Полевой транзистор c затвором в виде p-n перехода

Полупроводник p типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.«p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.

Полупроводник n типа

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

P-n переход

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n-областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

Вид пробоевв p-n переходе

Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя.

В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.

Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.

Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.

5. Выпрямительные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, имеющий один p-n-переход и два внешних вывода, действие которого основано на том или ином свойстве p-n-перехода.

Выпрямительный диод работает на вентильном свойстве (свойстве односторонней проводимости) p-n-перехода, предназначен для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительного диода — это работа p-n-перехода в прямом и обратном направлении. Остановимся на этом несколько подробнее. Если имеем кристалл полупроводника, одна часть которого имеет p-проводимость, другая – n проводимость, то на границе происходит диффузия основных носителей заряда, т.е. дырок из p-области и электронов из n-области. В результате диффузии на границе p-области образуется отрицательный пространственный заряд, n-области – положительный пространственный заряд. Другими словами, на границе полупроводников с разной проводимостью образуется область, лишенная основных носителей заряда. Эта область иназывается p-n-переходом

Выпрямительный диод — это диод, принцип действия которого основан на свойстве односторонней проводимости p-n-перехода, т. е. на его способности проводить ток только в прямом направлении. Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в постоянный — выпрямления. Так как выпрямительные диоды наиболее распространены, то на схеме они обозначаются общим обозначением диода.

Стабилитрон

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на явлении электрического пробоя p-n-перехода. При электрическом пробое обратное напряжение на диоде практически не зависит от протекающего через него тока. Это явление используется для стабилизации напряжения (поддержания напряжения на неизменном уровне) в цепях постоянного тока. Стабилитрон включается в обратном направлении, параллельно с нагрузкой (цепью в котрой напряжение должно быть неизменным). Для исключения теплового пробоя стабилитроны как правило включают через токоограничительный (балластный) резистор.

Светодиод

Светодиод – полупроводниковый диод, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическую. Известно, что при пропускании прямого тока через p-n-переход учащаются акты рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону. Это сопровождается излучением кванта энергии. При определенном подборе материала, из которого изготавливается диод, излучаемая оптическая энергия может находиться в видимой части спектра. Исходным материалом для изготовления светодиода служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделенной в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения приходится порядка 10-20 %, поэтому кпд светодиода не велик. Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов. Конструкция диода обеспечивает передачу света от p-nперехода без значительных потерь в теле полупроводника. Светодиод работает при подаче напряжения в прямом направлении. Схема включения, ВАХ и условное обозначение светодиода показаны на рис 1.5.

Фотодиод

Это полупроводниковые приборы, с p–n–переходом, в которых под действием лучистой энергии в области p появляются дополнительные носители электричества дырки а в области n – электроны На рис. 1.4.1 показаны две схемы включения ФД:

а – фотогенерации (солнечной батареи), б – фотопреобразования.

Наибольший КПД солнечных батарей (до 20 %) удается получить, используя кремниевые ФД. Удельная выходная мощность солнечных батарей достигает кВт/м2. Вольт – амперные характеристики ФД в режиме фотогенератора и фотопреобразователя представлены на рис.1.4.1в,г (германиевый ФД). Чувствительность ФД (мА/лм): селеновые 0,3 – 0,75, кремниевые – 3, сернистосеребряные 10 – 15, германиевые – до 20.

Спектральные и частотные характеристики ФД зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые имеют спектральную характеристику, близкую к спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза. Поэтому их широко применяют в фото– и кинотехнике. ФД на основе германия и арсенида галлия могут работать при модуляции света в сотни МГц. Существенным недостатком ФД является зависимость их параметров от температуры. По сравнению с фоторезисторами ФД имеют большее быстродействие, но меньшую чувствительность.

 

Оптоэлектронная пара

Оптоэлектроника – это самостоятельная область электроникии микроэлектроники. Оптоэлектронные устройства используютсядля генерации, преобразования, запоминания и храненияинформации.

Основной элемент оптоэлектроники – оптрон (оптопара).Это электронный прибор, в одном корпусе которого заключеныисточник лучистой энергии, оптический канал и приемник лучистойэнергии. Следует заметить, есть оптроны с открытым оптическимканалом.

Передача информации с помощью оптронов обеспечивает высокуюпомехозащищенность, быстродействие (0...100 МГц),гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптроныхорошо согласуются с цифровыми индикаторными микросхемами.В оптронах в качестве источника излучения обычноиспользуются арсенид – галлиевые СИДы и фотоприемники наоснове кремния, так как они хорошо согласуются по спектральнымхарактеристикам. Это обеспечивает оптимальную передачу сигналас входа оптрона на выход.В качестве фотоприемников в оптронах используются всевышеописанные фотопринимающие приборы.

Различные типы оптронов приведены на рис.1.4.5: а – резисторный, б – диодный, в– транзисторный (биполярный), г – транзисторный (полевой), д –динисторный, е – тиристорный и т.д.

Тунельный диод

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, использующий туннельный эффект для переноса носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Это высокочастотный прибор, применяется как маломощный генератор и усилитель высоких частот, находит применение в ключевых схемах автоматики. Изготавливаются эти приборы из германия и арсенида галлия. Как следует и рис. 1.6, а) односторонняя проводимость у диода полностью отсутствует. При отрицательном напряжении ВАХ линейна, проходит через начало координат и несколько «прижата» к оси ординат. В прямой ветви характеристики наблюдается падающий участок, которому соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление (участок ab) и причиной которого является туннельный эффект – эффект прохождения носителей заряда через туннели в p-n-переходе без преодоления потенциального барьера. Пояснить ВАХ можно следующим образом. В туннельном диоде концентрация примесей очень высокая, за счет этого ширина p-n-перехода чрезвычайно мала и доходит до сотых долей микрона, в результате чего расстояние между ионами доноров (n-полупроводник) и ионами акцепторов (p-полупроводник) становится меньше, чем расстояние между ионами только доноров и ионами только акцепторов. В результате электрическое поле в p-n-переходе крайне неравномерно и напряженность поля велика. Максимум напряженности достигается на участках перехода донор-акцептор, минимум напряженности – в пространстве между узлами кристаллической решетки. Именно там и образуются туннели, в которых напряженность близка к нулю, и носители зарядов могут через туннели свободно проходить из «p» области в «n» и наоборот. Приотсутствии внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. При подаче малого напряжения (участок 0 а) под действием внешнего поля устанавливается чисто туннельный ток основных носителей. В точке a происходит насыщение туннелей, и дальнейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока (участок ab).

Тиристор

Тиристоры широко применяются при создании управляемых выпрямителей, инверторов, как ключевые элементы в различных устройствах автоматики и регулирования. Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор p–n–p–n, т.е. прибор с тремя p–n–переходами (рис.1.8). Наружный слой р1 является анодом А, а наружный слой n2–катодом К. К промежуточному слою р2 подведен управляющий электрод У. Тиристор – это полупроводниковый вентиль ключевого типа. Он имеет два рабочих состояния: “включено”, когда его сопротивление может быть принято равным нулю, и “выключено”, когда его прямое сопротивление принимается равным бесконечности. Поэтому он называется прибором ключевого типа. Тиристор приводится в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса тока положительной полярности, когда к его аноду приложено положительное напряжение. Время включения тиристора в зависимости от его типа составляет от 1 до 25 мкс. После включения тиристора импульс управления можно снять, вентиль остается в открытом состоянии. Открытый тиристор становится неуправляемым по цепи управления, и выключить его, подняв минус на управляющий электрод, нельзя. Для прекращения состояния проводимости тиристора необходимо снизить напряжение источника анодного питания практически до нуля. Время выключения составляет от 10 до 250 мкс.

Построение выполнено для трех значений тока управленияIу1>Iу= 0. Обратная ветвь вольт–амперной характеристики тиристорааналогична обратной ветви вольт–амперной характеристикиполупроводникового диода и не зависит от тока управления Iу. Припрямом анодном напряжении Uпр вольт–амперная характеристикаимеет две резко отличающиеся области. Одна из них соответствуетзапертому состоянию тиристора (горизонтальный участокхарактеристики), в котором его анодный ток очень мал (измеряетсяединицами или долями миллиампера), из за чего все напряжениеисточника анодного питания оказывается приложенным междукатодом и анодом тиристора. Вторая область прямой ветки вольт–амперной характеристики соответствует открытому состояниютиристора (вертикальный участок характеристики).

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, который содержит два близко расположенных p-n-перехода и имеет три вывода. Биполярный транзистор служит для усиления слабых электрических сигналов, то есть для управления сопротивлением в мощной электрической сети с помощью слабого электрического сигнала.

Выходной ток биполярного транзистора создаётся носителями заряда обоих знаков. На схеме транзисторы обозначается буквами VT, V означает полупроводниковый прибор, T - транзистор. Выводы транзистора и соответствующие им области называют эмиттер, коллектор и база. Эмиттер содержит большое число примесей и является источником носителей заряда, весь выходной ток транзистора создаётся носителями заряда эмиттера. Коллектор — это область с тем же типом проводимости, что и эмиттер, однако концентрация примесей в ней значительно меньше. Коллектор является приёмником носителей заряда из эмиттера. База — это узкая область между эмиттером и коллектором, ширина которой меньше длины свободного пробега носителей заряда, благодаря чему носители заряда могут переходить из эмиттера в коллектор.

Ток базы значительном (на один-два порядка) меньше тока эмиттера, ток коллектора примерно равен току эмиттера. В соответствии с первым законом Кирхгофа для токов можно записать

I э=Iк+ I б.

Биполярный транзистор содержит два p-n-перехода — эмиттерный переход (между базой и эмиттером) и коллекторный переход (между коллектором и базой). В большинстве случаев эмиттерный переход включают в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Как видно из, биполярный транзистор содержит два p-n-перехода — эмиттерный, между базой и эмиттером, и коллекторный, между базой и коллектором. Во всех усилительных схемах эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном, что соответствует полярности, показаннойна рисунке. Транзисторы p-n-p и n-p-n структуры работают аналогично, отличие только в полярности подводимого напряжения. Направление стрелки, обозначающей эмиттер, соответствует направлению протекающих в открытом стоянии транзистора токов. Принцип работы транзисторов обоих типов аналогичны. Так как эмиттер содержит наибольшее количество примесей, то считают, что выходной ток транзистора создаётся носителями заряда эмиттера

 

Схемы включения транзистора

Так как транзистор имеет три вывода, то возможно три схемы его включения:схема с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Общим является тот электрод, который является общим для входной (управляющей) цепи и выходной (управляемой). Независимо от схемы, ток выходной цепи определяется сигналом во входной цепи.

Статические характеристики

Статические характеристики устанавливают связь междутоками транзистора и напряжениями на его электродах. Различают следующие основные вольт-амперныехарактеристики транзистора:

1. Входная - зависимость входного тока от входного напряжения припостоянном значении выходного напряжения.

2. Выходная - зависимость выходного тока от выходногонапряжения при постоянном значении входного тока.

3. Проходная - зависимость выходного тока от входного тока припостоянном значении выходного напряжения.

В качестве примера на рис. 1.2.4 и 1.2.5 представлены вольт- амперные характеристики биполярноготранзистора, включенногопо схеме с общим эмиттером (рис. 1.2.4): входная (а), проходная (б) и семейство выходных(в). На рис.1.2.5 представлены статическиехарактеристики схемы с общей базой.

Электронный выпрямитель

На рис. 3.1 представлена структурная схема электронноговыпрямителя, на которой приняты следующие обозначения: U 1-напряжение сети переменного тока заданной величины, В; Тр -трансформатор, который служит для согласования по величинепеременного напряжения сети U 1 ~ с постоянным напряжениемнагрузки U 2 пост, а также для электрического разделения цепейвхода и выхода; В- вентильная группа, состоящая из диодов иосуществляющая преобразование переменного тока впульсирующий одного направления; СФ - сглаживающий фильтр,уменьшающий пульсации выпрямленного напряжения дотребуемого значения; Ст - стабилизатор, поддерживающийнеизменным напряжение на нагрузке при изменении напряжениясети или сопротивления нагрузки R н.

В зависимости от назначения выпрямителя и предъявляемыхк нему требований отдельные узлы, указанные на структурнойсхеме, могут отсутствовать.По мощности в цепи нагрузки все выпрямители делятся навыпрямители:

· малой мощности, если P₀< 100 Вт;средней мощности,

· если P₀< 5000 Вт;большой мощности,

· если 0 P > 500 Вт;

В зависимости от числа фаз питающего напряжения всевыпрямители делятся на однофазные и трёхфазные. Однофазныевыпрямители — это маломощные выпрямители, трёхфазные —выпрямители средней и большой мощности.

Индуктивный фильтр

Действие индуктивного фильтра L ф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току может быть сделано большим. Поэтому при включении L ф последовательно с активным сопротивлением нагрузки R н падение напряжения на R н отпеременной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

Комбинированные фильтры

Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г - и П – образные фильтры. В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы, габаритов и стоимости фильтра катушку L ф часто заменяют резистором R ф. “Фильтрующее “ действие резистора R ф основано на том, что при

Сф н на R ф происходит большее падение переменной составляющей выпрямленного напряжения, чем постоянной. Для характеристики эффективности действия сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания.

Наилучшее сглаживание пульсаций обеспечивает П – образный фильтр, образуемый последовательным включением С ф и Г – образным LC – фильтрами. Коэффициент сглаживания таких многозвенных фильтров определяется произведением коэффициентов сглаживания отдельных звеньев, из которых онсостоит, если входное сопротивление последующего фильтра для переменной составляющей тока значительно больше выходного сопротивления предыдущего фильтра. Поэтому коэффициент

52

сглаживания П – фильтра (S П) равен S П = S Г* S C, где S Г и S Г - коэффициенты сглаживания соответственно Г- и С – фильтров.

Классификация усилителей

Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения мощности электрических сигналовбез изменения их формы и частоты. Основным усилительнымэлементом является транзистор. Все усилители усиливаютмощность, но так как I. U. P между собой взаимосвязаны и частонужно выделить один из них, то различают усилители тока, усилители напряжения и усилители мощности. Следуетподчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителяхусиливается за счет энергии источников питания.

Электронный усилитель является наиболеераспространенным устройством. Он непосредственно используетсяв проводной связи, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, вуправляющих и регулирующих устройствах и многих другихслучаях. Кроме того, электронные усилители применяют в другихэлектронных устройствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др. Усилители можно подразделить на ряд типов по различнымпризнакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонамчастот усиливаемых сигналов.

Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены дляусиления напряжения постоянного тока или медленноизменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналовразличных датчиков, называемых также первичнымипреобразователями.

Усилители переменного тока делятся на низкочастотные(УНЧ), работающие в диапазоне от 20 Гц до!00 кГц ивысокочастотные (свыше 100 кГц). В зависимости от шириныдиапазона частот усиливаемых сигналов усилители делятся наширокополосные и узкополосные (избирательные) усилители.

Избирательные, или резонансные усилители усиливаютсигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто ихиспользуют в радиоэлектронной аппаратуре, в частности дляусиления высокочастотных колебаний в радиоприемниках. Для них характерно отношение граничных частот, отвечающихусловию

Широкополосные усилители предназначены для усиленияширокого спектра частот. Для них характерно отношение

Усилитель низкой частоты

В схемах усилителей напряжения наиболее частоиспользуется транзистор, включенный по схеме с общим эмиттеромОЭ. Эта схема по сравнению со схемой с общей базой ОБ имеетгораздо большее входное сопротивление, что позволяет выполнятьпо схеме с общим эмиттером многокаскадные усилители. Для неискаженного усиления входной сигнал, подаваемыйна транзистор, должен лежать на линейном участке входнойхарактеристики. Это достигается выбором рабочей точкитранзистора – точки, характеризующей его состояние в режимепокоя, т.е. без действия входного сигнала. Положение рабочей точки определяется токами базытранзистора. Один из самых распространенных способов фиксацииположения рабочей точки по напряжению, применяемый в реальныхсхемах, показан на рис.4.3.

Классы усиления

Обратные связи в усилителях

Обратной связью называют воздействие выходного сигнала(или его части) на входную цепь. Электрическая цепь, котораясвязывает выход схемы с входом, называется цепью обратной связи. Если фаза сигнала обратной связи Uостакова, что онскладывается с входным сигналом Uвх, и входной сигнал возрастает, такая обратная связь называется положительной. Этот вид обратнойсвязи применяется в генераторах. Если сигнал обратной связидействует в противофазе с входным сигналом, то такая обратнаясвязь называетсяотрицательной (ООС). Она применяется вусилителях.

 

Следует различать обратные связи по току и напряжению. При обратной связи по току сигнал Uос пропорционален выходномутоку, при обратной связи по напряжению сигнал обратной связипропорционален выходному напряжению. В зависимости от способаподачи обратной связи во входную цепь усилителя различаютпоследовательную и параллельную обратные связи.

На рис. 4.5 представлена структурная схема усилителя, охваченногопоследовательной обратной связью и имеющего коэффициентусиления без обратной связи К. Отношение напряжения, поданногона вход системы через цепь обратной Uоск выходномунапряжению усилителя Uвыхназывается коэффициентом передачицепи обратной связи:

В левой части равенства стоит величина I/К, где К – коэффициентусиления без обратной связи. Первый член правой части равенства –I/Кос, второй член – это коэффициент передачи цепи обратной связиУчитывая вышесказанное, равенство можно привести к виду

Это выражение справедливо для положительной обратной связи. Вслучае действия отрицательной обратной связи выражение можнопереписать

Таким образом, отрицательная обратная связь уменьшаеткоэффициент усилителя, но она делает работу усилителя болеестабильной, расширяет его полосу пропускания, уменьшаетнелинейное искажение, увеличивает входное сопротивлениеусилителя и уменьшает его выходное сопротивление. Последние дваположения очень важны для транзисторных усилителей, входноесопротивление которых обычно мало.__

Избирательный усилитель

Избирательные усилители предназначены для усилениясигналов в некоторой узкой полосе частот. Их частотнаяхарактеристика должна обеспечивать максимальное усиление взаданной узкой полосе частот («избирательное» усиление свыделением одного «полезного» сигнала) и достаточно крутой спадусиления вне этой полосы.

Частотная избирательность таких усилителей создаетвысокую помехозащищенность систем, работающих нафиксированных частотах, что широко используется в устройствахавтоматического управления и контроля. На этом свойстве основанаработа некоторых измерительных устройств. Избирательные усилители применяются в радиоприемных ителевизионных устройствах, а также в многоканальных устройствахсвязи.На высоких частотах f 0 >1 – 5 мГц избирательность усилителясоздается введением параллельного колебательного контура в цепьнагрузки усилительного каскада (резонансные усилители).Схема однокаскадного избирательного усилителя спараллельным резонансным контуром на полевом транзисторепоказана на рис.4.11..

Параллельный резонансный контур включен в стоковуюцепь транзистора вместо резистора R C. Назначение остальныхэлементов усилителя то же, что и в усилителе по схеме с общимистоком, представленном выше на рис. 4.7.

Работа схемы. На частоте резонанса f 0, равной сопротивление колебательного контура чистоактивное и максимальное по величине. А потому и коэффициентусиления усилителя максимален и равен K um. При отклонениичастоты влево или вправо от f 0 сопротивление контурауменьшается из-за шунтирующего действия соответственноиндуктивности L или емкости конденсатора C. Это в свою очередьуменьшает коэффициент усиления усилителя (см. рис.4.10).

Усилитель постоянного тока

Усилители постоянного тока часто называются усилителямимедленно изменяющихся величин или усилителями сгальваническими связями. Особенностью схем усилителей постоянного тока является

отсутствие в них реактивных элементов – индуктивностей, конденсаторов, трансформаторов. Для медленно изменяющегосянапряжения сопротивление катушки индуктивности  L   L

будет равно нулю, а сопротивление конденсатора Х с =1/С равнобесконечности. Отсюда становится ясным, что связь междукаскадами не может быть емкостной и не может быть индуктивной.

Это вызывает серьезные трудности при проектировании усилителейпостоянного тока.

Область применения усилителей постоянного тока широка. Они применяются в разных устройствахавтоматики, так как многиедатчики (термодатчики, фотодатчики) систем регулированиявыдают сигнал в виде постоянного тока. Из-за гальванической связи между каскадами любоеизменение коллекторного напряжения предыдущего каскада, вызванное изменением напряжения источника питания Еки

старением элементов схемы или изменением температурыокружающей среды, последующими каскадами ощущается какполезный сигнал и усиливается. Непостоянство выходного напряжения, вызванное

причинами, не зависящими от уровня входного сигнала, называетсядрейфом нуля. Для сравнения различных усилителей постоянноготока дрейф нуля приводится к входу усилителя. Дрейф определяется

в мВ/сутки (временный дрейф нуля) или для полупроводниковыхусилителей в мВ/град (температурный дрейф). Например, Uвх.др= Uвых.др/КU = 3 мВ/сутки считается небольшим. В полупроводниковых усилителях наиболее ощутимтемпературный дрейф нуля, вызываемый первым каскадомусилителя, так как изменение коллекторного напряжения первоготранзистора усиливает остальные каскады. Поэтому во входнойцепи усилителя применяется температурная стабилизация. Эффективным средством снижения дрейфа являетсяприменение дифференциальных усилителей

 

.

Пример дифференциального усилительного каскада(интегральная микросхема К1УТ221) с двумя источниками питанияпоказан на рисунке 4.15.

Каскад представляет собой сбалансированный мост, верхниеплечи которого образуют резисторы Rк1 иRк2, а нижние –транзисторы VТ1 и VТ2. Рабочая точка транзисторовобеспечивается источником питания Ек2, благодаря которому наэмиттеры транзисторов подан минус, т. е. на базы поданплюс. Транзистор VТ3, резисторы R1, R2, R3 и транзистор VТ4 вданном включении образуют источник стабильного тока. В подобных схемах часто один вход заземляют, а входнойсигнал подают на другой вход. Если подать, например, на вход VТ1 положительный сигнал, VТ1 откроется, его ток эмиттераувеличится, а, поскольку общий ток эмиттеров Iэ=const, токтранзистора VТ2 Iэ2 уменьшится на ту же величину. Таким образом, коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскадабудет такой же, как у одного транзистора. Дифференциальный усилитель имеет широкоераспространение, так как является главной составной частьюоперационных усилителей.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) – это высококачественныйусилитель постоянного тока (УПТ) работающий в режиме глубокойотрицательной обратной связи (ООС) и предназначенный длявыполнения различных операций над аналоговыми величинами.Это наиболее распространенная аналоговая интегральнаямикросхема (ИМС). В ОУ сосредоточены основные достоинстваусилительных схем. Идеальный операционный усилитель имееткоэффициент усиления по напряжению  K u (105 106), большоевходное сопротивление  R вх(105 Ом), малое выходноесопротивление вых0 R  (десятки Ом), минимальный дрейф нуля,усиливает сигналы в широком спектре частот: от нуля до десятковмегагерц. Схемные обозначения ОУ приведены на рис. 4.16 а,б.

ОУ имеет два входа: вход 1 называют инвертирующим,вход 2 – неинвертирующим. Выходное напряжение U выхсвязано свходными напряжениями U вх1 и U вх2 соотношением  U вых K U U вх2 U вх1 .Из (4.1) следует, что ОУ воспринимает только разностьвходных напряжений, называемую дифференциальным входнымсигналом, и нечувствителен к любой составляющей входногонапряжения, воздействующей одновременно на оба входа(синфазный входной сигнал).В качестве источника питания ОУ используют двуполярныйисточник напряжения ( E п,  E п). Средний вывод этого источника,как правило, является общей шиной для входных и выходныхсигналов. Применение двух источников питания при подключениинагрузки к их общей точке позволяет формировать на выходедвуполярное напряжение. Следовательно, передаточнаяхарактеристика усилителя расположена в двух квадрантах. На рис.4.17 а,б приведены передаточные характеристики идеального ОУсоответственно для неинвертирующего (рис. 4,17 а) иинвертирующего (рис. 4.17, б) входов. У реальных ОУ они могутбыть смещены (см. пунктирную линию 1 на рис 4.17 а,б) навеличину U 0, называемую напряжением смещения.__

Сумматор на ОУ

Суммирующий усилитель является разновидностью

инвертирующего масштабного усилителя.

Интегратор на ОУ

Дифференциатор на ОУ

Компаратор на ОУ

В импульснойтехникешироко применяется ОУ при егоработе в нелинейном режиме. Ранеемы рассматривали работу ОУ влинейном усилительном режиме. Как только входной сигналпревышает значение, допустимое для зоны линейности, выходноенапряжение ОУ ограничено значением вых max U. Это ограничениенапряжения вызвано тем, что при больших сигналах транзисторывыходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме, при этомпредельно достижимое выходное напряжение вых max U ненамного

меньше ЭДС источника. Таким образом, передаточнаяхарактеристика ОУ содержит участок положительного насыщения,когда ΔUвх>Uгр(ΔUвх=Uвх1 - Uвх2) и отрицательного насыщения, когда ΔUвх<- Uгр. Посколькукоэффициент усиления ОУ очень велик(К ), то Uгр. весьмамало. В реальных ИМС – неболее

несколькихмилливольт. Значит выходное напряжение ОУ зависитот того, какое из входныхнапряженийбольше, т.е. ОУ являетсясхемой сравнение напряжений и это его свойство используется вкомпараторах.

Компаратор – это устройство, предназначенное длясравнения двух напряжений. Компаратор изменяет уровеньвыходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихсявходных сигналов становятся равными. Компаратор также называютнуль-органом, так как в моментсрабатываниясигналнавходе

 U = U вх2- U вх10.

Напрактике наиболее широкое распространение имееткомпаратор, у которого уровни включения и выключения несовпадают, такая схема носит название порогового элемента илитриггера Шмитта. Схемаоднопорогового компаратора на ОУ безцепи обратной связи, у которогонапряжениявключения и

Входнойизменяющийся сигнал U вхподается наинвертирующий вход, а неинвертирующий входподключается кобщей шине устройства через источник эталонного напряжения E эт. В этом случае при идеальном ОУ (R вх) напряжение междунвертирующим и неинвертирующим входами достигнетнулевого

уровня, когдауровень и полярность входного напряжения будут вточности равны параметрам эталонного напряжения. В этот моментпроизойдет срабатывание компаратора, на выходе вместо + U вых max получаем - U вых max. Напряжение E этназываютпорогомсрабатывания

 

 

Фазирующие RC цепочки

R C генератор с мостом Вина

Логические ИМС

Логические элементы (ЛЭ) – это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В настоящее времяпромышленность выпускает такие элементы в основном винтегральном исполнении. ЛЭ используются в большинствецифровых ИМС, являясь их основными элементарнымикирпичиками, которые во многом определяют параметры ЦИМС.