- •5 Биполярные транзисторы
- •6. Усилительные каскады на полевых транзисторах
- •10 Усилители постоянного тока
- •11. Операционные усилители
- •13 Вопрос Автогенераторы
- •20 Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •Основы архитектуры микроконтроллеров
- •1.1. Основные типы микроконтроллеров и их архитектура
- •Типы памяти мк.
2. Резисторы (сопротивления) — это наиболее распространенные компоненты электронной аппаратуры, с помощью которых осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схем.
В зависимости от назначения резисторы подразделяются на две группы: 1) общего назначения (диапазоны номиналов 10м — 10 МОм, номинальные мощности рассеивания 0,062— 100 Вт); 2) специального назначения, которые подразделяются на: а) высокоомные резисторы (от десятков мегаом до сотен тераом, рабочее напряжение 100—400 В); б) высоковольтные (сопротивления до 10 Ом, рабочее напряжение единицы — десятки кВ); в) высокочастотные (имеют малые собственные емкости и индуктивности); г) прецизионные (повышенная точность — допуск 0,001 — 1%, стабильность, номиналы 0,1 Ом — 10 МОм, номинальные мощности рассеивания до 2 Вт).
Конденсатор – устройство, обдающее определённой ёмкостью. Электрические характеристики, конструкция и область их применения зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы постоянной емкости можно подразделить на пять групп: 1) с газообразным диэлектриком (воздушные, газонаполненные, вакуумные); 2) с жидким диэлектриком; 3) с твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, стеклопленочные, тонкослойные из неорганических пленок, слюдяные); 4) с твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные, фторопластовые, полиэтиленфталатные); 5) с оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлические), выполняемые с использованием алюминия, титана, ниобия, сплавов тантала и ниобия. У конденсаторов различают номинальное Сном и фактическое Сф значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая— это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте. Допускаемое отклонение емкости обычно задается в процентах:
Катушки индуктивности, за исключением дросселей, предназначенных для использования в цепях питания, не являются комплектующими изделиями, как, например, резисторы и конденсаторы. Они изготовляются на сборочных заводах и имеют те параметры, которые необходимы для конкретных изделий. Катушки индуктивности – представляет собой проводник, намотанный на сердечник, который может быть магнитным, либо не магнитным. Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Характер намотки зависит от назначения катушки индуктивности. Так, для уменьшения межвитковых емкостей витки укладывают на каркас с определенным шагом или применяют специальные способы намотки, когда витки укладываются не параллельно, а под некоторым углом друг к другу (универсальная намотка).
Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять уровни и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).Различают трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы. Трансформаторы питания электронной аппаратуры — это трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств. Сигнальные трансформаторы — это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов). Магнитопроводы трансформаторов электронной аппаратуры имеют различные конфигурации. Широко используются стержневые, броневые и тороидальные конструкции (рис. 1.15).
3 Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрического сигнала, изменяющегося по закону непрерывной (аналоговой) функции. В аналоговом электронном устройстве (АЭУ) каждому конкретному значению реальной физической величины на входе датчика соответствует однозначное, вполне определенное значение выбранного электрического параметра постоянного или переменного тока. Это может быть напряжение или ток на участке электрической цепи, его частота, фаза и т. П
Достоинствами АЭУ являются: теоретически максимально достижимые точность и быстродействие; простота устройства.
Недостатками АЭУ являются: низкая помехоустойчивость и нестабильность параметров, обусловленные сильной зависимостью свойств устройства от внешних дестабилизирующих воздействий, например температуры, времени (старение элементов), действия внешних полей и т. п.; большие искажения при передаче на значительные расстояния; трудность долговременного хранения результата; низкая энергетическая эффективность.
Примером устройства аналогового отображения информации является обычный потенциометр (рис. 1.2), преобразующий линейное перемещение х в напряжение иаыл.
Дискретные электронные устройства (ДЭУ) предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, полученных путем квантования ' по времени и/или уровню исходной аналоговой функциих(1). Поэтому действующие в них сигналы пропорциональны конечному числу выбранных по определенному закону значений реальной физической величины, отображаемой в виде различных параметров импульсов2 или перепа-
Рис 1 3 Основные параметры импульсов (о) и перепадов (б) напряжениядов' напряжения или тока. Поскольку обычно интересуются не только конкретными значениями x(t), но и ее изменением, для передачи информации используют последовательности импульсов или перепадов. Основные параметры импульсных последовательностей, используемых в ДЭУ для отображения информации, определим на примере импульсов и перепадов напряжения, показанных на рис. 1.3, а, б-
Um — амплитуда импульса или перепада: наибольшее отклонение напряжения от исходного, установившегося значения £/0;
*ф, *сП —длительности фронта и спада импульса — временной интервал между моментами, в которые мгновенное напряжение и удовлетворяет условию 0,Wn<-u*£0,9Um.
Для перепадов аналогичные параметры называют длительностью фронта положительной /Ф+ и отрицательной гф~;
tn — длительность импульса — временной интервал между моментами на соседних интервалах /ф и /cm Для которых « = 0,5(/т;
Т — период следования импульсов — временной интервал между моментами на соседних интериалах ($ или /сп, для которых u = 0,5Um.
Величина /=1/Г называется частотой следования импульсов;
tn = T—'Л, — длительность паузы между импульсами;
K3 = tJT — коэффициент заполнения импульсов; y=T/t„ — скважность импульсов.
4Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.
Как следует из данного определения, суть процесса усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием. Другими словами, любой усилитель модулирует энергию источника питания входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощи управляемого нелинейного элемента.
Классификация усилителей осуществляется по различным признакам их обобщенной структурной схемы, приведенной на рис. 5.1.
По виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов.
Усилители гармонических (непрерывных) или квазигармонических (почти гармонических) сигналов предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительностей переходных процессов в самих усилителях. Усилители импульсных сигналов предназначены 'для усиления импульсных периодических или непериодических сигналов. При этом длительность собственных переходных процессов в усилителе не должна вызывать искажении исходной формы усиливаемых сигналов.
По типу усиливаемой величины их делят на усилители напряжения, тока и мощности. Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от других типов преобразователей электрического сигнала. Например, у трансформатора, преобразующего напряжение или ток, мощность на выходе всегда остается неизменной по отношению к его входной мощности. Поэтому указанная классификация для усилителей имеет несколько условный характер, выражая лишь основное целевое назначение усилителя.
По диапазону усиливаемых част различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока.
Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0<fупт < fВ
Усилитель переменного тока усиливает входной chiнал, лежащий в диапазоне от некоторой нижней (fН до некоторой верхней (fВ) частот fН < f < fН. Сигналы постоянного тока данным типом усилителя не усиливаются.
В свою очередь, среди усилителей переменного тока по конкретным значениям частот fН и fВ могут быть выделены следующие подгруппы устройств:
усилители низкой частоты (УНЧ)—устройства с диапазоном усиливаемых частот от единиц герц до сотен килогерц;
усилители высокой частоты (УВЧ) —устройства с диапазоном усиливаемых частот от сотен килогерц до соген мегагерц;
широкополосные усилители — устройства с диапазоном усиливаемых частот от десятков — сотен герц до сотен мегагерц;
избирательные (резонансные) усилители, обеспечиваю nine усиление в очень узком диапазоне частот.
По виду соединительных цепей усилительных каскадов.Так как усилительные устройства строятся, как правило, на основе последовательного включения нескольких типовых каскадов, то различают усилители с гальванической (непосредственной) связью, предусматривающие передачу между каскадами сигнала как переменного, так и постоянного токов; усилители с RС-связями, в которых между выходом предыдущего и входом последующего каскадов включают резистизио-емкостную цепь, исключающую передачу сигналов постоянной» тока; усилители с индуктивной (трансформаторной) связью, в которых между каскадами включается трансформатор.
По виду нагрузки различают усилители с активной, актинии индуктивной н емкостной нагрузкой. На практике встречаются также резонансные усилители, нагрузка в которых обладает свойствами резонансного контура.
5 Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Роль выпрямляющего электрического перехода (как и в диоде) выполняет р-л-переход. В биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов — электроны и дырки (отсюда и название —биполярный). Переходы транзистора образованы тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-п-р- и л-р-л-типа. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы л-р-л-типа. На рис. 2.6,5,9 показаны условные графические обозначения биполярного транзистора.
Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-л-переходов; это обеспечивается тем, что толщина Ь средней области транзистора (базы) выбирается меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области (обычно b^L).
Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора л-р-л-типа, для которого концентрация основных носителей в л-области существенно выше, чем в р-области, т. е. справедливо неравенство ля3>рр. Для данной структуры (рис. 2.8, о.) левую л-область, которая в нашем примере будет инжектировать электроны в соседнюю р-область, называют эмиттером, правую л-область, которая в дальнейшем должна экстрак-тировать находящиеся в соседней р-области электроны, называют коллектором, а среднюю область — базой. Соответственно примы-
б) Температурная стабилизация каскадов усиления с ОЭ
Транзистор, являясь полупроводниковым прибором, изменяет свои параметры при изменении рабочей температуры. Так, при повышении температуры, усилительные свойства транзистора ухудшаются. Обусловлено это рядом причин : при повышении температуры значительно увеличивается такой параметр транзистора, как обратный ток коллектора. Увеличение обратного тока коллектора транзистора приводит к значительному увеличению коллекторного тока и к смещению рабочей точки в сторону увеличения тока. При некоторой температуре коллекторный ток транзистора возрастает до такой величины, при которой транзистор перестает реагировать на слабый входной (базовый) ток. Попросту говоря - каскад перестает быть усилительным. Для того, чтобы расширить диапазон рабочих температур, необходимо применять дополнительные меры по температурной стабилизации рабочей точки транзистора. Самым простым способом является коллекторная стабилизация рабочего тока смещения. Рассмотренная нами выше схема каскада по схеме с общим эмиттером является схемой с фиксированным током базы. Ток коллектора в данной схеме зависит от параметров конкретного экземпляра транзистора и должен устанавливаться индивидуально при помощи подбора величины резистора R1. При смене транзистора начальный ток коллектора приходится подбирать заново, так как транзисторы даже одного типа имеют очень большой разброс статического коэффициента усиления тока базы (hFe).
Схема коллекторной стабилизации, обладая основными недостатками схемы с общим эмиттером (подбор резистора базового смещения под конкретный экземпляр транзистора), тем не менее позволяет расширить диапазон рабочих температур каскада. Как видим, данная схема отличается подключением резистора смещения не к источнику питания, а в коллекторную цепь. Благодаря такому включению удалось значительно (за счет применения обратной связи) расширить диапазон рабочих температур каскада. При увеличении обратного тока коллектора транзистора, увеличивается ток коллектора, что вызывает более полное открывание транзистора и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения, в свою очередь, уменьшает напряжение начального смещения транзистора, что вызывает уменьшение коллекторного тока до приемлемой величины. Таким образом - осуществляется отрицательная обратная связь, которая несколько уменьшает усиление каскада, но зато позволяет увеличить максимальную рабочую температуру.