Исходные данные. 1 страница

2002

Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям);

Уварова Людмила Васильевна

Методические указания к выполнению домашнего задания на тему: «Расчет резисторных каскадов предварительного усиления на биполярных транзисторах с общим эмиттером»

_________________________________________________

Подписано в печать

Усл. печ.л. Тираж экз. Заказ

_________________________________________________

Типография СТИ МИСиС

309516, Старый Оскол, м-р Макаренко, 42

Старый Оскол

Пассивные RC и RLC - цепи.

RC- цепи в схемотехнике имеют большое значение. Они применяются весьма часто, поэтому рассмотрим и вспомним их функции.

Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот является схемой, которая без изменений передает сигналы нижних частот, а на высоких частотах обеспечивает затухание сигналов и запаздывание их по фазе относительно входных сигналов. Простейший фильтр- RC- цепь.

Описание в частотной области.

Для расчета частотной характеристики запишем соотношение напряжений на входе и выходе схемы в комплексной форме (пропорционально сопротивлениям):

Модуль .

Учитывая, что , тогда выражение для фазы: .

Обе зависимости представлены на графике.

Когда сигнал на выходе цепи уменьшиться в ( 0.7) раз - это частота называется частотой среза.

Положив ,

получим выражение для частоты среза:

;

Фазовый сдвиг на этой частоте составляет -45⁰

Описание во временной области.

Для анализа схемы во временной области подадим на вход этой схемы импульс напряжения.

Для тока и напряжения можно записать уравнения:

. (1)

Оно имеет решение:

, (2)

Установившееся значение U_a=U_r или U_a=0 (во втором случае).

К этому значению кривые приближаются асимптотически.

Поэтому в качестве меры времени установления выходного напряжения принята постоянная времени . Она показывает время, в течении которого процесс достигает значения, отличающегося от установившегося на 1/е часть величины скачка на входе.

Время установления может быть найдено из соотношения (2):

=RC.

В таблице приведены значения времени установления выходного напряжения.

Точность установления, %				0.1
Время установления,		2.3	4.6	6.9

Если в качестве входного сигнала приложить напряжение прямоугольной формы с периодом Т, то экспоненциальная функция прерывается через каждую половину периода. Какое значение при этом будет достигнуто, зависит от соотношения Т/2 и .

Фильтр нижних частот, как интегрирующее звено.

При f>>f_g

В установившемся режиме:

.

Решение уравнения (1) в этом случае будет иметь вид:

,

где RC- постоянная времени интегрирования.

Длительность фронта импульса.

Еще одним параметром характеризующим фильтр нижних частот, является длительность фронта импульса. Этот параметр показывает время в течении которого выходное напряжение возрастает от 10 до 90% конечного значения, если на вход подать импульс прямоугольной формы.

Фильтр верхних частот.

ФВЧ- это схема, которая передает без изменений сигналы высоких частот, а на низких частотах обеспечивает затухание сигналов и опережение их по фазе относительно входных сигналов. Амплитудно- частотные и фазово- частотные характеристики опять получим из отношения:

.

Отсюда находим:

Выражение для частоты среза f_g= .

Фазовый сдвиг на этой частоте составляет +45⁰.

Так же как и для ФНЧ постоянная времени для ФВЧ =RC.

Реакция ФВЧ на скачок и на импульс имеют следующий вид:

В начальный момент времени t₀, когда входное напряжение изменяется скачкообразно, этот скачек мгновенно передается на выход, т.к. заряд конденсатора остается неизменным. Затем, по мере заряда конденсатора напряжение падает по экспоненте.

Примечательно, что в случае убывающего скачка на входе, на выходе сигнал имеет отрицательное значение, хотя сигнал на входе положителен.

Фильтр верхних частот как элемент RC- связи.

Если на входе фильтра верхних частот приложено напряжение прямоугольной формы с периодом Т<< , то конденсатор в течении полупериода почти полностью перезаряжается и выходное напряжение будет полностью равно входному с точностью до постоянной величины.

В связи с тем, что через конденсатор не может протекать постоянный ток, среднее значение выходного напряжения равно нулю. Следовательно постоянная составляющая входного напряжения не передается. На этом основано применение RC- фильтра в качестве элемента связи.

Фильтр верхних частот как дифференцирующее звено.

Если приложить входное напряжение с частотой f<<f_g, то ,

тогда будет справедливо диф. уравнение:

,

т.о. низкочастотные входные напряжения дифференцируются.

₁> ₂> ₃.

Компенсированный делитель напряжения.

Очень часто омический делитель напряжения имеет емкостную нагрузку. При этом он представляет собой фильтр нижних частот. Его частота среза тем выше, чем более низкоомным является делитель напряжения. В связи с этим омическое сопротивление делителя не должно быть слишком большим. Другая возможность повышения частоты состоит в том, что действие фильтра нижних частот можно скомпенсировать с помощью фильтра верхних частот.

Для этого служит конденсатор С_к. Расчет параметров этой цепи следует производить таким образом, чтобы параллельное подключение емкостей к делителю напряжения обеспечивало тот же коэффициент деления, что и омический делитель.

В этом случае на высоких и низких частотах получается одинаковое соотношение напряжений. Это возможно при условии С_к/С_L=R₂/R₁.

При оптимальном выборе элементов импульсы передаются без искажений.

Пассивный полосовой фильтр.

Путем последовательного соединения фильтров верхних и нижних частот получают полосовой фильтр. Его выходное напряжение равно нулю на высоких и нижних частотах.

Модуль и фазовый сдвиг выразятся соотношениями:

Выходное напряжение максимально при =1, т.е. резонансная частота f_r= .

Фазовый сдвиг на резонансной частоте равен нулю.

Мост Вина- Робинсона.

Если полосовой фильтр дополнить сопротивлениями R₁ и 2R₁, то получится мост Вина- Робинсона. Омический делитель напряжения обеспечивает частотно- независимое напряжение, равное 1/3 U_e. При этом на резонансной частоте выходное напряжение равно нулю.

В отличие от полосового фильтра амплитудно- частотная характеристика на резонансной частоте имеет минимум. Схема применяется для подавления сигналов в определенной частотной области.

Модуль и фазовый сдвиг определяются как:

Двойной Т- образный фильтр.

Двойной Т- образный фильтр обладает частотной характеристикой, идентичной частотной характеристике фильтра Вина- Робинсона. Он тоже пригоден для подавления сигналов в определенной частотной области. В отличие от моста Вина- Робинсона выходное напряжение снимается относительно общей точки. Для высоких и для низких частот U_a=U_e.

Модуль и фазовый сдвиг равны:

Колебательный контур.

Колебательный контур с потерями имеет следующие параметры:

* - резонансная частота без затухания ,

* - резонансная частота с затуханием ,

* - затухание контура ,

* - добротность Q=1/d,

* - ширина полосы пропускания ,

* - резонансное сопротивление .

Вольт- амперная характеристика P-N- перехода.

Вольт- амперная характеристика показывает зависимость тока через P-N-переход от значения и полярности приложенного напряжения:

I=I₀(e^40U-1), (1)

где I₀- ток насыщения P-N- перехода, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала; U- напряжение, приложенное к P-N- переходу; e=2.718- основание натуральных логарифмов.

Идеальная вольт- амперная характеристика перехода (а) и в зависимости от температуры окружающей среды (б).

Из (1) видно, что при U_пр>0.05 В, т.е. при е^40U>>I, ток через P-N- переход с увеличением напряжения резко возрастает (см рис.16, а). При отрицательных напряжениях U_обр начиная с U_обр=0.05 В величина I/e^40U<<I и ею можно пренебречь, тогда I=-I_обр=-I₀, т.е. обратный ток равен току насыщения и в определенных границах обратного напряжения остается величиной практически постоянной. Ток I₀ составляет несколько микроампер и им можно пренебречь. Дальнейшее увеличение обратного напряжения (выше U_{обр max}) приводит к электрическому пробою P-N- перехода (при U_проб), сопровождающемуся резким возрастанием обратного тока. Пробой P-N- перехода происходит под действием внутренней электростатической ионизации, в результате которой электронам сообщается энергия, достаточная для освобождения их от парно- электронных связей и преодоления потенциального барьера. Такой вид пробоя называется зенеровским (туннельным). В результате ударной ионизации атомов полупроводника в районе P-N- перехода носителями, образующими первичный обратный ток, наступает лавинный пробой.

Свойства P-N- перехода существенно зависят от температуры окружающей среды (рис.,б). При недостаточном обеспечении теплоотвода от указанного перехода происходит его перегрев и повышение температуры вызывает увеличение тепловых колебаний электронов основного полупроводника, при этом некоторые из них приобретают энергию, достаточную для разрыва связей с атомами.
Частотные свойства P-N-перехода.

Вольт- амперная характеристика P-N- перехода имеет не линейный характер, т.к. сопротивление перехода изменяется в зависимости от значения и полярности приложенного напряжения. С увеличением прямого напряжения сопротивление P-N- перехода уменьшается и возрастает с увеличением обратного напряжения, т.е. не соблюдается прямолинейная зависимость между напряжением и током. Нелинейные свойства перехода используются в целом ряде полупроводниковых приборов.

Электронно- дырочный переход можно представить в виде конденсатора, т.к. основные носители зарядов обоих знаков сконцентрированы по обе стороны от перехода. Емкость конденсатора пропорциональна площади P-N- перехода, концентрации основных носителей и диэлектрической проницаемости полупроводникового материала, а так же зависит от значения и знака приложенного напряжения: при малых значениях U_обр и U_пр носители зарядов находятся нанебольшом расстоянии друг от друга и емкость P-N- перехода значительна; когда обратное напряжение увеличивается, электроны и дырки расходятся на большое расстояние от P-N - переходаи емкость уменьшается. Следовательно, P-N- переход можно использовать как емкость, управляемую в основном обратным напряжением. Полупроводниковые приборы, емкость которых изменяется при изменении обратного напряжения на P-N- переходе, называют варикапами. При работе на высоких частотах емкостное внутреннее сопротивление Х_с.вн.= уменьшается и шунтирует запирающий слой, поэтому, не смотря на большое сопротивление запирающего слоя, через эту емкость проходит ток как при U_пр, так и при U_обр, в результате чего P-N- переход теряет свойство односторонней проводимости. Чтобы избежать таких явлений, изготавливают приборы с малой площадью P-N- перехода, обладающего малой собственной емкостью.

Устройство полупроводниковых диодов.

Наибольшее применение получили полупроводниковые германиевые и кремниевые диоды, отличающиеся друг от друга конструктивным оформлением и размерами в зависимости от типа полупроводникового материала, номинального тока и напряжения. По конструктивному выполнению эти диоды бывают плоскостными и точечными. Плоскостные диоды изготавливают на токи до нескольких ампер, точечные- до нескольких миллиампер.

Точечные диоды.

Эти диоды изготавливают из полупроводника с электронной проводимостью в виде тонкой пластинки 7, которую покрывают снизу тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. Сверху в пластинку 7 упирается контактная пружина 5 из вольфрамовой проволоки, заостренный конец которой покрыт слоем индия или алюминия. Этот слой является акцепторной примесью и обеспечивает создание около заостренного конца полупроводника области 4 с дырочной проводимостью. Между P- и N- полупроводниками образуется электронно- дырочный переход 6 толщиной 10-12 Рис11. Точечный диод. мкм. Влажность и загрязнение снижают вентильные свойства P-N- перехода, поэтому диоды монтируются в стеклянном или металлическом герметическом корпусе 1, на концах которого установлены коваровые трубки 2 с выводами 3. Кроме того, корпус защищает полупроводниковый элемент от механических повреждений и обеспечивает нормальную работу вентиля в условиях вибрации, тряски и ударов. После сборки диоды подвергают электрической формовке. При пропускании импульсов тока значительной силы происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник. Благодаря малой площади P-N- перехода точечные диоды имеют незначительную емкость и поэтому применяются в высокочастотных устройствах автоматики.

Плоскостные диоды.

Рис.12. Плоскостной диод.

Эти диоды изготавливают в виде пластинки 7 с электронной проводимостью, укрепленной на металлическом держателе 8, представляющим собой нижний контакт P-N- перехода. В пластинках 7 из германия или кремния методом сплавления или диффузии создается плоский по форме электронно- дырочный переход 9. В германиевых диодах, изготавливаемых сплавным методом, для получения электронно- дырочного перехода 9 в пластинку германия с электронной проводимостью добавляют каплю расплавленного индия, а затем нагревают. При нагревании плавящийся индий диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем слой 10 с дырочной проводимостью. Верхний контакт представляет собой массивную деталь 6, способную пропускать значительные токи большего по площади перехода. Германиевая пластинка 7 с P-N- переходом помещается в металлический корпус 5, герметизированный сверху стеклянным изолятором 4 с трубкой 3, в который помещены внутренний вывод 2 и наружный вывод 1. В плоскостных кремниевых диодах в пластинку из кремния с электронной проводимостью вместо индия вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с дырочной проводимостью.

Основные параметры полупроводниковых диодов.

Эксплуатационные возможности полупроводниковых диодов характеризуются их параметрами, которые определяются при температуре окружающей среды +(20 + 5)⁰С и приводятся в справочной литературе. По назначению диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные (универсальные) и импульсные.

Выпрямительные диоды.

Они предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (обычно менее 50кГц). В качестве выпрямительных диодов используют плоскостные диоды, допускающие благодаря значительной площади контакта большой выпрямленный ток. Основным материалом для изготовления выпрямительных диодов является кремний. Выпрямительные диоды характеризуются следующими параметрами:

· постоянное прямое напряжение U_пр - постоянное напряжение на диоде при заданном постоянном прямом токе;

· постоянное обратное напряжение U_обр - постоянное напряжение, приложенное к диоду в обратном направлении;

· постоянный прямой ток I_пр - постоянный ток, протекающий через диод в прямом направлении;

· постоянный обратный ток I_обр - постоянный ток, протекающий через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

· средний прямой ток I_{пр.ср .}- прямой ток, усредненный за период;

· средний обратный ток I_{обр.ср .}- обратный ток, усредненный за период;

· диапазон частот Df - диапазон, на любой частоте которого выпрямленный ток не ниже заданного;

· прямое и обратное сопротивления определяются по вольт- амперной характеристике (рис.). Поскольку полупроводниковый диод представляет собой нелинейное сопротивление, его характеризуют двумя видами прямых и обратных сопротивлений: статическими и динамическими.

Статические прямое и обратное сопротивления являются сопротивлениями диода по постоянному току для заданных точек вольт- амперной характеристики (рис. а).

Определение статического (а) и динамического (б) сопротивления

Эти сопротивления находят из соотношений напряжений и токов при неизменной силе тока. Сопротивления так же могут быть определены по наклону прямых ОА и ОВ, соединяющих начало координат О с точками А и В, соответствующих заданному режиму работы диода в прямом и обратном включении:

R_пр=U_пр/I_пр=tga; R_обр=U_обр/I_обр=tgb.

Динамические (дифференциальные)сопротивления характеризуют отношение диода к небольшим изменениям (приращениям) тока и напряжения (рис.б) в прямом и обратном включении и определяются по наклону касательных к вольт- амперной характеристике для заданных режимов работы диода:

Rд.пр=DUпр/DIпр; Rд.обр=DUобр/DIобр=Uобр/DIобр.

Из вольт- амперных характеристик (рис.) и приведенных формул видно, что при увеличении прямых напряжений прямые статические и динамические сопротивленияуменьшаются, так как нарастание тока идет быстрее нарастания напряжения, а при увеличении обратных напряжений обратные сопротивления возрастают.

Выпрямительные диоды характеризуются так же максимально допустимыми параметрами. Они определяют границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью в течении установленного срока службы. К ним относятся:

¨ максимально допустимое постоянное обратное напряжение Uобр.мах;

¨ максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.мах;

¨ максимально допустимый средний выпрямленный ток Iд.ср.мах;

¨ максимально допустимая средняя мощность рассеяния диода Рмах.

Высокочастотные диоды.

Это приборы универсального назначения:

Þдля выпрямления тока в широком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц),

Þдля модуляции,

Þдетектирования

Þи других нелинейных преобразований.

В качестве высокочастотных диодов в основном используются точечные диоды. Высокочастотные диоды имеют те же параметры, что и выпрямительные диоды, но диапазон их рабочих частот гораздо шире.

Импульсные диоды.

В качестве импульсных диодов в основном используются точечные диоды. Импульсные диоды в основном предназначены для преобразования импульсных сигналов (в детекторах видеосигналов в телевизионных приемниках, в ключевых и логических устройствах и др.) и характеризуются следующими основными параметрами:

* импульсное прямое напряжение Uпр.п - пиковое прямое напряжение на диоде при заданном импульсе прямого тока;

* импульсное обратное напряжение Uобр.и. - пиковое обратное напряжение на диоде, включающее как однократные выбросы, так и периодически повторяющиеся;

* общая емкость диода Сд - емкость, измеренная между выводами диода при заданных напряжении и частоте;

* время установления прямого напряжения t_уст - интервал времени с момента подачи импульса прямого тока на диод (при нулевом смещении) до достижения заданного напряжения на диоде;

* время восстановления обратного сопротивления t_восст - интервал времени с момента прохождения тока через нуль после переключения диода из состояния заданного тока в состояние заданного обратного напряжения до момента достижения заданного обратного тока;

* заряд переключения Qпк - часть накопленного заряда, вытекающего во внешнюю цепь при изменении направления тока с прямого на обратное.

К максимально допустимым параметрам относятся:

¨ максимально допустимый прямой ток Iпр.мах,

¨ максимальная рабочая температура,

¨ минимальная рабочая температура.

Маркировка диодов.

В соответствии с ГОСТ 10862-72 диодам присваиваются обозначения из четырех элементов:

первый элемент - буква или цифра, обозначающая исходный материал:

ÞГ или 1- германий,

ÞК или 2- кремний,

ÞА или 3- соединения галлия);

Дата добавления: 2015-05-06