Історія появи напівпровідникової електроніки

Глосарій

1.Металл - група елементів, що володіє характерними металевими властивостями, такими як висока тепло-і електропровідності водність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск.

2.Діелектрік (ізолятор) - матеріал, погано проводить або со- всім не проводить електричний струм.

3.Фоторезістор - напівпровідниковий прилад, що змінює величину свого опору при опроміненні світлом.

4.Транзістор - електронний прилад з напівпровідникового матеріалу, звичайно з трьома висновками, що дозволяє вхідним сигналам керувати струмом в електричному ланцюзі. Зазвичай використовується для усі- лення, генерування та перетворення електричних сигналів.

5.Нанотехнологія - це технологія роботи з речовиною на рів-ні окремих атомів.

6.Наноелектроніка - область електроніки, що займається розроб - боткой фізичних і технологічних основ створення інтегральних електронних схем з характерними топологічними розмірами елементів менше 100 нм.

7.Лазерний діод - напівпровідниковий лазер, побудований на базі діода. Його робота заснована на виникненні інверсії населен- ностей в області pn переходу при інжекції носіїв заряду.

8.Светоізлучающій діод - інтегральна схема, перетворююча електричний струм у світ.

Діод — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується урадіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключенняелектричних кіл.

Тири́стор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем (англ. Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор має три виходи, один з яких — керуючий електрод — використовується для різкого переведення тиристора в увімкнений стан.

Тиристор поєднує в собі функції випрямляча, вимикача та підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою.

 

Напівпровідник

Напівпровідники - це щось середнє між провідниками і діелектрика. До них відносяться багато хімічні елементи (германій, кремній, селен, телур, миш'як і ін), величезна кількість сплавів і хімічних сполук. Майже всі неорганічні речовини навко-лишнього нас світу - напівпровідники. Найпоширенішим у природі напівпровідником є кремній, що становить близько 30 % земної кори. Головна особливість напівпровідників полягає в тому, що їх фізичні властивості сильно залежать від зовнішніх впливів зміни температури або найменшого кількості домішок.

Цілеспрямовано змінюючи температуру напівпровідника або легіруя його (додаючи домішки), можна керувати його фізичними властивостями, зокрема, електропровідністю. Перш за все, слід звернути увагу на заборонену зону (зону заборонених енергій), яка розділяє дозволені зони. Зазначимо, що у діелектриків ширина забороненої зони більше, ніж у напівпровідників, а в металів дозволені зони зливаються, так що забороненої зони у них немає. Ширина забороняє- щенной зони, визначальна енергетичний проміжок заборонений -них енергій, є найважливішим параметром напівпровідника. Для найбільш часто використовуваних в електроніці напівпровідників Герма - ня, кремнію і арсеніду галію - ширина забороненої зони дорівнює відповідно 0,7; 1,1 і 1,4 еВ.

Верхня дозволена зона називається зоною провідності. Елек - трони, що знаходяться в цій зоні, мають досить великою енергією і можуть її змінювати під дією електричного поля, переміщаючись в обсязі напівпровідника. Електропровідність напівпровідника і визначається цими електронами.

Нижня дозволена зона називається валентною зоною. Енерге -етичні рівні цієї зони зазвичай заповнені електронами зовнішньої оболонки атомів - зовнішніх стійких орбіт (валентними електро - нами). При наявності вільних рівнів у валентній зоні електрони також можуть змінювати свою енергію під дією електричного поля. Якщо ж всі рівні зони заповнені, то валентні електрони не зможуть взяти участь у прояві електропровідності полупро - водника.

Зміст

[сховати]

· 1 Фізичні властивості

· 2 Зонна структура

· 3 Оптичні властивості напівпровідників

o 3.1 Поглинання світла

· 4 Типи напівпровідників в періодичній системі елементів

· 5 Використання

· 6 Див. також

· 7 Джерела

Фізичні властивості[ред. • ред. код]

Характерна риса напівпровідників — зростання електропровідності зі зростанням температури. При низьких температурах електропровідність мала. При температурі близькій до абсолютного нулянапівпровідники мають властивості ізоляторів. Кремній, наприклад, при низькій температурі погано проводить електричний струм, але під впливом світла, тепла чи напруги електропровідність зростає.

Зонна структура[ред. • ред. код]

 

Зонна структура напівпровідника

Напівпровідники мають повністю заповнену валентну зону, відділену від зони провідності неширокою забороненою зоною. Ширина забороненої зони напівпровідників зазвичай менша за 3 еВ. Неширока заборонена зона призводить до того, що при підвищенні температури ймовірність збудження електрона у зону провідності зростає заекспоненційним законом. Саме цим фактом зумовлене збільшенняелектропровідності власних напівпровідників.

Ще більше на електропровідність напівпровідників впливаютьдомішки — донори й акцептори. Завдяки доволі великій діелектричній проникності домішкові рівні в забороненій зоні розташовані дуже близько до зони провідності чи до валентної зони (< 0.5 еВ), й легкоіонізуються, віддаючи електрони в зону провідності чи забираючи їх із валентної зони. Леговані напівпровідники мають значну електропровідність.

Невелика ширина забороненої зони також сприяє фотопровідностінапівпровідників.

В залежності від концентрації домішок напівпровідники діляться навласні (без домішок), n-типу (донори), p-типу (акцептори) і компенсовані (концентрація донорів урівноважує концентрацію акцепторів, й напівпровідник веде себе, як власний). При дуже високій концентрації домішок напівпровідник стає виродженим і поводить себе якметал.

У напівпровідникових приладах використовуються унікальні властивості контакту областей напівпровідника, одна з яких належить до n-типу, інша до p-типу — так званих p-n переходів. p-п переходи проводять струм лише в одному напрямку. Схожі властивості мають також контакти між напівпровідниками й металами — контакти Шоткі.

Поглинання світла

 

Спрямуємо на напівпровідник пучок світла потужністю (рис.8.1). Проникаючи всередину напівпровідника, світло поступово поглинається і його потужність зменшується. Виділимо на глибині від поверхні напівпровідника нескінченно тонкий шар . Кількість світлової енергії , поглинаючої шаром , пропорційно потужності світла , падаючого на цей шар, і його товщині:

(8.1)

Знак мінус вказує на зменшення енергії. Коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом поглинання. При Отже, коефіцієнт поглинання чисельно рівний відносній зміні потужності світла на одиниці шляху, який проходить воно в поглинаючому середовищі. Він має розмірність, обернену довжині ().

Рисунок 8.1 – До пояснення закону поглинання світла в речовині

Рисунок 8.2 – Схема власного поглинання світла в напівпро-відниках

Інтегруючи (8.1) з урахуванням відбиття від поверхні, одержуємо

, (8.2)

де – коефіцієнт відбиття світла.

Розглянемо природу різних механізмів поглинання світла в напівпровідниках.

Власне поглинання. При власному поглинанні енергія світла, що потрапляє в напівпровідник, витрачається на збудження електронів з валентної зони в зону провідності (рис. 8.2). Відповідно до закону збереження енергії таке поглинання може відбуватися лише в тому випадку, якщо енергія світлових квантів буде не менша ширини забороненої зони :

hw ≥ E_g (8.3)

З цієї умови можна визначити максимальну довжину хвилі власного поглинання:

, (8.4)

де с – швидкість світла. Для кремнію, наприклад, що має E_g 1,1еВ, l 1,13 мкм.

Квантово-механічний розгляд процесу поглинання світла показує, що окрім закону збереження енергії повинен виконуватися закон збереження імпульсу:

. (8.5)

Тут – імпульс електрона, перекинутого в зону провідності;

р – імпульс дірки, що виникла у валентній зоні; – імпульс фотона (кванта світла), що викликав перехід електрона. В межах першої зони Бріллюєна проекції імпульсу електрона на кристалографічній осі лежать в межах від – до , де – параметр гратки; 340^{-8 см h p / a 108} h.

Рисунок 8.3 – Прямі (а) і непрямі (б) переходи при власному поглинанні світла

Імпульс фотона рівний 2 ph/l і для l = 10^{-5 см складає >> 105} h, тобто приблизно на три порядки менше імпульсу електрона.

Тому можна вважати, що при оптичних переходах імпульс електрона практично не змінюється:

hk_p hk_n. (8.6)

На енергетичній діаграмі такі переходи зображаються вертикальними стрілками 1, 2 (рис. 6.3, а) і називаються прямими переходами.

Теоретичний розрахунок коефіцієнта власного поглинання для прямих переходів в напівпровідниках з екстремумами зон, розташованими при одному і тому ж значенні (рис. 8.3, а), приводить до такого виразу:

де – коефіцієнт заломлення напівпровідника. Приймаючи = 4, а ефективні маси електронів (т )і дірок (т )рівними масі вільного електрона і виражаючи і у еВ, а_с в см , одержуємо

a_c 2,7∙10⁵(hw-E_g)^1/2. (8.7)

Дійсно, в області власного поглинання а_с досягає величини 10⁴ –10⁵ cм^-1, тобто світло поглинається вже на глибині 1,0 – 0,1 мкм від поверхні.

Якщо дно зони провідності Е_с розташовано при іншому значенні к, ніж стеля валентної зони Еv (рис.8.3, б), як це має місце, наприклад, в германію і кремнію, та відстань по вертикалі між зонами більша ширини забороненої зони . Тоді прямі оптичні переходи можуть збуджуватися лише квантами світла з енергією, що перевищує

:

hw E_g0. (8.8)

Величину називають оптичною шириною забороненої зони; вона рівна мінімальній відстані по вертикалі між зонами.

Крім прямих переходів, в таких напівпровідниках можуть протікати і непрямі переходи, показані на рис. 8.3, б похилою стрілкою 2. Вони відбуваються з участю третьої квазічастинки – фонона. В цьому випадку закони збереження енергії і імпульсу набувають такого вигляду:

, (8.9)

. (8.10)

Знак плюс відноситься до процесів, що протікають з поглинанням фонона, знак мінус – з випуском фонона. Оскільки енергія фононів в напівпровідниках не перевищує сотих часток електрон-вольта, а еВ, то у виразі (8.9) можна нехтувати в порівнянні з . Імпульс же фонона _фон лежить в тих же межах першої зони Бріллюєна, що і імпульс електрона. Тому при переходах з участю фононів імпульс електрона може змінюватися в широких межах, що графічно виражають проведенням похилих стрілок, що характеризують такі переходи (рис. 8.3, б)внаслідок того, що вірогідність протікання процесів з участю трьох частинок набагато менша вірогідності двочасткових процесів, коефіцієнт поглинання в області непрямих переходів значно нижчий, ніж в області прямих. З пониженням

температури процеси з поглинанням фонона йдуть рідше і коефіцієнт поглинання для непрямих переходів зменшується.

Рисунок 8.4 – Поглинання світла вільними носіями заряду

Рисунок 8.5 – Домішкове поглинання світла

Поглинання світла вільними носіями заряду. Світло може викликати переходи вільних носіїв заряду з одних рівнів зони на інші (рис.8.4). Оскільки при таких переходах повинен істотно змінюватися імпульс носія, то вони можуть йти лише з участю третього тіла.

З класичної точки зору поглинання світла вільними носіями відбувається таким чином: носії заряду швидшають в електричному полі світлової хвилі і, розсіюючись на дефектах кристалічних граток, передають їм свою енергію. Іншими словами, енергія світлової хвилі переходить в тепло завдяки ефекту Джоуля – Ленца. Класична формула для коефіцієнта поглинання вільними носіями має такий вигляд:

(8.11)

де с – швидкість світла у вакуумі; – показник заломлення напівпровідника; – рухливість носіїв заряду на постійному струмі; – діелектрична проникність вакууму.

Експеримент підтверджує пряму пропорційність _св концентрації вільних носіїв , поки із збільшенням легування не починає змінюватися рухливість ; для ряду напівпровідників виправдовується і залежність

Домішкове поглинання. В домішкових напівпровідниках під дією світла може відбуватися перекидання електронів з домішкових рівнів в зону провідності і з валентної зони на домішкові рівні, розташовані в забороненій зоні (рис.8.5). Таке поглинання світла називають домішковим. Межа цього поглинання зсунута в область довгих хвиль тим сильніша, чим менша енергія відповідного переходу.

Слід, проте, мати на увазі, що якщо домішкові атоми вже іонізовані, то домішкове поглинання спостерігатися не буде. Оскільки температура виснаження домішки зменшується із зменшенням енергії її іонізації, то для спостереження довгохвильового домішкового поглинання необхідно охолодження напівпровідника до достатньо низької температури. Так, наприклад, спектр домішкового поглинання германію, легованого золотом (енергія іонізації домішки еВ, межа поглинання мкм), спостерігається при температурі рідкого азоту (77 К), тоді як при легуванні германію сурмою ( еВ, мкм) домішкове поглинання можна спостерігати лише при гелієвих температурах (4 К).

Коефіцієнт домішкового поглинання при залежить від l і прямо пропорційний концентрації домішки N_n. Тому домішкове поглинання зручно характеризувати перерізом поглинання _п:

s_n=a_n(λ)N_n. (8.12)

Максимального значення досягає поблизу краю домішкового поглинання. В максимумі см ; при см a_n 1–10 м . Набути великі значення іноді не вдається через низькі граничні розчинні домішки в напівпровідниках. Наприклад, межа розчинності золота в германії якраз рівна 10^-16 см∙м .

 

Змыстовий модуль 1.2 напыв провыдниковы прилади

 

 

Л5

 

 

Л6

 

 

Л7

 

 

Л8

 

 

Л9

 

 

Л10

 

 

Л11

 

 

Л12

 

 

Л13

 

 

Л14

 

 

Л15

 

 

Л16

 

 

Л17

 

 

Л18

 

 

Л19

 

 

Л20

 

 

Л21

 

 

Л22

 

 

Л23

 

 

Л24

 

 

Л25

 

 

Л26

 

 

Л27

 

 

Л28

 

Л29

 

 

Л30

 

 

Л31

 

Блок
електронні підсилювачі

 

 

Л32

Показники роботи підсилювачів

Пристрій і принцип дії[ред. • ред. код]

 

УНЧ зі зворотним зв'язком. Типова схема

Структура підсилювача[ред. • ред. код]

· Підсилювач являє собою у загальному випадку послідовністькаскадів посилення (бувають і однокаскадні підсилювачі), з'єднаних між собою прямими зв'язками.

· У більшості підсилювачів крім прямих присутні і зворотні зв'язки(міжкаскадні і внутрішньокаскадні). Негативні зворотні зв'язкидозволяють поліпшити стабільність роботи підсилювача і зменшити частотні і нелінійні спотворення сигналу. У деяких випадках зворотні зв'язки включають термозалежні елементи (термістори, позистори) — для температурної стабілізації підсилювача, або частотнозалежні елементи — для вирівнювання частотної характеристики.

· Деякі підсилювачі (зазвичай ПВЧ радіоприймальних і радіопередавальних пристроїв) оснащені системамиавтоматичного регулювання підсилення або автоматичного регулювання потужності. Ці системи дозволяють підтримувати приблизно постійний середній рівень вихідного сигналу при змінах рівня вхідного сигналу.

· Між каскадами підсилювача, а також у його вхідних і вихідних каскадах, можуть включатися атенюатори абопотенціометри — для регулювання посилення, фільтри — для формування заданої частотної характеристики і різні функціональні пристрої — нелінійні та інші.

· Як і у будь-якому активному пристрої, у підсилювачі також присутнє джерело первинного або вторинногоелектроживлення (якщо підсилювач являє собою самостійний пристрій) або схеми, через яку живлення подається з окремого блоку живлення.

Режими (класи) потужних підсилювальних каскадів[ред. • ред. код]

· Особливості вибору режиму потужних каскадів пов'язані із завданнями підвищення ККД і зменшення нелінійних спотворень.

· У залежності від способу розміщення початкової робочої точки підсилювального каскаду на статичних і динамічних характеристиках розрізняють наступні режими роботи:

·

Режим A, струм спокою становить 1/2 максимального

 

·

Режим B, струм спокою становить 1-3% від максимального

 

·

Режим C, нульовий струм спокою

 

·

Режим С, двотактний каскад

Класифікація підсилювачів

Електронним підсилювачем називається пристрій, що дозволяє перетворювати вхідні електричні сигнали в сигнали більшої потужності на виході без суттєвого викривлення їх форми. Ефект збільшення потужності можливий при наявності в пристрої деякого зовнішнього джерела, енергія якого використовується для створення підвищеної потужності на виході. Це джерело енергії, що перетворюється підсилювачем в енергію посиленихсигналів, називається джерелом живлення.

Енергія джерела живлення перетвориться в енергію корисного сигналу за допомогою підсилювальних, або активних елементів. Пристрій, що є споживачем посилених сигналів, називають навантаженням підсилювача, а ланцюг підсилювача, до якої навантаження підключена, - вихідний ланцюгом, або виходом підсилювача. Джерело вхідного сигналу, який потрібно підсилити, називається джерелом сигналу, або вхідним джерелом або генератором, а ланцюг підсилювача, в яку вводять вхідний сигнал, називається вхідний ланцюгом, чи входом підсилювача.

Будь-який підсилювач модулює енергію джерела живлення вхідним керуючим сигналом. Цей процесздійснюється за допомогою керованого нелінійного елементу.

Узагальнена структурна схема підсилювального пристрою наведена на малюнку 3.1. Для забезпечення посилення сигналу підсилювач (У), послідовно з яким з'єднаний джерело живлення Еп, повинен включати в себе нелінійний елемент, керований вхідним електричним сигналом U1. До вхідний (керуючої) ланцюга підсилювача підключено джерело ЄС підсилюється сигналу (при цьому Zc - комплексне значення внутрішнього опору джерела), а до вихідний - навантажувальний пристрій з опором Zн.

Малюнок 3.1. Узагальнена структурна схема підсилювального пристрою

Зазвичай, у першому наближенні, опору вважають активними, враховуючи їх комплексність тільки при розгляді специфічних питань.

Підсилювальні пристрої знаходять дуже широке застосування. Вони є основними вузлами різної електронної апаратури, широко використовуються в пристроях автоматики і телемеханіки, в стежать, керуючих і регулюючих системах, лічильно-обчислювальних та обчислювальних машинах, контрольно-вимірювальних приладах і т.п.

Розподіл підсилювачів на типи зазвичай здійснюють за призначенням підсилювача, характеру вхідного сигналу, смузі і абсолютним значенням підсилюються частот, виду використовуваних активних елементів.

За своїм призначенням підсилювачі умовно діляться на підсилювачі напруги, підсилювачі струму і підсилювачі потужності. Якщо основна вимога - посилення вхідного напруги до необхідного значення, тотакий підсилювач відносять до підсилювачів напруги. Якщо основна вимога - посилення вхідного струму до потрібного рівня, то такий підсилювач відносять до підсилювачів струму. Слід зазначити, що в підсилювачах напруги і підсилювачах струму одночасно відбувається посилення потужності сигналу (інакше замість підсилювача досить було б застосувати трансформатор). У підсилювачах потужності на відміну від підсилювачів напруги та струму потрібно забезпечити в навантаженні заданий або максимально можливий рівень потужності сигналу. Нижче будуть наведені необхідні співвідношення, що характеризують посилення напруги, струму та потужності.

Залежно від характеру вхідного сигналу розрізняють підсилювачі гармонічних (безперервних) сигналів і підсилювачі імпульсних сигналів. До першої групи належать пристрої для посилення безперервних електричних сигналів, гармонійні складові яких змінюються багато повільніше всіх нестаціонарних процесів в ланцюгах підсилювача. До другої групи підсилювачів належать пристрої для посилення електричних імпульсів різної форми і амплітуди з допустимими спотвореннями їх форми. У цих підсилювачах вхідний сигнал змінюється настільки швидко, що процес встановлення коливань є визначальним при знаходженні форми вихідного сигналу. У межах даного курсу ми будемо вивчати підсилювачі гармонічних сигналів.

Смуга і абсолютні значення підсилюються частот дозволяють розділити підсилювачі на такі типи.

Підсилювачі постійного струму (ППС) (точніше, підсилювачі повільно мінливих напруг і струмів) призначені для посилення електричних коливань у межах від нижчої частоти fн, рівною нулю, до верхньої робочої частоти fв підсилювача, складовою нерідко десятки і сотні кілогерц. Ці підсилювачі широко застосовуються у вимірювальній апаратурі, пристроях автоматики та обчислювальної техніки. Вони дозволяють посилювати якзмінні складові сигналу, так і його постійну складову.

Підсилювачі змінного струму призначені для посилення лише змінних складових вхідного сигналу. У залежності від граничних значень робочого діапазону частот підсилювачі змінного струму можуть бути низької та високої частоти. Для підсилювачів низької частоти (УНЧ) справедливо нерівність fв - fн>> fн. Частотний спектр (УНЧ) лежить в межах від десятків герц до десятків (сотень) кілогерц. У підсилювачах високої частоти посилення сигналу здійснюється в діапазоні частот, визначених нерівністю fв - fн <<fв.

По ширині смуги підсилюються частот виділяють виборчі підсилювачі, що підсилюють електричні сигнали у вузькій смузі частот fв / fн <1,1. З а межами цієї смуги посилення різко падає. Ці підсилювачі можуть використовуватися як на низьких, так і на високих частотах і виступають в якості своєрідних частотних фільтрів, що дозволяють виділити (або придушити) заданий діапазон частот електричних коливань. Вузька смуга частотного діапазону у багатьох випадках забезпечується застосуванням як навантаження таких підсилювачів одного або декількох коливальних (резонансних) контурів. У зв'язку з цим виборчі підсилювачі часто називають резонансними, або смуговими.

Широкосмугові підсилювачі, що підсилюють електричні сигнали в дуже широкому діапазоні частот fв / fн> 1000. Ці підсилювачі призначені для посилення сигналів в пристроях імпульсної зв'язку, радіолокації і телебачення. У багатьох випадках посилені сигнали відтворюються на екрані електронно-променевої трубки і реєструються візуально. Тому часто широкосмугові підсилювачі називають відеопідсилювачах. Крім свого основного призначення, ці підсилювачі з успіхом використовуються також у пристроях автоматики, та обчислювальної техніки.

За родом застосовуваних активних елементів підсилювачі діляться на транзисторні, магнітні, діодні, лампові, параметричні та ін В якості активних елементів в даний час в підсилювачах частіше використовуються польові або біполярні транзистори або інтегральні схеми. Широко застосовувалися раніше підсилювальні лампи в розробці нової підсилювальної апаратури практично не використовуються. Значно рідше, ніжтранзистори й інтегральні схеми, застосовуються активні елементи у вигляді нелінійних ємностей або індуктивностей і спеціальні типи напівпровідникових діодів.

Наведена класифікація розглядає підсилювальні пристрої з різних позицій. Тому для повної характеристики конкретного підсилювача необхідно знання всіх його основних ознак.

Зміст

[сховати]

· 1 Типи зворотного зв'язку

o 1.1 додатний (позитивний) та від'ємний (негативний) зворотний зв'язок:

o 1.2 жорсткий та гнучкий (elastic feedback) зворотний зв'язок:

o 1.3 загальний та місцевий зворотний зв'язок

· 2 Математичне формулювання

· 3 Література

· 4 Примітки

Типи зворотного зв'язку[ред. • ред. код]

За характером впливу розрізняють^[2]:

додатний (позитивний) та від'ємний (негативний) зворотний зв'язок:[ред. • ред. код]

· додатний зворотний зв'язок впливає на систему таким чином, що збільшує вихідний результат її функціонування. В теорії автоматичного управління додатний зворотний зв'язок реалізується шляхом передачі на вхід системи частини вихідного сигналу таким чином, що сигнал зворотного зв'язку збігається у фазі з вхідним сигналом, що є еквівалентним збільшенню вхідного сигналу. В окремих випадках додатний зв'язок може призводити до генерації в системі — коли будь-яка флуктуація в системі передається на її вхід і підсилюється, завдяки чому в системі виникають незатухаючі коливання.

· від'ємний зворотний зв'язок впливає на систему таким чином, що зменшує вихідний результат її функціонування. В теорії автоматичного управління від'ємний зворотний зв'язок реалізується шляхом передачі на вхід системи частини вихідного сигналу таким чином, що сигнал зворотного зв'язку знаходиться у протифазі з вхідним сигналом, що є еквівалентним зменшенню вхідного сигналу, що призводить до зниження коефіцієнта підсилення системи, але при цьому також підвищується стійкість системи та зменшується похибка та інерційність системи.

жорсткий та гнучкий (elastic feedback) зворотний зв'язок:[ред. • ред. код]

· жорсткий зворотний зв'язок діє в усталеному і перехідному режимах роботи системи.

· гнучкий зворотний зв'язок діє тільки у перехідному режимі роботи системи, несе інформацію про швидкість змін в системі. В теорії автоматичного управління реалізується додаванням в контур зворотного зв'язку диференцюючих елементів.

загальний та місцевий зворотний зв'язок[ред. • ред. код]

· загальний зворотний зв'язок формується за рахунок передачі результату функціонування всієї системи на її вхід.

· місцевий зворотний зв'язок формується за рахунок передачі результату функціонування окремої ланки системи на вхід цієї ланки.

Крім того, у САР розрізняють зовнішній зворотний зв'язок, який з'єднує вихід усієї системи з її входом, та внутрішній (місцевий), що з'єднує вихід окремого елемента або групи послідовно з'єднаних елементів з їх входом.

Математичне формулювання[ред. • ред. код]

Нехай вхідний сигнал u і вихідний сигнал U певного об'єкта (чорної скриньки) зв'язані лінійним співвідношенням

,

де k — коефіцієнт підсилення.

Якщо на вхід системи подати крім сигналу u ще й частково сигнал із виходу, так що загальний вхідний сигнал стане , де — певний коефіцієнт зворотного зв'язку, то отримаємо

.

У такому разі вихідний сигнал визначатиметься формулою

.

При додатних значеннях α вихідний сигнал посилюватиметься, але стабільність падатиме. При α = 1/k вихідний сигнал стане нескінченно великим (насправді в такому разі система вийде з лінійного режиму).

При від'ємних значеннях α підсилення зменшується й система стабілізується.

 

 

Л34

каскад предварительного усиления

назначением каскадов предварительного усиления является усиление тока или напряжения источника сигнала до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.

Для уменьшения числа каскадов предварительного усиления желательно, чтобы коэффициент усиления каждого каскада был наибольшим. Для уменьшения нелинейных искажений, как пишут в книгах, в предварительных усилителях наиболее часто используется режим А, поскольку с энергетической точки зрения это не вызывает затруднений, т. к. потребление мощности каскадами предварительного усиления даже в таком режиме незначительно.

Транзисторы в каскадах предварительного усиления обычно включают с общим эмиттером. Однако, если использовать включение с общей базой, искажений будет меньше.

Питание цепей транзистора осуществляется исходя из назначения, требуемой выходной мощности и пр. На рисунке 1 показаны простейшие схемы резистивных усилительных каскадов на биполярных транзисторах, включенных по схеме ОЭ.

 

Рис. 1 - Схемы подачи смещения в цепь база-эмиттер через резистор и делитель напряжения

Необходимое смещение можно подавать через резистор R_б (первый рисунок) или через делитель напряжения R_б1R_б2 (второй рисунок). Сопротивление R_б во много раз превышает сопротивление перехода база-эмиттер для постоянного тока, поэтому смещение через этот резистор называют смещением фиксированным током базы. Смещение с помощью делителя напряжения меньше изменяется при изменении температуры, старении, замене экземпляров транзисторов и называется смещением фиксированным напряжением база-эмиттер.

Усилительные каскады можно построить и с использованием полевых транзисторов, как показано на рисунке 2.

 

Рис. 2 - Схемы резистивных усилительных каскадов на полевом транзисторе с p-n-переходом, изолированным затвором и встроенным каналом, изолированным затвором и индуцированным каналом

Питание полевого транзистора осуществляется подачей напряжение между истоком и стоком и напряжения смещения на затвор относительно истока транзисторов с p-n-переходом или подложки транзисторов с изолированным затвором. В качестве напряжения смещения может быть использовано падение напряжения на резисторе в цепи истока (первая схема), или напряжение смещения, получаемое с помощью делителя (третья схема). Транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом могут работать без напряжения смещения (вторая схема).

 

 

Л-пр35
расчет режимов роботы каскада предварительного усиления

Схема транзисторного усилителя низкой частоты

 

Упрощенная схема каскада, выполненного на биполярном транзисторе типа р-n-р, включенного по схеме ОЭ, приведена на рисунке 1. На схеме обозначены: R1, R2 - резисторы входного делителя, обеспечивающего нужное смещение на базе транзистора, Rк, Rэ - соответственно коллекторный и эмиттерный ограничивающие резисторы, Rн - сопротивление нагрузки. В простейшем случае резисторы R2 и Rэ могут отсутствовать (R2= ∞, Rэ=0), Rг - внутреннее сопротивление источника сигнала (генератора). Свх, Ср - разделительные конденсаторы. Резистор Rэ и конденсатор Сэ образуют цепь отрицательной обратной связи по току эмиттера. Полагаем, что на вход (на базу транзистора) относительно общей точки подаётся синусоидальный входной сигнал с такой амплитудой, чтобы каскад работал в квазилинейном режиме и на нагрузке вы