Эквивалентные схемы четырехполюсников

Пассивный четырехполюсник состоит из индуктивностей, емкостей, резисторов.

Затухание четырехполюсника - величина, характеризующая уменьшение напряжения U, тока I или мощности P = I * U при передаче через четырехполюсник. Затухание измеряется в децибелах: Затухание в четырехполюснике зависит от сопротивления генератора и нагрузки. Активный четырехполюсник передает в нагрузку мощность, большую поступающей в него; состоит из источников э.д.с., электронных усилительных ламп, транзисторов. Коэффициент усиления - отношение величины напряжения, тока или мощности на выходе четырехполюсника к соответствующей величине на входе. Усиление зависит от сопротивления генератора и нагрузки.
8. Избирательные схемы и их характеристики. Фильтры нижних, верхних частот, полосовой и режекторный. Понятие о пьезоэлектрических, электромеханических фильтрах, эквивалентные схемы.

Избирательные RC – схемы. Представляют собой обычные усилители, охваченные частотно-зависимой RC-цепочкой обратной связи. При частотно-зависимой положительной ОС схемы служат для получения незатухающих гармонических колебаний и формируют RC-генераторы. При частотно-зависимой отрицательной ОС эти схемы способны усиливать напряжение в узком диапазоне частот и называются избирательными RC-усилителями. Избирательные RC-схемы предназначены для работы в диапазоне ультразвуковых, звуковых и дозвуковых частот. Эти схемы предподчтительнее по стоимости, весу и габаритам, чем LC-схемы. Избирательные LC – схемы. К избирательным LC-схемам относятся резонансные и полосовые усилители, автогенераторы высокочастотных колебаний и некоторые другие схемы. Особенностью таких цепей является то, что нагрузка транзисторов обладает частотно-зависимыми свойствами. Как правило, в качестве нагрузки выступает одиночный колебательный контур (или система связанных контуров), работающий на резонансной частоте. Резонансным усилителем называют усилитель, нагрузкой которого является резонансный контур, настроенный на частоту усиливаемого сигнала. Для настройки таких контуров используют переменные реактивные сопротивления.

Избирательный высокочастотный усилитель предназначен для выделения из действующего на входе множества сигналов группы сигналов с близкими частотами. К данным усилителям предъявляются требования: большое усиление на частоте резонанса; высокая избирательность; высокая стабильность; малый уровень шумов, вносимых усилителем; удобство управления.

Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

R

C

Uвх

Uвых

R

C

Uвх

Uвых

При построении фильтров практически всегда используется RC-цепочки двух видов:

 

фильтр низких частот (НЧ) фильтр высоких частот (ВЧ)

Полосовые(ПФ) и режекторные(РФ) выполняются на базе катушек (LC-фильтры). В отдельных случаях применяются электромеханические фильтры, которые относятся к полосовым и имеют резонансную частоту, равную собственной частоте механических колебаний.

Режекторный фильтр — электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания некоторой определённой полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы.

Электромеханические фильтры изготавливаются многодисковыми для расширения полосы пропускания и увеличения избирательности, так как простейший однодисковый фильтр является узкополосным. Применяя различное количество дисков, можно изменять крутизну характеристики затухания. Электромеханические фильтры работают без согласующих контуров, практически не искажаются работой системы АРУ Электромеханические фильтры обладают очень высокой избирательностью. Их недостатком является, однако, пониженная надежность работы системы в случае слишком большой селективности фильтров. Кроме того, для обеспечения временной стабильности характеристик эти фильтры должны быть тщательно изготовлены. Пьезоэлектрические фильтры (ПЭФ) относятся к приборам селекции и служат для выделения (подавления) определенного спектра колебаний.

9.Активные RC-фильтры. Основные определения и схемы активных фильтров.

В активных фильтрах, или фильтрах с обратными связями, используется параллельное соединение и другие виды соединений четырехполюсников. Четырехполюсник, по которому сигнал проходит с входа на выход, является неселективной цепью с коэффициентом передачи, не зависящим от частоты. В качестве такого четырехполюсника часто используют операционный усилитель. Четырехполюсник обратной связи обычно содержит селективную цепь. Активный фильтр нижних частот 1-го порядка c RC -цепью обратной связи показан на рис.2.4. Получим передаточную функцию этого фильтра. Обозначим Z₁=R₁ и эквивалентное сопротивление R_2-C₁ цепи Z₂=R₂/ (1+jwC₁R₂). Сопротивления Z₁ и Z₂ - это элементы цепи параллельной отрицательной обратной связи по напряжению. Будем считать, что ток утечки между точкой N и землей отсутствует, а входное сопротивление усилителя бесконечно велико. Тогда ток входного сигнала будет протекать только через элементы цепи обратной связи Z₁ и Z₂, т. е. Если учесть, что то передаточная функция такого фильтра будет иметь вид:

Если собственный коэффициент усиления велик K >>1, то потенциал точки N близок к нулю, и передаточная функция фильтра будет определяться только значениями элементов Z₁ и Z₂ цепи обратной связи:

C

R2

R1

Uвх

Uвх

Рис. 2.4. Активный фильтр нижних частот 1-го порядка.

2.1

где K₀ = - R₂ /R₁, a ₁= w_сR₂C₁.

Для расчета схемы необходимо задать ча­стоту среза w_с, коэффициент передачи постоянного сигнала K₀ = - R₂ /R₁ (для этой схемы он должен быть задан со знаком минус) и ем­кость конденсатора С₁. Приравняв коэф­фициенты полученной передаточной функ­ции коэффициентам выражения (2.1), получим: R ₂= a ₁ /w_cC₁, R ₁= - R ₂ / K₀.

C

R2

R1

Uвых

Uвх

Рис. 2.5. Активный фильтр верхних частот 1-го порядка.

Чтобы получить передаточную функцию фильтра верхних ча­стот первого порядка, необходимо в выражении (2.1) вели­чину p заменить на 1 /p. Тогда

Особенности анализа сигналов в нелинейных цепях. Описание характеристик нелинейных элементов точными и приближёнными (аппроксимирующими) функциями. Аппроксимация характеристик степенными полиномами и кусочно-линейными функциями.

Цепь считается нелинейной, если параметры ее элементов за­висят от токов и напряжений. Такими являются цепи, содержа­щие элементы сопротивления с нелинейными вольт-амперными характеристиками, элементы емкости с нелинейными вольт-кулонными характеристиками и элементы индуктивности с нелинейными ампер-веберными характеристиками, а также реальные радио­электронные цепи с диодами, транзисторами, с резисторами и конденсаторами в виде p-n -перехода. Нелинейный элемент (НЭ) обеспечивает обогащение спектра входного сигнала. В составе этого спектра содержатся составляющие, необходимые для выполнения реализуемого преобразования. Выделение необходимых составляющих осуществляется фильтрующей цепью с необходимой частотной характеристикой. Наиболее широко распространены способы представления нелинейных ВАХ в виде полиномов или линейно-ломаных отрезков. Полиноминальная аппроксимация используется обычно при достаточно малых изменениях входного напряжения в окрестности рабочей точки, а линейно-ломаная - при больших. Рассмотрим аппроксимацию в виде степенного полинома на примере биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Аппроксимациястепенным полиномом

Для транзистора: I – ток коллектора, U - напряжение на базе:

 

; ; .

 

При заданной форме вольт-амперной характеристики коэффициенты определяются положением рабочей точки на характеристике Степень полинома, которой можно ограничить аппроксимирующую функцию, зависит от положения рабочей точки и величины входного напряжения. Метод кусочно-линейной аппроксимации основан на представлении характеристики нелинейного элемента отрезками прямых линий, в результате чего нелинейная цепь может быть описана линейными уравнениями с постоянными (в пределах каждого отрезка) коэффициентами. При наличии в цепи двух и более нелинейных резисторов реализация метода затруднена, так как в общем случае изначально неизвестно, на каких участках ломаных кривых находятся рабочие точки.
11. Обогащение спектра сигнала на выходе нелинейного элемента. Режимы преобразования сигнала: умножение частоты; усиление; амплитудная модуляция, детектирование, выпрямление, преобразование «вверх» и «вниз».

Основные свойства нелинейных цепей: не удовлетворяют принципу суперпозиции и обогащают спектр сигнала. Вследствие этого на выходе возможно получение спектральных компонентов, отсутствующих во входном сигнале, т.е. могут быть выполнены такие процессы обработки сигналов, как модуляция, детектирование, выпрямление, умножение частоты, преобразование частоты, и т.д. Как правило, радиотехнические устройства, реализующие перечисленные выше процессы, состоят из нелинейного элемента и линейной фильтрующей цепи. Нелинейный элемент (НЭ) обеспечивает обогащение спектра входного сигнала. В составе этого спектра содержатся составляющие, необходимые для выполнения реализуемого преобразования. Выделение необходимых составляющих осуществляется фильтрующей цепью с необходимой частотной характеристикой.

Амплитудная модуляция. Модуляция есть процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания под воздействием относительно низкочастотного управляющего модулирующего сигнала. В результате спектр управляющего сигнала переносится в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна. Передаваемая информация заложена в управляющем сигнале. Роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Вкачестве несущего могут быть использованы колебания различной формы(прямоугольные, треугольные и т.д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазоваяи др.).Сигнал с амплитудной модуляцией (АМ) и гармоническим несущим колебанием записывается в вид -- модулирующий (управляющий) сигнал, - несущая, k – коэффициент пропорциональности.

Умножение частоты Наличие в составе тока усилителя, работающего в нелинейном режиме, гармоник, кратных основной частоте возбуждения, позволяет использовать его в качестве умножителя частоты. Для этого необходимо настроить нагрузочный колебательный контур на частоту выделяемой гармоники.

Детектированием называется такой процесс преобразования сигнала, в результате которого появляется НЧ составляющая, обусловленная сигналом модуляции и выделяемая фильтром низких частот (ФНЧ). В идеале воспроизводится Ei(t). Выпрямление есть частный случай детектирования, когда из спектра преобразованного сигнала выделяется только постоянная составляющая (нулевая гармоника), и на выходе получается постоянное напряжение или ток. Для выпрямления в качестве E(t) целесообразно использовать немодулированное колебание с постоянной амплитудой, т.е. когда E\(t) = E\.Выпрямление можно рассматривать, как детектирование немодулированного сигнала. С другой стороны детектирование AM колебания есть не что иное, как выпрямление ВЧ сигнала с медленно меняющейся амплитудой E\(t).

12.Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода. Классификация полупроводниковых приборов. Полупроводниковые диоды и их вольт-амперные характеристики.

Полупроводниками в физике принято называть материалы с удельным сопротивлением ρ = 10³ – 10⁹ Ом⋅см. Полупроводники имеют собственную электропроводность, которая называется примесной при внесении примеси. Образование электронно- дырочного перехода вблизи границы, разделяющей области полупроводника с различным типом электропроводности, обусловлено следующими явлениями. Диффузия основных носителей p- и n-областей в противоположную область приводит к возникновению вблизи границы объемных электрических зарядов – положительного в n-области и отрицательного в p-области. Эти заряды обусловлены появлением неском-пенсированных ионизированных атомов донорной примеси (положительные неподвижные заряды) в n-области и нескомпенсированных ионизированных атомов акцепторной примеси (отрицательные непод-вижные заряды) в p-области. Между нескомпенсированными зарядами в n- и p-областях возникает электрическое поле напряженностью E, называемое внутренним, и контактная разность потенциалов: . Электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через переход, при этом возникает потенциальный энергетический барьер для основных носителей величиной . Вектор напряженности внутреннего электрического поля в p-n-переходе направлен от n-области к p-области. Поэтому возникшее электрическое поле вызывает дрейфовый перенос носителей из области, где они являются неосновными, в ту область, где они становятся основными носителями. Электроны дрейфуют из p-области в n-область, а дырки наоборот. Дрейфовый ток имеет направление, встречное диффузионному. При отсутствии внешних воздействий на переход устанавливается состояние динамического равновесия, при котором суммарный ток через переход равен нулю. Ширина перехода δ определяется следующим выражением:

Полупроводниковые приборы разделяют по их функциональному назначению, а также по количеству электронно-дырочных переходов. Беспереходные: терморезисторы, позисторы, варисторы, фоторезисторы; с одним p-n переходом: выпрями-тельные, стабилитроны, варикапы, светодиоды; с двумя и более p-n переходами: биполярные транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры, фототранзисторы; интегральные микросхемы: полупроводниковые, гибридные. Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется ВАХ диода. Уравнение называют теоретической, или идеализированной, ВАХ диода. В нем не учтено последовательное сопротивление потерь диода, т.е. суммарное эквивалентное активное сопротивление кристалла, омических контактов и выводов диода.

С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид

На рис. изображены реальная ВАХ (сплошная линия) и теоретическая ВАХ (пунктирная линия). Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ выполнены в различном масштабе. Прямая ветвь реальной ВАХ, сдвинута в сторону больших значений прямых напряжений при Iпр = const. Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в тепловой генерацией носителей заряда в обедненном слое. С ростом обратного напряжения U обр ширина δ, а значит, и объем обедненного слоя растет, что приводит к росту числа процессов термогенерации электронно-дырочных пар, которые полем обратновключенного перехода выносятся из области перехода, увеличивая обратный ток. Поэтому Iобр не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом U обр.

13. Устройство и принцип действия биполярного транзистора БТ, Классификация, ре­жимы работы БТ, Коэффициент передачи по току.

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явле­ниями инжекции и экстракции носителей заряда. Два взаимодействующих электронно-ды­рочных перехода имеются в полупроводниковых структурах, содержащих три области полу­проводника с чередующимся типом проводимости. На рис. 4.1, а, б показано устройство и УГО БТ со структурой р-n-р- и n-р-n-типа соответственно. Принцип их действия одинаков, различие заключается только в полярности подключения источников внешнего напряжения и в направлении протекания токов через электроды.

Одну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее, ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмит­тером. Промежуточную область называют ба­зой, а другую крайнюю область – коллекто­ром. Коллекторная область предназначена для экстракции инжектированных в базу носителей заряда. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным. Чтобы переходы транзистора были взаимодействующими, ширина базы должна быть много меньше диффузионной длины неосновных носителей базы. Для повыше­ния эффективности экстракции носителей в коллектор площадь поперечного сечения коллек­торного перехода должна быть много больше площади поперечного сечения эмиттерного пе­рехода. Режимы работы БТ отличаются включением двух его переходов, каждый из которых может быть открыт или закрыт. Поэтому различают следующие режимы работы транзистора. В активном режиме эмиттерный переход включен прямо (открыт), коллекторный – обратно (закрыт). Данный режим является основным, поскольку области БТ выполняют собственные функции. В нем транзистор работает в усилительных устройствах. В режиме отсечки оба перехода БТ включены обратно, их сопротивления велики, токи малы, а напряжения на них определяются напряжением внешних источников. В режиме насыщения оба перехода БТ включены прямо, их сопротивления малы, токи велики, а напряжения на них малы. В им­пульсных устройствах под действием входного сигнала БТ переключается из режима отсечки в режим насыщения и обратно, очень быстро минуя при этом активный режим работы. В ин­версном режиме коллекторный переход включен прямо, эмиттерный обратно. Коллектор при этом выполняет функции эмиттера, а эмиттер – функции коллектора. Поскольку структура БТ в общем случае не является полностью симметричной, то эффективность работы в данном ре­жиме оказывается хуже, чем в активном. Поэтому данный режим работы на практике не ис­пользуется. Классификация биполярных транзисторов. По мощности, рассеиваемой кол­лектором, транзисторы бывают: малой мощности P к max ≤ 0,3 Вт; средней мощности 0,3 Вт < Р к max ≤ 1,5 Вт; большой мощности P к max > 1,5 Вт. По частотному диапазону в зависимо­сти от граничной или максимальной рабочей частоты транзисторы делятся на низкочастотные fгр ≤ 3 МГц; средней частоты 3 МГц < fгр ≤ 30 МГц; высокочастотные 30 Мгц < f гр ≤ 300 МГц; сверхвысокочастотные fгр > 300 МГц. Эффективность передачи электрических сигналов со входа на выход оптрона определяется коэффициентом передачи по току Ki, т.е. отношением тока на выходе оптрона Iвых к вызвавшему его входному току Iвх: для статического режима Ki = Iвых/Iвх; для динамического режима Kiд = dIвых/dIвх.

 

14. Схемы включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выход­ной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 4.2 показаны полярности подключе­ния внешних источников напряжения и направления протекания токов транзистора, соответ­ствующие активному ре­жиму работы, для трех схем включения. Для схем с ОЭ и ОК смена включения пере­ходов, а значит, и режимов работы БТ происходит как при изменении абсолютных значений источников напряжения, так и при смене полярности их подключе­ния. Рассмотрим принцип действия БТ р-n-р-типа в активном режиме, включенного с ОБ. При увеличении прямого напряжения Uэб на эмиттерном переходе снижается его потенциальный барьер, что вызывает рост инжекции дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер. Поскольку концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации при-меси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы), то инжекция дырок из эмиттера в базу доминирует над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Через эмиттерный переход протекает ток инжекции, имею­щий две составляющие: дырочную I эр и электронную I эn. Процесс инжекции характеризу­ется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) γ = I эр/ (I эр + I эn), показывающим, какую долю от полного тока эмиттера составляет ток инжектированных в базу носителей. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу возрастает их концентра­ция вблизи эмиттерного перехода. Это приводит к диффузионному движению дырок через базу к коллекторному переходу. Поскольку ширина базы значительно меньше диффузионной длины дырок, то незначительная их часть рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы I б рек. Процесс пере­носа неосновных носителей через базу характеризуется коэффициентом переноса ε = I кр/I эр, где I кр – ток, образованный дырками, дошедшими до коллекторного перехода в об-ласти базы. Дырки, подошедшие к обратновключенному коллекторному переходу, попада-ют в его ускоряющее поле и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора I к упр. Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией атомов полупроводника и лавинным умножением носителей заряда в коллекторном пере-ходе. Кроме управляемого тока коллектора I к упр через коллекторный переход протекает об­ратный неуправляемый ток I кб0, обусловленный экстракцией собст- венных неосновных но­сителей базы (дырок) и коллектора (электронов). Поэтому для полного тока коллектора справедливо выражение Iк = αIэ+Iкб0. Обратный ток коллекторного перехода Iкб0 совпадает по направлению с управляемым током коллектора, а в цепи базы Iкб0 противоположен току рекомбинации, поэтому полный ток базы определяется разностью Iб = Iб рек – I кб0. Согласно закону Кирхгофа для токов можно записать выражение, связывающее токи всех трех выводов БТ: I э = I k + Iб, которое называют внутренним уравнением транзистора. В транзисторе, включенном по схеме с ОБ, отсутствует усиление по току (1 < α), но происхо­дит усиление входного сигнала по мощности. В ак­тивном режиме токи коллектора и эмиттера практически равны, а незначительный ток базы равен их разности.

15. Система H-параметров и статические ВАХ транзистора в схеме с ОЭ. Транзистор в активном режиме работы описывается различными системами дифференциальных параметров, которые рассматриваются как линейные, а сам транзистор является в этом случае линейным четырехполюсником. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U_2.

Взаимосвязь между входными и выходными напряжениями и токами линейного четырехполюсника выражается различными системами параметров, в частности наиболее часто используются три системы: Z-;Y-; и H- параметры.

Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх. Uвх = h₁₁I_вх + h₁₂U_вых; I_вых = h₂₁I_вх + h₂₂U_вых.

Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Статическими ВАХ называются зависимости между входными и выходными токами и напряжениями транзистора при отсутствии нагрузки. Каждая из схем включения транзистора характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

1. Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянстве напряжения на выходе;

2. Выходные характеристики – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном значении входного тока

3. Характеристика обратной связи по напряжению

4. Характеристика передачи по току