Обучения специальности 7.092501)

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

 

С.П. Сус

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

"Электроника и микросхемотехника"

(для студентов дневной и заочной форм

Обучения специальности 7.092501)

 

 

Утверждено

на заседании кафедры

автоматизации

производственных процессов

Протокол №9 от 15.05.2007 г.

 

Краматорск 2007

УДК 621.38 (075.8)

 

Конспект лекций по дисциплине «Электроника микросхемотехника» для студентов дневной и заочной форм обучения специальности 7.092501 “Автоматизированное управление технологическими процессами” /Сост. С.П.Сус - Краматорск: ДГМА, 2007.- 112 с.

Рассмотрены элементная база, методика проектирования и схемотехника аналоговых, импульсных и цифровых электронных устройств. Весь материал разбит на три модуля в соответствии с учебной рабочей программой.

 

 

Составитель С.П. Сус, доц.

 

 

Ответственный за выпуск О.В. Субботин, доц.

СОДЕРЖАНИЕ

модуль 1. Элементная база ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ………6

1 Современные методы проектирования электронных устройств и пассивные элементы……………………………..6

1.1 Основные этапы проектирования электронных устройств и

параметры электрических сигналов……………………………………….6

1.2 Резисторы, варисторы и конденсаторы. Условное графическое

обозначение, виды, параметры и маркировка……………………………10

1.3 Катушки индуктивности, трансформаторы и электромеханические

элементы (переключатели, разъемы и т.д.)………………………………13

2 Полупроводниковые диоды………………………………………14

2.1 Принцип действия полупроводникового диода, его условное

обозначения, характеристики и параметры………………………………14

2.2 Математические модели диодов и их применение для анализа

электрических схем………………………………………………………..15

2.3 Разновидности полупроводниковых диодов, их классификация и

система обозначений………………………………………………………18

3 Биполярные транзисторы…………………………………………..20

3.1 Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

различного типа проводимости. Условные графические обозначения,

классификация и маркировка……………………………………………..20

3.2 Схемы включения биполярного транзистора………………………….22

3.3 Математические модели биполярного транзистора для различных

схем включения…………………………………………………………....23

3.4 h – параметры биполярного транзистора и его частотные свойства….24

4 Полевые транзисторы и приборы с отрицательным

сопротивлением………………………………………………………25

4.1 Устройство и принцип действия полевых транзисторов с p-n

переходом и с изолированным затвором…………………………………25

4.2 Схемы включения и математические модели полевых транзисторов...28

4.3 Тиристоры. Принцип действия, параметры и маркировка…………….28

4.4 Однопереходные транзисторы и туннельные диоды…………………..30

5 Полупроводниковые датчики и индикаторные

приборы……………………………………………………………………31

5.1 Полупроводниковые датчики температуры и усилия………………….31

5.2 Магнитно-полупроводниковые приборы……………………………….32

5.3 Источники и приёмники оптического излучения………………………33

5.4 Индикаторные приборы и их применения……………………………...40

МОДУЛЬ 2 Схемотехника аналоговых и импульсных электронных устройств………………………………………………40

6 Электронные усилители……………………………………………40

6.1 Назначения усилителей, их параметры и характеристики…………….40

6.2 Обратная связь в усилителях и её разновидности……………………...43

 

7 Усилительный каскад на биполярном транзисторе

по схеме с общим эмиттером…………………………………...46

7.1 Анализ работы усилительного каскада в режиме покоя……………….46

7.2 Эквивалентная схема замещения каскада. Расчет параметров

усиления…………………………………………………………………..48

8 Схемотехнические усилители каскадов на

биполярных и полевых транзисторов………………………..48

8.1 Усилительные каскады с общими коллектором и базой……………..48

8.2 Особенности применения полевых транзисторов усилительных

каскадов…………………………………………………………………...50

8.3 Пути повышения коэффициента усиления усилительных каскадов….51

9 Схемотехника Усилителей постоянного тока…………..52

9.1 Усилители постоянного тока на транзисторах с непосредственной

связью и особенности его проектирования……………………………..52

9.2 Дифференциальные каскады на полевых и биполярных

транзисторах………………………………………………………………53

10 Усилители мощности………………………………………………56

10.1 Общая характеристика и основные параметры……………………...56

10.2 Двухтактный усилитель……………………………………………...…58

11 Операционные усилители (ОУ)………………………………….59

11.1 Назначение, структура и основные характеристики операционного

усилителя………………………………………………………………...59

11.2 Схемотехника усилителей на ОУ……………………………………....60

12 Активные фильтры…………………………………………………...63

12.1 Общие математические описания и классификация фильтров.

Пассивные фильтры……………………………………………………..63

12.2 Схемотехника активных фильтров…………………………………….66

13 Работа полупроводниковых приборов в ключевом

режиме…………………………………………………………………...66

13.1 Ключевой режим………………………………………………………...66

14 Устройства преобразования сигналов……………………...68

14.1 Схемы положительных и отрицательных сигналов…………………..68

14.2 Схемотехника нелинейных преобразователей аналоговых

сигналов………………………………………………………………….69

15 Источники вторичного электропитания…………………...70

15.1 Структурные схемы……………………………………………………70

15.2 Однофазные выпрямители…………………………………………….70

16 Непрерывные стабилизаторы постоянного тока……….73

16.1 Общие положения……………………………………………………...73

16.2 Компенсационные стабилизаторы……………………………………75

17 Импульсные и ключевые регуляторы и

стабилизаторы постоянного напряжения……………….76

17.1 Основные требования ИР. Статические и динамические потери…..76

17.2 Режимы импульсного регулирования мощности и схемы

импульсных усилителей………………………………………………...78

17.3 Схемотехника ключевых стабилизаторов им методика их расчёта...80

18 Многофазовые выпрямители и сглаживающие

фильтры………………………………………………………………….82

18.1 Трёхфазные выпрямители и их схемотехника……………………….82

18.2 Сглаживающие фильтры и особенности работы выпрямителя

на ёмкостную нагрузку………………………………………………..84

18.3 Внешние характеристики и методика расчётов выпрямителя……...85

19 Электронные регуляторы переменного

напряжения…………………………………………………………….87

19.1 Способы изменения переменного напряжения………………………87

19.2 Схемотехника электронных регуляторов переменного напряжения.89

19.3 Энергетические характеристики вентильных преобразователей

и их влияние на питающую сеть……………………………………...91

20 ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ……………92

20.1 Схемы преобразователей………………………………………………92

20.2 Расчет преобразователей……………………………………………...94

МОДУЛЬ 3. Схемотехника цифровых электронных

устройств…………………………………………………………………...96

21 теоретические основы синтеза цифровых

устройств……………………………………………………………….96

21.1 Элементы алгебры логики……………………………………………..96

22 Комбинационные логические устройств………………….99

22.1 Синтез логических устройств…………………………………………99

22.2 Типовые комбинационные устройства……………………………...100

23 Последовательностные логические устройства……..102

23.1 Триггеры………………………………………………………………102

23.2 Регистры……………………………………………………………….104

23.3 Счетчики………………………………………………………………104

24 АНАЛОГО – ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО – АНАЛОГОВЫЕ СХЕМЫ…..106

24.1 Компаратор……………………………………………………………106

24.2 Интегральный таймер………………………………………………...106

24.3 Цифро – аналоговые преобразователи (ЦАП)……………………...109

24.4. Аналого – цифровые преобразователи (АЦП) …………………….111

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………...112

 

 

По функциональной схеме разрабатывается принципиальная схема, на которой указываются все элементы и все соединения. Её код Э3. Принципиальная схема обязательно должна иметь перечень элементов, буквенно-позиционные обозначения которых должны соответствовать обозначениям на функциональной схеме. Перечень элементов выполняется по соответствующей форме и может быть размещён над основной надписью на чертеже принципиальной схемы. Если нет места на чертеже, то перечень элементов выполняется в виде отдельного документа формата А4.

Для рассматриваемого примера схема электрическая принципиальная может иметь следующий вид (рис.1.3):

Рисунок 1.3 – Схема электрическая принципиальная подключения

электроплитки

Перечень элементов приведен в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Поз. обознач.	Наименование	Кол.	Примечание
FU1	Предохранитель (тип и ГОСТ)
R1	Нагревательный элемент (тип и ГОСТ)
S1	Тумблер (тип и ГОСТ)
TV1	Трансформатор (тип и ГОСТ)
Х1	Вилка ВД-1 ГОСТ 7.02565-95

 

Схемы электрические принципиальные при наладке могут быть смоделированы при помощи специальных моделирующих программ, например программы Electronics Workbench.

На схеме допускается показывать некоторые характеристики напряжения или тока. В электронных устройствах напряжение или ток заменяется термином электрический сигнал. Электрические сигналы делятся на непрерывные (аналоговые) и дискретные (импульсные).

Непрерывные электрические сигналы бывают гармоническими и несинусоидальными.

Пример непрерывного сигнала показан на рис. 1.4.

 

Рисунок 1.4 – Непрерывный электрический сигнал

 

 

Данный сигнал описывается выражением

 

.

Частота сигнала будет

.

Действующее значение сигнала

 

.

 

Среднее значение сигнала

.

 

Если сигнал несинусоидальный, то он представляется рядом Фурье, а его анализ выполняют по отдельным гармоникам.

Дискретные сигналы также могут иметь различную форму. Чаще всего в электронике используются импульсные сигналы прямоугольной формы.

На рис. 1.5 показан пример дискретного сигнала прямоугольной формы (последовательность прямоугольных импульсов).

 

 

t_и - длительность импульса;

t_п - длительность паузы;

T_И- период следования.

 

Рисунок 1.5 – Последовательность прямоугольных импульсов

 

Отношение периода следования к длительности импульса называется скважностью.

 

.

Величина, обратная скважности, называется коэффициентом заполнения

.

Среднее и действующее значения определяется по формулам:

 

,

 

.

 

В реальных прямоугольных импульсах изменения фронтов занимают определенное время. Кроме того, возникают искажения вершины импульса и появляется хвост импульса. Форма реального прямоугольного импульса представлена на рис. 1.6.

 

 

 

Рисунок 1.6 – Реальный прямоугольный импульс

 

 

Полупроводниковые диоды

 

Обратное включение

r_{диф(обратное)}

А К

 

i₀

r_{диф(прямое)} 0

r_{диф(обратное)} ¥

Пример образованный параметрами схемы графо-аналитическим методом.

R₁ VD1

Требуется определить

параметры диода.

E₁ Для определения

параметров необходимо иметь

ВАХ диода.

I

I_д=E₁ –U_д\R₁=-1\R_1*U_д+E₁\R₁

 

I_д

 

E₁\R₁

 

А

 

I_д

Линия нагрузки

 

U_д

 

U_R1

В - варикапы

И – туннельные и обращенные диоды

Ц - диоды столбы

3 и 4 элемент указывает на электрический параметр диода напряжение.

 

 

А К КД202Н, КВ902А.

 

 

В некоторых диодах маркировка осуществляется с помощью краски

 

 

А К

 

Маркированный участок

 

В зависимости от площади p-n перехода диоды могут делиться на низко частотные и импульсные, характеристика аналогична но область применения разная.

 

Литература: [1] (стр.18-34), (стр. 111-118). [2] (стр.8-52). [3] (стр. 86-111).

Биполярные транзисторы

Классификация и маркировка

Биполярные транзисторы предназначены для преобразования электрических сигналов.

Различных схем включения

Математическая модель – совокупность эквивалентной схемы и аналитических выражений для токов и напряжений.

 

 

Iэ I1 I2 Iк

 

Э К

 

Б

 

 

(1)

(2)

(3)
Из (1)

Из (2)

Для линейного режима работы эквивалентная схема транзистора упрощается.

 

ОБ

 

 

Э К

 

 

 

Б

 

 

ОЭ

 

 

 

 

Б К

 

 

Э

 

 

 

Свойства

4) Для расчёта цепей с транзисторами транзистор представляется в виде четырёхполюсника.

I1 I2

 

 

 

ОЭ

 

 

Литература: [1]– стр. 34-52. [2] - стр. 53-89. [3] - стр. 11-118

 

 

Приборы

Электронные усилители

 

Каскадов

Так как полевые транзисторы имеют очень большое собственное входное сопротивление, то они применяются в каскадах, где необходимо обеспечивать большое входное сопротивление: применяя схемы с общим истоком и общим стоком (по аналогии с биполярным транзистором). В схеме с общим затвором в усилителях не применяются.

Uзи =Ih*Rh

Rh – определяет положение рабочей точки.

Схема замещения каскада

S- крутизна «-» - меняется фаза

 

 

S* U_вх

U_вх

rк Rh

R₃ Rc

 

 

R_вх=R3 Ku = - U_вых \ U_вх= - S* U_вх*rk || Rc || Rh || \ rk + Rc + Rh \ U_вх

 

Транзисторах

Дифференциальные каскады могут строиться на биполярном либо полевом транзисторе.

Дифференциальный каскад состоит из двух одинаковых каскадов, которые соединены непосредственно.

 

 

Для схемы характерно то, что она должна быть полностью симметрична:

- схема имеет 2 входа, может использовать только 1 из входов;

- выходное напряжение снимается с коллекторов;

- рабочая точка транзисторов задаётся всеми резисторами, которые есть в схеме. Если изменить температуру, то для симметричной схемы будет одинаковые изменения токов коллекторов, то есть , при этом

=

1) -синфазный коэффициент усил.

2)

На каждом входе разные напряжения (дифференциальный сигнал)

Для стабилизации режима покоя необходимо увеличить величину .

создаёт стабилизацию режима покоя.

Для увеличения коэффициента транзистора можно применить составные транзистора:

1) =

2) =

Увеличить можно применив вместо них нелинейные элементы (транзисторы), застабилизировать режим покоя можно применив вместо генератор стабильного тока. Для упрощения схемы дифференциального каскада питают от двух источников.

Схема улучшения дифференциального усилителя

 

 

и - выполняют роль и (для двухполярного источника).

Дифференциальный усилитель используется для согласования с обычным усилителем, в этом случае входной сигнал подаётся только на один вход.

Усилители мощности

Двухтактный усилитель

 

Рабочая точка выбирается при токе базы = 0. Напряжение выбирается в сторону уменьшения.

 

 

Ik

1 Ikm

Ukm <=Ek

 

Ikm 2 A

Iб= 0

Uk2

Ek

 

η = π\4=0.785

 

 

Pо= 2Ikm*Ek\π P_H=Ikm*Ek\2

U_H

 

t

 

 

Искажения типа ступенька. Для устранения необходимо сместить рабочую точку

Не позволяет сделать прибор маленьким, т.к. трансформатор.

Бес трансформаторные усилители мощности могут быть собраны на транзисторах одного типа проводимости, так и двух.

 

+Ek

R1 R1’

C1 VT1

 

 

C3

 

 

C2

 

Rh

R2 R1 -Ek

 

 

Операционные усилители (ОУ)

Операционного усилителя

 

ОУ выполняется в интегральном исполнении и состоит из нескольких каскадов усиления.

 

К=F(f)

Uвых

К неинвер

 

Uвх

0 f

 

 

Параметры:

1)

2)

3) Ом

4) десятки Ом

Активные фильтры

Ключевой режим

При формировании импульсного напряжения (в цифровой и импульсной технике) активные элементы должны работать в ключевом режиме – то есть иметь 2 состояния «ОТКРЫТ» - «ЗАКРЫТ». Для идеального ключа сопротивление в открытом состоянии равно 0, а в закрытом - ∞.

В качестве электронных ключей используются диоды, биполярные транзисторы и операционные усилители.

Диодные ключи:

На выходе возникает напряжение только в случае открывания диода. Резистор R1 определяет величину тока.

Включенный последовательно с нагрузкой и выполняющий роль выключателя.

Для обеспечения ключевого режима необходимо выбрать величину тока базы

Выше точки 1 – транзистор открыт, и напряжение U_кэ≈0.

Ниже точки 2 – транзистор закрыт, и ток I_ко≈0.

 

Для обеспечения открытия транзистора необходимо подать на вход I_б от дополнительного источника.

S = (1.5…3) – коэффициент насыщения для границы открытия транзистора.

 

Вместо биполярного транзистора можно применить полевой любого вида.

В ключевом режиме рассеиваемая мощность минимальна, поскольку:

Р_кол=U_кол∙I_кол

В случае, когда транзистор открыт, напряжение U_к≈0.

В случае, когда транзистор закрыт, ток I_к≈0.

 

14 Устройства преобразования сигналов

 

Сигналов

К устройствам нелинейного преобразования относятся:

- усилители с изменяемым коэффициентом усиления

- ограничители уровня

- устройства запоминания линейного значения напряжения

Для получения изменения коэффициента усиления в цепи обратной связи применяются нелинейные элементы.

Логарифмический усилитель.

Диод VD1 – обеспечивает экспонентную зависимость коэффициента передачи этой схемы. Для того чтобы получить усилитель антилогарифмический диод и теристор

поменять местами.

Все ограничители строятся на элементах амплитудная характеристика которых имеет участок насыщения. Общие обозначения ограничителях на схемах.

 

 

- ограничитель последовательного типа применяется для формирования прямоугольного напряжения и синусоидально, а так же для изменения делительных фронтов и импульсов.

Диоды VD1 И VD2 ограничивают напряжения на выходе операционного усилителя (2 диаграммы).

 

 

 

Для того чтобы понизить время переключения схемы искусственно ограничить максимальное напряжение на выходе. Для понижения напряжения применяется ограничители цепи обратной связи.

 

Структурные схемы

Источники вторичного питания предназначены для питания электронных устройств от промышленной сети.

Есть 2 вида:

 

Без преобразования частоты питающей сети (трансформаторные)

 

 

С преобразованием частоты питающей сети (безтрансформаторные)

 

 

Основным является среднее значение напряжения на нагрузке U_н

Напряжение пульсации U_п.

Для проектирования источника должны быть известны параметры нагрузки.

Напряжение на нагрузке:

Характеристики

Нагрузочная (внешняя) U_н=f(R_н)

Регулировочная зависит от параметров регулирования.

Выпрямитель предназначен для получения однополярного напряжения из разнополярных.

Выпрямительным элементом может быть любой элемент.

 

Однофазные выпрямители

 

Однофазная двухполупериодная со средней точкой.

 

Uz

0

Uh0

VS1 VS1 VS1

VH2

П

A

1 _π U_2m

U_н2 = — ∫ =——(1+cosα)

π ^α π

Уравнение 1 – наз. регулировочная характеристика

U₂^I = U₂^II = U₂

U_{обр. V.S.m} = 2U_2m

α

I_пр.V.S = I_нm ž — < I_{пр. спр.}

Мощность вторичной обмотки тр-ра

S₂ = 2I₂U₂

Q=0.67

Т.к. через вторичную обмотку тр-ра протекает не ток, то коэффициент использования тр-ра не высокий.

Указанная схема применяется обычно при низких выпрямленных напр-ний. Расчет параметров вентилей необходимо выполнять для α=0.

Однофазная мостовая схема

Комбинация 2-х схем со средней точкой

 

VD3

VD1 Uc

 

 

VD2 VD4

 

В каждый полупериод последовательно с нагрузкой включены 2 вентиля противоположны плечах моста.

I_н

I_пр = —, U_обр=U_2m q=0,67

 

Особенности работы выпрямителей

α – угол задержки запирания тиристора

если α = ө, то будет непрерывный режим протекания нагрузки.

U_2m

U_нα = —— (cos α + cos ө)

π

Уравнение регулировано: характеристики для индуктивной нагрузки.

= ө

U_2m

U_нα = 2 —— cos α —непрерывный режим

π

 

`

 

L R

 

 

Параметры тиристора определяют так же, как выпрямителя, работающего на активной нагрузке.

В мостовой схеме max обрат. U на вентиле может достигать 2U_2m.

Если в мостовой схеме применяются 4 тиристора, то схема называется симметричной, если 2 тиристора и 2 диода – несимметричной.

Общие положения

 

Стабилизаторы предназначены для повышения качества выпрямленного напряжения или тока.

Делятся на стабилизаторы напряжения и стабилизаторы тока.

По способу включения стабилизирующего элемента бывают последовательные, параллельные и смешанные.

По способу регулирования делятся на непрерывные и ключевые.

Параметрическими называют стабилизаторы, в которых регулирование выходного напряжения осуществляется за счет изменения параметров регулирующего элемента. В качестве регулирующего элемента может быть использован любой нелинейный элемент.

 

Rд

+

R_H

U_вх I_a

 

 

_

 

 

 

U_ст

 

 

I_{ст min}

 

A

 

 

I_{ст max}

 

 

Дано: R_н; ∆R_н; U_н

1. Из справочника выбираем тип стабилитрона, для выбранного типа из справочника определяем:

δ_ст I_ст = (Ом А)

I_{ст. min}: I_{ст. max}

2. Рассчитываем величину сопротивления R_g.

Точка стабилизатора при любых условиях должно находится на участке стабилизации. Для этого определяем значения элементов для min и max типов стабилизации. Запишем уравнение работы стабилизатора для min и max режима:

U_{вх max} - U_ст

_{——————————} = R_g

U_ст

I_{ст. max} + ——

R_{н max}

 

U_{вх min} - U_ст

_{——————————} = R_g

U_ст

I_{ст. min} + ——

R_{н min}

 

3. Определяем min напряжение U_{вх min}

U_{вх min} ≥ U_{ст min}

U_{вх max} не больше ≈ 2 U_{вх min}

4. Рассчитываем величину сопротивления R_g, а после этого определяем из стандартного ряда сопротивление

5. После выбора R_g необходимо проверить min и max значения токов в стабилизаторах. Для установки сопротивления необходимо мощность рассеяния.

Коэффициент стабилизации

∆U_вх / U_вх

К_ст = —————; К_ст = 10…50

∆U_вых / U_вых

Для повышения К_ст применяют более сложные схемы стабилизаторов.

Если стабилизатор питается от емкостного фильтра, то на выходе такого фильтра при номинальной нагрузке необходимо получить U_{вх min} меняя емкость конденсатора.

 

Импульсных усилителей

Есть 3 режима: I режим (изменится длительность)

Uн

 

 

 

0 t

II режим (изменятся параметры двух полярных импульсов)

 

Uн

 

 

t

 

III режим (имеются участки, где U=0)

Uн

 

 

T

 

Реализация режимов импульсного регулирования осуществляется при помощи импульсных усилителей. Импульсные усилители напоминают выходные каскады усилителей мощности.

Схемы:

1. последовательные включения двух транзисторов.

 

A+

 

VT1

 

VD1

Rн

 

Uвх Lн

 

С

 

VT2

 

VD2

 

В-

 

VD1 для защиты транзистора от пробоя.

2. мостовая схема

+Uн

 

 

VT1 VT3

VD3

VD1

Rн Lн Uвх2

Uвх1

 

VT2

VD2 VD4

 

 

VT4

 

Квыпр C1

 

VD1 R3

U0=const

 

 

R1 и VD1 – параметрический стабилизатор.

DA1 – усилитель без обратной связи.

UR3=Uo мом.

VD2 – закарачивающий диод.