Полупроводниковые стабилитроны и стабилизаторы напряжения.

Качество работы элек схемы определяется стабильностью источников питания.U питания должно оставаться постоянным при колебаниях U и частоты сети, t, изменениях нагрузки, влажности и давления окружающей среды и т. д. Для обеспечения постоянства U на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы U. При стабилизации переменного U стабилизатор включают между источником переменного I и выпрямителем. Существующие стабилизаторы могут быть разделены на 2 класса: параметрические и компенсационные.

Cтабилизаторами параметрического типа наз-ся элект схемы, U на выходе которых остается практически неизменным при изменении вх U или I нагрузки в результате перераспределения Iов и Uий между отдельными элементами схемы. Для стабилизатора параметрического типа характерным является наличие в схеме одного или нескольких нелинейных элементов. Если стабилизатор работает в цепи пост-го I, то в качестве линейного и нелинейного элементов используются активные сопротивления(резисторы, диоды). При работе стабилизатора в цепи перем-го I применяются реактивные Rия (индуктивные или емкостные). Стабилизаторы компенсационного типа харак-тся тем, что U на вых остается практически неизменным при изменении вх U или I нагрузки в результате воздействия цепи OOC на регулирующий элемент схемы. Принц-ным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме OOC. Примерами параметрических стабилизаторов - стабилизаторы со стабилитронами. Примерами компенсационных стабилизаторов - электронные, транзисторные и дроссельные стабилизаторы.

Стабилитроном назыв полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет область резкой зависимости I от U на обратном участке BAX. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рис 4. При достижении U на стабилитроне, наз напряжением стабилизации U_стаб, I через стабилитрон резко возрастает. R_диф идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0, в реальных приборах R_диф ≈ 2÷50 Ом. Основное назначение стабилитрона - стабилизация U на нагрузке, при изменяющемся U во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном вкл нагрузочное R, демпфирующее изменение внешнего U. Поэтому стабилитрон наз также опорным диодом. U стабилизации U_стаб зависит от физ-ого механизма, обуславливающего резкую зависимость I от U. Различают 2 физ-их механизма,- лавинный и туннельный пробой p-n перехода. Для стабилитронов с туннельным механ-ом U_стаб < 5 В невелико. Для стабилитронов с лавинным механизмом пробоя U_стаб > 8 В.

 

Триггер Шмитта.

Простейшая схема компаратора на основе ОУ приведена на рисунке 18, а. На инвертирующий вход ОУ поступает входное напряжение, а на неинвертирующий вход подается опорное напряжение, снимаемое с делителя R ₁, R ₂. Таким образом, ОУ охвачен ПОС по неивертирующему входу, и выходное напряжение скачком изменяет свою полярность при сравнении входного и опорного напряжений.

Принцип действия компаратора рассмотрим с помощью передаточной характеристики (рисунок 18, б).

Рисунок 18 – Триггер Шмитта и его характеристики

Пусть выходное напряжение U _вх=0, а выходное – U _вых= U ⁺_m (точка 1 на рисунке 18, б). Напряжение на неинвертирующем входе при этом будет: U _н=b U ⁺_m, (16)

где b= R ₁/(R ₁+ R ₂) – коэффициент передачи ПОС.

Если входное напряжение больше нуля и увеличивается, то при сравнении его амплитуды с опорным, равным напряжению срабатывания U _ср=b U ⁺_m, компаратор переключается. При этом происходит скачкообразное изменение выходного напряжения со значения U ⁺_m на значение U ^–_m (переход от точки 2 к точке 3).

Таким образом, передаточная характеристика данного компаратора имеет вид петли гистерезиса. Такой компаратор обладает триггерным (переключающим) эффектом, и его называют триггером Шмитта. Сумма напряжений срабатывания и отпускания: U _г= U _ср+ U _отп=2b U _m является напряжением гистерезиса. Оно вводится для повышения помехоустойчивости, что позволяет устранить «дребезг» триггера, т. е. случайное его переключение напряжением помех при отсутствии входного сигнала.

Пусть в момент времени t =0 напряжение на выходе компаратора U _вых= U ⁺_m. В таком состоянии компаратор будет находится пока амплитуда входного напряжения U _вх< U _ср. В момент времени t = t ₁ входное напряжение станет U _вх= U _ср, и компаратор переключится. При этом выходное напряжение U _вых скачком изменится со значения U ⁺_m до значения U ^–_m. В момент времени t = t ₂ входное напряжение станет равным U _отп, и произойдет новое переключение компаратора.

Триггеры Шмитта широко применяются для преобразования медленно изменяющихся во времени сигналов в сигналы четкой формы с резкими фронтами (например, для восста6новления формы прямоугольных импульсов).

 

29+46 Оптоэлектронные приборы.

 

Работа различных полупроводнико­вых приемников излучения (фоторезисто­ры, фотодиоды, фототранзисторы, фото­тиристоры) основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который со­стоит в том, что под действием излу­чения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная прово­димость, обусловленная действием фото­нов, получила название фотопроводимо­сти. У металлов явление фотопрово­димости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов про­водимости огромна (примерно 10²² см"³) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых при­борах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую при­нято называть фото-ЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. А в результате рекомбинации электро­нов и дырок в полупроводниках обра­зуются фотоны, и при некоторых усло­виях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излуче­ния.

Оптрон это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объеденены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения эл. сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова эл. сигналы.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием излучения.

Фотодиоды представляют собой по­лупроводниковые диоды, в которых ис­пользуется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происхо­дит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обрат­ный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным.

Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделало прозрачное «окно», через кото­рое с ветовойпоток может воздейство­вать на областьбазы. Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллектор­ному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фото­диоде. Дырки под действием поля кол­лекторного перехода идут из базы в кол­лектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повы­шают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток кол­лектора.

Тиристорные четырехслойные струк­туры р — п-р-п (рис.) могут уп­равляться световым потоком, подобно тому как триодные тиристоры управля­ются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов.

 

Регистры

Регистр — это последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспе­чивается выполнение некоторых операций над словами. Типичными являются следующие операции:

• прием слова в регистр;

• передача слова из регистра;

• поразрядные логические операции;

• сдвиг слова влево или вправо на заданное число раз­рядов;

• преобразование последовательного кода слова в па­раллельный и обратно;

• установка регистра в начальное состояние (сброс).

Фактически любое цифровое устройство можно пред­ставить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых уст­ройств.

Регистры классифицируются по следующим видам:

• накопительные (регистры памяти, хранения);

• сдвигающие.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

• по способу ввода-вывода информации на:

— параллельные,

— последовательные,

— комбинированные;

• по направлению передачи информации на.

— однонаправленные,

---- реверсивные

 

 

Инвертирующий усилитель

В схеме инвертирующего усилителя (рисунок 4, а) вх U через резистор R1 подается на инвертирующий вход, который с помощью резистора обратной связи R2 охвачен параллельной ООС по напряжению. Неинвертирующий (прямой) вход соединяется с общим проводом. Входной и выходной сигнала усилителя находится в противофазе (сдвинуты на 180˚), что отражает знак минус в формуле коэффициента усиления по напряжению K = – R2 / R1. (1)

Таким образом, инвертирующий усилитель – это ОУ с ООС, у которого вх и вых U находятся в противофазе.Для правильной работы схем с ОУ необходимо, чтобы смещение нуля на выходе было min. Для этого в прямой вход включают R R3 = R1R2 /(R1 + R2), компенсирующее U смещения (рисунок 4, б), или используют ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах.

(.) А подключения резисторов R1 и R2 к инвертирующему входу называют мнимой землей. Так как коэффициент усиления по U идеального ОУ стремиться к бесконечности, разность потенциалов между входами должна быть пренебрежительно мала. Таким образом, с точки зрения сигнала инвертирующий вход имеет тот же самый потенциал, что и неинвертирующий вход, который заземлен.

При этом все U _вх оказывается приложенным ко входному резистору R1 и входной ток схемы I ₁= U _вх/ R1. =>, R _вх= R1. Для этой схемы свойственно также небольшое значение вых R (R _вых®0). Данный результат объясняется действием цепи параллельной ООС по U.

а)	б)
Рисунок 4 – Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Вых U определяется как U _вых= I ₂ R2. Вследствие нулевых входных токов ОУ I ₁= I ₂. Тогда вых U инвертирующего усилителя в таком случае равно

U _вых= – (R2 / R1) U _вх, (2)

где знак минус показывает, что входной сигнал подается на инвертирующий вход, а отношение – R2 / R1 составляет коэффициента усиления по U.

При R1 = R2, K =–1 инвертирующий усилитель превращается в инвертирующий повторитель (инвертор).

Основные свойства инвертирующего усилителя:

– выходной сигнал в противофазе относительно входного;

– отсутствует синфазный сигнала (мнимая земля);

– низкое входное сопротивление;

– простая реализация коэффициента усиления по напряжению, который может быть как больше, так и меньше единицы.

Простой инвертирующий усилитель двояко используется в аналоговых цепях: во-1, как устройство, изменяющее знак (инвертор) без изменения величины сигнала при R1 = R2; во-2, когда требуется умножить переменную (сигнал) на константу k выбирают R2 / R1 равным k. Если константа положительная, то вслед за этой схемой следует включить инвертор, чтобы скорректировать знак.

Инвертирующий усилитель может также быть применен для суммирования нескольких входных напряжений

 

Неинвертирующий усилитель

В неинвертирующим усилителе входной сигнал поступает на прямой вход, а инвертирующий вход с помощью резистивного делителя R1, R2 охвачен последовательной ООС по U (рисунок 5, а). Коэффициент усиления определяется только элементами цепи ОС

K = 1+ R2 / R1. (3)

Последовательная ООС по входу обеспечивает большое вх R (равно входному сопротивлению ОУ по прямому входу), ООС по напряжению – малое выходное сопротивление (близко к нулю). В неинвертирующим усилителе фазы вх и вых Uний совпадают. Как видно из (3), коэффициент усиления не может быть < 1.

неинвертирующий усилитель – это ОУ с ООС, у которого вх и вых U совпадают по фазе.

Для правильной работы схем с ОУ необходимо, чтобы смещение нуля на выходе было min. Для этого в прямой вход вкл R R3 = R1R2 /(R1 + R2), компенсирующее U смещения, или используют ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах.

а)	б)
Рисунок 5 – Основные схемы неинвертирующего усилителя

Повторитель напряжения (операционный повторитель)– важный частный случай неинвертирующего усилителя (рисунок 5, б). Он образуется при условии R1 = ∞, R _ОС=0. В этой схеме все вых U обратно подается на инвертирующий вход.

Операционный повторитель передает входной сигнал без изменения фазы и амплитуды (то есть коэффициент усиления напряжения K =1) и является усилителем с глубокой последовательной ООС по U. Oперационный повторитель по своим характеристикам подобен эмиттерному или истоковому повторителям и находит применение в качестве буферных или согласующих элементов.

Основные свойства неинвертирующего усилителя:

– выходной сигнал совпадает по фазе с входным;

– есть синфазный сигнала;

– высокое входное сопротивление;

– коэффициент усиления по напряжению не может быть меньше единицы.

Неинвертирующий усилитель может также быть применен для суммирования нескольких входных напряжений.

 

 

35 Сумматоры,основные понятия и определения

A	B	P	S

Сумматоры - это комбинационные устройства, предназначенные для сложения чисел.

Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения(таблицу истинности), в которой отразим значения входных чисел АВ, значение результата суммирования S и значение преноса в старший разряд P. Работа устройства, реализующего ТИ, описывается следующими уравнениями:

S=A*B+ A*B; P= A*BОчевидно что по отношению к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ» то есть S=AÅB. Устройство реализующее таблицу называется полусумматором. Он может использовать лишь для суммирования в старшем разряде.

Двоичные сумматоры выполняют арифметическую операцию сложения двоичных чисел по модулю два (Å) и используются преимущественно в арифметико-логических устройствах современных ЭВМ.

Существует два вида сумматоров: с параллельным и последовательным действием. У сумматоров с параллельным действием сложение выполняется параллельно, сразу во всех разрядах суммируемых чисел. В сумматорах с последовательным действием имеется только одна одноразрядная суммирующая схема и результат образуется последовательным сложением отдельных разрядов.

 

36 Преобразователи кодов, основные понятия и определения.

ПК(кодопреобразователем) наз устройство для преобразования одного вида двоичного кода в другой. Преобразование одного кода в другой можно осуществлять последовательным соединением дешифратора и шифратора. В этом случае m-элементная комбинация преобразуется дешифратором в сигнал логической 1 на соответствующем выходе, а шифратор из этого сигнала формирует требуемую n-элементную комбинацию. Существует также метод построения (ПК), основанный на использовании свойства независимости входов и выходов дискретного устройства.

Синтез ПК осуществляется по следующей методике:

1) Определяется количество двоичных чисел, которые необходимо перевести из одного кода в другой.

2) Составляется ТИ, в которой описываются входные и выходные коды двоичного числа.

3) Далее синтез выполняется по методике построения ДУ с несколькими выходами и не полностью определяемыми функциями (т.к. каждый выход Ym не зависит от другого, то для каждого выхода составляется своя логическая функция и затем строится схема на общих входах).

П р и м е р ¾ Построить ПК в базисе И-НЕ для перевода чисел от 5 до 8 кода 8421 в код 7421 (коды см. таблицу.Необходимо перевести четыре двоичных числа. Составляем ТИ (таблица 4).

Т а б л и ц а 4 ¾ ТИ преобразователя кодов

Десятичные цифры	Входы	Выходы
X4 X3 X2 X1	Y4 Y3 Y2 Y1
8 4 2 1	7 4 2 1
	0 1 0 1	0 1 0 1
	0 1 1 0	0 1 1 0
	0 1 1 1	1 0 0 0
	1 0 0 0	1 0 0 1

запишем функции каждого выхода в тех строках где выход равен единице в виде СДНФ.

Затем упрощаем полученные выражения одним из подходящих методов минимизации и преобразуем их к базису И-НЕ. Для этого используем аксиомы и законы алгебры логики.

По полученным выражениям строим схему ПК, представленную на рисунке 4.

Шифраторы и дешифраторы.

Шифратором (кодером) называется устройство, преобразующее сигнал логической 1 на одном из входов в соответствующую кодовую комбинацию на выходах. Шифраторы используют, например, для ввода информации в цифровые системы. В таких устройствах при нажатии выбранной клавиши подается сигнал на определенный вход шифратора и на его выходе появляется двоичное число, соответствующее данной клавише.

Для синтеза шифратора строится таблица истинности (ТИ) на основании которой получают аналитические зависимости выходов от входов. Затем выражения преобразовывают (если надо) к требуемому базису и строят схему.

Дешифратором (декодером) называется устройство, распознающее различные кодовые комбинации, т.е. преобразующее двоичное число в сигнал логической единицы на одном из выходов, соответствующем десятичной цифре поданной на вход двоичной комбинации.

Синтез дешифратора можно выполнить по той же ТИ, что и шифратора, только поменять в ней местами входы и выходы.

 

 

Схема ОБ.

Коэффициент усиления по току каскада ОБ всегда меньше единицы: , так как ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера. С татический коэф­фициент усиления по току (или коэффициент передачи тока), для схемы ОБ обозначаемый . Он определяется для режима без

нагрузки (R_H = 0), т. е. при постоянстве напряжения коллектор — база: .

Коэффициент усиления по напряжению:

Для схемы ОБ фазовый сдвиг между выходным и входным напряжением от­сутствует, т. е. фаза напряжения при уси­лении не переворачивается. Каскад по схеме ОБ вносит при усилении мень­шие искажения, нежели каскад по схеме ОЭ.

 

Схема ОЭ.

Эмиттер является общей точкой для входа и выхода схемы. Входное напряжение, которое необходи­мо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмит­тер. На базу подано также положи­тельное смещение от источника Е1 яв­ляющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следо­вательно, входное сопротивление тран­зистора получается сравнительно не­большим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника E1, он зашунтирован конденсатором большой емкости. Для получении усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка Rн.

Усиление происходит след. образом: Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки Rн и внутренним сопротивлением транзистора r0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, и значит, сопротивление коллекторного перехода. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между Rн и сопротивлением коллекторного перехода. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено во много раз больше, чем входное. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2.

 

 

Физика процесса в БПТ.

Принцип работы БПТ зкл. в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т.е. участка база-эмиттер(Uб-э), существенно влияет на токи эмиттера и коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незна­чительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом напряжение, управляет током коллектора. Усиление эл. колебаний с помощью транзистора основано на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряже­ния U_б__э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соот­ветственно возрастает ток через этот переход — ток эмиттера i_э Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом пере­ходе возникают объемные заряды, пока­занные на рисунке кружками со зна­ками «+» и «—». Между ними возни­кает электрическое поле. Оно способ­ствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, при­шедших сюда из эмиттера, т. е. втя­гивают электроны в область коллектор­ного перехода.

 

 

59 Параллельное соединение стабилитронов.

Параллельное соединение стабилитронов не применяется, так как различные экземпляры стабилитронов данного типа не имеют одинаковых напряжений U_в и U_ст. При подаче напряжения на параллельно соединенные стабилитроны разряд возникает лишь в том, у которого напряжение U_в наименьшее. Напряжение на нем скачком понижается, и в остальных стабилитронах разряда не будет. Если бы он даже и возник, то вследствие различия напряжений стабилизации одни из стабилитронов работали бы с недогрузкой, другие – с перегрузкой. Возможно даже, что какой-то стабилитрон работал бы в режиме аномального катодного падения. Он не будет участвовать в стабилизации, а станет дополнительной бесполезной нагрузкой и уменьшит пределы стабилизации по напряжению. Конечно, можно подобрать близкие по параметрам стабилитроны. Но это сложно и ненадежно, так как с течением времени их параметры меняются.

Практически редко включают параллельно больше трех стабилитронов. Уравнительные резисторы с сопротивлением в десятые доли Ома или единицы Ом обычно подбирают экспериментально до получения в рабочем режиме одинаковых токов в стабилитронах. Иногда включают уравнительные резисторы с сопротивлением, в несколько раз большим, чем прямое сопротивление стабилитронов, для того чтобы ток в каждом стабилитроне определялся главным образом сопротивлением R _у. Но в этом случае происходит дополнительное падение напряжения на R_y, превышающее в несколько раз прямое напряжение стабилитронов, и КПД, конечно, снижается. Если нежелательно включать уравнительные резисторы, то надо подобрать стабилитроны с примерно одинаковыми характеристиками. Однако рекомендуется по возможности не прибегать к параллельному соединению стабилитронов.