ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

 

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

В.В. Филинов, А. В. Филинова

  Электроника и основы измерений  

УТВЕРЖДЕНО

в качестве учебного пособия предоставлено кафедрой электротехника и электроника

Оглавление

 

1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ……………………………………5

1.1. Полупроводниковые приборы…………………………...............………….5

1.1.1. Общие сведения………………………......…………….................……..…...5

1.1.2. Полупроводниковые материалы……………………..................…………...6

1.1.3. Р-n-переход и его свойства………….………………................………..…...8

1.1.4. Полупроводниковые диоды………………………..................…………….12

1.1.5. Биполярные транзисторы………………………….................................…..19

1.1.6. Полевые транзисторы………………………………….................……..…..25

1.1.7. Тиристоры………………………………………..…….................………….29

1.2. Интегральные микросхемы……………………...…………………...…….30

1.3. Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем……………………………………............…….....................................32

2. ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ…………………………..34

Усилительные устройства..............................................................................34

2.1.1. Классификация усилителей............................................................................34

2.1.2. Параметры и характеристики усилителей....................................................35

2.1.3. Принцип работы усилителя. ..........................................................................38

2.1.4. Усилители напряжения с общим эмиттером

(Усилительный каскад с коллекторной нагрузкой)......................................39

2.1.5. Эмиттерный повторитель..............................................................................45

2.1.6. Усилительный каскад на полевом транзисторе..........................................46

2.1.7. Истоковый повторитель................................................................................48

2.1.8. Усилители мощности.....................................................................................49

2.1.9 . Многокаскадные усилители.........................................................................51

2.1.10. Усилитель постоянного тока.. ....................................................................53

2.1.11. Обратные связи в усилителях......................................................................56

2.1.12. Операционный усилитель. ..........................................................................57

2.1.13. Избирательный усилитель………………………………………………...59

Генераторы электрических сигналов..........................................................60

Источники питания электронных устройств.............................................63

2.3.1. Однополупериодный выпрямитель...............................................................64

2.3.2. Мостовая схема выпрямителя........................................................................65

2.3.3. Сглаживающие фильтры................................................................................66

2.3.4. Внешняя характеристика выпрямителя........................................................68

2.3.5. Стабилизаторы напряжения...........................................................................68

3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ………………………………70

3.1. Общие сведения………………………………………………………………70

3.2. Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов……………………………………………………………………………78

3.3. Импульсный режим работы операционных усилителей……………….78

3.4. Логические элементы, серии цифровых интегральных микросхем…..82

3.5. Триггеры………………………………………………………………………91

3.6. Счетчики импульсов………………………………………………………...93

3.7. Регистры, дешифраторы, мультиплексоры………………………………95

3.8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП)………………………………………………………………………………..98

3.9. Основные сведения о микропроцессорах………………………………..102

4.ОСНОВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ……………………………….107

4.1. Общие сведения и основные понятия …………………………………...107

4.2. Характеристики измерительных приборов……………………………..108

4.3. Системы электроизмерительных приборов…………………………….109

4.4. Условные обозначения на шкале приборов…………………………….114

4.5. Метод построения амперметров и вольтметров непосредственной оценки…………………………………….………………………………………116

4.6. Электронные приборы непосредственной оценки……………………..118

4.7. Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока………………………………………………………121

4.8. Методы построения приборов сравнения (компенсация)…………….124

4.9. Измерение параметров электрических цепей…………………………..128

4.10. Измерения электрических величин цифровыми приборами……….129

4.11. Электронно-лучевой осциллограф……………………………………...132

Список рекомендуемой литературы…………………………………………..133

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ

Полупроводниковые приборы

Общие сведения

 

Электроника - область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства устройств с их использованием.

В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первое электронное устройства (конец века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины века широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последнюю четверть века основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов.

В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации, и ее отображение и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.

Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные (преобразующие электрическую энергию) элементы.

К пассивным элементам относятся сопротивления (R), емкости (C) и индуктивности(L). Реальные компоненты отражающие свойства R, C и L - резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности могут существенно отличаться от их идеальных моделей. Эти отличия зависят от технологии, материала и условий эксплуатации.

Резисторы, помимо активного сопротивления, обладают ощутимой на высоких частотах проходной емкостью, включенной параллельно активному сопротивлению и составляющей от сотых долей до единиц пикофарад. Лакопленочные и иные резисторы, в которых используются сплошные слои проводящего материала, почти не имеют собственной индуктивности, и ею можно пренебречь вплоть до частот в сотни мегагерц, но между их проводящим слоем и другими частями схемы образуются паразитные конденсаторы с емкостями до несколько пикофарад. Как правило, эти емкости больше, чем проходные. Другой недостаток резисторов этих типов - сильная зависимость активного сопротивления от времени, температуры и влажности. Обычно сопротивление резисторов не выходят из пределов, оговоренных в технических условиях, но нельзя применить их в устройствах, рассчитанных на меньшие отклонения.

Проволочные резисторы обладают значительно большей температурой и временной стабильностью, но у них большие паразитные емкости и значительны паразитные индуктивности. В цепях, где точность и стабильность активных элементов имеет решающее значение, проволочные резисторы незаменимы.

Реальные конденсаторы еще больше отличаются от идеала, чем резисторы. Прежде всего, у них есть сопротивление утечки, шунтирующее емкость. Для высококачественных конденсаторов (например, слюдяных, фторопластовых, керамических и т.п.) собственные утечки составляют при малой влажности и нормальной температуре гигаомы (1 ГОм = 10Ом) и в большей мере зависят от состояния поверхности корпуса или монтажной платы, чем от диэлектрика. Конденсаты с большими емкостями, например электролитические, имеют сопротивление утечки в сотни, иногда - десятки килоом, но зато могут иметь емкости до десятков и сотен тысяч мкФ. Промежуточное положение занимают бумажные и пленочные конденсаторы.

Катушки индуктивности, не имеющие ферромагнитных сердечников, могут быть достаточно близки к идеальной индуктивности, но даже в них сопротивление провода играет роль. В дросселях с сердечниками нелинейность последних приводит к тому, что отличия от идеальной индуктивности оказываются очень существенными. Другая особенность, вносимая сердечниками, - потери энергии на их перемагничивание и на вихревые токи Фуко в них. Эта энергия в конечном счете обращается в тепловую и ведет к нагреву сердечника. Последнее обстоятельство во много определяет КПД и качество трансформаторов.

Полупроводниковые материалы

Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между… Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах…

P-n-переход и его свойства

В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход… Пусть концентрация акцептной примеси в p-области больше, чем концентрация… За счет диффузии дырок из p-области и электронов из n-области они стремятся равномерно распределится по всему объему.…

Полупроводниковые диоды

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологиям изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.… Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Материалом для… При большом токе через p-n-переход значительное напряжение падает в объеме полупроводника, и пренебречь им нельзя.

Биполярные транзисторы

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощенное… Средняя часть рассматриваемых структур называется базой- Б, одна крайняя…       Рис.1.10. Устройство n-p-n-транзистора-a, его …

Полевые транзисторы

В полевых, или униполярных транзисторах в отличие от биполярных ток определяется движением только основных носителей заряда одного типа – электронов… Носители заряда перемещаются по каналу от электрода, называемого истоком (И) к… Полевые транзисторы изготавливают из кремния и в зависимости от электропроводимости исходного материала подразделяют…

Тиристоры.

Тиристоры имеют два вывода от крайних чередующихся p- и n- областей и управляющий электрод (рис. 1.18,а). Вывод, соединенный с крайней p-областью, называется анодом (А), а с крайней… С увеличением напряжения U ток через тиристор несколько возрастает (Участок ОВ характеристики 1.18 в), а при…

Интегральные схемы.

Микроэлектроника основана на применении интегральных микросхем(ИМС), в которых элементы нераздельно связаны между собой и представляют единое целое.… В зависимости от уровня интеграции ИМС делят на несколько категорий: 1. малые ИМС – до 10 элементов (МИС);

Система обозначений полупроводниковых приборов и интегральных микросхем

Первый элемент обозначения полупроводниковых приборов (буква или цифра) определяет исходный полупроводниковый материал: Г или 1 – германий; К или 2… Второй элемент (буква) определяет подкласс прибора: Т – биполярные… Третий элемент (цифра) обозначает один из характерных признаков прибора (назначение, принцип действия и др.).…

ОСНОВЫ АНАЛОГОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

2.1. Усилительные устройства

Классификация усилителей

 

Усилителями называют устройства, осуществляющие однозначное и непрерывное преобразование электрических сигналов малой величины в сигналы значительно большие по величине. Усилители находят применение в самых различных областях науки и техники, например, при измерениях неэлектрических величин, контроле и автоматизации производственных процессов, в системах управления, в радиотехнических устройствах и т. п.

В качестве усилительного элемента в современных усилительных устройствах используются преимущественно биполярные и полевые транзисторы. Все большее применение в настоящее время находят микросхемы, содержащие как усилительные элементы, так и резисторы. Они осуществляют не только усиление, но и другие преобразования входных сигналов, например, выполняют математические преобразования сигналов (суммирование, интегрирование, логарифмирование). Это так называемые операционные усилители.

По количеству используемых усилительных элементов различают:

1. Однокаскадные усилители, имеющие один усилительный элемент;

2. Многокаскадные усилители. Как правило, схема усилителя выполняется из нескольких каскадов.

По роду усиливаемой величины усилительные каскады классифицируют на 3 типа:

1. Усилители напряжения;

2. Усилители тока;

3. Усилители мощности.

Эта классификация удобна на практике, хотя и условна, поскольку во всех трех типах усилителей имеет место усиление мощности сигнала.

Усилители мощности обычно являются оконечными каскадами, а усилители напряжения - каскадами предварительного усиления. Нагрузкой каждого каскада предварительного усиления является входное сопротивление следующего каскада, нагрузкой оконечного каскада может быть обмотка электромагнитного реле, обмотка управления электродвигателя, отклоняющая система электроннолучевой трубки, обмотка громкоговорителя и т.п.

Следует отметить, что может иметь место параллельное включение усилительных элементов в пределах одного каскада с целью увеличения мощности (например: в двухтактном усилителе мощности).

По типу элементов, объединяющих усилительные каскады друг с другом, в основном различают:

1. Резистивно-емкостные связи;

2. Трансформаторные связи.

В зависимости от диапазона частот, в котором используются усилители, их разделяют на:

1. Усилители постоянного тока (УПТ) – для усиления медленно изменяющихся сигналов;

2. Усилители низкой частоты (УНЧ) – для усиления сигналов до сотен кГц;

3. Высокочастотные усилители (УВЧ) – для усиления сигналов до сотен МГц.

Рис. 2.1. Блок-схема усилителя.

 

А также различают широкополосные и избирательные усилители.

Любой усилитель имеет структуру (рис. 2.1.): входную и выходную цепи, к которым подключается источник сигнала Е_Г и нагрузочное устройство R_H, источник питания – ИП и усилительный элемент – УЭ (транзистор, микросхема). Процесс усиления связан с преобразованиемэнергии источника питания в энергию выходного сигнала U_вых усилителя.

Параметры и характеристики усилителей

В соответствии с разделением усилителей на усилители напряжения, тока и мощности различают: 1. Коэффициент усиления по напряжению:  

Принцип работы усилителя

Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может…   Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника…

Усилители напряжения с общим эмиттером

  Одним из наиболее распространенных усилительных каскадов на биполярных… Усилитель (рис.2.6) включает в себя все элементы структурной схемы (рис.2.1): основными элементами усилителя являются…

Принцип работы УОЭ (рис.2.6).

Пусть входной сигнал отсутствует u_вх=0. Через элементы усилителя протекает постоянный ток: I_бо - ток покоя базовой цепи транзистора, I_ко- ток покоя коллекторной цепи транзистора, вызывающий между электродами транзистора падение напряжения покоя U_бэо и U_кэо. Важно правильно

Рис.2.7. Временная диаграмма изменений токов и напряжений в усилительном каскаде

обеспечить режим работы усилителя по постоянному току, т.е. Р.Т. (I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо), так чтоб усилитель функционировал на линейном участке амплитудной характеристики. Это обеспечивается выбором R_к и R_б. На практике R_к выбирают равным (1÷10) кОм. R_б согласно закона Кирхгофа можно определить .

Номинальные значения I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо выбирают по входным и выходным характеристикам транзисторов, которые приводятся в справочниках, или по переходным характеристикам (рис.2.5).

В соответствии с зависимостью U_кэ=f(U_бэ) на рис.2.5 напряжение U_кэ начинает уменьшаться(точка B^/) при увеличении напряжения U_бэ, с того значения, когда начинает расти ток I_б (I_б=f(U_бэ)). Объясняется это тем, что увеличение I_б вызывает рост тока I_к через транзистор. Следовательно, увеличивается напряжение на резисторе R_к по закону Ома и в соответствии со 2-м законом Кирхгофа уменьшается напряжение на коллекторе транзистора U_кэ:

U_кэ = E_к - I_к R_к

(участок BA характеристики рис. 2.5). Этот линейный участок является рабочим и определяет интервал колебаний переменных напряжений на входе и выходе усилителя относительно постоянных значений U_кэо и U_бэо. Таким образом, эти значения U_бэ0 и U_кэ0 лежат в середине линейного участка, они обозначены Р.Т., т.е. это рабочая точка усилителя. По статической характеристике I_б=f(U_бэ) определяется ток покоя базы I_бо, ему соответствует ток покоя коллектора I_к0=bI_бо. Совокупность значений I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо транзистора задаёт режим покоя. Накладывая на указанные постоянные составляющие переменные составляющие от входного сигнала в пределах участка AB, получим колебания напряжений на электродах транзистора, соответствующие линейному режиму.

Работа усилительного каскада может быть пояснена с помощью рис.2.7. Пусть напряжение на входе усилителя возрастаетна величину DU_вх, это приведет к увеличению напряжения DU_бэ, входного базового тока I_б и тока коллектора транзистора . Сопротивление коллектор-эмиттерного перехода транзистора падает и, согласно закона Ома, уменьшается напряжение U_кэ=U_вых. Сказанное можно записать с помощью условной диаграммы: (где знак - величина возрастает, - величина уменьшается). Если входное напряжение будет изменяться по синусоидальному закону , то выходное напряжение также имеет синусоидальную форму (это хорошо иллюстрирует временная диаграмма работы усилителя (рис.2.7)). Следует заметить, что усилитель меняет фазу сигнала на 180⁰ (см. рис. 2.7), это означает, что УОЭ является инвертирующим.

Благодаря тому, что ток коллектора во много раз превышает ток базы (b=20÷200), а сопротивление R_к больше R_вх, выходное напряжение усилительного каскада с коллекторной нагрузкой получается во много раз больше входного напряжения, а коэффициент усиления по напряжению УОЭ составляет Кu = 10 ¸ 100.

Для температурной стабилизации усилительного каскада, т.е. фиксации положения рабочей точки на линейном участке характеристики, в цепь эмиттера включают резистор R_э, шунтированный конденсатором С_э (рис.2.6). Повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению токов транзистора I_бо и I_ко () и изменению положения РТ (рис.2.5). Режим работы по постоянному току входной цепи УОЭ (рис.2.6) определяется по 2-му закону Кирхгофа , поэтому увеличение I_э0, согласно этому уравнению, приводит к уменьшению U_бэо, т.к. первое слагаемое уравнения постоянно и не зависит от Т ^оС. Уменьшение U_бэо закрывает транзистор Т и уменьшает I_бо до прежней величины. Сказанное отражается с помощью условной диаграммы:

ΔT^oC↑→ I_бо ↑→ I_ко ≈ I_эо ↑→ U_бэо ↓→ U_бо ↓

Однако включение резистора R_э уменьшает К_u усилителя, т. к. часть полезного (усиливаемого сигнала) u_вх выделяется на нем и не усиливается транзистором (уравнение для входной цепи усилителя по переменному току запишется u_бэ=u_вх-R_эi_э). Чтобы этого избежать резистор R_Э шунтируется конденсатором С_Э, емкость которого выбирается таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого переменного сигнала его сопротивление было много меньше R_Э, тогда переменная составляющего тока эмиттера проходит через конденсатор С_Э, почти не вызывая падения напряжения на резисторе R_Э. В результате падение напряжения на резисторе R_Э от постоянной составляющей тока практически не меняется, а, следовательно, переменное напряжение на входе каскада оказывается равным переменному напряжению между базой и эмиттером u_вх»u_бэ, т.е. усиливаемое напряжение не меняется за счет цепочки R_эС_э (стабильно при изменении температуры).

Приведенная схема усилительного каскада хорошо стабилизирована в диапазоне температур от –60°C до +60°C, при этом значение сопротивления R_Э выбирают наименьшим по величине (обычно R_э»(10¸100) Ом), чтобы обеспечить минимальные энергетические потери.

Характеристики УОЭ:

Входное сопротивление R_вх=h₁₁=n·100Ом (n=1,2…); выходное сопротивление R_вых ≃R_к = (1-10) кОм: коэффициент усиления по напряжению К_u ≃ b R_к/ R_вх » 10-200; .

Анализ работы усилительного каскада проводится по статическим входным и выходным характеристикам транзистора графоаналитическим методом. Для коллекторной цепи усилительного каскада (рис.2.6) в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния:

Е_к = U_к + R_кI_к .

На выходных статических характеристиках биполярного транзистора строится линия нагрузки, т.е. вольтамперная характеристика коллекторного резистора Rк, получаемая из предыдущего выражения (рис. 2.8а).

U_к = Е_к – R_кI_к.

Эту прямую строят по двум точкам, в которых она пересекает оси:

ось абсцисс в точке U_к = Е_к при I_к = 0,

ось ординат в точке I_к = Е_к/R_к при U_к = 0.

Наклон линии нагрузки определяется резистором R_к, а именно:

tga = m_i / R_к*m_u,

где a - угол наклона линии нагрузки к оси абсцисс, m_i и m_u – масштабные коэффициенты для тока и напряжения. Значения токов i_к, i_б, напряжений на коллекторе u_к и на резисторе u_Rк определяются точкой пересечения линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой, причем эта точка при пульсациях входного напряжения перемещается вдоль линии нагрузки.

В режиме покоя (U_вх = 0) положение рабочей точки выбирается в середине рабочей области характеристик, ограниченной гиперболой PQ допустимой мощности, рассеиваемой транзистором, а также максимально допустимыми током I_{к МАХ} и напряжением транзистора U_{кэ max} (рис. 2.8а).

а) б)

Рис. 2.8 . Определение рабочего режима усилителя с помощью входных (а) и выходных (б) статических характеристик транзистора

 

Такое положение рабочей точки В на линии нагрузки, когда отрезки АВ и ВС равны, обусловлено стремлением получить высокую степень линейности режима усиления при минимальном потреблении мощности каскадом в режиме покоя. Снизу участок линейного усиления на линии нагрузки ограничен минимально допустимым током коллектора (точка С), соответствующий ему минимальный ток базы (точка С^/ на рис. 2.8б) определяется началом линейного участка входной характеристики. Все входные характеристики транзистора располагаются достаточно близко, поэтому в качестве динамической входной характеристики используется положение средней при U_кэ ¹ 0 (например, при U_кэ = 5 В). Точка А на линии нагрузки соответствует уменьшению коэффициента передачи по току b транзистора при больших величинах тока I_к (т.е. нарушению линейности).

Точке А на выходных характеристиках соответствует точка А^/ на входных характеристиках транзистора, определяющая максимальный ток базы. Точка B^/ (рабочая точка РТ) соответствует значению тока покоя базы I_бо.

По положению рабочей точки определяются параметры режима покоя (I_бо, I_ко, U_кэо, U_бэо), а рабочий участок характеристик (АС и А^/С^/) позволяет определить амплитуды переменных составляющих токов базы i_б, коллектора i_к, напряжений u_бэ=u_вх и u_кэ=u_вых, и вычислить коэффициенты усиления каскада.

Описанный режим работы усилителя соответствует классу А. В зависимости от положения рабочей точки покоя на динамической характеристике различают режимы работы транзистора в схеме – классы А, В, АВ и С.

При работе в режиме класса А рабочая точка покоя выбирается посередине. Этот режим обеспечивает минимальные нелинейные искажения, но к.п.д. каскада мал (не превышает 50%).

С целью повышения к.п.д. усилителя используются классы усиления В, АВ и С, однако в этих классах велики нелинейные искажения сигнала.

В классе В напряжение смещения U_бэо равно нулю и точка покоя располагается в нижнем конце линии нагрузки.

Класс АВ – промежуточный между классами А и В.

В классе С точка покоя выбирается в области отсечки и при отсутствии входного сигнала транзистор заперт.

Эмиттерный повторитель

  Рис. 2.9. Схема эмиттерного повторителя   Нагрузочный резистор Rэ включается в цепь эмиттера биполярного транзистора, поэтому эта схема является усилителем с…

Усилительный каскад на полевом транзисторе

Полярность источника питания определяется типом применяемого полевого транзистора. В транзисторе с n-каналом напряжение ЕС положительно. В цепь стока включен нагрузочный резистор RС, обеспечивающий динамический…  

Истоковый повторитель

  В этом каскаде сток по переменной составляющей соединен с общей точкой… Свойства этого каскада аналогичны свойствам эмиттерного повторителя: он имеет высокое входное сопротивление до 10 МОм…

Усилители мощности

В том случае, когда в нагрузочном устройстве необходимо выделить максимальную мощность, используются усилители мощности. Они, как правило, являются… Кр = Кu · Кi Нагрузочными устройствами усилителя мощности являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей и других…

Многокаскадные усилители

Рассмотренные выше однокаскадные усилители имеют, как правило, коэффициент усиления порядка нескольких десятков или сотен единиц. Однако, в реальных… Блок-схема усилительного устройства приведена на рис. 2.14 Усилитель напряжения может состоять из нескольких каскадов, обеспечивающих необходимый коэффициент усиления…

Усилитель постоянного тока

Для многих практических задач необходимо усиливать медленно изменяющиеся во времени электрические сигналы, являющиеся сигналами низкой частоты (в…   В этом случае усилитель, получивший название усилитель постоянного тока (УПТ), должен обладать АЧХ, неимеющей спада…

Обратные связи в усилителях

  Из выходной цепи во входную блок-схемы рис.2.20 энергия передается через…  

Операционный усилитель

Т. к. входное сопротивление ОУ больше (принимает ), то входной ток ОУ Iоу=0 и выполняется Iвх=Iос, откуда: . При большом коэффициенте усиления ОУ (К0®) напряжение на входе ОУ и поэтому… Инвертирующийусилитель (инвертатор). При и выражение (1) примет вид (Uвых = - Uвх), схема принимает вид инвертирующего…

Избирательный усилитель

Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот. Рис.2.23.…   На практике в системах связи и радиопередачи, во многих системах автоматического контроля и управления необходимо…

Генераторы электрических сигналов

откуда , справедливое при .

Источники питания электронных устройств

Для работы различных электрических устройств необходимы источники электрической энергии (источники питания) постоянного напряжения. Преобразование… Структурная схема выпрямительного устройства показана на рис.2.30. В нее…  

Однополупериодный выпрямитель

Ток через диод ίн появляется в те полупериоды, когда потенциал точки а выше потенциала точки bвторичной обмотки трансформатора т.к. в эти…     Рис.2.31. Однополупериодный выпрямитель

Мостовая схема выпрямителя

 

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя и соответствующие ей временные диаграммы приведены на рис.2.32. В этой схеме диоды Д_I – Д₄ включены по мостовой схеме, к одной диагонали которой подведено переменное напряжение u₂ , а к другой подключен нагрузочный резистор R_Н. В течение первой половины периода напряжения u₂ , когда потенциал точки а положителен, точки b – отрицателен, диоды Д₁ , Д₃ открыты, Д₂, Д₄ – заперты, ток ί_н= ί_а1= ί_а3 течет через диоды Д₁, Д₃ и нагрузочный резистор R_Н. К диодам Д₂, Д₄ приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂. В другой полупериод напряжения u₂, потенциал точки а ниже потенциала точкиb, диоды Д₂, Д₄ открыты, Д₁ , Д₃ – закрыты, при этом ί_н= ί_а2= ί_а4 течет

 

Рис.2.32. Мостовая схема выпрямителя

Через диоды Д₂, Д₄ и нагрузочный резистор R_Н в том же направлении, что и в первый полупериод напряжения. При этом средний ток Iи среднее напряжение Uна нагрузке в два раза превышают ток и напряжение в однополупериодном выпрямителе, пульсации значительно меньше (Р≈0,67),

U_{обр m} на каждом из диодов в закрытом состоянии равно U_{обр m}=U_2m величина U=0,9 U₂.

 

 

Сглаживающие фильтры

q = Pвх/Рвых Фильтры состоят из конденсаторов и катушек индуктивности. Основные виды… На рис.2.34 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства RН двухполупериодного…

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем UН = ƒ(IН). Наличие такой… На рис.2.35 изображена зависимость UН = ƒ(IН) выпрямителя без фильтра… Внешняя характеристика П-образного фильтра (кривая 3) на рис.2.35 имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2. Это…

Стабилизаторы напряжения

По способу стабилизации различают параметрические и компенсационные стабилизаторы. Параметрическиестабилизаторы используют в принципе работы свойства ВАХ…  

ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

Общие сведения

 

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым принципом. На базе импульсной технике выполняются системы управления и регулирования, устройства измерения и отображения информации. На ней основана цифровая вычислительная техника.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени (например, напряжение изменяется пропорционально регулируемой температуре), в импульсных системах используются сигналы (напряжение, ток) импульсной формы.

1. В импульсном режиме может быть достигнута значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней (за период их повторения) мощности устройства. Очевидно, это преимущество проявляется сильнее при уменьшении длительности импульсов по отношению к периоду их повторения. В результате габариты и масса электронной аппаратуры, определяемые в основном средней мощностью, при использовании импульсного режима могут быть существенно снижены.

2. Импульсный режим позволяет ослабить влияние температуры и разброса параметров полупроводниковых приборов на работу устройств. Это объясняется уменьшением энергии, выделяемой в элементах импульсного устройства. Разброс параметров не отражается существенно на работе импульсных устройств в связи с тем, что полупроводниковые приборы в них работают, как правило, в ключевом режиме, предполагающем два крайних состояния: “Включено “ – “Выключено”.

а) б) в) г) д) е)

Рис. 3.1. Форма видеоимпульсов: а – прямоугольный, б – трапецеидальный, в – экспоненциальный, г – колоколообразный, д – ступенчатый, е – пилообразный

 

3. Импульсный режим позволяет значительно повысить пропускную способность и помехоустойчивость электронной аппаратуры. Пропускная способность – возможная наибольшая скорость передачи информации, а помехоустойчивость – способность аппаратуры правильно функционировать в условиях действия помех. Сигналы импульсных устройств дискретны и представляются комбинацией стандартных импульсов, поэтому скорость передачи таких сигналов выше, чем непрерывных. Выше и помехоустойчивость, так как искажение параметров импульсов (например,

амплитуды) помехами не искажает информацию, заключенную в определенном сочетании импульсов.

4. Для реализации импульсных устройств, даже сложных (например, вычислительных машин), требуется большое число сравнительно простых однотипных элементов, легко выполняемых методами интегральной технологии. Это позволяет повысить надежность, уменьшить габариты и массу электронной аппаратуры.

Рис. 3.2. Периодические импульсы

 

Рис. 3.3. Параметры реальных импульсов

 

Импульсные устройства широко распространены в вычислительной технике, радиолокации, телевидении, автоматике, промышленной электронике. Переход к дискретному представлению сигналов в виде сочетания импульсов в измерительной технике позволил резко повысить точность измерительных приборов. Импульсный режим работы лежит в основе современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Мощные импульсы передатчиков излучаются антеннами радиолокаторов, а слабые, отраженные отразличных объектов импульсы, принимаются и обрабатываются приемниками, причем импульсный режим позволяет выделять сигналы, амплитуда которых значительно меньше уровня помех.

В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы, примеры которых приведены на рис.3.1.

Рис. 3.4. Амплитудный спектр периодических прямоугольных импульсов

 

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения F=1/Т (Рис.3.2.). Отношение периода Т к длительности t_и импульсов называют скважностью: q = Т/t_и. Скважность обычно колеблется в пределах от 2 – 10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация). Приведенные на рис. 2. импульсы идеализированы.

Реальные импульсы рис. 3.3. искажены, что выражается обычно в замедлении нарастания и убывания импульса, а также в спаде его плоской вершины. Это связано с наличием переходных процессов в n-р переходах, реализующих импульсный режим работы элементов. Реальные импульсы характеризуют следующими основными параметрами (рис.3.3):

Амплитудой импульса А;

длительностью фронта импульса tф – временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 А; длительностью среза импульса tс– временем убывания импульса от 0,9 до 0,1 А; … спадом вершины импульса ∆ А.

Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод,… · падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии u3; · током через ключ в разомкнутом состоянии iр; Рис. 3.5. Схема - а, временные диаграммы тока - б…

Импулсьный режим работы операционных усилителей

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15,… Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора,… входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с…

Логические элементы. Серии цифровых интегральных схем

К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом… Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для… Основными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инверсия или “НЕ” (табл.3.4.1); логическая сумма, дизъюнкция…

Триггеры

Одно из наиболее распространённых импульсных устройств, относящимся к базовым элементам цифровой техники, — триггер (от англ. trigger — спусковой… Триггеромназываются электрические схемы, способные сохранять два устойчивого… По функциональному признаку различают R-S, D, T, J-K триггеры. По способу управления триггеры подразделяют на…

Счетчики импульсов

Подсчёт числа импульсов является наиболее распространённоё операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким… В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол… Счётчик – устройство, предназначенное для счёта числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счётчики…

Регистры, дешифраторы, мультиплексоры

Регистр – один из основных элементов ЭВМ и многих устройств автоматики и информационно – измерительной техники. а б Рис.… Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых применяются… На рисунке 3.33 приведены схема и условное обозначение n – разрядного регистра на RS – триггерах. Информация в ячейки…

Цифроаналоговые и аналого-цифровые

Преобразователи (ЦАП и АЦП)

Поскольку информация на входах цифровых устройств обычно представляется в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов для… В системах автоматизированного управления для получения информации о состоянии… Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие и погрешность преобразования, определяемая абсолютной…

Основные сведения о микропроцессорах

История развития современных средств вычислительной техники насчитывает около 50 лет, однако, за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ,… Первое поколение ЭВМ составляли громоздкие системы на электронных лампах. ЭВМ… Степень интеграции цифровой микросхемы определяется количеством размещённых в ней логических элементов (ЛЭ). К…

ОСНОВЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Общие сведения и основные понятия

Трудно найти область современного производства, где бы не использовались методы и средства контрольно-измерительной техники. Значение измерений и контроля в настоящее время возросло и в связи с широкой автоматизацией технологических процессов в различных областях промышленности. Особенная роль принадлежит электроизмерительной технике, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими средствами: относительную простату проведения измерений, высокую точность, чувствительность, быстродействие, возможность передачи информации на большие расстояния, возможность сочетания с электронными средствами, ЭВМ и др.

Электроизмерительная техника применяется в современном производстве не только для получения информации о тех или иных электрических и неэлектрических физических величинах, но и для автоматизации контроля и управления производственными процессами.

Измерение –это определение значений физических величин опытным путём при помощи специальных технических средств и выражение этих значений в принятых единицах. На производстве также широко применяются более производительная операция измерений – контроль.

Электроизмерительный прибор– это средство электрических измерений, которое предназначено для выработки сигнала измерительной информации, т. е. сигнала, который функционально связан с измеряемой физической величиной, в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный преобразователь – это основная часть измерительного прибора, в котором сигнал преобразуется в вид, удобный для подачи на индикаторные или регистрирующие устройства.

В зависимости от вида измеряемых величин измерительные преобразователи делятся на две группы: преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, усилители и т.д.) и преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензо-резисторы, индуктивные преобразователи и т.д.).

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговым.

Электроизмерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называют цифровыми приборами.

По методам измерения различают электроизмерительные приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. В первых измеряемую величину определяют по показанию прибора, шкала которого проградуирована в соответствующих единицах. Во вторых – измеряемая величина сравнивается с известной величиной (мосты, компенсаторы).

 

Характеристики измерительных приборов

Диапазон измерений– область значений измеряемой величины X, для которой нормированы допустимые погрешности. Эта область ограничена пределами… Чувствительностью sаналогового электроизмерительного прибора к измеряемой… ,

Системы электроизмерительных приборов

Приборы магнитоэлектрической системы с подвижным магнитом являются приборами низких классов точности и применяются как указательные в транспортных… Электроизмерительные приборы с подвижной рамкой имеют высокую точность и… На рамку с током в магнитном поле действует электромагнитная сила.

Условные обозначения на шкале приборов

Кроме того, следует определить максимальныё и минимальный пределы измерения (и ) и цену деления шкалы , где - число делений между и .

Метод построения амперметров и вольтметров непосредственной оценки

Магнитоэлектрический, электромагнитный, электродинамический измерительные механизмы можно применять для измерения тока (амперметр) и напряжения… При изменении тока какой-либо ветви механизм включают последовательно с… Для расширения пределов измерения значений тока параллельно измерительному механизму включают резистивный элемент…

Электронные приборы непосредственной оценки

      Рис. 4.4. Блок-схема вольтметра         Рис. 4.5. Блок-схема вольтметра

Измерение мощности в цепях постоянного тока и активной мощности в цепях переменного тока

Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов промышленной частоты осуществляется ваттметрами, обычно с электродинамическими…   Рис. 4.9. Схема включения ваттметра Электродинамические ваттметры выпускаются виде переносных приборов высоких классов точности (0,1; 0,5).

Методы построения приборов сравнения (компенсации)

В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой вели­чины с ее мерой (мерой называется образец, представляю­щий собой… У приборов, работающих по методу сравнения, большая чувствительность, чем у… Потенциометр постоянного тока (компенсатор). Принципом работы потенциометра постоянного тока является уравновешивание…

Измерение параметров электрических цепей

Наиболее часто для измерения этих параметров приме­ няют следующие методы: омметра, амперметра - вольтмет­ра, мостовой. Применение компенсаторов для… Омметры. Непосредственно и быстро сопротивле­ния элементов цепи постоянного…  

Измерения электрических величин цифровыми приборами

  Входные величины у цифровых, как и у анало­говых, измерительных устройств… Цифровой прибор имеет два обязательных функцио­нальных узла: аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифровой…