Микроэлектронника и схемотехника каф. АТМ

Кафедра АТМ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА.
Пособие для преподавателей и студентов

конспект лекция по МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКАКафедра АТМ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА.
Пособие для преподавателей и студентов
Лекция 1
Схемотехника усилителей постоянного тока.
Усилителями электрических сигналов называют электронные устройства, предназначенные для увеличения мощности сигнала. Усиления сигнала, увеличения его мощности, происходит за счет энергии мощного источника питания. Маломощный входной сигнал управляет потоком энергии от источника питания на выход усилителя и нагрузку. Форма выходного сигнала, как функция времени, не должна отличаться от входного. Если это существует, то говорят об искажении сигнала в усилителе. Все усилители можно разбить на две большие группы по возможности усиления сигнала с различной частотой спектра:
I Усилители переменного тока, предназначены для усиления только переменного тока в определенной полосе частот.
II Усилители постоянного тока, предназначены для усиления сигнала постоянного тока (сигналов нулевой частоты), кроме того они могут усиливать также сигналы переменного тока в определенной полосе частот.
Основной характеристикой усилителя постоянного тока является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).
Диапазон частот в котором усиление остается не менее называется полосой пропускания.
Максимальная частота пропускания называется векторной, а минимальная – нижней граничной частотой. — коэффициент усиления постоянного тока при
Амплитудная характеристика усилителя – зависимость выходного сигнала от входного
Максимальная величина выходного сигнала ограничена конечной мощностью источника. Активные элементы на которых построены усилители, в частности транзисторы имеют ограниченный диапазон работы токов и напряжений, что также ограничивает максимально возможный выходной сигнал. Характеристики транзисторов являются нелинейными.
Основной особенностью усилителя постоянного тока является непосредственная связь между источником сигнала и усилителем, усилителем и нагрузкой.
За счет температурного изменения параметров транзисторов, резисторов, за счет нестабильного колебания напряжения это отличное от нуля выходное напряжение при нулевом входном сигнале называется дрейфом нуля. С течением времени дрейф нуля может измениться. Различают абсолютный дрейф – непосредственно напряжение дрейфа на выходе усилителя и приведенный дрейф – дрейф приведенный ко входу усилителя.
Приведенный дрейф показывает сигнал какой величины, но противоположного знака нужно подать на вход усилителя, чтобы выходной сигнал стал равным нулю.
Дрейф нуля приводит к тому, что УПТ будет смещена от начала координат.
где — смещение нуля.
В настоящее время усилители постоянного тока изготовляют интегральном исполнении в виде интегральных схем, которые имеют малые габариты, соизмеримые с габаритами отдельного транзистора, имеют малую потребляемую мощность, высокую экономичность, все элементы схемы изготовляются по современной технологии в одном кристалле полупроводника, площадь поверхности которого не превышает одного квадратного миллиметра. В тех случаях, если требуется мощный выходной сигнал между микросхемой и нагрузкой применяются мощные транзисторы. Кроме того есть ряд специальных микросхем с мощным выходом при этом, для предотвращения перегрева в таких микросхемах их располагают на радиаторах (теплоотводы).
Согласование усилителя постоянного тока с источником сигнала и нагрузкой.
Усилители постоянного тока могут использоваться в качестве усилителей каскадов (те же самые каскады, что и в усилителе переменного тока с общим эмиттером, коллектором, базой). В схемах УПТ не допускается использование реактивных элементов. Для подключения источника сигнала к нагрузке нельзя использовать разделительные емкости, трансформаторы индуктивности. Эти элементы не пропускают сигнала постоянного тока. Рассмотрим подключение источника входного сигнала к усилительному каскаду с общим эмиттером.
При отсутствии входного сигнала в цепи базы происходит ток смещения между базой и эммитором смещения напряжения. В цепи коллектора – ток покоя коллектора .
Основным принципом при подключении источника входного сигнала является то, что при нулевом входном сигнале подключения такого источника не должно изменить режим покоя транзистора. В схеме не должны измениться ни один ток, ни одно напряжение.
Входным сигналом для транзистора является ток базы и напряжение базы эммитора. При отсутствии входного сигнала существует ток базы смещения и базы эммитора. и не должны измениться при подключении нулевого источника. Существует несколько способов подключения:
1)последовательно с . При этом полностью выполняется сформулированные требования. При действии входного сигнала отличного от 0 положительной или отрицательной полярности он будет действовать на базу транзистора через сопротивление вызовет приращение тока базы что приведет к изменению тока коллектора на величину и изменению напряжения на коллекторе ; Уравнение нагрузочной прямой: на которой находится и рабочая точка как транзистора в режиме покоя, так и при усилении сигнала: Недостатком рассмотренного способа является то, что сопротивление включено последовательно с источником и ограничивает входной ток, создаваемый этим источником, что приводит к снижению коэффициента усиления. желательно включать непосредственно к базе транзистора.Для предотвращения влияния источника на режим работы транзистора строится мостовая схема. Включается дополнительный делитель и
причем сопротивление рассчитывается таким образом, что потенциалы в точках a и b при отсутствии источника с нулевым уровнем не изменит и транзистора. Сопротивления дополнительного делителя , как правило, значительно меньше сопротивлений исходного делителя, поэтому они несущественно влияют на входной ток, создаваемый источником . Недостаточностью этого способа является то, что он применим только для таких источнков , которые не имеют постоянной связи с общим выводом схемы, с землёй.
Третий вариант является универсальным, но требует так называемого двухполярного источника питания. В отличии от предыдущей схемы здесь и (ток смещения) создается не делителями и , которые здесь отсутствуют, а вторым источником питания , которое через общий вывод схемы своим положительным потенциалом и через источник создает на базе положительное напряжение ( ) относительно отрицательного вывода , чем и создается ток смещения. Данный способ нашел большое применение при изготовлении усилителей в интегральном виде, в виде микросхем.
Согласование усилителей постоянного тока с нагрузкой. При подключении нагрузки к усилителю постоянного тока должен соблюдаться тот же принцип, что и при подключении источника входного сигнала. При подключение нагрузки не должно изменять в схеме ни один ток, ни одно напряжение и напряжение на нагрузке должно быть тоже равно 0. При (нулевой входной сигнал) (напряжение на коллекторе транзистора) равно (напряжение покоя), которое обычно близко к половине напряжения питания. При этом . При действии конечного входного сигнала, отличного от 0, выходное напряжение усилителя на коллекторе транзистора будет совершать коллебания в соответсвии с входным сигналом, будет либо увеличиваться либо уменьшаться относительно . При этом на нагрузке будет создаваться либо положительное либо отрицательное напряжение. При увеличении : , при уменьшении : . Регулируемое сопротивление позволяет перед началом работы установить напряжение на нагрузке равное 0 при (производится так называемая установка нуля усилителя).
Второй способ подключения нагрузки – использование двухполярного источника.
Потенциал нагрузки справа зафиксирован и всегда равен 0 относительно общего вывода.
В этой схеме для обеспечения 0 на нагрузке при изменяется напряжение покоя на коллекторе транзистора. Оно устанавливается равным . Двухполярное питание является универсальным способом согласования усилителей постоянного тока и применяется для питания интегральных усилителей.
Величина входного тока зависит с одной стороны от напряжения с другой от входного сопротивления схемы.
Чем меньше величина входного сопротивления, тем больше будет входной ток. По форме повторяет колебания входного напряжения напряжение между базой и эмиттером. При отсутствии напряжения ток базы свою полярность не меняет.
Коэффициенты усиления параметров входного сигнала зависят как от свойств транзистора, так и от других элементов схемы. Эту связь можно установить аналитически и выразить каждый из коэффициентов через параметры транзистора и элементов схемы.
Расчет коэффициента усиления по напряжению.При анализе усилительных свойств электронной схемы принципиально в электрическую схему, каскада или усилителя заменяют эквивалентной схемой или схемной моделью которая отражает преобразование только усиливаемого сигнала. В такой схеме отсутствуют источники питания, а схема отражает или приращение токов и напряжений для усилителей постоянного тока или переменные составляющие токов или напряжений для усилителей переменного тока.
Такие схемы замещения часто называют схемами замещения в приращениях или схемами замещения по переменному току. Схема замещения в приращениях получается из принципиальной схемы следующим образом:
1) Элементы напряжения которых не изменяется при изменении токов заменяются короткозамкнутыми цепями. Это источники постоянного напряжения, источники ЭДС, стабилитроны; диоды, включенные в прямом направлении.
2) Активные элементы биполярные транзисторы, входящие в схему заменяются своими схемами замещения.
Транзисторы могут заменяться Т-образными схемами замещения в физических параметрах или схемами замещения в Н-параметрах…………….

Лекция 2
Транзисторные ключи.
В импульсных и цифровых устройствах часто возникает необходимость коммутации электрических цепей, причем эта коммутация должна осуществляться под управлением электрических сигналов. С помощью такой коммутации формируются сигналы высокого и низкого уровней, соответствующие логическим 1 и 0. Практически такая коммутация осуществляется с помощью электронных, управляемых входным сигналом, ключей, которые могут быть выполнены как на биполярном, так и на полевых транзисторах. Роль электронного ключа выполняет непосредственно транзистор, который при работе в ключевом режиме может находиться в двух состояниях: проводящем, когда цепь между коллектором и эмиттером или стоком и истоком замкнуто и транзистор не оказывает сопротивления протеканию электрического тока; говорится, что транзистор открыт. Во втором состоянии цепь между коллектором и эмиттером разомкнута, ток через транзистор не может протекать, говорят, что транзистор закрыт. Управление транзисторным ключом, перевода его из закрытого состояния в открытое и наоборот, осуществляется подачей соответствующего входного сигнала.

Работа биполярного транзистора в ключевом режиме.

При построении транзисторных ключей, транзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером.
В коллекторную цепь транзистора включена нагрузка , которая питается источником напряжения Е. Если цепь между коллектором и эмиттером замкнута, в цепи нагрузки будет протекать ток нагрузки, который равен току коллектора: . Напряжение Е будет через открытый транзистор приложено к нагрузке. Если транзистор закрыт, ток равный близок к нулю. Внешнее напряжение Е будет приложено не к нагрузке, а к транзистору. Анализ работы транзисторных ключей проводят по входным и выходным характеристикам на выходных характеристиках строят нагрузочную прямую также как и для усилительных каскадов.
При работе транзистора в ключевом режиме, работа тока может находиться в двух положениях: 4 и 1 (крайнее левое и крайнее нижнее положение).
Положение 4 соответствует открытому состоянию, первое – закрытому. В открытом состоянии протекает максимально возможный , определяющий при этом транзистор не является идеальным ключем. В открытом состоянии напряжение между эмиттером и коллектором падает не совсем до нуля: остается т. н. остаточное напряжение, которое составляет десятые доли вольта. Тогда .
В базе 4 транзистор переходит в режим насыщения, когда и эмиттерный и коллекторный переходы смещены в прямом направлении. Максимально возможный ток коллектора, , называется током коллектора насыщения. Ток коллектора в транзисторе зависит от входного. Чтобы обеспечить ток коллектора насыщения , необходимо обеспечить ток базы . — минимально необходимый входной ток, который обеспечивает рабочее положение рабочей точки в крайнем верхнем положении 4 и ток…………..

Скачать полную версию можно по ссылке…
Скачать конспект лекция по МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА