D или ключевой режим работы усилительных элементов. Данный режим, в сочетании с широтно-импульсной модуляцией, позволяет мощные экономичные УМ, в т.ч. и для систем звуковой трансляции.
• Таким образом, активный элемент в УМ может работать как без отсечки тока (класс А), так и с отсечкой (классы АВ, В, С, D). Класс усиления задается положением рабочей точки в режиме покоя.

Однотактные УМ:

• В качестве однотактных бестрансформаторных УМ могут быть применены уже рассмотренные каскады с ОЭ (ОИ) и ОК (ОС), выполненные на мощных БТ или ПТ, причем эмиттерный (истоковый) повторитель эффективен при низкоомной (порядка единиц Ом) нагрузке.
• Основной недостаток таких каскадов — в режиме согласования с нагрузкой КПД≤25%.
• Однотактные трансформаторные УМ имеют КПД≤50% за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора

Однотактные УМ:

• Сопротивление нагрузки по переменному току равно:

Rн≈ ≈ Rн·n²,

• где n — коэффициент трансформации, n=U1/U2 .
• Данный каскад находит ограниченное применение в современной схемотехнике УМ из-за ряда существенных недостатков:
• малого КПД;
• больших частотных искажений за счет трансформатора;
• больших НИ за счет тока подмагничивания трансформатора;
• невозможности реализации в виде ИМС.

Двухтактные УМ:

• Двухтактные УМ ввиду возможности использования режимов АВ, В, С и D характеризуются лучшими энергетическими показателями. На рисунке 4.5 приведена схема двухтактного УМ с трансформаторной связью.
• При работе данного УМ в режиме класса В, цепь резистора Rб2 отсутствует. Трансформатор Tp1 осуществляет согласование входа УМ с источником сигнала, трансформатор Tp2 согласует выходное сопротивление УМ с сопротивлением нагрузки. Трансформатор Tp1 выполняет еще и функции фазоинвертора.
• Усиление сигнала в рассматриваемом УМ происходит в два такта работы устройства. Первый такт сопровождается усилением положительной полуволны гармонического сигнала с помощью транзистора VT2, второй — усилением отрицательной полуволны гармонического сигнала с помощью VT1.

Двухтактные УМ:

• Отсутствие тока покоя в УМ класса В приводит к появлению значительных НИ. Вследствие нелинейности входных ВАХ, выходной сигнал в двухтактном УМ класса В имеет переходные искажения типа "ступеньки".
• Уменьшение НИ возможно путем перехода к режиму класса АВ. Т.к. токи покоя в режиме класса АВ малы, то они практически не влияют на энергетические показатели УМ.

Электрические схемы однотактных предоконечных усилительных каскадов на полевых транзисторах (а) и биполярном транзисторе с выходным трансформатором (б)

Электрические схемы двухтактных выходных усилительных каскадов с параллельным управлением однофазным входным напряжением посредством трёхобмоточного трансформатора (а) и двухобмоточного трансформатора и конденсаторной связи (б)

Генераторы низкочастотных гармонических колебаний и RC-генераторы

Лекция №19

Автогенератор:

• Автогенератор — это устройство, предназначенное для генерации периодических сигналов заданной формы и частоты, возникающих в результате самовозбуждения. Принцип его работы основан на преобразовании энергии постоянного тока источника питания в колебания переменного тока.
• Различают два класса автогенераторов: гармонических сигналов (напряжения и тока) и релаксационные , предназначенные для формирования импульсных сигналов различной формы.
• Основное требование к автогенераторам — обеспечение стабильности выходных сигналов по форме и частоте.

Структурная схема автогенератора:

Автогенератор:

• а — условные обозначения исходных четырехполюсников;
• б — схема реализации П О С ;
• в — условная схема усилительного устройства с сумматором;

• Пусть имеются два четырехполюсника (рис. а):
• первый — с комплексным коэффициентом усиления Ки, действующим в прямом направлении ( показано зачерненной стрелкой ), т.е.

K U = U2/U1 = K U e j φ k

где K U = U2/U1 — модуль коэффициента возбуждения; φ к = ψ2 – ψ1 — сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями усилителя;

• второй — с комплексным коэффициентом передачи В U , действующим в обратном направлении, т.е.

В U = U 1 /U 2 = В U e j φ k

где В U = U 1 /U 2 — модуль коэффициента передачи;

φ В = ψ2 – ψ1 - сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями четырехполюсника В U .

• Соединив оба четырехполюсника, образуем усилительное устройство (рис.б) со встроенным каналом обратной связи. При этом обеспечим суммирование выходного сигнала четырехполюсника В U с входным сигналом K U , т.е. реализацию ПОС. В этом случае для результирующего сигнала на входе усилительного устройства

(U 1 )р = (U 1 )ос + U 1 ,

где (U 1 )ос — входной сигнал усилительного устройства с ПОС;

U 1 = В U U 2 — сигнал обратной связи.

Автогенераторы:

• Автогенераторы гармонических колебаний широко используют в измерительной технике.
• Различают следующие основные типы автогенераторов: низкочастотные (до 100 кГц), высокочастотные (от 100 кГц до 10 МГц), ультравысокочастотные (свыше 10 МГц).
• Основными функциональными элементами автогенератора являются: активный элемент, а именно усилитель для обеспечения баланса амплитуд; фазосдвигающая цепь, обеспечивающая баланс фаз.

Резистивно-емкостная связь:

• Для реализации резистивно-емкостной связи RС-контур (Г-образную ячейку) питают переменным током (рис.а), получая ненулевой сдвиг фаз между напряжением U R и входным сигналом U 1 . Полагая U R = U 1 и выбирая значение х с = 1/ ω C = √ 3R , получим сдвиг фаз (рис.б) | φ | = arctg x с / R = arctg √ 3 = π /3 .
• Поэтому для обеспечения требуемого значения φ = π используют комбинацию трех Г-образных ячеек (рис.в).

• а - структурная схема автогенератора на биениях;
• б - электрическая схема RC-генератора на транзисторе с фазодвигающими цепями;

Электрическая схема RC-генератора с мостом Вина:

Логические элементы и логические устройства

Лекция №20

Булева алгебра (БА) –

раздел математической логики.

Булева функция (БФ) и ее

аргументы принимают два значения

( 0 или 1 ).

В БА нет линейных коэффициентов, деления, корня, логарифма и т.д.,

используется двоичная арифметика.

При проведении измерений и передаче информации часто используют импульсы прямоугольной формы, в связи с тем, что:

-многие производственные процессы имеют импульсный характер;

-передача информации импульсами, разделёнными паузами, снижает затрачиваемую мощность;

-позволяет разгрузить каналы связи, так как многие процессы изменяются медленно, и нет необходимости непрерывно передавать информацию о них;

-повышается помехозащищённость каналов связи.

Примечание:

БА лежит в основе работы цифровых устройств ( ЦУ ).

Достоинства ЦУ - высокая точность, помехозащищенность

при передаче, хранении и обработке информации.

С помощью БА выполняются логические и математические

операции (автоматика, компьютеры

и т.д.).

В основе ЦУ – ключ, который закрыт или открыт (1, 0), он просто реализуется на p-n переходе.

Представление БФ:

словесное, графическое, табличное, алгебраическое, схемное.

Реализация:

положительная логика :

0 -низкий уровень сигнала, 1 -высокий;

отрицательная логика – наоборот.

Пример:

логический 0 : 0 - 0,4 В;

логическая 1 : 2,4 - 5 В.

Различные сочетания значений аргументов БФ называются наборами.

Функция F ( n ) определена

на 2 n наборах.

Для n аргументов существует 2 2 n различных БФ.

Это следует из приведенных выше таблиц истинности.

БФ одной переменной

Таблица истинности (ТИ) Таблица 1.1

№

0

1

0

1

2

0

0

0

Обозначение

3

0

Название

1

1

0

Константа ноль

1

Повторение

1

Отрицание (инверсия)

1

Константа единица

Это таблица истинности – способ задания функции.

Два набора переменной Х: 0 и 1 . Четыре функции.

Основные БФ:

1. Повторение ( F 2 ):

Обозначение:

Буфер усиливает мощность сигнала для согласования с низкоомной нагрузкой. Также для доступа к шинам в устройствах с шинно-модульной организацией (компьютер).

2. Отрицание, инверсия, «НЕ» ( F 3 ):

Если аргумент равен 0 , то функция

равна 1 , и наоборот.

Обозначение:

Временные диаграммы «НЕ»

Нормально замкнутый контакт К1, размыкается при нажатии кнопки или включении реле.

Реализация на контактах реле (релейная защита и автоматика).

Реализация «НЕ»

БФ двух переменных ( x, y ).

Таблица истинности

x

y

0

F 0

0

0

F 1

1

1

0

F 2

1

0

0

1

F 3

0

0

1

0

F 4

0

0

1

1

F 5

1

0

0

0

F 6

0

1

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

0

Красным выделены основные функции.

Таких функций 16.

Продолжение таблица истинности

x

0

y

0

F 7

0

F 8

1

1

1

0

0

1

1

F 9

1

0

1

F 10

1

0

0

0

F 11

0

1

0

1

F 12

1

0

1

1

0

F 13

1

1

0

F 14

0

1

0

1

0

F 15

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Красным выделены основные функции.

Основные БФ:

3. Конъюнкция (операция «И»,

логическое умножение) :

«И» равна нулю , если равен нулю хотя бы один аргумент ( F 8 ):

F = x /\ y или F = x y

(« • », « & »)

Обозначение (2И):

Функция «И» равна 1, если единице равны все аргументы. Количество аргументов не ограничено. Аргументы могут обозначаться любыми символами.

Примечание:

Положительная логика.

Временные диаграммы «2И»

Реализация на контактах реле (релейная защита и автоматика).

Реализация «2И»

Диоды VD проводят ток только в одном направлении, при этом их сопротивление близко к нулю.

Логическим нулем на входе надо считать нулевое напряжение, т.е. соединение входа с общей точкой. Диод при этом открыт. Напряжения на выходе равно нулю. Только при подаче на все входы 1 (+Е), все диоды будут закрыты и на выходе появится +Е.

Диоды нужны для разделения входов при разных потенциалах на входах (0, 1). Это исключает короткое замыкание по цепи: Вх1 – Вх2 т.к. один из диодов при этом закрыт (на который подана 1, а она равна +Е). Величина Rн много больше R1.

Данная схема отражает работу входных цепей цифровых микросхем.

Реализация «2И»

4. Дизъюнкция (операция «ИЛИ»,

логическое сложение) :

«ИЛИ» равна 1 , если равен 1 хотя бы один аргумент ( F 14 ):

F = x + y или F = x  y

Обозначение (2ИЛИ):

БФ равна 0, если 0 равны все аргументы. Количество аргументов не ограничено. Аргументы могут обозначаться любыми символами.

Примечание:

Временные диаграммы «2ИЛИ»

Реализация на контактах реле (релейная защита и автоматика).

Реализация «2ИЛИ»

Реализация «2ИЛИ»

Если на одном из входов имеется логическая единица, то диод открывается и этот потенциал появляется на выходе логического элемента.

Диоды необходимы для отделения одного входа от других чтобы не было подключения высокого потенциала к низкому - короткое замыкание (ток не может протекать прямо между двумя входами, т.к. в такой цепи один из диодов окажется включенным встречно – на который подан 0).

Данная схема отражает работу входных цепей цифровых микросхем.

5. Сложение по модулю два

( исключающее ИЛИ, неравнозначность ) :

БФ равна 1 , если равен 1 только один ее аргумент ( F 6 ):

F = x  y

Обозначение :

Функция "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" (XOR) БФ равна 0 , если одинаковы значения всех аргументов.

Исключающее – т.к. в отличии от функции «ИЛИ» набор, когда все переменные равны 1 соответствует значению функции 0.

«Сложение по модулю два» - для двух аргументов, если больше, то «Исключающее ИЛИ».

Примечание:

Временные диаграммы элемента

6. Стрелка Пирса («ИЛИ – НЕ») :

Логическое сложение с инверсией результата ( F 1 ):

F = x  y

Обозначение

(2ИЛИ-НЕ):

Примечание:

7. Штрих Шеффера («И – НЕ») :

Логическое умножение с инверсией

результата ( F 7 ):

F = x / y

Обозначение

(2И-НЕ):

Примечание:

8. Равнозначность (эквивалентность) :

Сложение по модулю 2 с инверсией

результата ( F 9 ):

F = x  y или F = x ~ y

Реализация:

Примечание:

9. Импликация от х к у :

Сложение переменной Y с инверсным

значением переменной X ( F 11 ):

F = x  y

Реализация:

Пример использования инверсии на входе элемента (отрицательная логика).

Примечание:

10. Запрет :

Логическое умножение на инверсию

одной переменной ( F 2 ):

Реализация:

Примечание:

11. Импликация от y к x :

Сложение переменной X с инверсным

значением переменной Y ( F 13 ):

F = y  x

Реализация:

Пример использования инверсии на входе элемента (отрицательная логика).

Примечание:

Свойства БФ

• 1 – «ИЛИ»,
• 2 – «И»,
• 3 – «НЕ».

(1)

1 – сложение.

(2)

2 – умножение.

(3)

3 - инверсия.

Примеры свойств функций, их реализация

Реализация с помощью контактов, перемычек и т.д.

Р – обмотка реле

Реализация на контактах, пояснения с помощью логических элементов (а), где используется «Монтажное ИЛИ».

Законы БА

Переместительный

Сочетательный

Распределительный

Иначе – дистрибутивный.

Реализация законов БА

Контуром обведено то, что в выражении взято в скобки.

Правило де Моргана

для «И», «ИЛИ»

Тождества для «И», «ИЛИ»:

Полезные формулы

Правило поглощения:

Склеивания:

Примеры реализации

законов, правил, тождеств БА

N – обмотка реле, n – контакт этого реле. Нижняя схема: теорема Моргана, выходной сигнал – контакт n.

Свойства функции «сложение по модулю два»

Определение операции:

Правило де Моргана:

Свойства :

Свойства функций

стрелка Пирса,

штрих Шеффера.

Определение операции «  »:

Определение операции «/»:

Следует отметить, что для обеих функций не справедливы законы ассоциативности и дистрибутивности.

Правило де Моргана:

Свойства:

БФ двух аргументов:

Номер у F это номер функции в таблице булевых функций 2-х переменных.

Диодно-транзисторная схема И-НЕ с диодом Шотки:

Электрическая схема универсального логического ТТЛ-элемента И-НЕ с расширением по И в интегральном исполнении и его УГО:

Электрические схемы и УГО логических элементов на полевых транзисторах (а) и комплементарных парах (б, в) в интегральном исполнении

Микросхемное решение логических ИМС:

• Многовходовые ТТЛ-схемы:

а – И с расширением по И-НЕ;

б – И-ИЛИ с расширителями по выходу;

Триггеры

Лекция №21

Триггеры как бистабильные ключи:

• Триггером называется импульсное устройство с двумя устойчивыми состояниями, способное под воздействием внешних импульсов переходить из одного состояния в другое.
• Среди электронных ключевых устройств триггеры занимают особое место. Они имеют два устойчивых (стабильных) состояния и потому называются бистабильными устройствами .

Симметричный триггер на транзисторах (RS-триггер):

• Он состоит из двух ключевых каскадов на транзисторах VT1 и VT2 , включенных по схеме с общим эмиттером.
• К коллекторам транзисторов подключены нагрузочные резисторы R k1 и R k2 , а также цепочки межкаскадных связей R1 , C1 и R2 , C2 , которые также подключены к управляющим входам (базам) смежных транзисторов.
• Симметричное включение всех элементов обеспечивает одинаковость двух устойчивых состояний триггера: Р=1 и Р=0 на одном выходе (с VT1) и соответственно Q=0 и Q=1 на другом.
• Триггер имеет два входа и ( set. - установить и reset –сброс) и два выхода – прямой Q и инверсный Р .

Схема симметричного RS-триггера в интегральном исполнении (а) , его эпюры напряжений (б) и УГО (в) :

Симметричные RS-триггеры на логических элементах:

• Схемы, эпюры напряжений и УГО асинхронных триггеров:

а - RS-триггера с прямыми входами на логических элементах ИЛИ-НЕ;

б - RS-триггера с инверсными входами на логических элементах И-НЕ;

Термин «с прямыми входами» означает, что при подаче на входы R или S данного триггера положительного единичного импульса он будет вести себя так, как симметричный RS-триггер на транзисторах.

Следуя таблице истинности логических элементов ИЛИ-НЕ, можно представить состояние RS-триггера в виде таблицы:

• Состояние и переходы RS-триггера

Интегральные микросхемы триггеров

Лекция №22

Интегральные микросхемы триггеров:

• Интегральные триггеры, выполняемые в виде микросхемы с несколькими триггерными ячейками, состоят из самого триггера и вспомогательных логических элементов управления его входами (схемы входной логики) .
• В зависимости от структуры схемы входной логики различают триггеры с разными функциональными возможностями, т.е. разные типы триггеров: RS, D, T, E, JK .
• Существуют однотактные (Т) и двухтактные, или двухступенчатые (ТТ) триггеры .

Синхронный RSC–триггер (С-триггер):

• Схема одноступенчатого синхронного RSC–триггера , который также называют тактируемый .
• Схема содержит RS–триггер с прямыми входами, собранный на элементах ИЛИ-НЕ , и два конъюнктора, или логических элементами И .

Синхронный RSC–триггер (С-триггер):

• Схема тактируемого RSC–триггера на основе асинхронного RS–триггера с инверсными входами на логических элементах И-НЕ .

Синхронный RSC–триггер (С-триггер):

• Тактируемый RS–триггер сокращенно обозначают RSC– или С-триггер. УГО Тактируемого RSС–триггера .
• Временные диаграммы Тактируемый RSС–триггера без учёта времени его переключения.

Двухступенчатый синхронный RSC–триггер:

• Схема (рис.а) двухступенчатого RSC–триггера , включающего в себя два синхронный RSC–триггера.
• При наличии на входе С логической 1 триггер Т1 воспринимает информацию, поступающую на входы S и R и определяющую его состояние.

Двухступенчатый синхронный RSC–триггер:

• УГО двухступенчатого RSC–триггера.
• Поясняющая диаграмма работы.

Триггер со счётным запуском (Т-триггер):

Это триггер должен переключаться каждым импульсом на счётном входе Т(счётным импульсом).

• Схема (рис.а) счётного Т-триггера на основе двухступенчатого RSC–триггера.

Триггер со счётным запуском (Т-триггер):

• УГО счётного

Т-триггера.

• Временные диаграммы напряжений счётного

Т-триггера.

Триггер задержки (D-триггер):

• Этот триггер, имеющий один информационный вход D и тактовый вход С , состоит из синхронного RSC–триггера с дополнительным инвертором.

Триггер задержки (D-триггер):

• При тактовом импульсе на входе С , равном логической 1 , любой сигнал на входе D создаст на входах S и R комбинацию ( S=1 , R=0 или S=0 , R=1 ), способную переключить триггер в состояние Q=S=D .
• При тактовом импульсе С=1 , D-триггер является повторителем, т.е. на его выходе Q повторяется потенциал входа D .
• Это повторение начинается только в момент поступления тактового импульса на вход С , в результате чего происходит задержка повторения на время t 3 .

Триггер задержки (D-триггер):

• D-триггер можно выполнить двухступенчатым (двухтактным). При этом его первая ступень будет представлять собой одноступенчатый D-триггер , а вторая - синхронный RS–триггер .
• Состояние входа D передаётся триггеру Т1 с приходом тактового импульса, т.е. по его переднему фронту, а триггер Т2 принимает состояние триггера Т1 по окончании тактового импульса, т.е. по его срезу.
• Схема D-триггер (рис.а) и его УГО:

Триггер задержки (D-триггер):

• Схема соединения триггера в счётном режиме.
• Временная диаграмма работы D-триггера в счётном режиме аналогична диаграмме работы счётного Т-триггера .
• Выход Q повторяет состояние входа D только с поступлением очередного тактового импульса на вход С .

Элементы памяти цифровых вычислительных устройств и счетчики импульсов

Лекция №23

РЕГИСТРЫ

• Устройство для выражения числа N в двоичном виде, состоящее из триггеров, называется регистром
• для хранения небольшого объёма цифровой информации ее запись (ввод) и считывание (вывод) -

последовательным и параллельным методами

Регистр с параллельной записью

X i записываются в D –

триггеры одновременно,

т.е. параллельным кодом.

Регистр памяти. В нем могут использоваться, как прозрачные "защелки", так и триггеры с динамическим управлением. На рис. схема 8-ми разрядного регистра памяти с общим входом управления записью информацией и ее условное обозначение. Высокий уровень на входе C переписывает информацию с входа на выход (Qi=Di), а низкий уровень - защелкивает данные.

По сигналу ОЕ (высокий уровень) информация появляется на выходе RG.

D i – входы; Q i – выходы; D 0 и Q 0 – младшие разряды.

Последовательный регистр

(регистр сдвига)

Выполняются на основе триггеров с динамическим синхровходом, (справедливо для регистров с одним тактирующим сигналом). В двухтактных можно использовать и прозрачные регистры - "защелки".

D 0 = DS = Х , D i = Q ( i -1) , где i =1, 2,.., n -1 .

DS – вход последовательной записи;

Q 7 – последовательный выход;

Q 7 … Q 0 – параллельные выходы.

Последователь-

ный регистр

(3 разряда)

С приходом очередного положительного фронта синхроимпульса C, сигнал с входа i-го триггера через время tзд.р. окажется на его выходе и поступит на вход следующего (i+1) -го триггера. Однако на его выход эта информация не перепишется, т.к. длительность активного фронта t0,1 меньше tзд.р. На этом процесс сдвига данных на один разряд закончится до прихода следующего положительного фронта тактового сигнала. Отсюда понятно, почему нельзя использовать триггеры со статическим управлением. Каждый раз при C = 1 вся цепочка окажется прозрачной от входа DS до выхода Q7 и значение DS = x будет записано во все триггеры.

Каждым тактовым импульсом в регистре происходит сдвиг числа на один разряд. Трехразрядное число будет полностью записано в регистр после третьего тактового импульса. При этом на выходе регистра можно просчитать значения разряда, который был записан первым. Для считывания значений следующих двух разрядов нужно подать ещё два тактового импульса. В двоичной системе счисления при сдвиге числа на один разряд в сторону старших разрядов происходит увеличения числа в два раза. При сдвиге числа в сторону младших разрядов число записывается в регистр уменьшается в два раза. Таким образом сдвигающий регистр можно использовать для умножения или деления числа на 2n , где n – количество сдвигов равное количеству под тактовых импульсов.

Выходное состояние триггеров

сдвигается в соседний триггер по сигналу С

Параллельно – последовательный регистр

Запись X i параллельным кодом при сигнале «Запись» = 1 в приоритетные асинхронные RS -триггеры.

Считывание: по переднему фронту сигналов «Чтение» = 1 происходит сдвиг информации, записанной в регистр на один разряд ( JK -триггер). За три такта этого сигнала информация считается последовательным кодом с выхода Y .

Запись с помощью S’, R’ входов асинхронного триггера параллельным кодом. Считывание – последовательным кодом с помощью тактовых сигналов.

Параллельно – последовательный регистр

-высший приоритет,

если , то , а и все триггеры обнуляются, независимо от сигналов L , D i и C .

Практические схемы регистров дополняются схемами, подключаемыми к каждому триггеру и имеющими вход параллельной записи Di , общий вход разрешения записи L и общий асинхронный вход сброса ~R всех триггеров. Эти схемы подключаются к незадействованным входам Ri’, Si’ триггеров.

Меньшим приоритетом обладают входы L и Di. Если R’ = 1 , то при L = 1 , производится параллельная запись информации и Qi = Di независимо от сигнала C.  И, наконец, если на входах R’=1 и L=0 (пассивные уровни), то Ri’ = Si’ = 1 , тоже пассивный уровень и регистр хранит информацию, либо производит ее сдвиг с помощью С.

Регистр имеет параллельные

и последовательные запись и чтение

Параллельно – последовательный регистр

В параллельно – последовательном регистре запись информации происходит в параллельном коде, а считывание в последовательном.

Запись с помощью S’, R’ входов асинхронного триггера параллельным кодом. Считывание – последовательным кодом с помощью тактовых сигналов.

• Передача данных по однопроводной связи и обратное преобразование последовательной информации в параллельную

Вторая линия должна быть, как минимум "землей" или экраном.

Такая схема применяется в коммуникационных портах ЭВМ (COM-порты), в микросхеме К580ИК51, а также в модемах.

Счетчики

Применение счетчиков :

• - делители частоты;
• - генераторы случайных чисел;
• - устройства памяти;
• - управление работой микропроцессоров (обращение к ячейкам памяти по адресу генерируемого кодом на выходе счетчика и т.д.).

Счетчик - для подсчета числа

импульсов

Длина списка разрешенных

состояний счетчика - модуль счета

К С .

Импульс, кратный модулю счета К С ,

устанавливает счетчик в начальное

состояние, а на выходе счетчика

появляется сигнал переноса P .

Виды счетчиков :

- двоичные ;

- двоично-десятичные ;

- одинарные (место расположение одной- единственной «1»);

- кольцевые (положение единственного «0»);

- счетчики Джонсона ( число «1» или «0»);

- суммирующий (коды в возрастающем порядке);

- вычитающий ;

- реверсивный (направление перебора кода может изменяться).

Последовательность состояний счетчика кодируется различными способами.

Счетчики с предварительной

установкой (программируемые)

позволяют изменять модуль

счета К С :

K С = S n 2 n + S n -1 2 n -1 +…+ S 2 2 2 + S 1 2 1 + S 0 2 0 , где S i = 0 или 1 .

K c = S n 2 n – двоичный n - разрядный

счетчик,

N = K C – 1 – число подсчитываемых импульсов.

Модуль счета можно только уменьшать относительно Кс двоичного n - разрядного счетчика.

Суммирующий счетчик

( Up-counter )

Схема асинхронного, суммирующего счетчика (3 –х разрядного) на D -триггерах, графики его выходных сигналов. На D -триггерах реализованы Т -триггеры, которые и являются основным элементом счетчиков.

3-х разрядный счетчик (сложение)

N

Q 3

0

Q 2

0

1

0

2

Q 1

0

0

3

0

0

1

1

0

4

1

0

1

5

1

0

1

6

0

0

1

7

1

1

1

0

1

1

Пояснение к временной диаграмме.

Вычитающий счетчик ( Down-counter )

Схема асинхронного, вычитающего счетчика (3 –х разрядного) на D -триггерах, графики его выходных сигналов. На D -триггерах реализованы Т -триггеры, которые и являются основным элементом счетчиков. На временной диаграмме видно, что переключение первого триггера влечет переключение всех остальных триггеров. Это происходит, поскольку для переключения используются входы С.

3-х разрядный счетчик (вычитание)

N

Q 3

7

Q 2

1

6

1

5

Q 1

1

1

4

1

1

0

0

1

3

0

1

0

2

0

1

0

1

1

1

0

0

0

0

0

1

0

0

Пояснение к временной диаграмме.

Схема переноса в реверсивном счетчике

Размещается между триггерами счетчика, подключается: входы к выходам Q, Q’ предшествующего триггера, выход Перенос к С входу последующего триггера, входы управления к U =1, D = 0, для сложения и U = 0, D = 1, для вычитания.

Кольцевой счетчик на основе регистра сдвига

N

Q 1

0

1

Q 2

1

Q 3

2

0

0

0

1

0

0

0

1

Последовательно появляющиеся уровни логической единицы могут поочередно переключать какие-то исполнительные приборы, подключенные к выходам счетчика (например, праздничные гирлянды).

Счетчик Джонсона

N

N

0

3

Q 1

Q 1

Q 2

1

Q 2

4

0

1

Q 3

Q 3

2

5

1

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

Разновидность кольцевого счетчика. Вход соединен с инверсным выходом.

Четырехразрядный счетчик

• Схема (а) , временные диаграммы напряжений (б) и УГО (в) четырехразрядного счетчика

Шифраторы и дешифраторы

Лекция №24

Шифраторы

• Это комбинаторное цифровое устройство кодирования, преобразующие десятичные числа в двоичную систему счисления.
• Допустим на пульте находится 10 клавиш (от 0 до 9) и при нажатии одной из клавиш подается единичный сигнал x0,x1,..,x9, а на входе появится двоичный код.
• Следовательно необходим в данном случае преобразователь, имеющий 10 входов и 4 выхода.
• На входе должна появится «1» при нажатии любой нечетной клавиши.
• Для остальных цифр кодирование смотри логическую схему шифратора.

Логическая схема шифратора

• Действие шифратора можно описать следующими логическими функциями :

Таблица истинности шифратора

0

Y4

1

Y3

0

2

Y2

0

0

Y1

3

0

0

0

0

4

0

0

0

1

5

1

0

0

0

6

0

1

1

1

1

0

0

7

8

0

0

1

0

9

1

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

0

1

• Условное обозначение шифратора

Дешифраторы:

• Дешифратор -это узел, преобразующий код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов.
• Дешифратор двоичного n -разрядного кода имеет 2 n -выходов в связи с тем, что каждому из двух значений входного кода должен соответствовать единичный сигнал на одном из выходов дешифратора.

Логическая схема дешифратора на три входа

Таблица истинности для дешифратора сможет быть представлена такой же как для дешифратора только наоборот. Распознавание дешифратора двоичных чисел состоит в том, что в зависимости от номера набора, поступившего на его вход сигнал «1», появится на одном определенном выходе (остальные выходы дадут «0»)

№ набора

входы

X1

0

1

0

X2

0

X3

2

выходы

0

0

0

3

0

Y0

1

0

Y1

1

4

1

0

1

0

1

5

0

Y2

1

1

Y3

1

0

0

6

0

0

0

1

0

0

Y4

0

0

7

0

Y5

0

1

0

1

1

1

0

Y6

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

Y7

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

Условное обозначение 3-х линейного дешифратора

• Рассмотрение данной схемы показывает, что каждая из функций представляет конъюнкцию 3-х переменных и может быть реализована с помощью 3-х ходовых схем логического элемента « И ».
• Следует заместитель, что бывают дешифраторы с синхронизирующим входом, при котором дешифрация кода будет произведена во время подачи синхронимпульса, который поступает на вход синхронизации (обычно обозначается « с »). Кроме того еще должен быть управляющий единичный сигнал.

Мультиплексор и демультиплексор

Лекция №25

Мультиплексоры (коммутаторы):

• Мультиплексор (MUX) – это комбинационное цифровое устройство, которое осуществляет коммутацию двоичного сигнала Хn с одного из n-входов на всего один выход. Процесс происходит в присутствии С-синхронизируещего импульса, а номер входа « n », подключаемого к выходу определяется сигналами А 0 , А 1 и т.д. на так называемых адресных входах. (Адрес – это двоичная запись номера « n » коммутирующего входа).
• Мультиплексор – это узел, осуществляющий преобразования параллельных цифровых кодов в последовательные.

Логическая схема мультиплексора с синхронизации входом

Условное обозначение мультиплексора

Таблица истинности мультиплексора

A1

любые

A0

C

0

0

1

1

Y

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

x1

x2

x3

x4

Формула перехода мультиплексора для выхода y :

Логическая схема мультиплексора без синхронизирующего входа

Действие мультиплексора без синхронизирующего входа можно описать следующей логической функцией F1:

Таблица истинности:

i

1

V 2

V 1

0

X 1

2

0

0

X 2

0

0

0

0

3

X 3

1

1

X 4

1

1

4

0

F1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

Демультиплексор

• Демультиплексор или распределитель выполняет функцию обратную мультиплексора, т.е. преобразует последовательный вход в параллельный.
• Он осуществляет подключения входного сигнала на один из нескольких своих выходов (каналов направления).
• Для случая, когда n=4 , демультиплексор в соответствии с сигналами на адресных входах V1 и V2 передает двоичную информацию со входа на один их четырех выходов y1, y2, y3, y4.

В схеме даны описания логическими функциями перехода для каждого выхода.

Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Лекция №26

Аналого-цифровые преобразователи ( АЦП ) преобразуют аналоговые сигналы

в цифровую форму,

согласуют датчики сигналов

и цифровые приборы их обработки.

Цифроаналоговые преобразователи ( ЦАП ) преобразуют численные данные

в аналоговый сигнал, обычно служат для выдачи аналоговой информации после цифровой обработки.

Ошибка не превышает один интервал квантования (шаг квантования).

Аналого-цифровое преобразование

с переменным интервалом дискретизации

U ВХ – преобразуемый сигнал; U П – результат в аналоговой форме; U Д – действительное значение;  – ошибка преобразования;  t – интервал дискретизации.

Квантование по уровню

Устанавливаются равно отступающие уровни

( 0 L … NL ) напряжений, при равенстве которым преобразуемого сигнала происходит выработка соответствующего двоичного кода. Напряжение между двумя соседними уровнями (младший разряд кода), называется шагом квантования  U . Ширина диапазона преобразования NL MAX .

Дискретизация по времени

Устанавливаются моменты времени (0 t … Mt ),

в которые происходит преобразование.

N, M – количество уровней квантования и число дискретизаций соответственно.

Ошибка зависит от скорости изменения преобразуемого сигнала и уменьшается при уменьшении времени дискретизации.

Аналого-цифровое преобразование

с постоянным интервалом дискретизации

U ВХ – преобразуемый сигнал; U П – результат в аналоговой форме; U Д – действительное значение;  – ошибка преобразования; t – интервал дискретизации.

Цифроаналоговые преобразователи

•   Для преобразования  цифровой информации в аналоговую форму.
• При подаче на вход ЦАП переменного
• по значению кода, на выходе наблюдается ступенчато-изменяющееся напряжение, величина «ступеньки» соответствует младшему разряду кода.

ЦАП

двоичный код d n … d 2 d 1 d 0 в аналоговую величину U ЦАП ( на рис.U П ( t )) .

Каждый разряд двоичного кода имеет « вес » , вес i- го разряда вдвое больше, чем вес разряда ( i -1 ) :

U ЦАП = e ( d 0  1 + d 1  2 + d 2  4 + d 3  8 + … ),

где e – напряжение, соответствующее весу младшего разряда; d i – значение i – го разряда двоичного кода ( 0 или 1 ).

В ЦАП используется метод суммирования токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичных разрядов .

ЦАП с весовыми резисторами

Недостаток: Затруднительно изготовлять в интегральном виде резисторы разных значений.

U ЦАП = e ( d 0  1 + d 1  2 + d 2  4 + … + d n-1  2 n-1 )

Достоинство: Простота реализации.

Недостаток: Затруднительно изготовлять

в интегральном виде резисторы разных значений

с требуемой точностью, поскольку их материалом являются полупроводники, сопротивления которых зависят от незначительных примесей.

Умножающий ЦАП

Выходное напряжение U ЦАП пропорционально произведению входного кода D и опорного напряжения U ОП .

ЦАП содержат матрицу резисторов R -2 R , электронные ключи и резистор обратной связи R ОС . К преобразователю может подключаться операционный усилитель для задания величины U ЦАП .

Данный ЦАП фактически является аналоговым усилителем, с изменяемым коэффициентом усиления (с помощью входного кода).

ЦАП с матрицей резисторов R-2R

суммирование токов, пропорциональных весу двоичных разрядов

опорное напряжение U ОП - к входу матрицы

ток потребления матрицы: I ВХ = 2 n · I 0

Эквивалентная схема матрицы резисторов

В каждом узле S ток разделяется пополам

Эквивалентное сопротивление цепи узла S 0 :

R Э = 2 R || 2 R = R ;

c учетом последовательно включенного резистора:

R Э = R + R = 2 R .

Эквивалентное сопротивление цепи узла S n -2 :

R Э = 2 R || 2 R = R ;

c учетом последовательно включенного резистора:

R Э = R + R = 2 R .

Эквивалентное сопротивление цепи узла S n -1 :

R Э = 2 R || 2 R = R ,

это полное R цепи со стороны входа ( U 0 ).

Сечения на рисунке - зеленым цветом.

Ток в каждом резисторе 2 R , ток I 0 пропорционален весовому коэффициенту 2 i .

Электронные ключи К управляются входными сигналами d i цифрового кода.

так как: I 0 · 2 n = U ОП / R ;     

U ЦАП = - I ОС · R ОС = - I ОС · R .

если R OC = R .

Десятичный эквивалент цифрового кода

на входах ЦАП :

Часть схемы, слева от ОУ, выпускается промышленно в виде микросхем, например К572ПА1, К572ПА2 и 1108ПА1.

Шаг квантования выходного напряжения ЦАП:

Обычно используется значение U ОП , кратное 2 n : 10,24 В; 5,12 В и ниже.

Упрощенная схема умножающего ЦАП

с суммированием токов

Существуют также умножающие ЦАП с суммированием напряжений на основе той же резистивной матрицы. Операционный усилитель, в данном случае, в состав ЦАП не входит.

Пример:

Пусть число разрядов: n = 8 ;

U ОП = -2,56 В ; D = 100 .

Тогда:

U ЦАП = - ( U ОП / 2 n ) · D =

- ( -2,56 / 256 )· 100 = 1,0 В;

 U = 2,56 / 256 = 0,01 В

и может находится в пределах

( 0,00 ; 0,01 ; 0,02 ; ...; 2,54 ; 2,55 )В ,

где: D – десятичное число, значение которого

требуется получить

Такой ЦАП называется:

- Униполярным , т.к. U ЦАП в зависимости от полярности U ОП , либо отрицательно, либо положительно;

- Двухквадрантным , т.к. передаточная характеристика располагается в двух квадрантах,

- Умножающим , т.к. U ЦАП пропорционально U ОП · D .

Количество разрядов ЦАП доходит до 20.

Некоторые ЦАП снабжены двумя регистрами,

в одном хранится старый код, а в другой записывается новый код, который необходимо преобразовать.

Характеристики ЦАП К572ПА1А

Аналог:

AD 7520 KN

D – цифровые входы;

А – аналоговые (токовые) выходы;

R ОС - вывод резистора обратной связи.

1

1-й аналоговый выход А 1

2

2-й аналоговый выход А 2

3

Общий (земля) U 0

4

10-й цифровой вход (старший значащий разряд) D9

5

9-й цифровой вход D8

6

8-й цифровой вход D7

7

8

7-й цифровой вход D6

9

6-й цифровой вход D5

10

5-й цифровой вход D4

11

4-й цифровой вход D3

12

3-й цифровой вход D2

13

2-й цифровой вход D1

14

1-й цифровой вход (младший значащий разряд) D0

«+» питания U П

15

16

опорное напряжение U ОП

вывод резистора обратной связи R ОС

Номинальное напряжение питания

15В

Ток потребления

3 мА

Дифференциальная нелинейность

+0.1%

Погрешность коэффициента преобразования

Время установления выходного тока

+3%

5 мкс

Среднее значение входного тока по цифровым входам

1 мкА

Выходной ток при опорном напряжении 10В

2 мА

Предельные значения опорного напряжения

Предельные значения напряжения питания

+17В

5 ... 17В

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП):

•   - для преобразования аналоговой информации в цифровую форму в определенные моменты времени.
• Число преобразований в единицу времени – частота дискретизации (быстродействие) определяет точность АЦП, которая зависит также от разрядности (числа уровней квантования).

Существуют следующие типы АЦП:

- интервал времени-код (с времяимпульсным

преобразованием);

- последовательного приближения;

- следящего типа;

- поразрядного уравновешивания (кодово-импульсный

АЦП);

- двойного интегрирования;

- с частотным преобразованием.

Принцип их работы в данном курсе не изложен.

Параллельное АЦП

(прямого преобразования)

Обладает наивысшим быстродействием и высокой точностью.

Диапазон входного напряжения разбивается

на 2 n интервалов. Каждому интервалу соответствует опорное напряжение U ОП ( i ) , снимаемое с делителя напряжения, и свой аналоговый компаратор, сравнивающий U ВХ с U ОП ( i ) . Напряжения U ОП ( i )

и U ОП ( i +1) , отличаются друг от друга на величину Δ U .

При U ВХ ≥ U ОП ( i ) соответствующий компаратор срабатывает и подает сигнал на вход приоритетного шифратора, который преобразует сигналы компараторов в двоичный код.

Если U ВХ U ОП ( i ) соответствующий компаратор переключается в исходное состояние.

Параллельное АЦП

Приоритетный

шифратор CD ;

компараторы DA ;

резисторы

одинакового

значения R .

Временная диаграмма параллельного АЦП

Число уровней квантования (целая часть):

где NL MAX – ширина диапазона преобразования;

Δ U – шаг квантования.

Шаг квантования должен соответствовать требуемой точности преобразования:

где δ – погрешность преобразования, %, т.к. относительная погрешность:

Число разрядов АЦП, соответствующее выбранному шагу квантования:

Количество компараторов, необходимых

для реализации n – разрядного АЦП:

При этом число наборов двоичных кодов:

Например, число компараторов, необходимых для реализации 8 разрядного АЦП: 256, для 10 разрядов: 1023.

Обычно большое количество компараторов ограничивает величину разрядности АЦП.

Неполный АЦП

Из файла программы Electronic Work Bench. Представлен неполный АЦП. Для полного трехразрядного АЦП требуется семь компараторов.

N MAX = 4 10 = 100 2

N MIN = 0 10 = 000 2

Программируемые устройства, микропроцессоры (МП) и микроЭВМ

Лекция №27

Арифметико-логические устройства (АЛУ):

• Они основаны на применении арифметико-логического устройства (АЛУ) , выполняющего арифметические и логические операции над входными величинами А и В в двоичном коде в зависимости от сигналов на управляющих входах М , S 0 , S 1 , S 2 , S 3 , и на переносе Р 0 из внешних цепей.

Арифметико-логические устройства (АЛУ):

• Результат операции определяется совокупностью сигналов на выходах F и переноса Р 4 из старшего разряда.
• При М = 0 выполняются арифметические (сложение А и В , сложение А и В с добавлением Р 0 в младший разряд и т.д.).
• При М=1 – логические ( F = А , F = В и т.д.) операции.
• Комбинация сигналов S 0 … S 3 определяет, какая именно операция выполняется.

Микропроцессор (МП):

• Микропроцессор (МП) – это информационное устройство, которое по программе, задаваемой управляющими сигналами, обрабатывает информацию, т.е. реализует операции: арифметические , логические , ввода , вывода и т.д.

Микропроцессор (МП):

• МП состоит из АЛУ и совокупности n параллельных регистров по m разрядов общего назначения (РОН) для хранения двоичных чисел, используемых в процессе вычислений.
• В МП входят также два параллельных буферных регистра (БР) , предназначенных для кратковременного хранения чисел А и В во время выполнения операции АЛУ , и устройство управления (УУ) , которое задаёт режимы работы всех элементов МП .

МикроЭВМ:

• МикроЭВМ – это устройства на основе МП , а также запоминающих устройств (ЗУ), устройств управления и средств связи с периферийными устройствами (интерфейс).
• Управляющая микроЭВМ должна иметь средства сопряжения с объектом управления: датчики , АЦП , ЦАП .
• Совокупность микроЭВМ и средств сопряжения образует микропроцессорную систему .

МикроЭВМ:

• Структурная схема микроЭВМ содержит:
• устройства ввода (УВв) и вывода (УВыв),
• порты ввода и вывода,
• центральный МП с АЛУ , устройством управления и регистрами общего назначения,
• постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ) запоминающие устройства.

МикроЭВМ:

• Команды в МП представляются в виде многообразных двоичных слов, например команда «Послать в РОН содержимое ячейки памяти с номером 15488» выглядит так:

• где первый байт – это код операции, содержимое второго и третьего байтов – код номера ячейки памяти (15 488 в двоичном коде).

Всего доброго!