Лекция №2

Говорят: умней они…

Но что слышим от любого?

Жомини да Жомини!

А об водке – ни полслова!

Денис Давыдов. «Песня старого гусара»

Как известно, основу аналоговых схем составляют усилительные каскады.

Иллюстрацией работы простейших ключей и усилительных каскадов служит передаточная характеристика инвертирующих схем.

Corel?

Рис 2.1 Передаточная характеристика инвертирующей схемы

Участки A и В передаточной характеристики соответствуют устойчивым состояниям схемы, а участок C – режиму усиления.

Передаточная характеристика подтверждает известный факт малой чувствительности цифровых схем к разбросам внешних и внутренних параметров и большой чувствительности к ним аналоговых схем. Этот факт заставляет крайне аккуратно относиться к разработке принципиальных электрических схем и подтверждать тезис, что схемотехника – искусство!

Классификация (номенклатура) аналоговых ИС (разумеется -урезанная)

Вначале введём понятие аналоговой функции. Под аналоговой функцией (АФ) будем понимать операцию преобразования аналогового сигнала (АС), не учитывающую ошибки, присущие работе реальных аналоговых схем.

Тогда упрощённая классификация аналоговых схем по назначению может быть такой:

• схемы, выполняющие основные аналоговые функции (ОАФ). Таковыми являются следующие пять функций: усиление, сравнение, ограничение, перемножение, частотная фильтрация.

• аналоговые эталоны (АЭ). АЭ – это схемы, которые в условиях решаемой задачи могут замещаться одним из идеальных элементов электрической цепи. К их числу относят резисторы с пропорциональными (согласованными) номинальными значениями, источники тока и напряжения, автогенераторы со стабильной частотой и т.д.

• Схемы, выполняющие специальные аналоговые функции (САФ), отличные от указанных выше. Реализуются на основе схем, выполняющих ОАФ, являющихся АЭ, а также использующие дополнительные компоненты. Они также называются ИС частного применения.

Каждый класс АИС характеризуется своими, присущими только ему, параметрами. Вместе с тем, можно выделить группу общих параметров, характерных для большинства АИС. К ним относятся:

• входное сопротивление схемы

• выходное сопротивление схемы

• коэффициенты усиления по напряжению, току, мощности

• передаточные характеристики

• амплитудно-частотные характеристики (АЧХ)

• фазо-частотные характеристики (ФЧХ)

• переходные характеристики

• коэффициент нелинейных искажений (КНИ)

• чувствительность.

Примечание №1

Работа аналоговых усилителей связана с использование нелинейных участков электрических вольтамперных характеристик (ВАХ) компонентов. Это вызывает нелинейные искажения сигналов, проходящих через них. Количественной характеристикой нелинейных искажений является КНИ.

Здесь Ui - амплитуды соответствующих гармоник выходного сигнала.

Примечание №2

Одной из важных характеристик усилителей является чувствительность, т.е. изменение какой-либо характеристики усилителей при изменении внешних и внутренних параметров. Для усилителей постоянного тока (УПТ) важным является дрейф нуля, характеризующий изменение режима работы усилителя под действием дестабилизирующих факторов (в частности – изменения температуры) oн проявляет себя как ложный сигнал. Кстати заметим, что в выходном сигнале аналогового усилителя всегда присутствует составляющая помехи, обусловленная наводками внешних полей, питанием усилителей от внешней сети, отмеченной температурной нестабильностью параметров, а также шумами, носящими флуктуационный характер.

Лекция №3

Где друзья минувших лет,

Где гусары коренные,

Председатели бесед,

Собутыльники седые?

Деды, помню вас и я,

Испивающих ковшами

И сидящих вкруг огня

С красно-синими носами!

Денис Давыдов. «Песня старого гусара»

Данная лекция служит для того, чтобы Вы, доблестные студенты кафедры ПКИМС, вспомнили те славные дни, когда изучали работу полупроводниковых приборов, когда рисовали семейства ВАХов, пытаясь сдать зачёт по курсу «Разработка САПР». Минимум необходимого материала к лекции можно найти в Приложении №.3.1. В конспекте лекции – только минимум-мини-мор-ум! Причём, он касается только биполярных транзисторов; а ведь существуют ещё и униполярные.

Транзисторы. Схемы включения

Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общим для входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ) является наиболее распространенной.

Достоинства:

• большой коэффициент усиления по току

• можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

• худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

• малое входное сопротивление

Схема включения с общей базой

Достоинства:

• хорошие температурные и частотные свойства

Недостатки:

• схема не усиливает ток, так как α<1

• малое входное сопротивление

• два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Достоинства:

• большое входное сопротивление

• низкое выходное сопротивление

Недостатки:

• не усиливает напряжение

    Составные транзисторы

Во многих АИС применяются комбинации из нескольких (обычно двух) транзисторов, соединённых между собой так, что их можно рассматривать как единое целое – составной транзистор. Составные транзисторы обладают такими свойствами, которые трудно или невозможно получить обычным путём. Коэффициент усиления по току типичного составного транзистора у мощных транзисторов равен ~1000 и у маломощных транзисторов ~50000. Это означает, что небольшого тока базы достаточно для того, чтобы составной транзистор открылся.

Среди составных транзисторов наибольшее распространение имеет пара Дарлингтона (см. рис 3.1).

᷉

Рис. 3.1. Составной транзистор Дарлингтона

Нагрузкой первого транзистора является переход база-эмиттер второго транзистора каскада, то есть транзисторы соединяются коллекторами, а эмиттер первого транзистора соединяется с базой второго.

Коэффициент усиления по току при работе транзисторов в активном режиме приблизительно равен произведению коэффициентов усиления первого и второго транзисторов.

Кроме того, для первого транзистора может использоваться нагрузка в виде резистора (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Принципиальная схема составного транзистора

Применение нагрузочного резистора R1 способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счет форсирования закрытия транзистора VT2. Величина резистора выбирается с таким расчетом, чтобы интегральный коэффициент усиления по току уменьшался приблизительно в пять раз.

Выводы:

Достоинства:

• высокий коэффициент усиления по току.

• Недостатки:

• низкое быстродействие, особенно при переходе из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах.

• прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер почти в два раза больше чем в обычном транзисторе. Оно составляет для кремниевых транзисторов около 1.2 - 1.4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

• большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер. Для кремниевого маломощного транзистора около 0.9 В (по сравнению с 0.2 у обычных транзисторов) и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше, чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Помимо пары Дарлингтона находит применение составной p-n-p n-p-n транзистор (рис 3.3).