Билет 15

Билет

Билет

КПД

Анализ вносимых линейных искажений из-за наличия разделительных и блокировочных емкостей.

Анализ каскада на переменном токе.

На переменном токе источник питания и разделительные ёмкости – закоротки.

Рис 4. Схема каскада для расчёта на переменном токе.

Для расчёта входного и выходного сопротивления, коэффициента обратной связи используем обобщённый матричный метод в ОСЧ.

Для этого в схеме заменим сопротивления проводимостями и выберем узлы.

Рис 5. Схема для расчёта матричным методом

1) Составляем матрицу пассивной части схемы

2) Приводим матрицу транзистора

3) Составляем матрицу схемы

где a - номер входного узла, b - номер выходного узла

;

;

;

;

Подставим:

;

Рис 6. Схема для расчёта линейных искажений из-за входной ёмкости

Коэффициент линейных искажений

,где

Аплитудно-частотная характеристика

Фазово-частотная характеристика

Рис 7. Синхронизированные АЧХ и ФЧХ

Коэффициент полезного действия усилительного каскада равен отношению полезной мощности P_вых к мощности постоянного тока P₀, подводимой от источника напряжения Е.

1) 4. Вольт -амперные характеристики транзистора

При включении транзистора в различных схемах представляют практический интерес графические зависимости напряжения и тока входной цепи (входные вольт -амперныехарактеристики) и выходной цепи (выходные или коллекторные вольт-амперные характеристики). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

Наибольшее распространение получили входные и выходные статические характеристики для двух схем включения транзистора: с общей базой и общим эмиттером. Поскольку на практике схемы включения транзистора с ОЭ имеют преимущественное применение, дальнейшие рассуждения проведем только для этой схемы включения транзистора.

Статической входной характеристикой транзистора для схемы с ОЭ является график зависимости тока базы от напряжения база–эмиттер входной цепи при постоянном значении напряжения выходной цепи

при .

Выходные (коллекторные) характеристики транзистора в схеме с ОЭ представляют собой зависимости тока коллектора от напряжения коллектор–эмиттер выходной цепи при постоянном токе базы во входной цепи

при .

Типичные входные и выходные характеристики транзистора см. на рис. 3.8.

2) Обратная связь в усилителях

Сегодня мы исследуем на первый взгляд очень вредное явление – обратную связь.

Что такое обратная связь? Это очень просто. Во всех устройствах, где есть вход и выход, есть какие-то паразитные влияния выходных сигналов на входные сигналы. Кажется, с этим надо бороться. Но сначала давайте посмотрим, к чему это приводит.

На рис. показано усилительное устройство с одним входом и одним выходом (треугольник), наличие обратной связи показано прямоугольником, и эта обратная связь добавляется или отнимается от входного сигнала:

Пусть сначала часть выходного сигнала (В<1) вычитается из входного сигнала. Сгруппировав входное и выходное напряжение можно найти их отношение, т.е. коэффициент усиления с обратной связью:

Таким образом, видно, что при наличии ООС К_ос всегда меньше или равен К₀ (последнее будет, когда В=0, т.е. обратной связи нет).

Итак, вредность ООС очевидна – она уменьшает коэффициент усиления. Посмотрим всё же внимательнее на знаменатель. Там произведение ВК₀ может быть любой величиной, в том числе и большой (значительно больше 1). Но тогда единицей можно в знаменателе пренебречь. И К₀ сократится, останется:

K_ос = 1 / B

Итак, мы видим, что коэффициент усиления в этом случае совершенно не зависит от исходного коэффициента К₀, а определяется некоторой случайной величиной В.

Но вот какая особенность. К₀ – величина довольно неопределённая. Во первых, она сильно зависит от β - коэффициента усиления транзисторов по току, во вторых – сильно зависит от температуры, и вообще довольно нестабильная величина. А В можно сделать специально и довольно точно. Так как В <1, то не требуется усилитель в ООС, то есть можно обойтись, например, резисторами. Итак, В можно сделать заданной с точностью 10^-4 ...10^-6, а К₀ – с точностью до 100% или хуже. То есть если сделать обратную отрицательною связь специально, то можно улучшить точность задания коэффициента усиления за счёт уменьшения самого усиления (1/В больше, чем единица, но меньше, чем К₀ ).

Теперь посмотрим более точно, во сколько же раз можно улучшить точность коэффициента усиления. Для этого нужно продифференцировать выражение для К_ос по К₀ . При этом мы получим величину F=1+BК₀

Величину F=1+BК₀ называют глубиной обратной связи. Это именно та величина, в которую уменьшается коэффициент усиления при ООС. Чтобы уменьшить влияние этого фактора, умножим полученную формулу на F:

При этом влияние любой нестабильности К₀ на К_ос уменьшается в F раз, то есть в глубину отрицательной обратной связи.

Непосредственно на входе усилителя при большой глубине ООС напряжение очень маленькое.

Теперь рассмотрим случай положительной обратной связи (ПОС) – это когда на входе прибавляется часть выходного сигнала. В окончательной формуле изменится только знак:

Возможны три случая:

1. BK₀<1. Ясно, что это когда К_ос>K₀. Казалось бы, это очень полезный случай – коэффициент усиления увеличился, его можно сделать сколь угодно большим. Но как мы видели раньше при обсуждении ООС, обычно коэффициент усиления усилителя плоховат (не очень стабилен), а при увеличении его за счёт ПОС он становится совсем нестабильным. Поэтому этот случай совсем не используется.
2. BK₀=1. В этом случае формула вообще не справедлива, так как в знаменателе получается 0, а на 0 делить нельзя. Нужно заново рассмотреть вывод формулы, чтобы учесть что-то что мы не учли при её выводе. Но мы этого делать не будем, скажем только, что случай бесконечно большого коэффициента усиления соответствует условию генерации сигнала – усилитель превращается в генератор. Вот это как раз используется: практически всегда, когда надо сделать генератор синусоидальных, прямоугольных или других периодических сигналов, берут хороший усилитель и делают ПОС, удовлетворяющую указанному условию.
3. BK₀>1. Ясно, что подсчитать результат по формуле можно, К₀<0. Но подозрение на применимость осталось, ведь что-то мы не учли. Более внимательное рассмотрение показывает, что это тоже ситуация, когда получается из усилителя генератор.

Больше мы ПОС рассматривать не будем, а вернёмся к рассмотрению ООС. При этом будем считать, что это не вредное, а очень полезное явление, и возникает не случайно, а сделано нарочно. Поэтому будем заранее считать, К₀ не очень стабильная величина, но очень большая. А за счёт применения ООС мы добиваемся улучшения стабильности усилителя с некоторой потерей коэффициента усиления.

Б)Влияние обратных связей на основные параметры усилителя

Обратная связь, в особенности отрицательная, оказывает значительное воздействие практически на все основные параметры усилителя, существенно улучшая его свойства. Уже отмечалось, что отрицательная обратная связь снижает коэффициент усиления усилителя, а положительная увеличивает.

1.3.1 Стабильность коэффициента усиления. Под действием различных внешних факторов, а также за счет временного дрейфа параметров и старения элементов усилителя значение коэффициента усиления может изменяться. Величина этого изменения оценивается коэффициентом нестабильности, который представляет собой дифференциальный параметр и учитывает влияние всех факторов. Для усилителя без обратной связи он может быть найден как:

Соответственно для усилителя с обратной связью:

Если в усилителе имеется отрицательная обратная связь, то:

откуда можно получить:

и умножив левую и правую часть на К:

Тогда:

Отношение:

3) Сумматоры: определения, классификация, уравнения, структуры и применение

Основной элементарной операцией, выполняемой над кодами чисел в цифровых устройствах, является арифметическое сложение.

Сумматор — логический операционный узел, выполняющий арифметическое сложение кодов двух чисел. При арифметическом сложении выполняются и другие дополнительные операции: учёт знаков чисел, выравнивание порядков слагаемых и тому подобное. Указанные операции выполняются в арифметическо-логических устройствах (АЛУ) или процессорных элементах, ядром которых являются сумматоры.

Сумматоры классифицируют по различным признакам.

В зависимости от системы счисления различают:

• двоичные;
• двоично-десятичные (в общем случае двоично-кодированные);
• десятичные;
• прочие (например, амплитудные).

По количеству одновременно обрабатываемых разрядов складываемых чисел:

• одноразрядные,
• многоразрядные.

По числу входов и выходов одноразрядных двоичных сумматоров:

• четвертьсумматоры (элементы “сумма по модулю 2”; элементы “исключающее ИЛИ”), характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются два одноразрядных числа, и одним выходом, на котором реализуется их арифметическая сумма;
• полусумматоры, характеризующиеся наличием двух входов, на которые подаются одноимённые разряды двух чисел, и двух выходов: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд);
• полные одноразрядные двоичные сумматоры, характеризующиеся наличием трёх входов, на которые подаются одноимённые разряды двух складываемых чисел и перенос из предыдущего (более младшего) разряда, и двумя выходами: на одном реализуется арифметическая сумма в данном разряде, а на другом — перенос в следующий (более старший разряд).

По способу представления и обработки складываемых чисел многоразрядные сумматоры подразделяются на:

• последовательные, в которых обработка чисел ведётся поочерёдно, разряд за разрядом на одном и том же оборудовании;
• параллельные, в которых слагаемые складываются одновременно по всем разрядам, и для каждого разряда имеется своё оборудование.

Параллельный сумматор в простейшем случае представляет собой n одноразрядных сумматоров, последовательно (от младших разрядов к старшим) соединённых цепями переноса. Однако такая схема сумматора характеризуется сравнительно невысоким быстродействием, так как формирование сигналов суммы и переноса в каждом i-ом разряде производится лишь после того, как поступит сигнал переноса с (i-1)-го разряда. Таким образом, быстродействие сумматора определяется временем распространения сигнала по цепи переноса. Уменьшение этого времени — основная задача при построении параллельных сумматоров.

Для уменьшения времени распространения сигнала переноса применяют: конструктивные решения, когда используют в цепи переноса наиболее быстродействующие элементы; тщательно выполняют монтаж без длинных проводников и паразитных ёмкостных составляющих нагрузки и (наиболее часто) структурные методы ускорения прохождения сигнала переноса.

2) Дифференциальный усилитель - это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным. Дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным. Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду. Обычно КОСС определяют в децибелах. Диапазон изменения синфазного входного сигнала задает допустимые уровни напряжения, относительно которого должен изменяться входной сигнал.

1) Вольт -амперные характеристики транзистора 2.4. Схема с общим коллектором

Для схемы включения транзистора с ОК обычно справочные данные, в том числе по ВАХ, не приводятся. Входными переменными являются базовый ток i _Б и напряжение u _БК, выходные – ток эмиттера и напряжение эмиттер - коллектор. Входные ВАХ по форме мало отличаются от входных ВАХ схемы ОЭ, но диапазон изменения входного напряжения здесь практически такой же, как диапазон изменения выходного напряжения (см.рис.3.8,а, где пунктиром показана входная ВАХ транзистора с ОЭ). Поскольку выходное напряжение здесь отличается от выходного напряжения транзистора ОЭ на относительно малую величину u _БЭ, то и выходные ВАХ мало отличаются от ВАХ транзистора ОЭ, лишь для того же входного тока выходной ток несколько выше, поскольку i _Э = i _К + i _Б и i _Б << i _К (см.рис.3.8,б).

Рис. 3.8

Коэффициент передачи тока в этой схеме включения транзистора равен

Выходное напряжение чуть меньше выходного, так как . Поэтому схемы с использованием транзистора с ОК называют повторителями напряжения или эмиттерными повторителями, поскольку нагрузка обычно подключаются к эмиттеру. Для анализа схем с ОК достаточно иметь ВАХ или параметры транзисторов с ОБ или ОЭ.

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика транзистора:

а – входная характеристика; б – выходная характеристика

При = 0 входная характеристика транзистора соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного p–n -перехода (рис. 3.8, а). С увеличением ток базы уменьшается. Это объясняется тем, что при увеличении растет напряжение, приложенное к коллекторному p–n -переходу в обратном направлении. Из-за этого уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в базе, так как большинство носителей быстро втягиваются в коллектор

Характер выходных характеристик тран­зистора (рис. 3.8, б) определяется величиной напряжения , прикладываемого к коллекторному переходу . В схеме с ОЭ это напряжение определяется разностью напряжений выходной и входной цепи транзистора (рис. 3.9)   . (3.26)   При этом входное напряжение (см. рис. 3.3, б) прикладывается к коллекторному переходу в прямом, а напряжение выходной цепи – в обратном направлении. Поэтому при напряжение на коллекторном переходе оказывается включенным в прямом направлении. Это приводит к тому, что крутизна выходных характеристик на начальном участке от до велика.

При дальнейшем увеличении напряжения крутизна выходных характеристик уменьшается, они располагаются почти параллельно оси абсцисс. Положение каждой из выходных характеристик зависит главным образом от величины тока базы .

Если эмиттерный переход транзистора перевести в непроводящее состояние,
т. е. подать на эмиттерный переход напряжение отрицательной полярности , то ток коллектора снизится до величины и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающего по цепи база–коллек­тор. Область коллекторных характеристик, лежащих ниже характеристики, соответствующей , называют областью отсечки.

3.5. Обозначение транзистора

Как и любой полупроводниковый прибор, транзистор имеет маркировку, представляющую собой комбинацию букв и цифр. Первым элементом обозначения транзистора являются буквы, указывающие исходный материал, из которого выполнен транзистор: Г – германий, К – кремний и А – арсенид галлия. Второй элемент обозначения указывает тип прибора: Т – биполярный транзистор, П – полевой транзистор.

Третьему элементу обозначения соответствует номер разработки транзистора, а последняя буква обозначения указывает группу транзистора, т. е. отличительные особенности транзистора данной разработки.

Пример маркировки транзистора КТ315 Г: кремниевый транзистор, 315-й разработки, группы Г. Проводимость транзистора (p–n–p или n–p–n), а также другие его параметры не указываются в маркировке. Вся необходимая информация о параметрах транзистора приводится в справочных данных.

2. Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов. Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям (кабель обычно состоит из двух скрученных проводов), звуковые сигналы (в радиотехнике понятие «балансный» импедане обычно связывают с дифференциальным импедансом 600 Ом), радиочастотные сигналы (двухжильный кабель является дифференциальным), напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазные помехи не очень велики. Дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей, которые мы рассматриваем ниже. Они играют важную роль при разработке усилителей постоянного тока (которые усиливают частоты вплоть до постоянного тока, т.е. не используют для межкаскадной связи конденсаторы): их симметричная схема по сути своей приспособлена для компенсации температурного дрейфа.

На рис. 2.67 показана основная схема дифференциального усилителя. Выходное напряжение измеряется на одном из коллекторов относительно потенциала земли; такой усилитель называют схемой с однополюсным выходом или разностным усилителем и он распространен наиболее широко. Этот усилитель можно рассматривать как устройство, которое усиливает дифференциальный сигнал и преобразует его в несимметричный сигнал, с которым могут работать обычные схемы (повторители напряжения, источники тока и т. п.). Если же нужен дифференциальный сигнал, то его снимают между коллекторами.

Рис. 2.67. Классический транзисторный дифференциальный усилитель.

Чему равен коэффициент усиления этой схемы? Его нетрудно подсчитать: допустим, на вход подается дифференциальный сигнал, при этом напряжение на входе 1 увеличивается на величину u_вх (изменение напряжения для малого сигнала по отношению ко входу).

До тех пор пока оба транзистора находятся в активном режиме, потенциал точки А фиксирован. Коэффициент усиления можно определить как и в случае усилителя на одном транзисторе, если заметить, что входной сигнал оказывается дважды приложенным к переходу база-эмиттер любого транзистора: К_диф = R_к/2(r_э + R_э). Сопротивление резистора R_э обычно невелико (100 Ом и меньше), а иногда этот резистор вообще отсутствует. Дифференциальное напряжение обычно усиливается в несколько сотен раз.

Для того чтобы определить коэффициент усиления синфазного сигнала, на оба входа усилителя нужно подать одинаковые сигналы ивх. Если вы внимательно рассмотрите этот случай (и вспомните, что через резистор R₁ протекают оба эмиттерных тока), то получите К_синф = - R_к/(2R₁ + R_э). Мы пренебрегаем сопротивлением r_э, так как резистор R₁ обычно выбирают большим - его сопротивление составляет по крайней мере несколько тысяч ом. На самом деле сопротивлением R_э тоже можно пренебречь. КОСС приблизительно равен R₁(r_э + R_э). Типичным примером дифференциального усилителя является схема, представленная на рис. 2.68. Рассмотрим, как она работает.

Рис. 2.68. Вычисление характеристик дифференциального усилителя.
К_диф = U_вых/(U₁ - U₂) = R_к/2(R_э + r_э):
К_диф = R_к/(2R₁ + R_э + r_э);
КОСС ≈ R₁/(R_э + r_э).

3) Комбинационные логические схемы. Принципы построения.

Комбинационные схемы - это схемы, у которых выходные сигналы Y = (у1, у2,..., уm) в любой момент дискретного времени однозначно определяются совокупностью входных сигналов Х = (х1, х2,..., хn), поступающих в тот же момент времени t. Реализуемый в КС способ обработки информации называется комбинационным потому, что результат обработки зависит только от комбинации входных сигналов и формируется сразу при поступлении входных сигналов. Поэтому одним из достоинств комбинационных схем является их высокое быстродействие. Преобразование информации однозначно описывается логическими функциями вида Y=f(Х). Логические функции и соответствующие им комбинационные схемы подразделяют на регулярные и нерегулярные структуры. Регулярные структуры предполагают построение схемы таким образом, что каждый из ее выходов строится по аналогии с предыдущими. В нерегулярных структурах такая аналогия отсутствует. Многие регулярные структуры положены в основу построения отдельных ИС малой и средней степени интеграции или отдельных функциональных частей БИС и СБИС. Из регулярных комбинационных схем наиболее распространены дешифраторы, шифраторы, схемы сравнения, комбинационные сумматоры, коммутаторы и др.
Для построения любой КС необходима таблица истинности ее функционирования (составляется или задается), затем составляется функция зависимости каждого выхода схемы от входа (в форме СДНФ, которую затем можно перевести в упрощенную форму) и производится построение схемы на определенных логических элементах (чаще всего на И-НЕ и ИЛИ-НЕ). Как правило, построение и расчет любой схемы осуществляется начиная с ее выхода. Допустим задано булево выражение: . Первый этап: выполняется логическое сложение (т.е. логическая операция ИЛИ), считая входными переменными функции , , .

Второй этап: к входам элемента ИЛИ подключаются логические элементы И, входными переменными которых являются уже A, B, C и их инверсии:

Третий этап: для получения инверсий и на соответствующих входах ставят инверторы:

Как видно из построения, любые логические функции могут быть представлены как аргументы других более сложных функций, и наоборот: любую сколь угодно сложную функцию можно представить как совокупность стандартных функций.

.1) Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, через который протекает поток основных носителей зарядов, регулируемый поперечным электрическим полем, которое создаётсянапряжением, приложенным к одному из электродов такого прибора, называемым затвором. Полевые транзисторы классифицируют на приборы с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором, так называемые МДП («металл-диэлектрик-полупроводник»)-транзисторы, которые также называют МОП («металл-оксид-полупроводник»)-транзисторами, причём последние подразделяют на транзисторы со встроенным каналом и приборы с индуцированным каналом.К основным параметрам полевых транзисторов причисляют: входное сопротивление, внутреннее сопротивление транзистора, так же называемое выходным, крутизну стокозатворной характеристики, напряжение отсечки и некоторые другие.Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом[2] — это полевой транзистор, в котором пластина из полупроводника, например n-типа (Рис. 1), имеет на противоположенных концах электроды (сток и исток), с помощью которых она включена в управляемую цепь. Управляющая цепь, подключается к третьему электроду (затвор) и образована областью с другим типом проводимости, в данном случае p-типом.Источник питания, включенный во входную цепь, создаёт на единственном p-n-переходе обратное напряжение. Во входную цепь также включается и источник усиливаемых колебаний. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, в связи с чем меняется толщина обедненного слоя (n-канал), то есть площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом. К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:

 стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока IС от напряжения на затворе UЗИ (рис. 2.4, а);

 стоковая характеристика – это зависимость IС от UСИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б)

IС = f (UСИ), при UЗИ = const.

2. Вариант схемы каскада с ОС с автосмещением приведен на рисунке 2.36, схемы для областей СЧ,ВЧ и НЧ приведены, соответственно, на рисунках 2.37а,б,в.

Рисунок 2.36. Усилительный каскад с ОС

Каскад с ОС называют еще "истоковым повторителем" или "повторителем напряжения, т.к., аналогично каскаду с ОК, можно показать, что коэффициент передачи по напряжению этого каскада меньше единицы, и что каскад с ОС не инвертирует фазу входного сигнала.

Графический анализ работы усилительного каскада с ОС проводится как для ОЭ (см. раздел 2.5).

3. Генераторами сигналов называются электронные схемы, формирующие переменное напряжение требуемой формы и частоты.Можно выделить четыре типа наиболее известных и используемых на практике сигналов: прямоугольной, треугольной, пилообразной и синусоидальной форм.Строятся генераторы на основе транзисторов, операционных усилителей и компараторов. Генераторы сигналов прямоугольной формы строятся также на основе логических элементов.Задание необходимой частоты осуществляется при помощи RC-цепей или кварцевых резонаторов, если необходима высокая стабильность. Генераторы «незатухающих» гармонических сигналов – это автогенераторы, в составе которых можно выделить две основные части: усилитель и цепь обратной связи (ЦОС), характеризующуюся коэффициентом передачи цепи обратной связи: γ = Uoc/Uвых, где Uoc – напряжение на выходе цепи обратной связи; Uвых – напряжение на выходе усилителя с коэффициентом усиления К. Произведение Кγ называют петлевым усилением. Обобщенная схема автогенератора приведена на ри с. 9.1.

Причиной возникновения сигнала являются шумы теплового происхождения, существующие в элементах схемы. При этом для возникновения генерации необходимо выполнение двух условий:

K γ ³ 1; (9.1)

∆jК + ∆jγ = 2pn, n = 0, 1, 2,..., (9.2)

где ∆jК, ∆jγ – сдвиги фаз в усилителе и в ЦОС.

Выражение (9.1) называется условием баланса амплитуд и показывает, что при самовозбуждении сигнал на выходе цепи обратной связи должен быть не меньше сигнала на входе усилителя, т. е. усиление усилителя на частоте генерации должно полностью компенсировать ослабление сигнала при прохождении цепи обратной связи. Условие (9.2) называется условием баланса фаз и показывает, что на частоте генерации фаза сигнала, прошедшего по всей цепочке «усилитель – цепь обратной связи», должна совпасть с исходной, т. е. суммарный фазовый сдвиг, наблюдаемый в автогенераторе, должен быть равен 2pn. Чтобы автоколебания возникали не на произвольной частоте, а на заранее выбранной, необходимо, чтобы оба условия генерации – баланс амплитуд (9.1) и баланс фаз (9.2) – быстро нарушались по обе стороны от расчетной частоты генерации. Для этого либо усилитель, либо ЦОС (чаще именно ЦОС) выполняют частотно- и фазово-избирательной с помощью RC- или LC-цепочек. Рост амплитуды сигнала на первой стадии генерации (при Кγ > 1) сменяется стабилизацией (при Kγ» l) из-за нелинейности амплитудной (или передаточной) характеристики усилителя (см. рис. 5.2 и 6.3).

Более подробно рассмотрим генераторы RC-типа: они просты в реализации, имеют малые габаритные размеры и массу. Однако форма сигнала несколько отличается от гармонической и существенно изменяется в зависимости от колебаний параметров усилителя и ЦОС.

В генераторах RC-типа обратная связь осуществляется в основном за счет RC-цепей, обладающих квазирезонансными частотными характеристиками и обеспечивающих на определенной частоте выполнение условий (9.1) и (9.2). Избирательным RC-цепям присуща невысокая добротность.

Билет 16 1.Моп-транзистор с индуцированным каналом.Принцип действия и хар-ки.

МОП-структура — полупроводниковая структура, применяемая при производстве микросхем и дискретных полевых транзисторов. Полупроводниковые приборы на основе этой структуры называют МОП-транзисторами (от слов «металл-оксид-полупроводник», англ. metal-oxide-semiconductor field effect transistor, сокращенно «MOSFET»), МДП-транзисторами (от слов «металл-диэлектрик-полупроводник») или транзисторами с изолированным затвором (так как у таких транзисторов затвор отделён от канала тонким слоем диэлектрика).[1]

современные интегральные логические элементы, микросхемы памяти микропроцессоры и микроконтроллеры часто построены на полевых транзисторах типа “металл-окисел-полупроводник” (МОП) с индуцированным каналом.Эскиз, поясняющий устройство такого транзистора может иметь вид:

основу транзистора составляет подложка — пластина полупроводника с примесной (например типа p) проводимостью. На подложке в непосредственной близости друг от друга сформированы области истока и стока имеющие прмесную проводимость противоположного типа (в нашем случае типа n). При этом между стоком и подложкой и истоком и подложкой образуются p-n-переходы.

Поверхность подложки между истоком и стоком покрыта тонким слоем диэлектрика — двуокись кремния.

На внешнюю поверхность диэлектрика нанесен тонкий слой металла — затвор.

На схемах полевой транзистор рассмотренной структуры изображают следующим образом:

На схемах полевой транзистор рассмотренной структуры изображают следующим образом:

Предположим вначале, что затвор соединен с подложкой следующим образом: В этом случае цепь сток-исток можно рассматривать как два диода соединенные последовательно и встречно: Сопротивление такой цепи имеет порядок 109 Ом, т.е. практически бесконечно — транзистор закрыт.

Подадим далее на затвор положительный потенциал относительно подложки, используя следующую схему:

Затвор при этом получает положительный заряд, который взаимодействует с носителями тока в подложке, стока и истока. Понятно, что дырки подложки будут отталкиваться от затвора, а электроны стока и истока напротив притягиваться к затвору в результате конфигурация p-n переходов в транзисторе меняется, они приближаются друг к другу. Если напряжение затвор-подложка превысит некоторое пороговое значение, то все дырки будут вытеснены из-под затвора, а области стока и истока сомкнутся, образуя индуцированный канал n-типа. Эскиз этого состояния транзистора имеет вид: В этом случае сток-исток можно рассматривать как линейное электрическое сопротивление. Его величина зависит от напряжения затвор-подложка и может в пределе достигать сотен и даже десятков Ом (в мощных транзисторах до долей Ома). В таком режиме транзистор открыт.Кроме МОП транзисторов с индуцированным каналом n-типа существуют симметричные или как говорят комплементарные им транзисторы с индуцированным каналом p-типа. По конструкции они аналогичны, но имеют подложку типа n и открываются отрицательным напряжением затвор-подложка. Условное обозначение МОП транзисторов с индуцированным каналом имеет вид:

Входная цепь рассмотренных транзисторов представляет собой по сути дела конденсатор структуры МОП (“металл-окисел-полупроводник”). С одной стороны это очень удобно т.к. входная цепь практически не потребляет от внешней схемы активного тока и мощности. С другой стороны это вынуждает принимать меры против воздействия на транзистор статического электричества т.к. пробивное напряжение этого МОП конденсатора всего 30÷50В.

2.Усилители. Основные понятия и определения.Хар-ки усилителей.

Усилитель — элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить)

Свойства каждого усилителя могут быть оценены такими основными характеристиками как: – коэффициент усиления,

– полоса пропускания,

– диапазон частот входного сигнала,

– выходная мощность,

– коэффициент полезного действия,

– чувствительность,

– динамический диапазон,

– собственные помехи,

– искажения.

Коэффициент усиления усилителя может быть по напряжению KU, по току KI и по мощности KР.

Определение.Коэффициент усиления напряжения (тока) – модуль передаточной функции усилителя, отделяемый отношением напряжения (тока) на сопротивление нагрузки усилителя к напряжению (току) на входе усилителя

Определение. Коэффициент усиления мощности усилителя – отношения мощности, развиваемой на сопротивлении нагрузки усилителя к мощности, получаемой усилителем от источника входного сигнала

Определение.Полосой пропускания усилителя (Δ fП) называется полоса частот, на границе которой коэффициент усиления напряжения (тока) уменьшается по отношению к наибольшей величине в установленное число раз.

Диапазон частот входного сигнала является характеристикой апериодических усилителей. Иногда эта характеристика называется полосой пропускания апериодического усилителя.Диапазон частот зависит от назначения усилителя и определяется крайними частотами спектра сигнала fН (нижней частотой) и fВ (верхней частотой), между которыми коэффициент усиления не опускается ниже допустимых значений.

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя равен отношению полезной мощности РП,отдаваемой усилителем в нагрузку, к подводимой к нему суммарной мощности от источника питания

Выходная мощность является характеристикой апериодических усилителей. Выходная мощность характеризуется мощностью полезного сигнала, развиваемой на сопротивлении нагрузки. Величина выходной мощности определяется назначением усилителя.

Чувствительность усилителя – минимальные напряжения, ток или мощность на входе электронного усилителя, при которых обеспечивается заданное превышение полезного сигнала над шумами усилителя и заданные напряжение, ток или мощность в нагрузке усилителя. Для определения чувствительности при заданной выходной мощности РВЫХ необходимо сначала найти UВЫХ

Характеристики усилителя отражают зависимости одной физической величины от другой. К характеристикам УУ относятся: амплитудно-фазовая (годограф), амплитудно-частотная (АЧХ), логарифмическая амплитудно-частотная (ЛАЧХ), фазо-частотная (ФЧХ), динамическая. Кроме этого, шумовые свойства УУ характеризуются спектральной плотностью шумового сигнала и зависимостью среднеквадратичного уровня шума от частоты.

3.Ключи на биполярных транз.Анализ работы ключа в статич и динамич режимах

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный).

Транзисторный ключ — это схема, предназначенная для коммутации цепи нагрузки транзистора при воздействии на не­го внешних управляющих сигналов.

Транзисторный ключ может находиться в двух стацио­нарных состояниях: разомкнутом, когда транзистор заперт и работает в режиме отсечки тока, и замкнутом, когда транзи­стор открыт и работает либо в режиме насыщения, либо в ак­тивном режиме. Обычно (особенно при больших токах нагруз­ки) используют насыщенный транзисторный ключ, так как в режиме насыщения на биполярном транзисторе рассеивается меньшая мощность, чем в активном режиме. В насыщенном транзисторном ключе активный режим является переходным от одного стационарного состояния ключа в другое и опреде­ляет его быстродействие.

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения. Статические характеристики каскада, включённого по схеме с ОБ, измеряются по общей схеме, изображённой на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Схема измерений статических параметров транзистора с ОБ

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные.

Входные характеристики – это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении. Для схемы с общей базой

IЭ = f (UБЭ) при UБК = const.

Входные характеристики представляют собой прямую ветвь открытого p-n перехода. При увеличении выходного напряжения UКЭ носители заряда быстрее пролетают базу, рекомбинируют, следовательно, и ток базы уменьшается. Поэтому характеристика при UКЭ > 0 будет проходить ниже.

Резистором R1 изменяется напряжение база-эмиттер, а резистором R2 поддерживается постоянным UБК. Обычно входные характеристики измеряются при двух значениях постоянного напряжения UБК (рис. 1.9, а).

Выходная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы включения с общей базой

IК = f (UБК) при IЭ = const.

Из рис. 1.9, б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения.

Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера.

Рис. 1.9. Статические характеристики транзистора с ОБ: а – входные; б – выходные

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор, за счёт которого изменение входного тока или напряжения будет вызывать изменение выходного напряжения.

На рис. 1.12 резистор RК – это коллекторная нагрузка для транзистора, включённого по схеме с ОЭ, обеспечивающая динамический режим работы.

EК = URК + UКЭ;

URК = IКRК;

EК = UКЭ + IКRК;

UКЭ = EК – IКRК,

где последнее выражение – это уравнение динамического режима работы транзистора.

Уравнение динамического режима является уравнением выходной динамической характеристики. Так как это уравнение линейное, выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках

Дата добавления: 2015-05-06