Глава 1. Физические принципы работы и элементная база электронных приборов

В.Ш.Берикашвили

Основы электроники

 

 

Учебник

 

 

Москва

Академия

УДК 621.3(075.32)

ББК 30.61я723

Б48

Берикашвили В.Ш.

Б48 Основы электроники: учебник для студ. сред. проф. обра­зо­вания / В.Ш.Берикашвили — М.: Изда­тель­ский центр «Академия», 2013. — 200 с.

ISBN 978-5-7695-6170-2

Изложены основы теории и практики построения электронных прибо­ров, устройств и цепей на современной элементной базе с использованием новых конструктивных и схемотехнических решений. Рассмотрены принципы работы и структура электронных приборов и устройств. Показана тенден­ция перехода разработок электронных устройств от энергоемких и низкоча­стотных к миниатюрным и сверхвысокочастотным. Приведены типовые схемотехнические решения аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Рассмотрены принципы построения функциональных электронных устройств на основе операционных усилителей, компараторов, таймеров, оптронов и других оптоэлектронных устройств. Даны структурные схемы и принципы работы микропроцессоров, однокристальных ЭВМ и контроллеров. Учебник предназначен для студентов средних профессиональных учебных заведений.

 

Рецензент:

К.т.н., преподаватель спец. дисциплин высшей категории Московского колледжа градостроительства и сервиса № 38 (ГБОУ СПО КГиС)

В.Н. Иванов

© Берикашвили В.Ш. 2013

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2013

© Оформление. Издательский центр «Академия», 2013

ВВедение

Электронная техника стала стремительно развиваться в 60-х гг. XX в. в связи с возросшей потребностью передачи информации на большие расстояния и развитием вычислительной техники. Открытие полупроводников резко изменило характер электронных устройств: они стали малогабаритными и более надежными, появилась возможность их миниатюризации и значительного снижения энергоемкости.

В настоящее время существует целая отрасль электронной техники — микроэлектроника, разрабатывающая и производящая аналоговые, цифровые и специализированные микросхемы с числом элементарных полупроводниковых устройств от 103до 106. Микроэлектронные устройства получили широкое распространение в радиотехнике, электронике, системах связи, вычислительной и бытовой технике, благодаря чему электронные и радиотехнические устройства стали легкими, малогабаритными, экономичными и широкодоступными.

В последние годы стремительно развивается импульсная цифровая техника. Например, посредством импульсных сигналов передают данные о состоянии технических объектов (в телеметрии), управляют космическими кораблями при стыковке, создают высококачественные цифровые радиовещание и телевидение. При этом в повседневной жизни мы сталкиваемся с импульсами и импульсными устройствами, иногда и не подозревая об их существовании. Кнопочный пульт позволяет нам на расстоянии управлять телевизором с помощью импульсов инфракрасного излучения. Спутниковая антенна принимает цифровые радиоимпульсы. Набирая номер телефона, мы посылаем импульсы телефонной станции, которая расшифровывает их и соединяет нас с требуемым абонентом.

Наиболее высокий уровень развития характерен для цифровой вычислительной техники; современные вычислительные машины имеют тактовую частоту импульсов 2 ГГц, а в быстродействующих вычислительных комплексах передача информации происходит со скоростью до 2×109импульсов в секунду.

Современные бытовые приборы также насыщены цифровой электронной техникой. В современных автомобилях электроника использу­ется в системах зажигания, контрольной и охранной сигнализации. В последних моделях автомобилей устанавливаются микропроцессоры, определяющие оптимальные режимы работы двигателя.

Сейчас строительство новых жилых домов связано с одновременным монтажом силовых и информационных сетей. В жилых, офисных и промышленных зданиях используются различные контрольно-измерительные приборы, системы охранной сигнализации и системы управления энергией.

Целью настоящей книги является ознакомление будущих специалистов области монтажа, наладки и эксплуатации электрооборудования промышленных и гражданских зданий с основами электронной техники, включая элементную базу, аппаратные средства информатики и энергетической электроники, элементы цифровой и микропроцессорной техники.

Материал, изложенный в настоящем учебном пособии, позволит лучше узнать возможно­сти современной элементной базы электроники, поможет ориентироваться в сложной номенклатуре изделий и научиться применять их в соответствии с назначением.

В настоящее время правительство России считает приоритетными направлениями развития науки и техники в области информационных технологий, развитию высокотехнологичных производственных процессов и энергосберегающих технологий. Эти направления тесно связаны с развитием информационной и энергетической электроники, применением микропроцессорной вычислительной техники в системах автоматического управления, телекоммуникационных и информационных системах.

 

Электронные лампы

Первыми в радиоэлектронной технике начали использовать вакуумные электронные приборы — электронные лампы. Конструкции и внешний вид наиболее распространенных электронных ламп (диодов и триодов) показаны на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схемы диода (а), триода (б) и их внешний вид (в): 1— стеклянный баллон; К — катод; А — анод; С — управляющая сетка

 

Работа электронной лампы основана на создании потока электронов в вакууме и управлении им с помощью электрических полей, формируемых специальными электродами. Электронная лампа состоит из нескольких металлических электродов, за­ключенных в стеклянный, керамический или металлокерами­ческий баллон, внутри которого создан высокий вакуум. Один из электродов — катод — нагревают спиралью до температуры 500…700°С.

Под действием высокой температуры электроны покидают металлическую поверх­ность катода и образуют вокруг него электронное облако.

В простейшей электронной лампе диоде второй элек­трод — анод, имеет форму цилиндра, охватывающего катод. Если к диоду подвести постоянное напряжение, как в полупроводниковом диоде на рис. 1.1, в (плюс — на анод и минус — на катод — прямое включе­ние), электроны под действием элек­три­ческого поля устремятся от катода к аноду, создавая электриче­ский ток в цепи. Если в цепь включить резистор R, то при появлении тока в лампе на нем появится перепад напряжений.

При малом анодном напряжении только небольшая часть электронов притягивается анодом, а остальные электроны образуют пространственный заряд вокруг катода. По мере возрастания анодного напряжения увеличивается число электронов, достигающих катода, и ток в цепи растет, а плотность пространственного заряда уменьшается. Когда напряжение и ток возрастают настолько, что пространственный заряд полностью «рассасывается» и все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, рост тока с ростом анодного напряжения замедляется и наступает режим насыщения.

Измеряя зависимость тока от напряжения, получают ВАХ ди­ода, как в полупроводниковом диоде рис. 1.2.

Если поменять полярность подключаемого к диоду напряжения, т.е. к аноду подвести минус, а к катоду — плюс (обратное включение), ток в электронной лампе не пойдет, так как анод при этом остается «холодным» и не испускает электроны. Следовательно, электронная лампа диод обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

Это свойство используется при применении электронных ламп в качестве детектора в радиоэлектронных устройствах и в качестве выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное.

Электронная лампа триод имеет третий электрод — сетку, устанавливаемый между анодом и катодом. Располагается он ближе к катоду, поэтому напряжение, подаваемое на него, сильнее влияет на поток электронов между анодом и катодом. Так как третий электрод выполняется действительно в виде сетки или спирали, окружающей катод, то сам он забирает мало электронов, а большая их часть проскакивает к аноду. Из-за близкого распо­ложения сетки к катоду небольшие изменения напряжения на ней сильнее сказываются на потоке электронов к аноду и значении анодного тока. Именно это свойство триода используется для усиления электрических сигналов.

На основе триодов и других электронных ламп разработано множество электронных устройств. Это, прежде всего, электронные усилители разнообразного назначения: резонансные, широкополосные, импульсные, силовые и т.п. Работа триодов во всех усилителях примерно одинаковая, а различие усилителей определяется внешними электрическими цепями.

Ламповый генератор — это устройство, в котором при помощи электронной лампы создаются незатухающие электрические коле­бания. Основными элементами простейшего лампового генера­тора являются электронная лампа (триод) с источниками питания и коле­бательный контур.

Приведем некоторые сведения о модификациях электронных ламп и электровакуумных приборах специального назначения.

Клистрон — это электронный прибор, представляющий собой сочетание многоэлектродной лампы с объемными резонаторами и предназначенный для усиления и генерирования колебаний сверхвысоких частот (в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн.

Отражательный клистрон — это электронный прибор для генерации ультравысоких частот (свыше 100 ГГц), относящихся к миллиметровому диапазону длин волн.

Магнетрон — это многорезонаторный электронный прибор для генерации сверхвысоких частот большой мощности. Анод магнетрона представляет собой массивный цилиндр, в центральной полости которого расположен катод, а в стенках находятся цилиндрические резонаторные полости. Для создания нужной траектории электронов, идущих от катода к аноду, применяется поперечное магнитное поле. Под действием этого поля, вылетающие из катода электроны, искривляют свой путь в соответствии с законом Лоренца. Приближаясь к аноду, электроны движутся почти по касательной к его цилиндрической поверхности с прорезями, на­правленными к резонаторным полостям. Под действием случайных изменений потока электронов в резонаторах возникают колеба­ния, которые модулируют эти потоки электронов, создавая, таким образом, устойчивую генерацию СВЧ колебаний. Часть энергии колебаний отбирается в рабочую линию из одного резонатора коаксиальным волноводом с помощью петли связи.

Лампа бегущей волны (ЛБВ) — это специальная электронная лампа для усиления и генерации колебаний сверхвысоких частот (дециметровых и сантиметровых волн). Внутри этой лампы, выполненной в виде цилиндра диаметром 3 см и длиной 15…20 см, вдоль провода, свитого в длинную спираль, распространяется электромагнитная волна со скоростью света (с» 300000 км/с). Вдоль оси спирали электрическое поле этой волны распространяется с меньшей скоростью (так как эта последняя скорость представляет собой проекцию скорости распространения волн вдоль спирали на направление оси спирали). Одновременно вдоль оси спирали движется пучок электронов приблизительно со скоростью перемещения поля. Взаимодействуя с электрическим полем волны, электроны отдают ему часть своей энергии и тем самым усили­вают волну, распространяющуюся по спирали. При достаточно большом усилении в лампе наступает генерация колебаний. Основные достоинства лампы бегущей волны как усилителя — воз­можность прямого усиления СВЧ сигналов в широкой полосе частот (до 10% от средней частоты) и сравнительно низкий шумо­вой фактор.

Лампа обратной волны (ЛОВ) — это электронная лампа, в которой в отличие от лампы бегущей волны электроны, сконцентрированные в узкий пучок, движутся не в одном направлении с движущимся вдоль замедляющего устройства полем бегущей волны, а встречно. При этом, так же как и в ЛБВ, взаимодействие движущихся электронов с полем бегущей волны приводит к усиле­нию этого поля. Основное применение лампы обратной волны — это генерация колебаний в диапазоне дециметровых и сантимет­ровых волн.

Электронно-лучевые трубки

Модификациями электронных ламп являются такие электровакуумные приборы, как кинескопы телевизоров, электронно-лучевые трубки осциллографов, рентгеновские трубки, электронно-оптические преобразователи и т.п.

В основе действия электронно-лучевых трубок и кинескопов лежит принцип электронной пушки. Это нагреваемый спиралью катод и ряд электродов, формирующих направленный пучок электро­нов, интенсивность которых регулируется сеточным электродом.

Специальные генераторы в осциллографах и телевизорах формируют линейно изменяющееся напряжение, которое подается на отклоняющие электроды и создает развертку изображения по вертикали и горизонтали. В результате на экране получают двумерную картину изображения.

Электронно-лучевые устройства используются и в научных приборах (например, электронных микроскопах), и в технологических установках (например, для высокоточной резки металлов электронным лучом). Также развивается новое направление микросхемотехники — нанотехнология, в которой резисторы, конденсаторы, проводники, диоды и транзисторы рисуются на слоистых полупроводниковых структурах электронным лучом. При этом размеры полученных отдельных элементов составляют десятки нанометров, т.е. они примерно в сто раз меньше аналогичных элементов, изготовленных фотолитографией.

Полупроводниковые диоды

Биполярные транзисторы

Транзисторы — это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подобные электровакуумному триоду, предназначенные для усиления тока или напряжения. Различают биполярные транзисторы, обычно называемые просто транзисторами, полевые транзисторы и фототранзисторы.

Биполярный транзистор — это прибор, составленный из полупроводников с двумя р - п- переходами и имеющий три вывода: эмиттер (Э), базу (Б) и коллектор (К). Существуют два типа биполяр­ных транзисторов: п - р - п- транзисторы (рис. 1.5, а) и р - п - р- транзисторы (рис. 1.5, б). Принципы их работы аналогичны, отличаются они количеством и порядком расположения полупроводников с р - и п -проводимостями, а также полярностью подаваемого постоянного напряжения смещения.

 

Рис. 1.5. Структуры и УГО биполярных транзисторов п-р-п- (а) и р-п- р-типа (б)

 

Рассмотрим работу транзистора п - р - п- типа (рис. 1.6, а) при подаче напряжения смещения на базу. Переход база—эмиттер (или просто эмиттерный переход) такого транзистора смещен в прямом направлении напряжением U Б-Э, поэтому электроны из области эмиттера перетекают через этот переход в область базы, создавая ток I Б. Это обычный прямой ток р - п -перехода, смещенного в прямом направлении. Как только электроны попадают в область базы, они начинают испытывать притяжение положительного потенциала коллектора. Если область базы сделать очень узкой, то почти все эти электроны пройдут через нее к коллектору, и только очень малая их часть соберется базой, формируя базовый ток I Б. Фактически более 95% всех электронов эмиттерного тока I Эсобирается коллектором, формируя коллекторный ток I К транзистора. Таким образом, I Э= I Б+ I К.

Так как базовый ток I Бочень мал (чаще всего он измеряется микроамперами), то им обычно пренебрегают. Тем самым предполагают, что токи эмиттера и коллектора равны, и каждый из них называют током транзистора.

 

Рис. 1.6. Схемы протекания тока в п-р-п- (а) и р-п-p- транзисторах (б) при подаче напряжения смещения на базу

 

Отметим, что переход база—коллектор (или просто коллекторный переход) смещен в обратном направлении напряжением U Б-К. Это необходимое условие работы транзистора, поскольку в противном случае электроны не притягивались бы к коллектору. При этом в соответствии с правилом выбора направления тока (от положительного потенциала к отрицательному) считается, что ток транзистора течет от коллектора к эмиттеру.

В р - п - р -транзисторах полярность подаваемого напряжения смещения должна быть обратной (рис. 1.6, б). В этом случае ток транзистора будет представлять собой перемещение дырок от эмиттера к коллектору или электронов от коллектора к эмит­теру.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы — это полупроводниковые приборы для усиления тока или напряжения, в кото­рых проходящий через них ток управляется электрическим полем.

Различают полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом и с диэлектрическим затвором.

Полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом

На рис. 1.9, а, б приведены полупроводниковые структуры полевых транзисторов соответственно с одним и двумя управляющими р-п -переходами. Полевые транзисторы имеют три электрода: исток (и), сток (с) и затвор (з). Электрод, аналогичный катоду в лампе, называется истоком, роль анода выполняет сток. Ток основных носителей проходит в п -канале проводимости и управляется напряжением на затворе (рис. 1.9, в). Подавая напряжение на затвор, можно управлять шириной р-п- перехода, регулировать поперечное сечение канала и таким образом менять его проводимость. Ширина р-п- перехода меняется обратным смещением (подклю­чением минуса к истоку и плюса к затвору). При этом увеличивается потенциальный барьер, и расширятся область, обедненная носителями, за счет чего изменяются сопротивление и ток в проводящем канале. УГО транзисторов с n - и p -каналами показаны на рис. 1.9, г, д, соответственно.

Рис. 1.9. Структуры полевых транзисторов с одним (а) и двумя (б) управляющими переходами, схема их включения (в) и УГО соответственно

для транзисторов с каналами n - (г) и р -типа (д)

Полевые транзисторы управляются напряжением на затворе, имеют высокоомный вход (большое входное сопротивление R З-И), малые управляющие токи и большие коэффициенты усиления по напряжению. Выходные и передаточные статические характеристи­ки полевых транзисторов похожи на характеристики биполярных транзисторов, но имеют некоторые особенности.

В частности, при подаче отрицательного напряжения на затвор ток в транзисторе уменьшается. Если напряжение между затвором и стоком равно нулю, то при повыше­нии напряжения сток—исток (U С-И) ток в транзисторе нарастает и быстро достигает значений, соответствующих состоянию насы­ще­ния. Этот ток называется начальным током стока I начС-И. Напряже­ние, при котором ток стока достигает предельно низкого значения, называется напряжением отсечки транзистора (U отс З-И). Усилитель­ные свойства полевых транзисторов лучше всего характеризуются дифференциальной крутизной передаточной характеристики аналогичной (1.2):

S = d I С/d U З-И,

где I С— ток стока; U З-И— напряжение между затвором и истоком при заданном напряжении исток—сток.

При больших напряжениях на стоке происходит пробой р-п- перехода затвора, и чем больше напряжение на затворе, тем ниже напряжение пробоя.

Частотные характеристики полевых транзисторов определяются временем заряда и разряда барьерной емкости. На низких часто­тах входное сопротивление полевых транзисторов полностью определяется высоким входным статическим сопротивлением R З-И. С ростом частоты входное сопротивление уменьшается, поэтому на больших частотах требуется более мощный входной сигнал. Кроме того, из-за обратной связи, обусловленной наличием проходной емкости, на высоких частотах падает коэффициент уси­ления.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзи­сторы)

Полевые транзисторы, изготовляемые по технологии металл—оксид—полупроводник (МОП), в соответствии со структура­ми, приведенными на рис. 1.10, имеют металлический затвор, отделенный оксидом кремния (диэлектриком) от полупроводникового канала проводимости, и называются МОП-транзисторами. Так как оксид кремния (SiO2) — диэлектрик, их называют также МДП-транзисторами (металл—диэлектрик—полупроводник). Подложка (П) создается из полупроводника с р -проводимостью, а встроенный канал — из полупроводника с п- проводимостью. Канал проводимости полупроводника покрыт диэлектрическим слоем, на котором нанесен металлический слой затвора. При подаче на затвор отрицательного потенциала напряжения электроны вытесняются из канала проводимости, увеличивая его сопротивление. При подаче на затвор положительного потенциала напряжения число электронов в канале проводимости увеличивается и сопротивление в нем падает, а ток возрастает.

Рис. 1.10. Структуры и УГО полевых МОП (МДП)-транзисторов с индуцируемым (а) и встроенным (б) р -каналом

 

Некоторые МДП-транзисторы имеют невстраиваемый канал проводимости (см. рис. 1.10, а). Проводимость в них возникает при подаче на затвор отрицательного напряжения. При этом в подложке под затвором возникает индуцируемый канал проводимости за счет увеличения ее собственных носителей зарядов (дырок). Сила тока в таком транзисторе управляется затвором только при отрицательном его потенциале. При положительном потенциале число носителей зарядов резко падает и транзистор запирается. Такие транзисторы хорошо работают как ключевые каскады.

Характеристики МДП-транзисторов примерно такие же, как и у полевых транзисторов, управляемых р-п -переходом. Быстродействие МДП-транзисторов определяется временем перезарядки емкости между затвором и каналом. При малом внешнем сопротивлении входной цепи рабочий диапазон их частот может достигать 10 ГГц, однако при этом сильно ослабевает выходной сигнал. Если использовать МДП-транзистор, управляемый напряжением при собственном высоком входном сопротивлении, то постоянная времени перезарядки емкости затвора резко возрастает и рабочий диапазон его частот снижается до нескольких мегагерц.

Ключевые каскады на полевых транзисторах упрощают схемы и повышают их надежность. Важно помнить, что полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и управляются напряжением, подаваемым на затвор, а не током, как в обычных биполярных транзисторах.

Преимущества полевых транзисторов над биполярными:

1. Высокое входное сопротивление.

2. Управление осуществляется только напряжением (без тока) без потери мощности в цепи управления.

3. У МОП транзисторов малая емкость затвора, что позволяет создавать высокочастотные транзисторы с предельной частотой до 40 ГГц.

Фототранзисторы. Фототранзисторы имеют примерно такую структуру, как и МДП-транзисторы. Вместо управляющего электрода в них имеется окно для подачи света в канал проводимости, который выполнен из полупроводника с низкой собственной проводимостью. При подаче света в полупроводнике возникают электронно-дырочные пары, при этом между истоком и стоком появляется электрический ток (см. подразд. 1.9).

Полупроводниковые приборы с зарядовой связью. В полупроводни­ковых приборах с зарядовой связью (ПЗС) может происходить накоп­ление неосновных носителей зарядов под электродами МДП-структур и перемещение их от одного электрода к другому. Под действием электрического поля под затворами ПЗС в полупроводнике образуются потенциальные ямы, в которых скапливаются и могут сохраня­ться носители зарядов. Если затворов несколько и они последовательно располагаются на линии, то, подавая напряжение на соседний с потенциальной ямой затвор, можно переместить заряд в другую потенциальную яму. По своей структуре ПЗС подобны полевым МДП-транзисторам. Они имеют подложку, исток, сток и несколько затворов, расположенных последовательно.

Существующие различные типы ПЗС используются в следу­ющих направлениях:

оперативные запоминающие устройства электронных вычислительных машин (ЭВМ);

устройства запоминания и преобразования изображений в электрические сигналы;

устройства обработки аналоговой информации.

Более подробную информацию о ПЗС и их использовании можно найти в специальной литературе.

Электронные усилители

Резонансные усилители

Резонансные усилители необходимы для усиления радиочастотных сигналов.

Резонансными называют усилители, в которых в качестве сопротивления нагрузки транзистора или операционного усилителя используется последовательный или параллельный колебательный LC -контур, настроенный в резонанс с частотой усиливаемых колебаний.

Резонансный усилитель имеет ряд преимуществ по сравнению с RC -усилителем:

- его входная и выходная емкости, а также емкость монтажа компенсируются настройкой контура в резонанс, поэтому сопротивление нагрузки, равное эквивалентному сопротивлению контура, может быть большим и обеспечивать большое усиление;

- на сопротивлении нагрузки нет падения постоянного напряже­ния, поэтому сопротивление нагрузки может быть очень большим;

- усилитель обладает частотной избирательностью, определяемой АЧХ контура нагрузки.

На рис. 2.5 приведена электрическая схема одноконтурного транзисторного резонансного усилителя с автотрансформаторной связью контура с транзистором следующего каскада. Частичное включение транзистора в контур используется с целью уменьшения шунтирующего влияния его выходного сопротивления и сопротивления нагрузки на эквивалентное сопротивление контура, а также для согласования входного и выходного сопротивлений транзистора и нагрузки.

Рис. 2.5. Электрическая схема одноконтурного транзисторного резонансного усилителя

 

При анализе работы усилителя необходимо:

- определить зависимость выходного напряжения U выхот частоты входного сигнала и параметров схемы, откуда затем можно найти коэффициент усиления, амплитудно-частотную, фазочастотную (ФЧХ) характеристики и полосу пропускания усилителя;

- выяснить условия устойчивой работы усилителя при наличии паразитных обратных связей и выбрать оптимальные коэффициенты связи для обеспечения требуемой полосы пропускания.

Для резонансного контура важны следующие величины:

- резонансная частота,

- характеристическое или волновое сопротивление,

- собственная добротность Q к,

- эквивалентное затухание контура d экв= 1/ Q экв.

При резонансе коэффициент усиления становится чисто действительным, так как в этом случае Z экв= R эквпредставляет собой чисто активное сопротивление.

АЧХ и ФЧХ резонансного усилителя приведены на рис. 2.6. АЧХ имеет колоколообразную форму с максимумом К 0 на резонансной частоте w0, а ФЧХ изменяется от p/2 до -p/2.

Рис. 2.6. АЧХ и ФЧХ резонансного усилителя

 

Полоса пропускания контураопределяется по формуле:

.

Согласно формуле полоса уменьшается при увеличении добротности и уменьшении резонансной частоты контура.

 

Обратные связи в усилителях

Обратная связь (ОС) в усилителях — это такая связь между его цепями, при которой часть энергии усиленных сигналов выходной цепи передается в входные цепи. Если сигнал ОС приводит к дополнительному усилению в усилителе, ОС называется положительной (ПОС). Если же сигнал ОС приводит к ослаблению усиления входного сигнала, то такую ОС называют отрицательной (ООС).

Положительная ОС приводит к самовозбуждению усилителя и применяется только в генераторах синусоидальных и импульсных напряжений. Отрицательная ОС приводит к ослаблению коэффициента усиления и одновременно улучшению его частотных и динамических характеристик.

Обычно ОС выполняется с помощью пассивных элементов (RC - или LC -цепочек). Обратная связь может быть по напряжению и току. Во втором случае напряжение, пропорциональное току в цепи нагрузки, снимается с вспомогательного резистора связи R cви подается в цепь ОС.

Обратную связь в усилителях разделяют на внутреннюю, паразитную и внешнюю.

Внутренняя ОС имеется во всех активных электронных приборах и зависит от их физических свойств и устройства.

Паразитная ОС появляется из-за возникновения произвольных (паразитных) емкостных и индуктивных связей между входом и выходом усилителя или его отдельных каскадов.

Внешняя (наведенная)ОС определяется специально введенными цепями для получения заданных характеристик усилителя.

Внутреннюю и паразитную ОС стремятся сделать как можно меньше, так как они приводят к нежелательным изменениям свойств усилителя (например, самовозбуждению). Внешнюю ООС создают для повышения стабильности сигнала (т.е. для исключения самовозбуждения из-за паразитных ОС), расширения полосы пропускания, автоматической регулировки усиления, уменьшения нелинейных искажений сигналов, увеличения входного и уменьшения выходного сопротивлений.

При положительной ОС напряжение ОС находится в одной фазе с напряжением входного сигнала, следовательно, выходное напряжение увеличивается, усилитель самовозбуждается и превращается в генератор.

При отрицательной ОС напряжение ОС находится в противофазе с напряжением входного сигнала. Следовательно, уменьшаются входное и выходное напряжения усилителя. Коэффициент усиления усилителя с ООС падает, но расширяется полоса равномерного усиления.

АЧХ двухкаскадного транзисторного усилителя без ООС и с ООС приведены на рис. 2.7.

Рис. 2.7. АЧХ транзисторного усилителя без ООС (1)и с ООС (2)

 

На ри­­сунке видно, что у усилителя с ООС коэффициент усиления в области средних частот меньше, чем у усилителя без ООС. Вместе с тем его нижняя граничная частота f нОСсдвинута в область низких частот, а верхняя граничная частота f вОС— в область более высоких частот. Таким образом, полоса пропускания усилителя с ООС существенно расширяется. Так как коэффициенты усиления современных транзисторов довольно велики, получить высокий коэффициент многокаскадного усилителя нетрудно. Используя ООС, получают импульсные и звуковые усилители с требуемой широкополосностью при минимальном количестве катушек индуктивности и конденсаторов.

Коэффициент усиления может изменяться вследствие изменения параметров активных элементов ООС. Комбинируя разные типы ООС, можно получить усилители с различными характеристиками.

Влияние ООСнаустойчивость усилителя

В некоторых случаях усилители обладают склонностью к самовозбуждению. Это происходит из-за того, что на некоторой частоте фаза напряжения ОС меняется на 180°, и отрицательная ОС превращается в положительную. Обычно такое явление происходит на краях полосы пропускания. Для устранения этого явления используют частотно-зависимую ОС с RC -цепями.

Влияние ООС налинейные искажения

Отрицательная ОС уменьшает коэффициент усиления. При больших амплитудах входного сигнала ток в активных элементах усилителя без ООС может дости­гать предельных значений, при которых начинаются нелинейные искажения. В усилителе с ООС сильные сигналы подавляются больше и динамический диапазон входных сигналов расширяется. Такой эффект ООС наиболее часто используется в радиотехниче­ских устрой­ствах, где сигналы могут изменяться по амплитуде на 30…40 дБ. Использование ООС в этих целях называется автоматической регу­лировкой усиления (АРУ).

ООС обеспечивает выравнивание АЧХ в широком спектральном диапазоне, что приводит к улучшению воспроизведения сигналов с широким спектром и уменьшению частотных искажений. В частности, при наличии ООС в видеоусилителях лучше воспроизводятся фронты и срезы импульсов.

Если цепь ООС частотно-зависимая (т.е. имеет LC - или RLC -цепи), то с ее помощью можно вести избирательное усиление определенных частот (например, коррекцию в области высоких или низких частот).

 

Усилители постоянного тока

В усилителях постоянного тока (или усилителях медленно меняющихся сигналов) коэффициент усиления при уменьшении частоты сигнала до нуля остается таким же, как и на средних частотах, т.е. эти усилители равномерно усиливают его пере­менную и постоянную составляющие.

Усилители постоянного тока (УПТ) обычно используются в контрольно-измерительных приборах, непрерывно измеряющих и регистрирующих медленно меняющиеся значения физических или технических параметров.

Электрическая схема УПТ прямого усиления на трех транзи­сторах приведена на рис. 2.8. Связь между каскадами этого усилителя непосредственная гальваническая через резисторы, сопротивление которых не зависят от частоты сигнала.

Рис. 2.8. Электрическая схема усилителя постоянного тока на трех транзисторах с резистивной связью

 

Необходимое напряжение смещения на базе первого транзистора VT1 обеспечивается с помощью резистивного мостика Rg 1, Rg 2 и падения напряжения на R Э1. Здесь можно отметить первую цепь отрицательной обратной связи на резисторах Rg 2 и R Э1.

Необходимое напряжение смещения на базе второго транзистора VT2 относительно его эмиттера создается подбором сопротивления R Э2.

В схеме резисторы эмиттерных цепей всех транзисторов подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие R Э1> R Э2 > R Э3. В этом случае напряжение на эмиттере каждого последующего каскада будет нарастать, а коэффициент усиления каждого по­следующего каскада будет меньше предыдущего.

Вход первого каскада и выход последнего охвачены отрицательной обратной связью с помощью резистора Rg 1, подключенного к коллектору транзистора VT3.

Делитель R1, R2 компенсирует напряжение, поступающее на вход источника сигнала с базы транзистора VT1, сохраняя постоянное смещение напряжения на ней при изменении внутреннего сопротивления источника сигнала.

Делитель R 1н, R 2нкомпенсирует постоянную составляющую напряжения, поступающего на нагрузку с коллектора транзистора VT3 при отсутствии сигнала на входе усилителя.

АЧХ усилителя постоянного тока равномерна от нулевой частоты до предельной. Искаже­ния сигнала на низких и средних частотах усилителя с прямыми резистивными связями практически отсутствуют. Верхняя частота АЧХ (частота среза), определяемая паразитными емкостями электрических цепей и переходов база—эмиттер, в зависимости от типа транзисторов может достигать 1 МГц.

Недостатком УПТ с резистивными связями является нестабильность усиления, обусловленная колебаниями питающего напряжения, температурной нестабильностью резисторов и параметров транзисторов. Этот недостаток вы­зывает так называемый дрейф нуля, который ограничивает чувствительность приборов, использующих УПТ, и приводит к систематиче­ской приборной ошибке. Для уменьшения дрейфа нуля требуется использовать высокостабильные детали и источники пита­ния, тер­мостатирование, специальные схемы компенсации. В неко­торых случаях для компенсации дрейфа нуля применяют модуляцию входного сигнала синусоидальным сигналом определенной частоты с последующей демодуляцией на выходе усилителя. Однако такие схемы усложняют и повышают стоимость аппаратуры. Более деше­вым и простым способом устранения дрейфа нуля оказалось приме­нение специальных схем, например дифференциальных каскадов.

Электрическая схема дифференциального усилительного каскада УПТ приведена на рис.