Дисциплина: Электротехника, электроника и схемотехника
advertisement
Дисциплина: Электроника и схемотехника Лектор: Валерий Петрович Довгун доктор технических наук, профессор АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ: Лекции, практические задания, лабораторные работы САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА: 1. Подготовка к выполнению и защите лабораторных работ. 2. Самостоятельное изучение отдельных разделов курса. 2 Электротехника и электроника Рекомендуемая литература 1. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с. 2. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 270 с. 3. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с. 4 Электротехника и электроника Первые компьютеры 5 Электротехника и электроника Первые компьютеры 6 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. В отличие от металлов в полупроводниках носители заряда возникают при повышении температуры или поглощении энергии от другого источника. В полупроводниках электропроводность осуществляется двумя различными видами движения электронов. Проводимость полупроводников можно менять в широких пределах, добавляя ничтожно малые количества примесей. 7 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Структура кристалла кремния Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей. 8 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников При освобождении электрона в кристаллической решетке появляется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами получили название дырок. Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов, что равносильно перемещению положительного заряда. 9 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников В полупроводнике имеются два типа носителей заряда – электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа) и дырочной проводимости (р-типа). Для увеличения проводимости чистых полупроводниковых материалов применяют легирование – добавление небольших количеств посторонних элементов, называемых примесями. Используются два типа примесей. Примеси первого типа – пятивалентные – состоят из атомов с пятью валентными электронами. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами. 10 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Структура кристалла кремния, легированного пятивалентным материалом (фосфором) 11 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Атом фосфора называют донором, поскольку он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике являются основными носителями, а дырки – неосновными носителями. Основные носители имеют отрицательный заряд, поэтому такой материал называется полупроводником n-типа. В качестве донорных примесей для германия и кремния используют фосфор, мышьяк, сурьму. 12 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов. Это создаст в ковалентной связи дырку. Структура кристалла кремния, легированного трехвалентным материалом 13 Электротехника и электроника Электрические свойства полупроводников Атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторами. Дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа. В качестве акцепторных примесей в германии и кремнии используют бор, алюминий, галлий, индий. 14 Вольт-амперная характеристика р–n-перехода Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р–n-переходом. Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше их концентрации в p-области, происходит диффузия электронов из n-области в pобласть. В n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Одновременно происходит диффузия дырок из pобласти в n-область. За счет этого приграничная р-область приобретает отрицательный заряд, обусловленный отрицательно заряженными ионами акцепторов. 15 Электротехника и электроника Вольт-амперная характеристика р–n-перехода Прилегающие к р–n-переходу области образуют слой объемного заряда, обедненный основными носителями. В слое объемного заряда возникает контактное электрическое поле Ek, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую. 16 Электротехника и электроника Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод – двухполюсный прибор, имеющий один p–n-переход. Упрощенная структура диода Электрод диода, подключенный к p-области, называют анодом (А), а электрод, подключенный к nобласти – катодом (К). Электротехника и электроника 17 Полупроводниковые диоды Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером. Функции эмиттера может выполнять как катод, так и анод. Область с низкой концентрацией примесей называют базой. База имеет значительно большее объемное сопротивление, чем эмиттер. Условное графическое обозначение диода 18 Электротехника и электроника Полупроводниковые диоды Вольт-амперная характеристика диода 19 Электротехника и электроника Полупроводниковые диоды Идеальная ВАХ p–n-перехода описывается выражением U I I0 e Vt 1 , Здесь: Vt kT e – температурный потенциал; k –постоянная Больцмана; T – абсолютная температура в градусах Кельвина; e – заряд электрона. При комнатной температуре (20C) Vt 25.2 мВ . Для упрощения расчетов полагают, что при комнатной температуре Vt 25 мВ . 20 Электротехника и электроника Полупроводниковые диоды Ток I0 называют тепловым, или обратным, током насыщения. Величина этого тока зависит от материала, площади p–n-перехода и от температуры. Типичные значения I0 : от 10-12 до 10-16 А. Обратный ток диода зависит от температуры. У кремниевых диодов он удваивается при увеличении температуры приблизительно на 7 С. На практике считают, что обратный ток кремниевых диодов увеличивается в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 С. 21 Электротехника и электроника Полупроводниковые диоды Если прямое напряжение перехода U > 0.1 B, U то e Vt 1 , и уравнение диода можно записать в упрощенном виде: I I 0e U Vt I 0e 40U . 22 Электротехника и электроника Анализ цепей с диодами Основная трудность, возникающая при анализе цепей с диодами: • ВАХ диода нелинейна в середине рабочей области. Простейшую модель диода можно получить, полагая прямое напряжение и обратный ток равными нулю. Такой элемент называют идеальным диодом. Поведение идеального диода описывается уравнениями: U 0, I 0; I 0, U 0. Мощность идеального диода при любой полярности приложенного напряжения равна нулю: p ui 0 23 Анализ цепей с диодами Вольт-амперная характеристика идеального диода образована двумя отрезками прямых, совпадающих с осями координат U, I. Когда диод смещен в прямом направлении, он эквивалентен короткому замыканию. При обратном напряжении идеальный диод подобен разрыву. Электротехника и электроника 24 Анализ цепей с диодами Более точная модель диода: 25 Электротехника и электроника Анализ цепей с диодами При анализе цепей с идеальными диодами можно использовать следующую процедуру. 1. На первом шаге полагаем, что все диоды смещены в прямом направлении, и заменяем их короткими замыканиями. 2. Анализируем полученную схему и определяем направления токов через диоды. Если направление тока, полученное в результате расчета, совпадает с прямым током диода, оставляем короткое замыкание, если нет – заменяем его разрывом. 3. Анализируем цепь, полученную на втором шаге, и находим фактические значения напряжений и токов. 26 Электротехника и электроника Выпрямители Выпрямители преобразуют переменное напряжение питающей сети в пульсирующее однополярное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной ВАХ. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды. Однополупериодный выпрямитель 27 Электротехника и электроника Выпрямители Напряжения на входе и выходе однополупериодного выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения U ср U вх m 2 U вх 0.45U вх Максимальное обратное напряжение на диоде U обрmax 2U вх U ср 28 Электротехника и электроника Выпрямители Двухполупериодный выпрямитель с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора u1 VD2 Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD1, а в отрицательный – диод VD2. 29 Электротехника и электроника Выпрямители Напряжение на нагрузке Средние значения тока и напряжения нагрузки 2U 2m 2 2U 2 I н I 2m ; U н 0.9U 2 30 Электротехника и электроника Выпрямители Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя Tp VD1 u1 VD2 u2 VD3 VD4 R uн 31 Электротехника и электроника Выпрямители Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры Емкостный фильтр (С-фильтр) в схеме однополупериодного выпрямителя Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения происходит за счет периодической зарядки конденсатора С (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки Электротехника и электроника 32 Выпрямители Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя 33 Электротехника и электроника Выпрямители На интервале времени t1 – t2 диод открыт и конденсатор заряжается. На интервале t2 – t3 диод закрыт и конденсатор разряжается через сопротивление Rн Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения Um Ur fRнС f - частота входного напряжения Амплитуда пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя Um Ur 2 fRнС Электротехника и электроника 34 Биполярные транзисторы Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами n–p–n- транзистор 35 Электротехника и электроника Биполярные транзисторы p–n–p- транзистор 36 Электротехника и электроника Биполярные транзисторы Структура биполярного транзистора p n n 37 Электротехника и электроника Биполярные транзисторы Активный режим работы биполярного транзистора Iк Iэ – коэффициент передачи тока эмиттера. У интегральных транзисторов = 0.99–0.995 Iэ Iк Iб 38 Электротехника и электроника Биполярные транзисторы Режим отсечки: Iэ Iб 0 U бэ 0.6 В Режим насыщения: U кэ 0.4 В 39 Электротехника и электроника Характеристики биполярных транзисторов Входная характеристика Выходные характеристики Iк, мА Iб Iб = 40 мкА Iб = 20 мкА Iб = 0 Uбэ Uкэ, В 40 Электротехника и электроника Модели биполярных транзисторов Линеаризованные характеристики биполярного транзистора Iк Iб Iб4 Iб3 Iб2 Iб1 Iб = 0 Uбэ Uкэ 41 Электротехника и электроника Модели биполярных транзисторов Модель биполярного транзистора для активного режима К К Iб Б Б Iб Iб Iб Е0 Е0 Э Э 42 Электротехника и электроника Модели биполярных транзисторов Модель биполярного транзистора для режима насыщения 43 Электротехника и электроника Усилительный каскад на биполярном транзисторе 44 Электротехника и электроника Усилительный каскад на биполярном транзисторе Конденсаторы С1 и С2 – разделительные; Делитель напряжения R1 – R2 определяет положение рабочей точки эмиттерного перехода. Rэ - Сэ – цепь отрицательной обратной связи. Резистор RК преобразует изменение тока коллектора в выходное напряжение. 45 Электротехника и электроника Усилительный каскад на биполярном транзисторе Анализ для постоянной составляющей 46 Электротехника и электроника Усилительный каскад на биполярном транзисторе Эквивалентная схема для постоянной составляющей R2 Eб Eк R1 R2 R1 R2 Rб R1 R2 Ток базы Eб E0 Iб Rб Rэ 1 Электротехника и электроника Ток коллектора Eб E0 Iк Iб Rб Rэ 1 47 Усилительный каскад на биполярном транзисторе Схема замещения для переменной составляющей Выходное напряжение uвых g m Rк Rн eвх 48 Электротехника и электроника Полевые транзисторы Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля Электроды полевого транзистора – исток (И), сток (С) и затвор (З). Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком 49 Электротехника и электроника Полевые транзисторы Классификация полевых транзисторов 1. С управляющим p–n-переходом; 2. С металлическим затвором, изолированным от канала диэлектриком. Приборы второго типа называют МОП-транзисторами. 50 Электротехника и электроника Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом Р Р+ 51 Электротехника и электроника Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом Выходные характеристики Uзи = –1 В Uзи = –2 В Uзи = –3 В 52 Электротехника и электроника Полевой транзистор с управляющим p–nпереходом Передаточная характеристика При напряжении затвор-исток, равном напряжению отсечки U отс ток стока близок к нулю. У n-канального ПТ напряжение затвор-исток отрицательно. 53 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом 54 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом Выходные характеристики Режимы полевого транзистора: - линейный; - насыщения; - отсечки. Электротехника и электроника 55 МОП-транзистор с индуцированным каналом Линейный (триодный) режим работы МОПтранзистора U зи U 0 Eб E0 Iк Iб Rб Rэ 1 Ток стока I с bU зи U 0 U си 0.5U 2 си 56 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом b – удельная крутизна МОП-транзистора: W b C.0 L – приповерхностная подвижность носителей, C 0 – удельная емкость затвор-канал, L – длина, W – ширина канала. 57 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом При малых значениях напряжения сток-исток I с bU зи U 0 U си При малых значениях U си канал МОП-транзистора эквивалентен линейному резистору. Величина bU зи U 0 – проводимость канала Сопротивление канала: 1 Rси bU зи U 0 58 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом Режим насыщения МОП-транзистора U зи U 0 U си U нас U зи U 0 Ток стока 1 2 I с bU зи U 0 2 59 Электротехника и электроника МОП-транзистор с индуцированным каналом Передаточная характеристика МОП-транзистора U 0 – напряжение отсечки 60 Электротехника и электроника МОП-транзистор с встроенным каналом 61 Электротехника и электроника МОП-транзистор с встроенным каналом Выходные характеристики Ic, мА Uзи = 1 В Uзи = 0 В Uзи = –0.5 В Uзи = –1 В Uзи = –2 В Ucи, В 62 Электротехника и электроника МОП-транзистор с встроенным каналом Передаточная характеристика Iс Iс нач Uотс Uзи 63 Электротехника и электроника Модели МОП-транзисторов Квадратиная модель МОП-транзистора Uзи Ic = f(Uзи) Ucи 1 2 I с bU зи U 0 2 64 Электротехника и электроника Модели МОП-транзисторов Квадратичная модель МОП-транзистора Q gm 2bIс или 2Iс gm U зи U 0 65 Электротехника и электроника Усилитель на полевом транзисторе с управляющим p–n-переходом 66 Электротехника и электроника Усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом 67 Электротехника и электроника Усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом Схема замещения для режима малого сигнала Rг uвх R12 Выходное напряжение uзи gmuзи Rc||Rн uвых uвых g m Rс Rн uвх Коэффициент усиления переменной составляющей напряжения KU g m Rс Rн 68 Электротехника и электроника Усилители Классификация усилителей 1.По диапазону усиливаемых частот – усилители низких частот (УНЧ), усилители постоянного тока (УПТ), усилители высоких частот (УВЧ), избирательные усилители. 2.По функциональному назначению – усилители напряжения, тока, мощности. 3.По характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов. 69 Электротехника и электроника Усилители Структура усилительного устройства 70 Электротехника и электроника Усилители Параметры усилителей Основной количественный параметр – коэффициент усиления (коэффициент передачи). U • Коэффициент усиления напряжения K U вых U • Коэффициент усиления тока вх I K I вых I вх • Коэффициент усиления мощности P K K K P вых P U I вх 71 Электротехника и электроника Усилители Коэффициент передачи усилителя – комплексная функция частоты: K K e j Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). зависимость аргумента коэффициента усиления от частоты – фазочастотная характеристика (ФЧХ). 72 Электротехника и электроника Усилители Примерный вид амплитудно-частотной характеристики усилителя K(f) K0 0,7K0 f01 f02 f Полоса пропускания ограничена частотами среза 01 и 02 На частотах среза коэффициент усиления напряжения составляет K0 2 0,707 K0 , а коэффициент усиления мощности равен 0.5K 0 . 73 Электротехника и электроника Усилители Логарифмические частотные характеристики Коэффициент усиления удобно измерять в логарифмических единицах – децибелах: KU дБ 20 lg KU K I дБ 20 lg K I K P дБ 10 lg K P Если АЧХ усилителя построена в логарифмическом масштабе, ее называют логарифмической амплитудно-частотной характеристикой (ЛАЧХ или ЛАХ). 74 Электротехника и электроника Обратные связи в усилителях Обратной связью называют процесс передачи сигнала из выходной цепи во входную. Цепь, обеспечивающую эту передачу, называют цепью обратной связи. Петля, или контур обратной связи, состоит из прямого пути, образуемого активным элементом, и обратного пути, образуемого цепью обратной связи. 75 Электротехника и электроника Обратные связи в усилителях Пример: усилитель, охваченный цепью обратной связи U U U R U R Цепь обратной связи – делитель напряжения, образованный резисторами R1 , R 2 . 76 Электротехника и электроника Обратные связи в усилителях Выходное напряжение усилителя: U вых KU . d Напряжение обратной связи R U U R R 1 ос 1 вых U вых 2 R1 – коэффициент передачи цепи обратной R1 R2 связи. Напряжение на входе усилителя 1 U U U U 1 K d Электротехника и электроника вх ос вх 77 Обратные связи в усилителях Выходное напряжение U вых K 1 K U вх Коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, U K K U 1 K вых ос вх Произведение K – коэффициент петлевого усиления, Величина 1 K – глубина обратной связи 78 Электротехника и электроника Дифференциальные усилители Дифференциальный усилитель (ДУ) – симметричная схема с двумя входами и двумя выходами U U U U U 79 Электротехника и электроника Дифференциальные усилители Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы дифференциальной и синфазной составляющих: U U U 2 U вх 2 U сф U д 2 вх 1 сф д Дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений: , U U U д вх 1 вх 2 а синфазный – их полусумме: U U U 2 вх 1 вх 2 сф Электротехника и электроника 80 Дифференциальные усилители Источник сигнала на входе дифференциального усилителя можно представить эквивалентной схемой, показанной на рисунке 81 Электротехника и электроника Дифференциальные усилители Параметры дифференциального усилителя Коэффициент усиления дифференциального сигнала u К u вых д д Коэффициент усиления синфазного сигнала u К u вых сф сф Коэффициент ослабления синфазного сигнала: К К К д осс сф Электротехника и электроника 82 Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах 83 Электротехника и электроника Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах Коэффициенты усиления дифференциального сигнала uвых 1 Rк К д1 К д1 uд 2R0 Rэ Для симметричного выхода Rк Кд R0 Rэ Коэффициент усиления синфазного сигнала К сф1 К сф 2 Rк 2R0 Коэффициент ослабления синфазного сигнала К осс Электротехника и электроника Кд RJ К сф Rэ rэ 84
