2016 vodovosov osn chem - ВоГУ...Кожевников Водовозов, А. М. В 62 Основы схемотехники: учебное пособие / А.М. Водовозов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный университет

А.М. Водовозов

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ

Утверждено редакционно-издательским советом

в качестве учебного пособия

Вологда

2016

Водовозов, А. М. Основы схемотехники : учебное пособие

Научная библиотека Вологодского государственного университета

2

УДК 621.375(075.8) ББК 32.85 В 62

Рецензенты:

кандидат технических наук, генеральный директор ООО «Асинтек» М.А. Андреев;

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электроэнергетики и электротехники Череповецкого государственного

университета А.В. Кожевников Водовозов, А.М.

В 62 Основы схемотехники: учебное пособие / А.М. Водовозов ; М-во обр. и науки РФ, Вологод. гос. ун-т. – Вологда : ВоГУ, 2016. – 100 с.

ISBN 978–5–87851–660–0

В пособии рассмотрены принципы работы и основы теории по-лупроводниковых приборов, проанализированы классические элек-тронные схемы на полупроводниковых диодах и транзисторах. Приве-дены упражнения для самостоятельной работы.

Пособие предназначено для студентов направлений 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и 13.03.02 «Электроэнерге-тика и электротехника», изучающих курс «Электроника и схемотехни-ка». Может быть использовано при изучении основ электроники и схе-мотехники студентами всех направлений.

УДК 621.375(03) ББК 32.85

ISBN 978–5–87851–660–0 ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет», 2016

Водовозов А.М., 2016



3

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................... 4

1. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ .................................................... 5

1.1. Резисторы ............................................................................................................................... 6

1.2. Конденсаторы ........................................................................................................................ 9

1.3. Катушки индуктивности и трансформаторы ................................................................... 12

1.4. Схемы на пассивных компонентах ................................................................................... 15

Вопросы и упражнения ............................................................................................................. 23

2. ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ ............................................................................................. 25

2.1. Характеристики диода ........................................................................................................ 25

2.2. Типы диодов ........................................................................................................................ 28

Выпрямительные диоды ........................................................................................................ 28

Импульсные диоды ................................................................................................................. 30

Диоды Шоттки ...................................................................................................................... 31

Варикапы ................................................................................................................................. 32

Стабилитроны и стабисторы ............................................................................................. 33

2.3. Диодные схемы ................................................................................................................... 35

Выпрямитель .......................................................................................................................... 35

Параметрический источник напряжения ........................................................................... 38

2.4. Упражнения ......................................................................................................................... 40

3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ........................................................................................... 44

3.1. Характеристики биполярного транзистора ...................................................................... 44

3.2. Классификация .................................................................................................................... 47

3.3. Типовые транзисторные схемы ......................................................................................... 48

Источник тока ....................................................................................................................... 48

Токовое зеркало ....................................................................................................................... 50

Усилительные каскады на биполярных транзисторах ...................................................... 52

3.4. Упражнения ......................................................................................................................... 63

4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ................................................................................................... 67

4.1. Полевые транзисторы с p-n-переходом ......................................................................... 68

4.2. Полевые транзисторы с встроенным каналом .............................................................. 71

4.3. Полевые транзисторы с индуцированным каналом ..................................................... 73

4.4. Схемы на полевых транзисторах ................................................................................... 74

4.5. Упражнения ......................................................................................................................... 79

5. СОСТАВНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ .............................................................................................. 83

5.1. Схема Дарлингтона ......................................................................................................... 83

5.2. Схема Шиклаи ................................................................................................................. 84

5.3. IGBT .................................................................................................................................. 85

5.4. Упражнения ...................................................................................................................... 86

6. ТИРИСТОРЫ ............................................................................................................................. 89

7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ........................................................................................ 92

Фотодиоды ............................................................................................................................. 93

Фототранзисторы ................................................................................................................ 95

Светодиоды ............................................................................................................................ 96

Оптроны .................................................................................................................................. 97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................................................. 99

Библиографический список........................................................................................................ 100



4

ВВЕДЕНИЕ

Схемотехника – одна из самых современных наук. Как прикладная наука,

занимающаяся проблемами проектирования электронных схем в самых раз-

личных приложениях, она появилась только в 60-х годах ХХ века. Основная

задача схемотехники – синтез качественных электронных схем, обеспечи-

вающих решение сложных задач в создаваемых человеком технических сис-

темах. Элементной базой для создания электронных схем служат дискретные

электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы

и т.д.) и интегральные микросхемы.

В классическом понимании схемотехника считается наукой, использую-

щей полупроводниковые приборы. Современная схемотехника практически

вся полупроводниковая. Полупроводниковые приборы, их характеристики,

взаимодействие, математические модели, правила соединения, условия рабо-

ты - вот диапазон вопросов, которые рассматривает современная схемотехни-

ка. Вершиной развития схемотехники являются интегральные схемы, являю-

щиеся объектом изучения микросхемотехники.

Являясь основой современной микроэлектроники, одной из самых науко-

емких и быстроразвивающихся областей бизнеса, схемотехника анализирует

множество теоретических и практических проблем, основные правила и

приемы проектирования электронных схем. С точки зрения схемотехники, по-

лупроводниковые приборы являются обычными электрическими элементами

с априорно известными нелинейными характеристиками и целым букетом

специфических свойств. Схемотехника не имеет своих собственных законов,

она полностью основывается на общих законах электроники, но практически

безграничный диапазон схем на полупроводниках и интегральных схемах де-

лает эту область знаний неисчерпаемой, а процесс схемотехнического проек-

тирования некоторые авторы даже относят к области искусства.

Из-за широты и многозначности понятий и рассматриваемых проблем

возникают сложности с выбором учебников по курсу. Рекомендовать какой-

либо один из них становится всё труднее. Стремительное развитие электрони-

ки и схемотехники как науки и их интенсивное проникновение в различные



5

области человеческой деятельности привело к увеличению объема и сложно-

сти рассматриваемых вопросов. Попытки совместить все разделы науки в од-

ной книге зачастую не приводят к желаемому результату. За физическими и

математическими разделами учебников нередко теряется практическая цен-

ность знаний и информация, необходимая будущему инженеру. С этих пози-

ций составлено учебное пособие. Оно не претендует на роль классического

учебника. В пособии рассматриваются лишь основы схемотехники, основное

внимание уделяется элементарным электронным схемам, простейшим узлам

сложных устройств на полупроводниковых приборах; разбираются правила и

приемы построения электронных схем различного назначения, даются основ-

ные формулировки и определения и минимальное количество расчетных фор-

мул. Задачи и упражнения по отдельным разделам пособия предназначены для

самостоятельной работы студентов в процессе изучения материала.

1. ПАССИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Современная электронная схема состоит из большого числа компонентов

– самостоятельных изделий с определенными характеристиками.

Компоненты электронных схем условно подразделяются на две группы:

пассивные и активные.

Пассивными считаются элементы схем, предназначенные для регулиро-

вания токов и напряжений в электрических цепях, не подразумевающих уве-

личения мощности. Их параметры постоянны, не зависят от приложенного

напряжения и протекающего тока. Описываются такие компоненты, как пра-

вило, простейшими линейными уравнениями. К этой группе компонентов от-

носятся: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы,

различные коммутационные элементы. Пассивные компоненты обычно вы-

пускаются в дискретном исполнении (один элемент в корпусе). В интеграль-

ном исполнении (в виде микросхемы) практически невозможно изготовить

конденсаторы большой емкости, резисторы с большим сопротивлением, ка-

тушки индуктивности и трансформаторы.



6

К активным компонентам относятся отдельные полупроводниковые при-

боры и интегральные схемы (Integrated Circuit – IC), способные преобразовы-

вать электрические сигналы по величине и форме. Их работа описывается

сложными нелинейными уравнениями, а параметры зависят от приложенных

напряжений и протекающих токов. Для обеспечения работы таких компонен-

тов в схеме обязательно должны быть предусмотрены источники питания.

Для обозначения элементов в электронике используются различные сис-

темы условных графических обозначений. В отечественной литературе ис-

пользуются обозначения, предусмотренные системой стандартов ГОСТ, в за-

рубежной и переводной литературе, а также при компьютерном проектирова-

нии и моделировании схем, обычно применяют обозначения в соответствии с

американским стандартом ANSI (American National Standards Institute, Нацио-

нальный институт стандартизации США) и немецким инженерным стандар-

том DIN (Deutsches Institut für Normung, немецкий институт по стандарти-

зации).

1.1. Резисторы

Резистор (resistor) – элемент электронной схемы с известным активным

сопротивлением, предназначенный для регулирования или ограничения тока в

электронных схемах. Работа резистора в любой момент времени полностью

описывается законом Ома для участка цепи:

IUR /= ,

где R – сопротивление резистора (Ом),

I – ток, протекающий через резистор (А),

U – падение напряжения на резисторе (В).

По характеру изменения сопротивления резисторы подразделяются на

постоянные и переменные (потенциометр, potentiometer). Сопротивление по-

тенциометра можно изменять в процессе работы.

На электронных схемах резисторы изображаются в соответствии с ис-

пользуемыми стандартами (таблица 1.1) и обозначаются латинской буквой R.



7

Таблица 1.1

Условные обозначения резисторов в различных стандартах

Наименование ГОСТ ANSI DIN

Постоянный резистор

Потенциометр

При последовательном соединении резисторов R1 и R2 их сопротивления

суммируются. При параллельном соединении эквивалентное сопротивление

цепи R рассчитывается по формуле: )21/(21 RRRRR +⋅= .

В процессе работы резистор преобразует электрическую энергию в теп-

ловую. Мощность P, рассеиваемая резистором, зависит от его сопротивления

и может быть рассчитана по формулам:

RIP ⋅= 2 или RUP /2= (Вт). (1.1)

Основными параметрами резисторов являются: номинальное сопротив-

ление, его допустимое отклонение (точность изготовления) и номинальная

мощность.

Единицами измерения номинального сопротивления резистора являются

Ом, кОм (1 кОм = 103 Ом) и МОм (1 МОм = 106

Ом).

Стандартами установлено шесть десятично-логарифмических рядов но-

минальных значений элементов: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96, Е192, используемых

при изготовлении пассивных компонентов. Цифры после букв указывают

число номинальных значений в ряду. В таблице 1.2 приведены номинальные

значения, предусмотренные в наиболее распространенных рядах Е12 и Е24.

Таблица 1.2

Ряды номинальных значений пассивных компонентов

Ряд Номинальные значения

Е12 10, 12, 15, 18, 22, 27, 30, 33, 39, 47, 56, 68 82

Е24 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47, 51, 56, 62, 68, 82, 91

Используемые значения сопротивления могут быть умножены на n10 , где

n – целое положительное число или нуль. Например, при использовании ряда



8

Е24 возможно применение резисторов

130 кОм, 1,3 МОм и т.д.

Точность изготовления резистора

значения отличаются друг от

ряду E24 – на 5% и т.д.

Номинальная мощность

мощность, которую резистор

нагрузке, нормальном атмосферном

резисторы (углеродистые, композиционные

мощность 0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5

минальная мощность рассеивания

рабочей рассеиваемой мощности

Самой распространенной

зисторах, называемая делителе

ния напряжения в различных

ке 1.1 делитель собран на резисторах

ление нагрузки 3R , на котором

меньше входного вхU .

а)

Рис. 1.1. Делитель напряжения

Делитель напряжения можно

напряжения 2RUU вхэ =

)21/(21 RRRRRэ +⋅= .

применение резисторов: 13 Ом, 130 Ом, 1,3 кОм

изготовления резистора связана с рядом: в ряду

отличаются друг от друга примерно на 20 %, в ряду E12

мощность резистора указывает максимально

которую резистор может рассеивать при длительной электрической

нормальном атмосферном давлении и температуре. Непроволочные

углеродистые, композиционные) изготовляют на номинальную

0,05; 0,125; 0,25; 0,5; 1; 2; 5 и 10 Вт, проволочные –

мощность рассеивания резистора должна быть на 20

рассеиваемой мощности, рассчитываемой по формуле

распространенной резисторной схемой является схема

называемая делителем напряжения, используемая для

различных точках электронных схем. Например

собран на резисторах R1 и R2 и к нему подключено

на котором можно получить любое напряжение

б)

Делитель напряжения (а) и его эквивалентная схема

напряжения можно рассматривать как эквивалентный

)21/(2 RR + с внутренним сопротивлением

Ом, 1,3 кОм, 13 кОм,

рядом в ряду E6 соседние

в ряду E12 – на 10 %, в

максимально допустимую

длительной электрической

температуре. Непроволочные

изготовляют на номинальную

0,2–150 Вт. Но-

быть на 20–30% больше

(1.1).

является схема на двух ре-

используемая для регулирова-

схем Например, на рисун-

нему подключено сопротив-

напряжение выхU

эквивалентная схема (б)

эквивалентный источник

внутренним сопротивлением



9

При бесконечно большом сопротивлении нагрузки выходное напряжение

делителя эвых UU = . При подключении нагрузки напряжение на выходе

уменьшается

)/( 33 RRRUU ээвых += .

Выходное напряжение делителя всегда меньше входного, поскольку со-

противления резисторов не могут быть отрицательными.

1.2. Конденсаторы

Конденсатор (capacitor) – элемент с двумя выводами, накопитель элек-

трической энергии. Состоит, как правило, из двух пластинчатых проводников,

разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размера-

ми пластин проводников.

Процесс накопления заряда в конденсаторе всегда сопровождается про-

порциональным изменением напряжения на его выводах. Основным парамет-

ром конденсатора является его емкость, определяемая как отношение прира-

щения заряда Qк изменению напряжения на обкладках конденсатора:

dUdQС /= . Из последнего определения следуют уравнения, связывающие

ток заряда/разряда конденсатора dtdQI /= с изменением напряжения dU на

его обкладках:

pCUdt

dUCI == или нач

tUIdt

CU += ∫

0

1, (1.2)

где U – напряжение на конденсаторе (В),

I – ток заряда конденсатора (А),

р – оператор дифференцирования,

начU .– начальное напряжение,

t – текущее время.

Электрическая энергия, накопленная в заряженном конденсаторе, рассчи-

тывается по формуле: 2/2CUW = (Дж).

В цепи переменного тока происходит циклическая перезарядка конденса-

тора и через него протекает переменный ток. При синусоидальном напряже-



10

нии кривая тока на 90 электрических

(рисунок 1.2.).

Рис. 1.2. Ток и напряжение

В соответствии с уравнением

тивление конденсатора:

После подстановки p

тивления от частоты:

Z

где f – частота переменного

fπω 2= – угловая частота

1−=j .

Реактивное сопротивление

X

В цепи постоянного тока

риоды заряда или разряда. По

денсатор не течёт, так как его

ствии с уравнением 1.5, при

тивление конденсатора бесконечно

на электрических градусов опережает кривую

и напряжение конденсатора в цепи переменного тока

соответствии с уравнением 1.2 можно посчитать комплексное

CpI

UZC /1== .

ωjp = получаем зависимость комплексного

fC

jCjZC π

ω2

/1 −== ,

переменного тока (Гц),

угловая частота (рад/с),

сопротивление конденсатора

CfCXC π

ω2

1/1 == .

постоянного тока конденсатор может проводить ток

разряда. По окончании переходного процесса ток

так как его обкладки разделены диэлектриком

при нулевой частоте 02 == fπω реактивное

конденсатора бесконечно.

опережает кривую напряжения

переменного тока

комплексное сопро-

(1.3)

зависимость комплексного сопро-

(1.4)

(1.5)

проводить ток только в пе-

переходного процесса ток через кон-

диэлектриком. В соответ-

реактивное сопро-



11

При параллельном соединении конденсаторов С1 и С2 их емкости сум-

мируются. При последовательном соединении эквивалентная емкость цепи С

рассчитывается по формуле:

)21/(21 ССССС +⋅= .

Условные графические обозначения конденсаторов в различных стандар-

тах приведены в таблице.

Таблица 1.3

Условные обозначения конденсаторов в различных стандартах

Наименование ГОСТ ANSI, DIN

Конденсатор

Конденсатор полярный (электролитический)

Основными параметрами конденсаторов являются:

- Номинальная ёмкость. Емкость измеряется в фарадах (Ф), микро-

фарадах ( ФмкФ 6101 −= ), нанофарадах ( ФнФ 9101 −= ) или пикофарадах

( ФпФ 12101 −= ). В настоящее время изготавливаются конденсаторы с но-

минальными ёмкостями из десятично логарифмических рядов значений

Е3, Е6, Е12, Е24 в диапазоне емкостей от нескольких пикофарад до сотен

фарад.

- Допустимое напряжение. Превышение допустимого значения не

разрешается. Диапазон допустимых значений рабочих напряжений кон-

денсаторов лежит в пределах от нескольких вольт до единиц киловольт.

- Допуск – допустимое отклонение величины его реальной ёмкости от

паспортных данных. Допуск обозначается в процентах. Допуск у конден-

саторов может достигать 20 – 30%.

Классификация конденсаторов обычно проводится по типу диэлектрика,

который определяет его основные электрические параметры: сопротивление

изоляции, стабильность ёмкости, величину потерь и др. Различают:

- конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком (слюдяные,

керамические, тонкослойные из неорганических плёнок);



12

- конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком (бумажные,

металлобумажные, плёночные, тонкослойные из органических синтетиче-

ских плёнок);

- электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы.

Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы, отли-

чаются относительно большой удельной ёмкостью и, как правило, поляризо-

ваны, т.е. работоспособны с напряжением только одного знака. В качестве ди-

электрика в них используется оксидный слой на металлическом аноде. Одной

из обкладок в электролитических конденсаторах является электролит, а в ок-

сидно-полупроводниковых - слой полупроводника, нанесённый непосредст-

венно на оксидный слой.

Разновидностью электролитических конденсаторов являются конденса-

торы с двойным электрическим слоем (double-layer capacitor), называемые су-

перконденсаторами, ультраконденсаторами или ионисторами. Ионисторы

имеют очень большую емкость при небольшом размере, но сравнительно ма-

лое допустимое напряжение. Доступны номиналы в десятки и сотни фарад.

1.3. Катушки индуктивности и трансформаторы

Катушка индуктивности (inductor) – элемент с двумя выводами, накопи-

тель электромагнитной энергии. При изменении напряжения на катушке ин-

дуктивности происходит изменение протекающего через неё тока, изменение

тока вызывает изменение электромагнитного поля, а изменение электромаг-

нитного поля, в свою очередь, приводит к появлению э.д.с. самоиндукции на

выводах катушки, уравновешивающей приложенное напряжение. Индуктив-

ность катушки Lявляется коэффициентом пропорциональности между скоро-

стью изменения тока dtdI / и напряжением U на катушке:

pLIdtLdIU == / , (1.6)

где – p – оператор дифференцирования.

Энергия электромагнитного поля, накопленная в катушке индуктивности,


2/2LIW = (Дж). (1.7)



В цепи переменного напряжения

рез катушку индуктивности

напряжения (рисунок 1.3.).

Рис. 1.3 Ток

В соответствии с уравнением

тивление катушки индуктивности

После подстановки

тивления от частоты:

где f – частота переменного

fπω 2= - угловая частота

1−=j

Реактивное сопротивление

В цепи постоянного тока

При последовательном

ности L1 и L2 суммируются

индуктивность цепи L рассчитывается

переменного напряжения синусоидальной формы

индуктивности на 90 электрических градусов отстает

рисунок 1.3.).

1.3 Ток и напряжение катушки индуктивности

в цепи переменного тока

соответствии с уравнением 1.6 можно посчитать комплексное

катушки индуктивности:

LpI

UZL == .

подстановки ωjp = получаем зависимость комплексного

fLjLjZ L πω 2== ,

частота переменного тока (Гц),

угловая частота (рад/с),

Реактивное сопротивление катушки индуктивности

LfLX L πω 2== .

о тока при 02 == fπω получаем LX

последовательном соединении катушек индуктивности

суммируются. При параллельном соединении


)21/(21 LLLLL +⋅= .

13

синусоидальной формы кривая тока че-

градусов отстает от кривой

индуктивности

посчитать комплексное сопро-

зависимость комплексного сопро-

(1.8)

0=L .

индуктивности их индуктив-

соединении эквивалентная



14

Основными параметрами катушек индуктивности являются:

- Номинальная индуктивность - измеряется в генри (Гн), миллигенри

( ГнмГн 3101 −= ), микрогенри ( ГнмкГн 6101 −= ), наногенри

( ГннГн 9101 −= ). Для значений индуктивности отечественных и зарубеж-

ных катушек индуктивности установлены четыре основных ряда номи-

нальных значений − Е3, Е6, Е12, Е24.

- Допустимое отклонение индуктивности от номинального значения;

указывается на корпусе катушки индуктивности, в абсолютных значениях

или в процентах.

- Максимальный ток катушки индуктивности - значение тока, при ко-

тором катушка индуктивности может работать, сохраняя при этом свои

параметры в допустимых пределах.

- Добротность катушки индуктивности – отношение реактивного со-

противления катушки на рабочей частоте к активному сопротивлению

проводов катушки, т.е. к сопротивлению потерь.

По назначению катушки индуктивности подразделяются на несколько

типов:

- дроссели – катушки индуктивности, обладающие высоким сопро-

тивлением переменному току и малым сопротивлением току постоянному;

включаемые последовательно с нагрузкой для ограничения переменной

составляющей тока в цепи;

- сдвоенные дроссели – две намотанных встречно или согласованно

катушки индуктивности, используемые в фильтрах питания;

- трансформаторы – катушки индуктивности с несколькими обмотка-

ми, осуществляют преобразование напряжения переменного тока по вели-

чине и гальваническую развязку цепей.

На электронных схемах катушки индуктивности при любом стандарте

изображаются одинаково (таблица 1.4) и обозначаются латинской буквой L.



Условные обозначения

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности

ком

Трансформатор

1.4. Схемы на пассивных

Любую электронную схему

можно представить в виде

где элементы Z1, Z2 обладают

Рис

Комплексный коэффициент

Модуль коэффициента

характеристику схемы (АЧХ

Коэффициент передачи

го диапазона его изменения

мическом масштабе с использованием

Таблица

Условные обозначения катушек индуктивности

Наименование Обозначен

индуктивности без сердечника

индуктивности с ферромагнитным сердечни-

на пассивных компонентах

электронную схему на пассивных компонентах в

представить в виде делителя напряжения, показанного

обладают активно-реактивным сопротивлением

Рис. 1.4. Пассивная электрическая схема

в виде делителя напряжения

Комплексный коэффициент передачи такой схемы можно

jbaZZ

Z

U

UK

вх

вых +=+

==21

2_

.

коэффициента передачи, описывающий амплитудно

схемы (АЧХ), определяется выражением

22 baK += .

дачи является безразмерной величиной

его изменения на графиках он обычно отображается

с использованием широко распространенной

15

Таблица 1.4

индуктивности

Обозначение

компонентах в общем случае

показанного на рисунке 1.4,

сопротивлением.

схемы можно записать в виде

описывающий амплитудно-частотную

(1.9)

величиной. Из-за большо-

обычно отображается в логариф-

распространенной в радиотех-



16

нике единицы измерения децибел

вычислений (1.9), пересчитывают

Фазовый сдвиг между напряжениями

ная характеристика (ФЧХ) схемы

Приведенные формулы

электронных схем, где в качестве

шие RC-цепи.

На графиках АЧХ и ФЧХ

ском масштабе, а коэффициент

Типовыми, наиболее часто

понентах, являются RC-фильтры

заградительные.

RC-фильтры

Фильтр нижних частот

Фильтр нижних частот

дает на выход без изменений

альная схема простейшего фильтра

Рис. 1.5


новании формулы можно представить

jR

j

U

UK

+

ω==вх

вых

1

&

&&

измерения децибел (дБ). Для перехода к децибелам

пересчитывают по формуле: lg(20)( KдБK =

сдвиг между напряжениями на входе и выходе, или

характеристика ФЧХ) схемы, задается выражением

a

barctg=ϕ .

формулы позволяют рассчитать АЧХ и ФЧХ

где в качестве элементов 1Z и 2Z используются

АЧХ и ФЧХ частоты обычно откладывают в логарифмич

коэффициент передачи выражают в децибелах

наиболее часто используемыми схемами на пассивных

фильтры нижних частот, верхних частот

нижних частот (ФНЧ)

нижних частот (low-frequency filter) низкочастотные сигналы

изменений, а сигналы высоких частот ослабляет

простейшего фильтра нижних частот показана на рисунке

1.5. Простой фильтр нижних частот

Комплексный коэффициент передачи напряжения такого фильтра

можно представить в виде

( ) ( )a

RC

RCj

RCCj

C =ω+

ω−ω+

=

ω

ω22 11

11

1

рехода к децибелам результат

)K .

выходе, или фазочастот-

(1.10)

АЧХ и ФЧХ различных

используются простей-

откладывают в логарифмиче-

децибелах, как Klg20 .

схемами на пассивных ком-

верхних частот, полосовые и

низкочастотные сигналы пере-

частот ослабляет. Принципи-

показана на рисунке 1.5.

напряжения такого фильтра на ос-

jba + .



Тогда АЧХ фильтра будет

В логарифмическом масштабе

20)(дБK =

Фазовый сдвиг между

или фазочастотная характеристика

Зависимости (1.11) и

представлены на рисунке

а)

Рис. 1.6. Х

Частота сигнала, на которой

ется в 2/1 раз (или на

ния, называется частотой среза

(1.11) дает формулу для расчета

Фильтр верхних частот

Фильтр верхних частот

лы высокочастотные и ослабляет

схема простейшего фильтра

фильтра будет описываться выражением

222 )(1/1 RCbaK ω+=+= .

логарифмическом масштабе

)(1lg(10))(1/1lg( 22 RCRC ωω +−=+

сдвиг между напряжением на выходе и входным

фазочастотная характеристика (ФЧХ) фильтра, определяется

)( RCarctga

barctg ωϕ −== .

Зависимости (1.11) и (1.12) графически в логарифмическом

на рисунке 1.6.

)

Характеристики фильтра нижних частот

а) АЧХ, б) ФЧХ

сигнала на которой модуль коэффициента передачи

раз или на 3)2/1lg(20 −= дБ) от своего максимального

частотой среза фильтра сω . С учетом сказанного

формулу для расчета частоты среза: RCс /1=ω .

верхних частот (ФВЧ)

верхних частот (high-pass filter) пропускает без искажений

высокочастотные и ослабляет низкочастотные сигналы. Принципиальная

простейшего фильтра верхних частот (ФВЧ) приведена на

17

)2 . (1.11)

выходе и входным напряжением,

определяется выражением

(1.12)

логарифмическом масштабе

) б)

частот:

коэффициента передачи K уменьша-

своего максимального значе-

учетом сказанного, выражение

пропускает без искажений сигна-

лы. Принципиальная

приведена на рисунке 1.7.



18

Рис. 1.7.


вх

вых

1

CjR

R

U

UK

ω+

==&

&&

АЧХ и ФЧХ такого фильтра

K =

Графики соответствующих

на рисунке 1.8.

а)

Рис. 1.8. Характеристики

Частота среза RC-фильтра

тоте среза фильтра нижних частот

Полосовой фильтр (ПФ

Полосовой фильтр (band

вательном соединении RC-

показана схема такого фильтра

Простейший фильтр верхних частот

Комплексный коэффициент передачи ФВЧ по напряжению имеет

( )( )2

2

1111j

RC

RC

RCj

RCj

C+

+ω+

ω=ω+

ω=

такого фильтра выражаются формулами

2)(1 RC

RC

ω

ω

+,

RCarctg

ωϕ 1=

соответствующих уравнениям (1.13) характеристик

) б)

арактеристики фильтра верхних частот: а) – АЧХ, б

фильтра верхних частот определяется аналогично

фильтра нижних частот RCс /1=ω .

фильтр (ПФ)

band pass filter) может быть образован

-фильтров нижних и верхних частот. На

такого фильтра.

напряжению имеет вид

( )2RC

RC

ω+ω

.

(1.13)

характеристик приведены

АЧХ, б) ФЧХ

аналогично час-

образован при последо-

верхних частот. На рисунке 1.9



Рис

Выражение для коэффициента

C1=C2=C имеет вид

К

Из соотношения следует

(9/1 RCK ω+=

Графики АЧХ и ФЧХ фильтра

а)

Рис. 1.1

Максимальная величина

(1.14) наблюдается при условии

АЧХ полосового фильтра

вую колебательного контура

квазирезонансной.

Рис. 1.9. Схема полосового фильтра

Выражение для коэффициента передачи по напряжению

.

RCRCj

U

UК

ω−ω+

==1

3

1

вх

вых

&

&&

соотношения следует:

2)1RC

RCω

− ,

−=RC

RCarctg

ωωϕ

3)(1 2

АЧХ и ФЧХ фильтра показаны на рисунке 1.10.

) б)

1.10. АЧХ (а) и ФЧХ (б) полосового фильтра

Максимальная величина модуля коэффициента передачи

наблюдается при условии: 01 =−RC

RCω

ω и принимает значение

K=1/3=-9,54дб при RCр /1==ωω .

полосового фильтра (рисунок 1.10а) напоминает резонансную

колебательного контура. Поэтому соответствующую частоту

19

напряжению при R1=R2=R и

. (1.14)

рисунке 1.10.

фильтра

коэффициента передачи выражения

принимает значение

. (1.15)

напоминает резонансную кри-

соответствующую частоту называют



20

Заградительный (режекторны

Заградительный фильтр

одной частоте, в области нулевой

эффициент передачи фильтра

Фильтр представляет собой

ров верхних и нижних частот

Рис

При определенной частоте

полосового фильтра, квазирезонансной

мится к нулю, а фаза меняется

Если в рассматриваемом

C1=C2=C, R3=R/2, и C3=2C

вид

(1( RCK

ω−=

а значение квазирезонансной

но RCр /1=ω.

Графики АЧХ и ФЧХ режекторного

ке 1.12.

Заградительный (режекторный) фильтр

Заградительный фильтр (band-stop filter) не пропускает сигнал

области нулевой частоты и бесконечно больших

передачи фильтра равен 1.

представляет собой параллельное соединение Т-образных

нижних частот (рисунок 1.11).

Рис. 1.11. Заградительный фильтр

определенной частоте сигнала, называемой так же, как

фильтра квазирезонансной, коэффициент передачи фильтра

фаза меняется скачком на 90 градусов.

рассматриваемом заградительном фильтре положить

C3=2C, то выражения для его АЧХ и ФЧХ

222

2

)(16))

)(1

RCRC

RC

ωω

+−

, )(

4=RC

RCarctg

ωωϕ

квазирезонансной частоты, как и у полосового фильтра

АЧХ и ФЧХ режекторного фильтра представлены

пропускает сигнал только на

бесконечно больших частот ко-

образных фильт-

так же, как и в случае

коэффициент передачи фильтра стре-

фильтре положить R1=R2=R,

АЧХ и ФЧХ будут иметь

1)2 −RC

, (1.16)

полосового фильтра, будет рав-

представлены на рисун-



а)

Рис. 1.12. АЧХ

Резонансные LC-схемы

Объединение конденсаторов

зволяет получить схемы с резонансными

теле напряжения конденсатор

лельно.

Рис. 1.13

Комплексное сопротивление

тоты.

Z

АЧХ схемы (рисунок

этом проходит через 0.

а)

Рис. 1.14. АЧХ (а) и ФЧХ б

) б

АЧХ (а) и ФЧХ (б) заградительного фильтра

схемы

Объединение конденсаторов и катушек индуктивности в одной

получить схемы с резонансными свойствами. На рисунке

напряжения конденсатор и катушка индуктивности соединены

1.13. Схема с параллельным LC- контуром

Комплексное сопротивление параллельного LC- контура

LC

LjZZZZ CLCL 21

)/(ωω

−=+⋅= .

схемы рисунок 1.14) имеет максимум при 1=ω

а) б)

и ФЧХ (б) резонансной схемы с параллельным соединени

21

б)

фильтра

индуктивности в одной схеме по-

свойствами На рисунке 1.13 в дели-

индуктивности соединены парал-

контура зависит от час-

LC/1 , ФЧХ при

параллельным соединением L и C



22

При 0=ω и при =ω

коэффициент передачи делителя

ент передачи принимает максимальное

На рисунке 1.15 в делителе

тивности соединены последовательно

Рис. 1.15. Схема

Комплексное сопротивление

Z

АЧХ схемы (рисунок 1.16)

этом проходит через 0.

а)

Рис. 1.16. АЧХ (а) и ФЧХ (б резонансной

При 0=ω и при ∞=ω

коэффициент передачи делителя

чи принимает минимальное значение

∞ комплексное сопротивление контура

передачи делителя тоже равен нулю. При /1=ωпринимает максимальное значение 1=K .

в делителе напряжения конденсатор и катушка

соединены последовательно.

Схема с последовательным LC-контуром

сопротивление параллельного LC- контура

C

LСjZZZ CL ω

ω )1( 2 −=+= .

рисунок 1.16) имеет минимум при /1=ω

) б)

ФЧХ (б) резонансной схемы с параллельным соединением

∞ комплексное сопротивление контура

передачи делителя 1=K . При LC/1=ω коэффициент

минимальное значение 0=K .

ение контура равно 0 и

LC коэффици-

конденсатор и катушка индук-

LC , ФЧХ при

параллельным соединением L и C

сопротивление контура равно ∞ и

коэффициент переда-



Вопросы и упражнения

- Чему равно общее

соединенных резисторов


ненных резисторов R

- Доказать, что при

сопротивление цепи больше


противление цепи меньше


параллельно соединенных


конденсатор на 90 электрических

- Доказать, что 1 сек

- Чему равно реактивное

большой частоте?

- На какой частоте

1 нФ равно 1 Ом?

- Чему равна эквивалентная

из двух последовательно


С2 эквивалентная емкость


вивалентная емкость цепи

упражнения

равно общее сопротивление схемы из двух последовательно

соединенных резисторов R1 и R2?

равно общее сопротивление схемы из двух параллельно

R1 и R2?

Доказать что при последовательном соединении резисторов

ение цепи больше любого из них.

Доказать что при параллельном соединении резисторов

противление цепи меньше любого из них.

равно общее сопротивление схемы из трех последовательно

параллельно соединенных резисторов R1, R2 и R3 (рисунок

Рис. 1.17. Расчетная схема

Доказать что при напряжении синусоидальной формы

конденсатор на электрических градусов опережает напряжение

Доказать что 1 сек/1Ф=1 Ом.

равно реактивное сопротивление конденсатора

какой частоте реактивное сопротивление конденсатора

равна эквивалентная емкость электрической цепи

последовательно/параллельно соединенных конденсаторов

Доказать что при последовательном соединении конденсаторов

эквивалентная емкость цепи )21/(21 ССССС +⋅= .

Доказать что при последовательном соединении конденсаторов

вивалентная емкость цепи меньше емкости любого из них

23

из двух последовательно

из двух параллельно соеди-

соединении резисторов общее

соединении резисторов общее со-

из трех последовательно-

рисунок 1.17)?

синусоидальной формы ток через

опережает напряжение.

конденсатора на бесконечно

сопротивление конденсатора емкостью

электрической цепи, состоящей

соединенных конденсаторов?

ении конденсаторов С1 и

соединении конденсаторов эк-

любого из них.



24

- Доказать, что при параллельном соединении конденсаторов общая

емкость цепи больше емкости любого из них.

- Доказать, что при напряжении синусоидальной формы ток через ка-

тушку индуктивности на 90 электрических градусов отстает от напряжения.

- Доказать, что 1Гн/1сек=1 Ом.

- Чему равно реактивное сопротивление катушки индуктивности на

бесконечно большой частоте?

- На какой частоте реактивное сопротивление катушки индуктивности

с индуктивностью 1 мкГн равно 1 Ом?

- Чему равна эквивалентная индуктивность электрической цепи, со-

стоящей из двух последовательно/параллельно соединенных катушек ин-

дуктивности?

- Доказать, что при параллельном соединении катушек индуктивности

L1 и L2 эквивалентная индуктивность цепи равна )21/(21 LLLL +⋅ .

- Доказать, что при последовательном соединении катушек индуктив-

ности эквивалентная индуктивность цепи больше индуктивности любой из

катушек.

- Доказать, что при параллельном соединении катушек индуктивности

общая индуктивность цепи меньше индуктивности любой из катушек.

- Чему равна резонансная частота параллельного/последовательного

LC-контура при L= 1 мГн, С= 1 мкФ?

- Чему равен коэффициент передачи делителя с параллель-

ным/последовательным LC-контуром при 0=ω / ∞=ω ?

- Как зависит коэффициент передачи ФНЧ/ФВЧ от частоты?

- Чему равен максимальный/минимальный коэффициент передачи

ФНЧ/ФВЧ?

- Чему равен максимальный/минимальный коэффициент передачи по-

лосового/заградительного фильтра?

- Чему равен максимальный/минимальный фазовый сдвиг сигнала в

ФВЧ (ФНЧ)?

- Как рассчитывается частота среза ФВЧ/ФНЧ?



- Как рассчитывается

ра/режекторного фильтра

- Как по графику АЧХ

- Как по графику

полосового фильтра/режекторного

- Как зависит коэффициент

2. ДИОДЫ

2.1. Характеристики диода

Диод (diode) – двухслойный

тродами (рисунок 2.1). Вывод

мостью (p-слоя) называется

водимостью (n-слоя) – катодом

а)

Рис. 2.1. Структура а

в системе

Тонкий приконтактный

название p-n-перехода. Различные

взаимодействии слоев с различными

целым рядом полезных и

перехода можно выделит

ряда. Их появление объясняется

бодных электронов полупроводника

В свою очередь, наличие неподвижных

вания внутреннего электрического

женных частиц через границу

рассчитывается квазирезонансная частота полосового

режекторного фильтра?

по графику АЧХ/ФЧХ определить частоту среза ФНЧ

по графику АЧХ/ФЧХ определить квазирезонансную

фильтра/режекторного фильтра?

зависит коэффициент передачи ФНЧ/ФВЧ от ч

ДИОДЫ И ДИОДНЫЕ СХЕМЫ

Характеристики диода

двухслойный полупроводниковый прибор

рисунок 2.1). Вывод от слоя полупроводника с дырочной

называется анодом (anode), вывод от слоя с э

катодом (cathode).

а) б) в)

Структура а) полупроводникового диода и условные обозначения

в системе ГОСТ и DIN (б), в системе ANSI (в)

приконтактный слой на границе раздела полупроводников

перехода. Различные физические процессы, развивающиеся

слоев с различными примесями, обеспечивают

полезных и интересных свойств. В частности

можно выделить два слоя (рисунок 2.1) неподвижных

появление объясняется интенсивной рекомбинацией

электронов полупроводника типа n с дырками полупроводника

наличие неподвижных зарядов является причиной

внутреннего электрического поля, препятствующего диффузии

через границу. Электропроводность перехода несимметрична

25

частота полосового фильт-

частоту среза ФНЧ/ФВЧ?

квазирезонансную частоту

ФВЧ от частоты?

полупроводниковый прибор с двумя элек-

полупроводника с дырочной проводи-

от слоя с электронной про-

условные обозначения

полупроводников носит

процессы, развивающиеся при

обеспечивают p-n-переход

частности, в области p-n-

неподвижных носителей за-

рекомбинацией на границе сво-

дырками полупроводника типа р.

является причиной существо-

препятствующего диффузии заря-

Электропроводность перехода несимметрична,



26

величина ее зависит от знака приложенного напряжения. Размеры перехода

также зависят от знака и величины приложенного напряжения. В общем слу-

чае электрические характеристики перехода трудно предсказуемы, на них

сильное влияние оказывает концентрация примеси, температура, световые,

магнитные и электрические поля, окружающие прибор.

Параметры и режим работы диода определяются его вольт-амперной ха-

рактеристикой, иллюстрирующей зависимость протекающего через диод тока

I от приложенного напряжения U . Типовая вольт-амперная характеристика

прибора показана на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Вольт-амперная характеристика диода

Приложенное к диоду напряжение может быть разной полярности. По-

ложительным принято считать напряжение между электродами, приложенное

плюсом к аноду прибора, минусом - к катоду.

При положительном напряжении через диод протекает прямой ток, резко

возрастающий при увеличении напряжения. При отрицательном напряжении

диод считается запертым, через него протекает незначительный обратный ток,

на несколько порядков меньший тока прямого.

Характеристика прибора довольно точно описывается экспоненциальной

зависимостью

)1( −≅ T

U

o eII ϕ, (2.1)

где oI – обратный ток p-n-перехода,

Tϕ – термический потенциал электрона.



27

Термический потенциал электрона, в свою очередь, определяется выра-

жением

qkTT /=ϕ ,

где 231038,1 −⋅=k (Дж/К) – постоянная Больцмана,

Т (К) – абсолютная температура в градусах Кельвина,

19106,1 −⋅=q (кулон) – заряд электрона.

При комнатной температуре )300( КT ≅ mBt 25≅ϕ .

При TU ϕ>> уравнение (2.1) без потери точности можно упростить и

представить в виде

T

U

oeII ϕ≅ . (2.2)

При всей строгости последних формул практические расчеты по ним вес-

ти невозможно из-за высокой степени неопределенности величины обратного

тока oI и сильной зависимости параметров oI и Tϕ от температуры. Однако

по формуле (1.2) можно рассчитать, что прямое падение напряжения на диоде

изменяется на очень незначительную величину 6010ln ≅⋅Tϕ мВ при возрас-

тании прямого тока через диод в 10 раз. Поскольку термический потенциал

электрона Tϕ зависит от температуры, то при постоянном токе через диод па-

дение напряжения на нем также зависит от температуры. Эта зависимость

приближенно описывается соотношением:

TU δδ 3102 −⋅−≅ , (2.3)

где Uδ (В) – изменение падения напряжения на диоде,

Tδ (К) – изменение температуры.

В прямом включении падение напряжения на диоде не велико. Для при-

боров из германия оно обычно не превышает 0,6- 0,8 В. Кремниевые диоды,

из-за более высокой температуры плавления кремния, выдерживают прямое

напряжение порядка 1-1,2 В.



28

Обратный ток диода также сильно зависит от материала полупроводника

и температуры. У кремниевых диодов 0I меняется в пределах 1-10 мкА, у гер-

маниевых - 200-500 мкА. При возрастании температуры на 10К обратный ток

диода удваивается.

В практических расчетах вольт-амперная характеристика диода обычно

заменяется двумя прямыми:

,

,

,0

,

д

д

UU

UU

при

приI

<>

∞

= (2.4)

где дU – падение напряжения на диоде при протекании тока в прямом направ-

лении. Для кремниевых диодов величина дU находится в пределах 0,8 – 1,2 В,

для германиевых – 0,5 – 0,6 В.

Применение упрощенного описания позволяет формализовать расчет

схем и проводить его с минимальным использованием справочных данных.

2.2. Типы диодов

Производители полупроводниковых приборов выпускают диоды самого

разного назначения, различающиеся мощностью, допустимыми токами и на-

пряжениями, частотными свойствами. Наиболее распространены:

- выпрямительные диоды,

- импульсные диоды,

- диоды Шоттки,

- стабилитроны,

- варикапы.

Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды обычно используются в схемах с источниками

сигналов промышленной частоты 50÷60 Гц. Основными параметрами выпря-

мительного диода считаются:

- максимальное обратное напряжение максобрU – значение напряже-

ния, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдер-

жать в течение длительного времени без разрушения;



29

- максимальный прямой ток макспрI – максимально допустимое зна-

чение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

- постоянный обратный ток обрI ;

- постоянное прямое напряжение прU – падение напряжения на диоде

при протекании через него максимального прямого тока;

- средняя рассеиваемая мощность срP – средняя за период мощность,

рассеиваемая диодом;

- максимальная частота максF – максимальная рабочая частота, при

которой обеспечиваются заданные параметры диода.

Если частота переменного напряжения, приложенного к диоду, превыша-

ет максF , потери в диоде резко возрастают.

В зависимости от значения максимального тока через диод различают

выпрямительные диоды малой мощности ( макспрI ≤0,3 А), средней мощности

(0,3 А< макспрI ≤10 А) и большой мощности ( макспрI >10 А). Диоды малой мощ-

ности могут рассеивать выделяемую на них теплоту своим корпусом, диоды

средней и большой мощности должны располагаться на специальных тепло-

отводящих радиаторах, что предусматривается соответствующей конструкци-

ей их корпусов.

Для повышения допустимого обратного напряжения выпрямительные

диоды соединяются последовательно. Если соединение элементов выполнено

на одном кристалле или в едином корпусе, то такой прибор называется вы-

прямительным столбом. Из-за последовательного соединения диодов в схеме

столба прямое падение напряжения на таком приборе всегда значительно

больше, чем на обычном диоде.

Выпрямительные блоки представляют собой собранную в одном корпусе

простую диодную схему. Чаще всего это схема диодного моста на четырех

одинаковых диодах (рисунок 2.3).



30

Рис. 2.3. Диодный мост

Импульсные диоды

Переключение диода из проводящего состояния в закрытое не может

произойти мгновенно. При изменении знака приложенного напряжения (ри-

сунок 2.4). p-n-переход восстанавливает свои запирающие свойства только

спустя определенное время

Рис. 2.4. Переходные процессы

При переходе из закрытого состояния в открытое для рассасывания избы-

точных зарядов в р-n-переходе необходимо время вклt . При переходе из от-

крытого состояния в закрытое необходимо время 1t для рассасывания избы-

точных зарядов и время 2t , за которое восстанавливается потенциальный

барьер перехода.



Значение времени восстановления

ляет 10÷100 нс. У мощных

Если период колебаний переменного

окажется меньше времени восстановления

переключается в непроводящее

Малую длительность переходных

прямого включения в обратное

ды. От выпрямительных диодов

перехода. Уменьшение емкости

рехода, поэтому допустимые

лики. Основными параметрами

мительных, являются:

- максимальное импульсное

- время восстановления

У современных приборов

4-10 нс.

Диоды Шоттки

Одной из разновидностей

В этих приборах роль

полупроводник». Накопление

перенос заряда в них обусловлен

время восстановления диода

0,1 нс, и максимальная рабочая

герц. Другой особенностью

пряжения. Условное обозначение

личается от общего обозначения

а)

Рис. 2.5. Условное

в системе

времени восстановления выклt для маломощных

У мощных диодов эта величина измеряется микросекундами

колебаний переменного напряжения, прилож

меньше времени восстановления, то диод остается проводящим

в непроводящее состояние.

длительность переходных процессов при переключениях

включения в обратное обеспечивают специальные импул

выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями

Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения

поэтому допустимые мощности рассеяния у импульсных

Основными параметрами, отличающими импульсные диоды

максимальное импульсное прямое напряжение прU

восстановления обратного сопротивления диода

современных приборов время восстановления находится

разновидностей импульсных диодов являются

приборах роль p-n-перехода выполняет контакт

Накопление заряда в таком переходе весьма

в них обусловлен только основными носителями

восстановления диода может быть уменьшено до значения

максимальная рабочая частота повышается до сотен или

особенностью этих диодов является малое прямое

ное обозначение диода Шоттки (рисунок 2

общего обозначения диода.

а) б) в)

Условное обозначение диода Шоттки по ГОСТ

в системе DIN (б), в системе ANSI (в)

31

маломощных диодов состав-

измеряется микросекундами.

напряжения приложенного к диоду,

остается проводящим и не

при переключениях диода из

специальные импульсные дио-

отличаются малыми емкостями p-n-

счет уменьшения площади пе-

у импульсных диодов неве-

мпульсные диоды от выпря-

ипр ,

сопротивления диода вt .

восстановления находится в пределах

диодов являются диодыШоттки.

выполняет контакт «металл-

переходе весьма мало, так как

сновными носителями. Поэтому

уменьшено до значения порядка

повышается до сотен или тысяч кило-

малое прямое падение на-

2.5) несколько от-

по ГОСТ (а),



32

Варикапы

В процессе работы диода

вблизи p-n-перехода происходит

диод всегда обладает определенной

вать влияние на протекающий

женного напряжения различают

Барьерная емкость оценивается

площадью перехода, материалом

напряжения (рисунок 2.6).

Рис. 2.6. Относительное

При увеличении обратного

ного слоя вблизи p-n-перехода

Полупроводниковые диоды

стью, называются варикапами

электронных схемах в качестве

варикапа изменяется при изменении

жения. С ростом обратного на

Соотношение максимальной и

ловные обозначения варикапа

а)

Рис. 2.7. Условное

в системе

работы диода, как в прямом, так и в обратном

перехода происходит накопление зарядов. По этой причине

обладает определенной емкостью, величина которой

протекающий через диод ток. В зависимости от

напряжения различают барьерную и диффузионную емкость

емкость оценивается при обратном включении

перехода материалом полупроводника и зависит от приложенного

Относительное изменение барьерной емкости p-n-перехода

увеличении обратного напряжения увеличивается толщина

перехода, и барьерная емкость уменьшается

Полупроводниковые диоды, обладающие повышенной барьерной

варикапами (Varactor Diodes). Обычно они используются

схемах в качестве конденсаторов переменной емкости

изменяется при изменении приложенного к нему обратного

обратного напряжения емкость уменьшается

максимальной и минимальной емкости примерно равно

обозначения варикапа приведены на рисунке 2.7.

а) б) в)

Условное обозначение варикапа по ГОСТ (а),

в системе DIN (б) и в системе ANSI (в)

в обратном включении

По этой причине любой

величина которой может оказы-

зависимости от знака прило-

емкость диода.

включении, определяется

зависит от приложенного

перехода

увеличивается толщина обеднен-

уменьшается.

барьерной емко-

Обычно они используются в

переменной емкости. Емкость

к нему обратного напря-

уменьшается (рисунок 2.6).

примерно равно 5:1. Ус-

ГОСТ а),



Основными параметрами

- начальная емкость

- коэффициент перекрытия

рикапа при двух заданных

- сопротивление потерь

- добротность Q

на заданной частоте переменного

данном значении обратного

Стабилитроны и стабисторы

Стабилитрон (Zener

считанным для работы на участке

Условное обозначение

Рис. 2.8. Условные

и в системе

При обратном включении

диапазоне токов от минимального

пряжения на стабилитроне

тока (рисунок 2.9) и считается

Рис. 2.9.

Основными параметрами варикапа являются:

начальная емкость 0С ,

коэффициент перекрытия по емкости СК – отношение

двух заданных значениях обратных напряжений

сопротивление потерь аr – активное сопротивление прибора

вQ – отношение реактивного сопротивления

частоте переменного сигнала к сопротивлению

значении обратного напряжения.

Стабилитроны и стабисторы

Zener diode) является полупроводниковым

работы на участке электрического пробоя.

обозначение прибора приведено на рисунке 2.

а) б)

Условные обозначения стабилитрона по ГОСТ

и в системе DIN (a), в системе ANSI (б)

обратном включении прибора на участке электрического

токов от минимального минI до максимального

стабилитроне очень мало зависит от протекающего

и считается постоянным.

9. Типовая характеристика стабилитрона

33

отношение емкостей ва-

напряжений;

сопротивление прибора;

реактивного сопротивления варикапа

сопротивлению потерь при за-

одниковым прибором, рас-

рисунке 2.8.

по ГОСТ

участке электрического пробоя в

максI падение на-

протекающего через прибор

стабилитрона



34

Основные параметры стабилитрона:

- напряжение стабилизации – стU , падение напряжения на приборе

при минимальном токе минстII = ,

- минимальный ток стабилизации – минcтI ,

- максимальный ток стабилизации – максстI ,

- дифференциальное сопротивление dIdUdR /−= на участке электри-

ческого пробоя;

- температурный коэффициент стабилизации стα – относительное

изменение напряжения стабилизации стU∆ при изменениях температуры

окружающей среды T∆ : %100⋅∆

∆=

TU

U

ст

стстα .

Температурный коэффициент стабилизации зависит от тока через прибор

и его напряжения стабилизации. При низком (менее 5,7 В) напряжении стU

температурный коэффициент отрицателен. При токе порядка 10 мА он равен,

примерно, –2,1 мВ/°С. При напряжении выше 6 В коэффициент положителен

и при такой же величине тока (порядка 10 мА) достигает значения 6 мВ/°С.

Выбирая величину тока через прибор, можно изменять температурный коэф-

фициент и даже добиться его нулевого значения.

Для термокомпенсации стабилитронов используют самые различные

схемы. В простейшем случае (при напряжениях стабилизации более 6 В) по-

следовательно стабилитрону можно включить несколько обычных диодов. В

этом случае стα стабилитрона больше нуля (порядка 6 мВ/°С), а каждый крем-

ниевый диод при прямом включении имеет отрицательный температурный

коэффициент (порядка –2,1 мВ/°С). Некоторые прецизионные стабилитроны

изготавливаются термокомпенсированными по такой схеме.

Стабисторы, как и стабилитроны, используются для стабилизации на-

пряжения. В отличие от стабилитронов они работают на прямой ветви вольт-

амперной характеристики диода и имеют напряжение стабилизации около 1 В.



35

2.3. Диодные схемы

Выпрямитель

Выпрямитель (rectifier) осуществляет преобразование переменного на-

пряжения в постоянное. Причем под переменным напряжением обычно под-

разумевается напряжение произвольной формы, изменяющейся полярности.

Частным и наиболее распространенным случаем переменного напряжения

считается напряжение синусоидальное. Постоянное напряжение следует по-

нимать как напряжение одного знака. Форма напряжения при этом также мо-

жет быть произвольной.

Схемы выпрямителей многообразны. Из однофазных схем наиболее рас-

пространена мостовая схема, изображенная на рисунке 2.10.

Четыре диода схемы обеспечивают протекание тока нагрузки нI в одном

направлении независимо от знака входного напряжения. При положительном

входном напряжении в первый полупериод синусоиды (рисунок 2.10 а) ток от

плюса источника входного напряжения (точка 2) протекает через диод

VD2(точка 1), через сопротивление нагрузки нR (точка 3), через диод VD3 к

минусу источника (точка 4).

а)

б)

Рис. 2.10. Однофазный мостовой выпрямитель: схема (а)

и временные диаграммы (б)



36

Если пренебречь падением напряжения на диодах, то выходное напряже-

ние (напряжение на нагрузке) повторяет входное: вхuвыхu = . В случае смены

полярности (второй полупериод) контур тока включает в себя точку 4 – диод

VD4 – точку 1 – резистор нR – точку 3 – диод VD1 – точку 2. При этом ток на-

грузки, по-прежнему, протекает от точки 1 схемы к точке 4, а вхuвыхu −= .

Среднее значение выходного напряжения:

0

/1 ∫=π

υπ dвхuвыхU ,

где ,tωυ =

−ω угловая частота сигнала.

У синусоидальных сигналов

UdUвыхUπ

πυυπ 22

0)sin(max/1 =∫= , (2.5)

где −maxU амплитуда синусоиды,

−U действующее значение входного напряжения.

Отношение UвыхUD /= называется коэффициентом выпрямления схе-

мы. Для однофазной мостовой схемы (рисунок 2.10) и синусоидальных сигна-

лов в соответствии с (2.5) имеем 9,0/22 ≅= πD .

Форма выходного напряжения (рисунок 2.10б), характерная для выпря-

мителей, не удовлетворяет большинство потребителей энергии. Электронные

схемы работоспособны, как правило, только с источниками гладкого (без за-

метных пульсаций) напряжения. По этой причине неотъемлемым элементом

источника питания становится сглаживающий фильтр. В качестве элементов

фильтра используются реактивные компоненты: емкости и катушки индук-

тивности, полное сопротивление которых зависит от частоты сигнала.

Индуктивное сопротивление с ростом частоты сигнала возрастает. По

этой причине катушка индуктивности представляет собой элемент с большим

сопротивлением для высокочастотных составляющих процесса. В случае

включения катушки последовательно нагрузке она практически без искаже-



37

ний пропускает в нагрузку в основном постоянную составляющую сигнала,

сильно ослабляя переменную.

Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте сигнала и

конденсатор, при использовании его в качестве фильтра, включается парал-

лельно нагрузке. В результате такого подключения переменные составляющие

выходного напряжения шунтируются конденсатором. В случае подключения

емкости на выход выпрямителя ее заряд и разряд проходит через разные цепи

схемы: заряд осуществляется от источника входного сигнала через выпрями-

тель, а разряд - через цепь нагрузки (рисунок 2.11). Поэтому процессы заряда

и разряда описываются различными уравнениями.

а)

б)

Рис. 2.11. Мостовой выпрямитель с емкостным фильтром:

схема (а) и временные диаграммы (б)

В интервале 12 tt − , когда входное напряжение вхu превышает напряже-

ние на нагрузке, осуществляется подзаряд конденсатора через выпрямитель.

Остальную часть периода 12 tt − происходит разряд конденсатора на нагрузку

по экспоненциальному закону с постоянной времени СнR=τ .



38

Если принять, что время разряда конденсатора 12 tt − значительно больше

времени заряда 12 tt − , то среднее за время 2/T напряжение на нагрузке мож-

но рассчитать по формуле

∫ −=2

1)/exp(/1

t

tdttмаксUTвыхU τ .

При Ttt =− 12 получаем

)]./exp(1[)/( ττ TмаксUTвыхU −−⋅=

Для нормальной работы фильтра необходимо, чтобы при любой нагрузке

выпрямителя выполнялось условие: 2/TCнR >>=τ , тогда

максвых UU = . (2.6)

К концу периода разряда конденсатора (момент t2 на рисунке 2.11) на-

пряжение на нагрузке

)/exp(2 τTмаксUtU −=

отличается от максимального значения на величину амплитуды пульсаций

)]/exp(1[ τTмаксUпU −−= .

При выполнении условия T>>τ

)2/()2/(/ fCIfRмаксUTмаксUпU нн === τ , (2.7)

где f – частота питающей сети,

нR – сопротивление нагрузки,

нI – ток нагрузки,

C – емкость конденсатора.

Параметрический источник напряжения

Выходное напряжение источника опорного напряжения не зависит от на-

пряжения питания схемы и тока нагрузки.



39

Простейшая схема строится на полупроводниковом стабилитроне VD,

включаемом параллельно нагрузке (рисунок 2.12). В схему обязательно вво-

дится балластный резистор R, ограничивающий ток через стабилитрон.

Рис. 2.12. Параметрический стабилизатор напряжения

Эффект стабилизации напряжения в схеме достигается за счет свойств

вольтамперной характеристики стабилитрона в области электрического про-

боя. Выходное напряжение схемы равно падению напряжения на стабилитро-

не и меняется незначительно.

Сопротивление балластного резистора R выбирается таким образом, что-

бы при номинальном входном напряжении вхU и номинальном токе нагрузки

нI через стабилитрон протекал номинальный ток стабилизации стI :

./)( нIстIRвыхUвхU +=−

Откуда вытекает условие выбора резистора:

)/()( нIстIвыхUвхUR +−= .

Любое изменение входного напряжения приводит к соответствующему

изменению тока через стабилитрон:

RвхdUстdI /= .

Соответствующее изменение напряжения на нагрузке можно вычислить,

используя уравнение вольт-амперной характеристики стабилитрона на участ-

ке электрического пробоя:

RdRвхdUстdIdRстdU /== , (2.8)

где dR – динамическое сопротивление стабилитрона.



40

Отношение изменения входного напряжения к соответствующему изме-

нению напряжения на нагрузке называется коэффициентом стабилизации

схемы: вхdUвыхdUK /= . Для рассмотренной схемы dRRK /= . Хорошая

схема должна иметь высокий коэффициент стабилизации.

Возможности изменения коэффициента невелики из-за ограниченного

выбора стабилитронов и однозначности расчетов сопротивления балластного

резистора. Так, например, некоторое увеличение R возможно за счет увеличе-

ния входного напряжения, но при этом сильно увеличиваются тепловые поте-

ри в резисторе, и снижается коэффициент полезного действия схемы. Послед-

ний в параметрических стабилизаторах, как правило, не превышает 30%, что

существенно сужает их область применения.

Причиной изменения выходного напряжения схемы также может быть

изменение ее нагрузки. В этом случае изменение тока нагрузки компенсирует-

ся стабилитроном: cтdIнdI −= , а изменение выходного напряжения рассчи-

тывается по формуле: cтdIdRнdU = .

Выходное сопротивление схемы полностью определяется динамическим

сопротивление стабилитрона:

dRнIнUвыхR =−= / . (2.9)

На практике выходное сопротивление параметрического стабилизатора в

лучшем случае не превышает 5 Ом, коэффициент стабилизации, как правило,

не более 100.

2.4. Упражнения

- Доказать, что прямое падение напряжения на диоде изменяется на

60 мВ при возрастании прямого тока в 10 раз.

- Доказать, что при постоянном токе через диод падение напряжения

на нем уменьшается на 0,2% при увеличении температуры на 1 градус.



- Рассчитать токи

V2= 10 B, R1= 1 кОм

диоде принять равным


V2 = 12 B, R1 =2 кОм,

дах принять равными

- Рассчитать токи во

V2 = 15 B, R1 = 2 кОм

диодах принять равными

Рассчитать токи во всех ветвях схемы (рисунок 2.13)

кОм, R2= 2 кОм, R3= 3 кОм. Падение

принять равным 0,8 В.



кОм, R2 = 2 кОм, R3 = 1 кОм. Падение напряжения

равными 0,9 В.



кОм, R2 = 1 кОм, R3 = 2 кОм. Падение

принять равными 0,9 В.


41

рисунок 2.13) при V1=5 B,

кОм Падение напряжения на

рисунок 2.14) при V1 =8 B,

Падение напряжения на дио-


Падение напряжения на



42

- Рассчитать барьерную

начальной емкостиСо=30

использовать зависимость

ную на рисунке 2.6.


напряжения при входном

стабилитрона 9 В, сопротивлении

тивлении R1=200 Ом, динамическом

- Рассчитать выходное

пряжения при входном напряжении

билитрона 9 В, сопротивлении

нии 200 Ом, динамическом

Рассчитать барьерную емкость варикапа в схеме (рисунок

=30 пФ, V1=15B, R1= 1 кОм, R2= 2 кОм

зависимость барьерной емкости от напряжения


Рассчитать токи во всех ветвях схемы параметрическог

при входном напряжении V1=15 В, напряжении

сопротивлении нагрузки R2=500 Ом, балластном

, динамическом сопротивлении стабилитрона


выходное напряжение параметрического источника

входном напряжении 15 В, напряжении стабилизации

сопротивлении нагрузки 500 Ом, балластном

динамическом сопротивлении стабилитрона 20 Ом

рисунок 2.16) при

= 2 кОм. При расчете

от напряжения, приведен-

параметрического источника

напряжении стабилизации

балластном сопро-

сопротивлении стабилитрона 20 Ом.

параметрического источника на-

напряжении стабилизации ста-

балластном сопротивле-

20 Ом.



- При каком минимальном

ного напряжения работоспособен

(рисунок 2.17): при напряжении

лении нагрузки 500 Ом

сопротивлении стабилитрона

билитрона 50 мА, минимальном

- При каком минимальном

параметрический источник

пряжении 20 В, напряжении

нии нагрузки 500 Ом

сопротивлении стабилитрона

стабилитрона 50 мА,


R1= 2 кОм, R2= 1 кОм

нять равным 0,9 В, напряжение

намическое сопротивление

билизации стабилитрона


V2= 15 B, R1= 1 кОм,

дах принять равным

динамическое сопротивление

стабилизации стабилитрона

минимальном и при каком максимальном

напряжения работоспособен параметрический источник

напряжении стабилизации стабилитрона

500 Ом, балластном сопротивлении 200 Ом

сопротивлении стабилитрона 20 Ом, максимальном токе стабилизации

минимальном токе стабилизации стабилитрона

каком минимальном сопротивлении нагрузки работоспособен

параметрический источник напряжения (рисунок 2.17):

напряжении стабилизации стабилитрона

Ом, балластном сопротивлении 200 Ом

сопротивлении стабилитрона 20 Ом, максимальном токе

мА, минимальном токе стабилизации ста

Рассчитать токи во всех ветвях схемы при V

кОм, R3= 10 кОм. Падение напряжения

, напряжение стабилизации стабилитрона

сопротивление стабилитрона – 100 Ом, минимальный

стабилитрона – 1 мА.



кОм, R2= 1 кОм, R3= 2 кОм. Падение напряжения

принять равным 0,9 В, напряжение стабилизации стабилитрона

динамическое сопротивление стабилитрона – 100 Ом, минимальный

стабилизации стабилитрона – 1 мА.

43

максимальном значении вход-

параметрический источник напряжения

стабилитрона 9 В, сопротив-

200 Ом, динамическом

максимальном токе стабилизации ста-

стабилизации стабилитрона 5 мА?

нагрузки работоспособен

: при входном на-

стабилитрона 9 В, сопротивле-

200 Ом, динамическом

максимальном токе стабилизации

стабилизации стабилитрона 5 мА?

V1=5 B, V2= 15B,

напряжения на диодах при-

стабилитрона VD2 - 5 В, ди-

минимальный ток ста-


Падение напряжения на дио-

стабилизации стабилитрона - 5 В,

, минимальный ток



44

- Рассчитать максимальное

через диоды выпрямителя

ратного напряжения, приложенного

10B (действующее значение

дение напряжения на диодах

- Рассчитать емкость

2.11а), обеспечивающего

выходном напряжении

входного переменного напряжения

- Рассчитать выходное

2.11а)при входном напряжении

нии нагрузки 20 Ом, емкости

ного переменного напряжения

нять равным 0,8 В.

3. БИПОЛЯРНЫ

3.1. Характеристики биполярного

Транзистор – трехслойный

ся типами электропроводности

ном транзисторе могут использоваться

и дырки.


Рассчитать максимальное и среднее значение тока, протекающего

выпрямителя (рисунок 2.10а) и максимальное

напряжения, приложенного к диодам, при входном

действующее значение) и сопротивлении нагрузки R

напряжения на диодах принять равным 0,8 В.

Рассчитать емкость конденсатора в схеме выпрямителя

обеспечивающего пульсации напряжения на нагрузке

напряжении 10 В и сопротивлении нагрузки

переменного напряжения равна 50 Гц.

Рассчитать выходное напряжении в схеме выпрямителя

входном напряжении 15В (действующее значение

, емкости конденсатораС=10000 мкФ,

переменного напряжения 50 Гц. Падение напряжения на

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Характеристики биполярного транзистора

трехслойный полупроводниковый прибор с чередующим

электропроводности слоев. В качестве носителей заряда

могут использоваться носители двух полярностей

значение тока, протекающего

максимальное значение об-

при входном напряжении

Rн = 100 Ом. Па-

выпрямителя (рисунок

на нагрузке 100 мВ при

нагрузки 20 Ом. Частота

е выпрямителя (рисунок

действующее значение), сопротивле-

мкФ, и частоте вход-

напряжения на диодах при-

прибор с чередующими-

носителей заряда в биполяр-

полярностей: электроны



В зависимости от расположения

бора различают транзисторы

условные обозначения показаны

Рис. 3.1. Транзисторы

Три электрода транзистора

(base) и эмиттер (emitter

ков через транзистор должно

обозначении прибора. В этом

крытый диод, а переход “база

нием (закрыт).

Работа транзистора опи

щего ток коллектора транзистора

бэU следующей зависимостью

где Tϕ – термический потенциал

ной ранее формуле 2.1,

oI – ток насыщения обратной

Коллекторный ток транзистора

ношение

зависимости от расположения слоев полупроводника в

транзисторы типа n-p-n и типа p-n-p. Их схемы

обозначения показаны на рисунке 3.1.

а) б)

Транзисторы со структурой n-p-n (а) и p-n-p (

электрода транзистора носят названия: коллектор

emitter). При правильном включении направление

транзистор должно совпадать с направлением стрелки

прибора. В этом случае переход “база-эмиттер” работает

переход “база-коллектор” находится под обратным

транзистора описывается уравнением Эберса-Молла

коллектора транзистора kI с напряжением перехода

зависимостью:

)1( / −= TбэU

ok eII ϕ ,

термический потенциал электрона, рассчитываемый

насыщения обратной характеристики перехода база

Коллекторный ток транзистора kI всегда превышает базовый

бk II /=β

45

полупроводника в структуре при-

Их схемы включения и

p (б)

коллектор (collector), база

включении направление всех то-

направлением стрелки в условном

эмиттер” работает как от-

находится под обратным напряже-

Молла, связываю-

напряжением перехода “база-эмиттер”

(3.1)

рассчитываемый по приведен-

характеристики перехода база-эмиттер.

превышает базовый бI . Их от-

(3.2)



46

называется коэффициентом усиления транзистора по току. У транзисторов

даже одного типа коэффициент усиления имеет очень большой разброс,

обычно он точно не известен и находится в пределах от 50 до 250. К тому же

коэффициент усиления сильно зависит от тока коллектора, напряжения между

коллектором и эмиттером и температуры.

Для любого транзистора, в соответствии с первым законом Кирхгофа:

бkэ III += (3.3)

и, следовательно,

бэ II ⋅+= )1(β . (3.4)

Переход “база-эмиттер” транзистора работает аналогично диоду, вклю-

ченному в прямом направлении. Напряжение между базой и эмиттером бэU

не должно быть более 0,6÷0,8 В, так как в противном случае ток через переход

возрастает до недопустимых значений.

Использование формулы (3.1) в практических расчетах довольно сложно

из-за большой неопределенности величины оI . Однако большой интерес

представляют некоторые следствия из этой формулы:

- ток коллектора транзистора kI возрастает в 10 раз при увеличении

напряжения бэU на 60 мВ (при комнатной температуре);

- при постоянном токе коллектора с ростом температуры на один гра-

дус напряжение бэU уменьшается примерно на 2,3 мВ;

- собственное сопротивление эмиттерного перехода транзистора эr

является обратно пропорциональной функцией тока коллектора

- kТkбээбээ IdIdUdIdUr /// ϕ=≅= . (3.5)

Поскольку использование уравнения Эберса-Молла в расчетах затрудне-

но, на практике обычно используется упрощенное описание транзистора, в ко-

тором падение напряжения на открытом р-п-переходе "база -эмиттер" прини-

мается неизменным, равным 0,6 – 0,8 В, а ток коллектора транзистора рассчи-

тывается по току базы с использованием формулы (3.2).



47

Для описания транзистора иногда используется и коэффициент передачи

тока эмиттера α , равный отношению тока коллектора к току эмиттера

эk II /=α . (3.6)

Токи электродов транзистора связаны между собой законом Кирхгофа и

коэффициент α достаточно просто выражается через описанный ранее коэф-

фициент усиления β

)1/( += ββα . (3.7)

Значение α всегда меньше единицы, но очень близко к этому значению.

Коэффициенты α и β транзистора зависят от частоты сигнала. Это свя-

зано с конечной скоростью движения заряженных частиц в полупроводнике.

По этой причине изменение тока эмиттера транзистора всегда запаздывает от-

носительно вызывающего его изменения тока базы. В справочных данных

транзистора всегда можно найти граничную частоту грf , при которой коэффи-

циент усиления транзистора уменьшается до единичного значения.

3.2. Классификация

Транзисторы классифицируются по группам в зависимости от рассеивае-

мой мощности и частотных характеристик. Мощность, рассеиваемая транзи-

стором в конкретной схеме, не должна быть больше предельно допустимого

значения, частота сигнала в схеме не должна быть больше предельной гра-

ничной частоты.

Классификация по мощности:

- малой мощности до 0,3 Вт,

- средней мощности от 0,3 до 1,5 Вт,

- большой мощности более 1,5 Вт.

Классификация по частоте:

- низкочастотные до 3 МГц,

- среднечастотные от3 до 30 МГц,

- высокочастотные от 30 до 300 МГц,

- сверхвысокочастотные более 300 МГц.



48

3.3. Типовые транзисторные

Источник тока

Источник тока обеспечивает

зависящим от сопротивления

тока дает зачастую неожиданные

обычных устройств.

Классическая схема транзисторного

зисторе изображена на рисунке

Рис. 3.2. Источник

Схема хорошо рассчитывается

стора. При постоянном напряжении

эмиттере эU можно определить

где бэU – падение напряжения

стора.

Ток эмиттера транзистора

При больших значениях

тока эмиттера: 12 II ≅ и ток нагрузки

транзисторные схемы

тока обеспечивает нагрузку постоянным по величине

сопротивления подключенной нагрузки. Применение

зачастую неожиданные результаты при проектировании

схема транзисторного источника тока на биполярном

изображена на рисунке 3.2.

Источник тока на биполярном транзисторе

хорошо рассчитывается на основании простейшей модели

постоянном напряжении 1U на базе транзистора VT

можно определить по формуле:

бээ UUU −= 1 ,

падение напряжения на переходе база-эмиттер биполярного

транзистора: 11 / RUI э= , ток коллектора: 2I

значениях β ток коллектора незначительно отличается

и ток нагрузки определяется напряжением

постоянным по величине током, не

Применение источника

проектировании самых

тока на биполярном тран-

простейшей модели транзи-

VT напряжение на

эмиттер биполярного транзи-

)1/(2 +⋅= ββ эI .

незначительно отличается от

напряжением 1U и сопро-



тивлением в цепи эмиттера

на результат не влияет:

Падение напряжения на

от его режима работы и, следовательно

считать постоянным.

Диапазон работы ис

выделяемая в нагрузке, определяется

а при фиксированном напряжении

схеме не могут превышать мощности

Следовательно, для обеспечения

резистор необходимо выбирать

В практических схемах

параметрического стабилизатора

вид, показанный на рисунке

Рис. 3.3

цепи эмиттера 1R . Сопротивление 2R в расчетах

1112 /)( RUUII бэ−≅= .

напряжения на переходе база-эмиттер транзистора

и, следовательно, ток нагрузки в данной

работы источника тока ограничен. Дело в том

нагрузке, определяется током 2I и сопротивлением

222IRP = ,

фиксированном напряжении питания sV суммарные потери

превышать мощности источника питания:

222122 )( IURRI <+ .

Следовательно для обеспечения работоспособности схемы

необходимо выбирать из условия:

1222 / RIUR −< .

емах стабилизированный источник V

параметрического стабилизатора напряжения. В результате схема

показанный на рисунке 3.3.

3.3. Практическая схема источника тока

49

в расчетах не участвует и

эмиттер транзистора мало зависит

нагрузки в данной схеме можно

Дело в том, что мощность,

сопротивлением нагрузки 2R :

суммарные потери мощности в

работоспособности схемы нагрузочный

1V заменяют схемой

результате схема принимает



50

В схеме резистор R3 задает

базе транзистора определяется

Токовое зеркало

Источник тока, известный

согласованной паре биполярных

парой транзисторов подразумевают

ми параметрами. Такие транзисторы

лупроводника. Схема токового

Работа схемы достаточно

(3.1). В схеме базы транзисторов

одной шине питания. В результате

транзисторов всегда равны и

выми, то на основании (3.1)

ных токов:

Коллекторный ток транзистора

где 1bI и 2bI – базовые токи

1I – ток, протекающий

VT1.

3 задает режим работы стабилитрона, а напряжение

определяется его напряжением стабилизации.

тока известный под названием «токовое зеркало

паре биполярных транзисторов. При этом под согласованной

транзисторов подразумевают два транзистора с абсолютно

Такие транзисторы изготавливаются на одном кристалле

Схема токового зеркала показана на рисунке 3.4.

Рис. 3.4. Токовое зеркало

достаточно просто объясняется уравнением Эберса

базы транзисторов объединены, а эмиттеры подсоединены

питания В результате напряжения на переходах

всегда равны и, если считать транзисторы абсолютно

основании (3.1) можно констатировать равенство их

21 kk II = .

Коллекторный ток транзистора 1VT :

)( 2111 bbk IIII +−= ,

базовые токи транзисторов VT1 и VT2 соответственно

протекающий через резистор R1в цепи коллектора

стабилитрона, а напряжение на

стабилизации.

токовое зеркало», строится на

этом под согласованной

с абсолютно идентичны-

изготавливаются на одном кристалле по-

рисунке 3.4.

уравнением Эберса-Молла

эмиттеры подсоединены к

переходах база-эмиттер

транзисторы абсолютно одинако-

равенство их коллектор-

соответственно;

коллектора транзистора



51

При равенстве базовых токов имеем:

111 2 bk III −= .

Ток 1I , в свою очередь, можно определить, зная падение напряжения на

эмиттерном переходе транзистора

11 /)( RUUI бэ−= .

Решая вместе два последних уравнения с учетом условия (3.2), описы-

вающего взаимосвязь базового и коллекторного токов транзистора, получим

])2/[()( 112 RUUII бэк +−== ββ ,

где β – коэффициент усиления транзисторов.

При больших значениях 50>β :

12 /)( RUUI бэ−≅ . (3.8)

Величина сопротивления нагрузки R2 не входит в последнее выражение

и, следовательно, схема обладает свойствами источника тока.

Падение напряжения на нагрузке R2 не может превышать напряжения на

базах транзисторов:

бэUURI −<21 .

Поэтому, сопротивление нагрузки, при котором схема работоспособна,

должно выбираться из условия:

22 /)( IUUR бэ−< .

Токовое зеркало на рисунке 3.5 отличается от предыдущего третьим

транзистором VT3. При этом в схеме появляется второй равнозначный выход.

Даже при различных сопротивлениях в цепях нагрузки 2R и 3R выходные то-

ки такого источника тока равны: 32 II = .



52

Рис. 3.5

Два выходных транзистора

ному сопротивлению нагрузки

выходной ток схемы удваивается

Рис. 3.6. Токовое

Усилительные каскады

Усилительным каскадом

обеспечивающая усиление полезного

содержат несколько усилительных

сигнала в любом каскаде усилителя

ника питания и последний является

В общем случае, любой

четырехполюсник (рисунок

дом параметров, связывающих

3.5. Токовое зеркало с двумя выходами

выходных транзистора в последней схеме можно подключить

сопротивлению нагрузки, как это сделано на рисунке 3.6. В

схемы удваивается по сравнению с уравнением (3.8):

12 /)( RUUI бэ−= .

Токовое зеркало с отражением удвоенного тока

Усилительные каскады на биполярных транзисторах

Усилительным каскадом считается элементарная электронная

усиление полезного сигнала. Сложные усилители

несколько усилительных каскадов с разными свойствами

каскаде усилителя всегда происходит за счет энергии

последний является неотъемлемым атрибутом усилителя

случае любой усилительный каскад можно рассматривать

рисунок 3.7), имеющий вход и выход и описываемый

зывающих его входные и выходные токи и напряжения

можно подключить к од-

рисунке 3.6. В этом случае

уравнением (3.8):

удвоенного тока

элементарная электронная схема,

Сложные усилители обычно

разными свойствами. Усиление

происходит за счет энергии источ-

атрибутом усилителя.

можно рассматривать как

выход и описываемый ря-

выходные токи и напряжения.



Рис. 3.7. Представление

Вход усилителя подключается

На рисунке 3.7 в качестве нагрузки

Основные параметры

- Коэффициент усиления

ния выходного напряжения

ного

- Коэффициент усиления

ходного тока к приращению

- Входное сопротивление

пряжения к приращению

- Выходное сопротивление

напряжения выхdU к изменению

на входе усилительного

Причиной изменения выходного

менение сопротивления нагрузки

Выходное сопротивление

да: чем оно меньше, тем больший

Представление усилителя четырехполюсником

усилителя подключается к источнику сигнала, выход

в качестве нагрузки используется резистор R

Основные параметры усилительного каскада:

Коэффициент усиления по напряжению uK - отношение

выходного напряжения схемы 2dU к приращению напряжения

- 1dU : 12 / dUdUKu = .

Коэффициент усиления по току iK - отношение приращения

тока к приращению тока входного: 2 / dIdIKi =

Входное сопротивление вхR - отношение приращения

ращению входного тока: 11 / dIdURвх = .

Выходное сопротивление выхR - отношение изменения

к изменению выходного тока при постоянном

усилительного каскада:

- constU

dIdURвых =−=

122 / .

изменения выходного напряжения в этом случае

сопротивления нагрузки.

сопротивление характеризует нагрузочную способность

меньше тем больший ток каскад способен отдавать

53

четырехполюсником

сигнала выход – к нагрузке.

R.

отношение прираще-

приращению напряжения вход-

(3.9)

отношение приращения вы-

1dI . (3.10)

отношение приращения входного на-

(3.11)

отношение изменения выходного

тока при постоянном сигнале

(3.12)

в этом случае является из-

нагрузочную способность каска-

способен отдавать в нагрузку.



54

Усилитель считается усилителем

усиления по напряжению больше

1. Если коэффициент усиления

усиления по напряжению мал

Общий эмиттер

Усилительный каскад «общий

и является одним из простейших

ведена на рисунке 3.8.

Рис. 3.8. Усилительный

Схема предназначена для

ней предусмотрены два источника

носительно общего провода

При 0=вхU каскад находится

кают токи покоя, а сопротивления

ния выбирают таким образом

резисторе 2R равнялось напряжению

ходе схемы: 21−= IUUвых

В процессе работы любое

1VT приводит к изменению напряжения

считается усилителем напряжения, если его

напряжению больше 1, а коэффициент усиления по току

коэффициент усиления усилителя по току значителен, а

напряжению мал, усилитель считается усилителем тока

Усилительный каскад «общий эмиттер» содержит всего один

из простейших усилительных каскадов. Схема

Усилительный каскад “ общий эмиттер”

предназначена для усиления переменных напряжений

два источника питания с напряжениями

общего провода.

каскад находится в режиме покоя. Через транзистор

а сопротивления резисторов и напряжения источников

таким образом, чтобы в режиме покоя падение напряжения

равнялось напряжению источника 1U . Тогда напряжение

02 =R .

работы любое изменение напряжения на базе

изменению напряжения на его эмиттере: эdU =

если его коэффициент

усиления по току близок к

значителен, а коэффициент

усилителем тока.

содержит всего один транзистор

каскадов Схема каскада при-

напряжений. Поэтому в

1U+ и 2U− от-

Через транзистор проте-

напряжения источников пита-

покоя падение напряжения на

Тогда напряжение на вы-

напряжения на базе транзистора

вхdU= , к изме-



55

нению тока эмиттера 11 / RdUdI э= , тока коллектора 12 1dIdI

+=

ββ

и напря-

жения на коллекторе 22dIRdUвых −= .

В результате можно определить коэффициент усиления каскада по на-

пряжению:-

1

2

1

21

/R

R

R

RdUdUК вхвыхu −≅⋅

+−==

ββ

. (3.13)

При больших коэффициентах усиления транзистора ( 100≥β ) uК не за-

висит от параметров транзистора и может быть задан с помощью резисторов

1R и 2R .

Входной ток схемы вхI поступает на базу транзистора 1VT . Ток коллек-

тора транзистора связан с током базы коэффициентом усиления вхdIdI β=2 .

Если считать резистор 2R нагрузкой усилителя, то коэффициент усиления по

току β== вхi dIdIK /1 .

На основании приведенных выше формул можно определить входное со-

противление схемы

111

)1()1()1( RRdU

dU

dI

dU

dI

dUR

э

вхвх

вх

вхвх +=+=+== βββ .

Увеличение коэффициента усиления по напряжению каскада возможно за

счет увеличения сопротивления 2R либо за счет уменьшения 1R . При умень-

шении сопротивления 1R большое влияние на работу схемы начинает оказы-

вать сопротивление эмиттерного перехода, величина которого в свою очередь

зависит от тока, протекающего через транзистор. В результате характеристика

усилителя становится нелинейной и нестабильной в условиях изменения тем-

пературы.

Усилительный каскад можно построить и с одним источником питания. В

этом случае (рисунок 3.9) в режиме покоя за счет базового делителя на рези-

сторах 3R и 4R на коллекторе транзистора поддерживается напряжение, при-

мерно равное половине напряжения источника питания.



56

Рис. 3.9. Каскад «общий

Входной сигнал подается

конденсатор 1C , а выходной

Общий коллектор

Усилительный каскад «Общий

«эмиттерный повторитель». В

ки 1R включается в цепь эмиттера

Рис.

Выходное напряжение повторителя

падения напряжения на эмиттерном

общий эмиттер» с разделительными конденсаторами

одается на базу транзистора VT1 через разделительный

а выходной передается в нагрузку через конденсатор

Усилительный каскад «Общий коллектор», более известен под

повторитель». В эмиттерном повторителе сопротивление

в цепь эмиттера биполярного транзистора (рисунок

. 3.10. Эмиттерный повторитель

напряжение повторителя отличается от входного

напряжения на эмиттерном переходе:

бэвхвых UUU −= .

конденсаторами

через разделительный

через конденсатор 2C .

более известен под названием

повторителе сопротивление нагруз-

транзистора рисунок 3.10).

от входного на величину



57

Если напряжение бэU считать постоянным, то коэффициент усиления по

напряжению:

1/ ≅= вхвыхu dUdUК .

Входным током схемы является ток базы транзистора, выходным –ток

эмиттера транзистора 1I . Соотношение эмиттерного и базового токов опреде-

ляет коэффициент усиления повторителя по току:

)1(/1 +== βвхi dIdIК .

Входное сопротивление схемы определяется с учетом того, что:

11 RdIdUdU выхвх ⋅== ,

)1/(1 += βdIdIвх .

В результате:

1)1(/ RdIdUR вхвхвх +== β .

При постоянном входном напряжении:

бэбэвхвых dUUUddU −=−= )( ,

кк dIdIdI ≅+

=11 β

β.

По формуле Эберса-Молла (3.1) определяется выходное сопротивление

каскада:

11 /// IdIdUdIdUR Tкбэвыхвых ϕ≅=−= .

Последняя формула показывает, что выходное сопротивление схемы не-

значительно и зависит от величины тока, протекающего через транзистор.

Кроме того, в реальных схемах на выходное сопротивление эмиттерного по-

вторителя существенное значение может оказывать внутреннее сопротивле-

ние источника сигнала, подаваемого на его вход. Влияние может оказаться на-

столько значительным, что все расчеты по последней формуле теряют смысл.

Полученные результаты объясняют основное применение эмиттерного

повторителя как устройства для согласования высокоомных источников сиг-

нала с относительно низкоомной нагрузкой.



58

При входных сигналах одной

упрощена. На рисунке 3.11 повторитель

он работоспособен только при

Рис.

с одним

Двухтактные повторители

Для устройств средней и

ется коэффициент полезного

ния хорошие результаты дает

Схема такого каскада, известного

жена на рисунке 3.12.

Рис.

сигналах одной полярности схема повторителя

рисунке 3.11 повторитель имеет только один источник

работоспособен только при положительном входном сигнале

. 3.11. Эмиттерный повторитель

с одним источником питания

повторители

устройств средней и большой мощности, где важным фактором

коэффициент полезного действия схемы, в цепях переменного

результаты дает применение двухтактных схем повторителей

каскада известного под названием усилителя класса

. 3.12 Двухтактный повторитель

напряжения класса В

повторителя может быть

один источник питания,

входном сигнале.

важным фактором явля-

цепях переменного напряже-

двухтактных схем повторителей.

усилителя класса В, изобра-



Схема представляет собой

рых (VT1) работает в режиме

входном сигнале, а второй

вых

вых

U

U

При малых напряжениях

значно равен нулю из-за потерь

чине форма выходного сигнала

преобразовании синусоидальных

вуют искажения типа «ступенька

Рис. 3.13. Форма

Избавиться от нелинейных

p-n-переходах транзисторов

АВ, изображенная на рисунк

Рис. 3.14

представляет собой соединение двух транзисторов

работает в режиме эмиттерного повторителя при

сигнале а второй (VT2) - при отрицательном:

>+=>−=

бэвхбэвхвых

бэвхбэвхвых

UUприUU

UUприUU

,

,.

напряжениях бэвхбэ UUU −>> выходной сигнал

за потерь на p-n-переходах транзисторов

выходного сигнала усилителя отлична от формы

синусоидальных сигналов в выходном напряжении

искажения типа ступенька» (рисунок 3.13).

Форма выходного напряжения усилителя класса

Избавиться от нелинейных искажений сигнала, вызванных

транзисторов, позволяет схема двухтактного усилит

изображенная на рисунке 3.14.

3.14. Двухтактный повторитель класса АВ

59

транзисторов, один из кото-

повторителя при положительном

выходной сигнал схемы одно-

транзисторов. По этой при-

отлична от формы входного. При

напряжении присутст-

усилителя класса В

сигнала вызванных потерями на

двухтактного усилителя класса



60

За счет диодов VD1 и

ся, и изменяется величина выходного

==

вых

вых

U

U

где дU - падение напряжения

Если подобрать диоды по

схема становится идеальным повторителем

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель

усиливающий разность входных

дифференциальным входным

ного усилителя на биполярных

Коэффициент усиления

ния выходного напряжения схемы

называется дифференциальным

Рис. 3.1

В качестве альтернативного

сматривают синфазный входной

пряжения, происходящее

и VD2 потенциалы на базах транзисторов

величина выходного напряжения схемы:

>+−=>−+=

бэвхбэдвх

бэвхбэдвх

UUприUUU

UUприUUU

,

,,

падение напряжения на диоде.

подобрать диоды по прямому падению напряжения

идеальным повторителем напряжения.

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель задуман как усилитель с двумя

разность входных напряжений вхвх UUU =− 21

дифференциальным входным сигналом. Классическая схема дифференциал

биполярных транзисторах изображена на рисунке

Коэффициент усиления каскада по напряжению, связывающий

напряжения схемы с изменением дифференциального

дифференциальным коэффициентом усиления:

dвыхd dUdUК /= .

3.15. Дифференциальный усилитель

альтернативного дифференциальному при анализе

синфазный входной сигнал. Синфазным считается изменение

происходящее одновременно на двух входах

транзисторов изменяют-

напряжения бэд UU = , то

ль с двумя входами,

dU , называемую

Классическая схема дифференциаль-

изображена на рисунке 3.15.

связывающий измене-

дифференциального сигнала,

дифференциальному при анализе всегда рас-

считается изменение на-

двух входах усилителя:



cвхвх UUU == 21 . Коэффициент

го напряжения схемы с изменением

синфазным коэффициентом

Качество усилителя оценивается

сигнала сdосс ККК /= , показывающим

входной сигнал усиливается

В схеме транзисторы

режиме покоя при равных входных

ры протекают одинаковые

равны, и выходное напряжение

При появлении дифференциального

нарушается. Допустим, что

две составляющие. Первая

2/ddU− – ко второму. Появление

открытию транзистора VT1

тем, к закрытию транзистора

на такую же величину. Ток

эмиттерных токов двух транзисторов

и потенциал точки а. Следовательно

можно рассматривать как

эмиттер" (рисунок 3.16).

Рис. 3.1

Коэффициент усиления, связывающий изменение

схемы с изменением синфазного входного сигнала

коэффициентом усиления свыхс dUdUК /= .

усилителя оценивается коэффициентом ослабления

, показывающим во сколько раз диффере

усиливается лучше синфазного.

транзисторы VT1 и VT2 должны быть согласованной

при равных входных напряжениях 1вхU и 2вхU

одинаковые токи, падения напряжения на резисторах

выходное напряжение выхU принимается равным нулю

появлении дифференциального входного сигнала баланс

Допустим, что дифференциальный входной сигнал

составляющие Первая 2/ddU+ приложена к первому

второму. Появление дифференциального сигнала

VT1 и возрастанию его эмиттерного тока

транзистора VT2 и уменьшению его тока эмиттера

величину. Ток, протекающий через резистор R3

токов двух транзисторов, не изменяется. Неизменным

. Следовательно, каждую половину схемы

рассматривать как отдельный усилительный каскад

).

3.16. Схема для расчета дифференциального

коэффициента усиления

61

связывающий изменение выходно-

входного сигнала, называется

коэффициентом ослабления синфазного

сколько раз дифференциальный

быть согласованной парой. В

2 через транзисто-

напряжения на резисторах R1 и R2

равным нулю.

входного сигнала баланс в схеме

ходной сигнал ddU имеет

к первому входу, вторая

дифференциального сигнала приводит к

эмиттерного тока и, вместе с

его тока эмиттера примерно

резистор R3, равный сумме

изменяется Неизменным останется

половину схемы усилителя

усилительный каскад типа "общий

дифференциального



62

Тогда изменение напряжения

где эr – сопротивление эмиттерного

В итоге дифференциальный

Cинфазный сигнал dU

теля:

Транзисторы реагируют

рассчитать, рассматривая расчетную

ко транзистор VT2.

Рис. 3.17. Схема расчета

Синфазный коэффициент

Коэффициент ослабления

Последнее равенство позволяет

оссК возможно только за счет

изменение напряжения в точке с схемы

dэ

вых dUr

RdU

22= ,

сопротивление эмиттерного перехода транзистора,

дифференциальный коэффициент усиления схемы равен

эd

выхd r

R

dU

dUК 2== .

cdU воздействует в равной мере на оба

21 вхвхc dUdUdU == .

реагируют на такой сигнал одинаково и результат

рассматривая расчетную схему (рисунок 3.17), содержащую

Схема расчета синфазного коэффициента усиления

коэффициент усиления схемы равен

3

22R

R

dU

dUК

c

выхс == .

Коэффициент ослабления синфазного сигнала

эсdосс rRККК /2/ 3== .

равенство позволяет оценить качество усилителя

только за счет увеличения сопротивления R3, но

усиления схемы равен

мере на оба входа усили-

одинаково и результат можно

содержащую толь-

усиления

качество усилителя. Повышение

, но возможности



здесь ограничены. Резистор

ному току, и его увеличение

Oригинальным решением проблемы

ника тока, который, как известно

нием и способен обеспечить

мы показан на рисунке 3.1

В схеме транзистор

кающий через транзистор

где бэU – падение напряжения

Рис



нии питания U2=10

принять коэффициент

пряжения на переходе база

ограничены Резистор R3 влияет на режим работы каскада

его увеличение допустимо только в определенных

решением проблемы является использование вместо

который как известно, обладает большим выходным

способен обеспечить нагрузку постоянным током. Пример

3.18.

транзистор VT3 играет роль стабилизатора тока

транзистор, равен

543

423 /)( RU

RR

RUI бэ−

+= ,

падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора

Рис. 3.18. Дифференциальный усилитель

со стабилизатором тока


В, U1=5 B, R1= 100 кОм, R2= 2 кОм

коэффициент усиления транзистора равным 100

на переходе база-эмиттер равным 0,6В.

63

работы каскада по постоян-

в определенных пределах.

использование вместо R3 источ-

большим выходным сопротивле-

током. Пример такой схе-

стабилизатора тока. Ток 3I , проте-

эмиттер транзистора VT3.

рисунок 3.17) при напряже-

= 2 кОм. При расчете

равным 100 и падение на-



64


нии питания U2=15В,

нять коэффициент усиления

ния на переходе база-эмиттер


нии питания U2=15В, U

расчете принять коэффициент

ние напряжения на переходе


Рассчитать токи во всех ветвях схемы (рисунок 3.20

В, U1=5B, R1= 1 кОм, R2= 2 кОм. При

коэффициент усиления транзистора равным 100 и падение

эмиттер равным 0,6В.



U1=5B, R1= 100 кОм, R2= 2 кОм, R

коэффициент усиления транзистора равным

напряжения на переходе база-эмиттер равным 0,6В.

3.20) при напряже-

При расчете при-

и падение напряже-

21) при напряже-

R3= 2 кОм. При

транзистора равным 100 и паде-




нии питания U2=15В

нять коэффициент усиления

ния на переходе база


нии питания U2=15





=15В, U1=6B, R1= 2 кОм, R2= 2 кОм.

коэффициент усиления транзистора равным 100 и падение

переходе база-эмиттер равным 0,8В.



В, U1=5 B, R1= 1 кОм, R2= 2 кОм,

принять коэффициент усиления транзистора равным

напряжения на переходе база-эмиттер равным 0,6 В.


65


кОм. При расчете при-

равным и падение напряже-


кОм, R3= 20 кОм. При




66


нии питания U=12В, R1

эффициент усиления транзистора

переходе база-эмиттер равным


нии питания U2=15В, U



- Рассчитать токи во всех

напряжению для двух выходов

(рисунок 3.26), если напряжение

ния R1=R2=1кОм. Коэффициент

100, падение напряжения


1= R2= 20 кОм, R3= 1 кОм. При расчете

усиления транзистора равным 100 и падение напряжения

эмиттер равным 0,6В.



U1=5B, R1= 100 кОм, R2= 2 кОм, R

принять коэффициент усиления транзистора равным

напряжения на переходе база-эмиттер равным 0,6В.


Рассчитать токи во всех ветвях схемы и коэффициенты

для двух выходов Uвых1 и Uвых2 фазоинверсного

если напряжение питания схемы U3=U2=12

Коэффициент усиления транзистора принять

напряжения на переходе база-эмиттер 0,7В.


При расчете принять ко-

падение напряжения на


R3= 2 кОм. При


коэффициенты усиления по

фазоинверсного каскада

12В, сопротивле-

транзистора принять равным



4.

Полевой транзистор

прибор, в котором ток основных

канал, управляется электрическим

мя выводами, называемыми

канала управляет третий

p-n-переходом или слоем диэлектрика

Все полевые транзисторы

зисторы с p-n-переходом

сторы с изолированным

транзисторами (металл –

ниевой структуре транзист

наиболее распространенным

ром является МОП-транзистор

ской аббревиатуре эти же

semiconductor field-effect

В свою очередь, полевые

разделяются на две группы


. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

транзистор (field-effect transistor, FET) - это полупроводниковый

котором ток основных носителей, протекающих через

управляется электрическим полем. Канал транзистора снабжается

называемыми сток (drain) и исток (source).

управляет третий электрод – затвор (gate), отделенный

или слоем диэлектрика.

полевые транзисторы условно делятся на две большие

переходом (junction gate field-effect transistor

изолированным каналом. Последние иногда называют

– диэлектрик - полупроводник). Диэлектриком

структуре транзистора является окись кремния, поэтому

распространенным названием транзисторов с изолированным

транзистор (металл – окисел – полупроводник

аббревиатуре эти же транзисторы известны как MOSFET

transistor).

полевые транзисторы с изолированным

две группы:

67

это полупроводниковый

протекающих через проводящий

транзистора снабжается дву-

). Сопротивлением

отделенный от канала

большие группы: тран-

transistor, JFET) и транзи-

иногда называют МДП-

полупроводник Диэлектриком в крем-

кремния поэтому третьим и

транзисторов с изолированным затво-

полупроводник). В англий-

MOSFET (metal oxide

изолированным затвором под-



68

- транзисторы с индуцированным

hancement-mode);

- транзисторы с встроенным

mode).

4.1. Полевые транзисторы

Структура приборов с каналами

ловные обозначения показаны

Рис. 4.1. Полевые

Для работы транзистора

следующие правила его включения

- р-n-переход, отделяющий

должен быть смещен в обратном

источников энергии;

- носители заряда (электроны

р-типа) должны быть направлены

Для транзисторов с каналом

ся, если наиболее положительным

транзисторы с индуцированным каналом (обогащённого

транзисторы с встроенным каналом (обеднённого

Полевые транзисторы с p-n-переходом

приборов с каналами различных типов проводимости

обозначения показаны на рисунке 4.1.

канал n-типа

канал р-типа

Полевые транзисторы с p-n-переходом (JFET)

транзистора в усилительном режиме необходимо

правила его включения:

переход отделяющий канал от крайних областей

смещен в обратном (закрытом) направлении за счет

носители заряда (электроны для канала n-типа или дырки

должны быть направлены по каналу от стока к истоку

транзисторов с каналом n-типа перечисленные условия

положительным электродом в схеме будет сток

обогащённого типа, en-

обеднённого типа, depletion-

типов проводимости и их ус-

JFET)

режиме необходимо соблюдать

крайних областей структуры

за счет внешних

типа или дырки для канала

стока к истоку.

перечисленные условия выполняют-

схеме будет сток, а наиболее



69

отрицательным - затвор. Потенциал истока в этом случае должен иметь про-

межуточное значение.

Транзисторы с каналом р-типа требуют отрицательного потенциала на

стоке и положительного на затворе.

Основными характеристиками полевого транзистора считаются выходная

(стоковая) и входная (стокозатворная). Стоковая характеристика описывает

зависимость тока стока cI транзистора от напряжения, приложенного между

электродами сток и исток сиU при постоянном напряжении между затвором и

истоком зиU . При различных напряжениях зиU характеристики различны,

поэтому в справочной литературе для каждого типа транзисторов приводится

целое семейство стоковых характеристик, охватывающее всю область допус-

тимых значений зиU . Примерный вид семейства показан на рисунке 4.2.

а) б)

Рис. 4.2. Характеристики полевого транзистора

с p-n-переходом а) стокозатворная, б) стоковые

На начальном участке стоковых характеристик с ростом приложенного

напряжения сиU наблюдается рост тока стока cI . В точке oзиси UUU −=

возрастание тока прекращается и на участке насыщения (при озиси UUU −> )

изменение напряжения между стоком и истоком транзистора практически не

приводит к изменению тока стока.

Стокозатворная характеристика описывает зависимость тока стока cI от

напряжения между затвором и истоком зиU на участке насыщения стоковых

характеристик. Поскольку стоковые характеристики на этом участке распола-



70

гаются почти параллельно оси абсцисс, то стокозатворная характеристика

практически не зависит от напряжения сиU , при котором она снимается.

Характерными точками на стокозатворной характеристике являются точ-

ки пересечения кривой с осями координат. Напряжение oU , называемое на-

пряжением отсечки, будучи приложенным к переходу "затвор-исток", обеспе-

чивает полное запирание канала транзистора при любом напряжении сиU .

Начальный ток стока начсI протекает через транзистор при отсутствии запи-

рающего напряжения на р-n-переходе (при 0=зиU ).

Стокозатворная характеристика обычно описывается параболой:

2)( озиc UUkI −= . (4.1)

Коэффициент пропорциональности k является конструктивным парамет-

ром транзистора. Поскольку при нулевом напряжении на затворе 0=зиU ток

стока равен начальному: начсc II = , то, согласно уравнению (4.1), коэффици-

ент k может быть вычислен по простой формуле:

2/ оначс UIk = .

Основным параметром полевого транзистора считается крутизна стокоза-

творной характеристики S, определяемая как отношение приращения тока

стока к приращению напряжения зиU .

.c

сизи

dIS

U constdU=

=

С учетом формулы (4.1) получаем:

cначco

oзиo

начсII

UUU

U

IS ⋅=−= 2

)(2

2.

Наибольшее значение o

начс

U

IS

2= крутизна характеристики принимает

при напряжении 0=зиU .



71

При малых напряжениях сиU на начальных участках выходные характе-

ристики полевого транзистора также считаются параболами. В точках переги-

ба ток стока определяется уравнением (4.1), а напряжение oзиси UUU −= . В

результате

]5,0)[(2 2сисиозиc UUUUkI −−= .

На начальном участке линейной характеристики, при малом напряжении

на стоке, последнюю формулу можно упростить

сиозиc UUUkI )(2 −≅ .

Полученное выражение позволяет определить сопротивление канала в

линейной области

.

Очевидно, что при ози UU = сопротивление канала стремится к беско-

нечности, а при 0=зиU - становится минимальным, равным

начс

o

oc I

U

kUR

22

1 == .

Таким образом, полевой транзистор можно рассматривать как перемен-

ное сопротивление, управляемое напряжением на затворе.

В практических расчетах параболическую стокозатворную характеристи-

ку транзистора (4.1) обычно аппроксимируют прямой линией

)( озиc UUSI −= , (4.2)

а крутизну характеристики транзистора рассчитывают по формуле:

онач UIS /= . (4.3)

4.2. Полевые транзисторы с встроенным каналом

У MOS FETтранзистора, в отличие от транзистора с p-n-переходом, за-

твор отделен от канала слоем диэлектрика (рисунок 4.3). Поэтому транзистор

работоспособен при любой полярности напряжения между затвором и исто-

ком.

)](2/[1/ зиоcсиc UUkIUR −==



72

MOS FET транзистор

транзистора (body) связан с

которой изготовлен транзистор

Стокозатворная характеристика

налом (рисунок 4.4) располагается

режимам работы прибора: режим

чального значения начсI , и режим

чального.

Рис. 4.3. МО

а

Рис. 4.4. Характеристики МО

а) стокозатворная

транзистор – прибор четырехполюсный. Четвертый

связан с подложкой – полупроводниковой пластиной

изготовлен транзистор.

Стокозатворная характеристика MOS FET-транзистора с встроенным

располагается в двух квадрантах, соответствующих

прибора: режим обеднения с токами стока,

и режим обогащения с токами стока большими



МОS- транзисторы с встроенным каналом

а) б)

Характеристики МОS - транзистора с встроенным каналом

а) стокозатворная, б) стоковые

четырехполюсный Четвертый электрод

полупроводниковой пластиной, на

транзистора с встроенным ка-

соответствующих двум

, меньшими на-

токами стока, большими на-

каналом типа р:



73

У транзистора с каналом n-типа в режиме обогащения напряжение зиU

положительно, а в режиме обеднения - отрицательно. Также как и транзистор

с р-n-переходом, MOS FET-транзистор с каналом типа n имеет отрицательное

напряжение отсечки ( 0<oU ).

4.3. Полевые транзисторы с индуцированным каналом

MOS FET-транзисторы с индуцированным каналом (рисунок 4.5) могут

работать только в режиме обогащения.

При нулевом напряжении на затворе канал транзистора отсутствует, и

ток стока равен нулю. В таком транзисторе канал образуется за счет накопле-

ния свободных носителей заряда подложки вблизи затвора. У транзисторов с

каналом типа n это происходит при подаче на затвор положительного напря-

жения, превышающего по величине напряжение отсечки, а у транзисторов с

каналом типа р – отрицательного, по абсолютной величине большего напря-

жения отсечки.



Рис. 4.5. MOS FET-транзисторы с индуцированным каналом

Характеристики транзистора представлены на рисунке 4.6.



74

а) б)

Рис. 4.6. Характеристики MOS FET- транзистора с индуцированным каналом типа n

а) стокозатворная, б) стоковые

Пороговое напряжение у транзистора с каналом типа n положительно.

Характеристики транзистора с каналом р-типа отличаются знаком напряжения

зиU и знаком напряжения отсечки oU .

4.4. Схемы на полевых транзисторах

Источники тока

Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора на участке

насыщения расположены почти параллельно оси абсцисс. На этом участке из-

менения напряжения сиU практически не влияют на ток стока транзистора cI ,

и, следовательно, полевой транзистор в режиме насыщения является хорошим

стабилизатором тока. По этой причине схемы источников тока на полевом

транзисторе выгодно отличаются своей простотой. В самом простейшем слу-

чае затвор полевого транзистора соединяется с истоком (рисунок 4.7).

Рис. 4.7. Источник тока на полевом транзисторе



75

В приведенной схеме напряжение зиU между затвором и истоком поле-

вого транзистора равно нулю, и ток нагрузки I (он же ток стока транзистора)

равняется начальному току стока: начсII = . Равенство выполняется только

при насыщении транзистора, т.е., если напряжение сиU превышает напряже-

ние отсечки: 0UUси > . Отсюда следует условие работоспособности схемы:

oURIU >− . При нарушении последнего условия схема выходит из режима

стабилизации тока.

Из-за разброса параметров полевых транзисторов точный расчет таких

источников тока затруднителен.

Схема на рисунке 4.8 отличается от предыдущей наличием резистора 1R

в цепи истока полевого транзистора.

Рис. 4.8. Регулируемый источник тока на полевом транзисторе

Если считать, что стокозатворные характеристики транзистора достаточ-

но точно описываются уравнением (4.2), а напряжение на истоке: 1RIUи = , то

из (4.2) следует условие равновесия схемы )( 1 oUIRSI −= .

Тогда ток нагрузки )1/( 10 −= SRSUI определяется не только параметрами

транзистора, но и сопротивлением резистора 1R . Максимальное значение тока

нагрузки равно начcI при 02 =R , минимальное значение равно 0 при ∞=1R .

Из-за сильного разброса характеристик полевых транзисторов сопротивление

1R обычно не рассчитывается, а подбирается при настройке схемы.



76


Общий исток

Усилительный каскад "Общий

ляется распространенной схемой

сторах.

Рис. 4.9. Усилительный

В данной схеме изменение

нению напряжения между затвором

1dI : 11RdIdUdU зивх += , а изменение

изменению выходного напряжения

Если учесть, что изменение

нию напряжения затвор-исток

жения вых dUSR

SRdU

1

21+

−=

В результате коэффициент

Кu

При большой крутизне


Усилительный каскад "Общий исток", изображенный на рисунке

распространенной схемой усилителя напряжения на полевых

Усилительный каскад “ общий исток”

схеме изменение входного напряжения вхdU приводит

напряжения между затвором и истоком зиdU и к изменению

а изменение тока стока, в свою очередь

выходного напряжения 21RdIdUвых −= .

что изменение тока стока прямо пропорционально

исток зиSdUdI =1 , то изменение выходного

вхdU .

коэффициент усиления каскада по напряжению

1

21

/SR

SRdUdU вхвыхu +

−== .

крутизне 11 >>SR имеем:

12 / RRКu −≅ .

изображенный на рисунке 4.9, яв-

напряжения на полевых транзи-

приводит к изме-

и к изменению тока стока

свою очередь, приводит к

пропорционально измене-

изменение выходного напря-

напряжению



Последнее выражение

фициента усиления по напряжению

Из-за пренебрежимо малых

всегда характеризуется очень

большим входным сопротивлением


/ dIdUR нвыхвых −=

Общий сток

Усилительный каскад

повторитель, изображен на

Рис

В данной схеме выходное

зистора:

Если учесть, что изменение

нию напряжения затвор-

нию

При выполнении условия

выражение полностью аналогично формуле для

усиления по напряжению каскада «общий эмиттер

пренебрежимо малых входных токов полевого транзистора

характеризуется очень большим коэффициентом усиления

входным сопротивлением.

сопротивление каскада рассчитывается по формуле

2R= .

Усилительный каскад общий сток, известный под названием

изображен на рисунке 4.10.

Рис. 4.10. Истоковый повторитель

схеме выходное напряжение снимается с истока

вхвых dUSR

SRRdIdU

1

111 1+

== ,

учесть что изменение тока стока прямо пропорционально

-исток, то коэффициент усиления каскада

1

11

/SR

SRdUdUК вхвыхu +

−== .

выполнении условия 11 >>SR имеем 1≅uК .

77

формуле для расчета коэф-

общий эмиттер».

полевого транзистора каскад

коэффициентом усиления по току и


под названием истоковый

с истока полевого тран-

пропорционально измене-

усиления каскада по напряже-



78

Входное сопротивление

очень велики из-за бесконечно


рактеристики транзистора:

Rвых =

Трудности в использовании

образом с тем, что выходное

Удачная схема, свободная от указанного

Рис. 4.11. Истоковый

Здесь использована согласованная

транзистор VT2 включен по схеме

VT1. В результате (без учета нагрузки

равны. Ток стока второго транзистора

при 0=зиU , равен начальному

ду затвором и истоком транзистора

довательно, выходное напряжение

входному.

сопротивление и коэффициент усиления по току каскада

за бесконечно малых входных токов схемы.

сопротивление схемы полностью определяется крутизной

SdIdUdIdU зивых /1// 11 ==− .

использовании истокового повторителя связаны

что выходное напряжение каскада всегда превышает

свободная от указанного недостатка, показана на

Истоковый повторитель с динамической нагрузкой

использована согласованная пара полевых транзисторов

включен по схеме источника тока в цепь истока

без учета нагрузки) токи, протекающие через

второго транзистора, работающего в режиме источника

равен начальному току начI . По этой причине напряжение

истоком транзистора 1VT также должно равняться

выходное напряжение повторителя должно точно соответствовать

усиления по току каскада всегда

определяется крутизной ха-

повторителя связаны главным

всегда превышает входное.

показана на рисунке 4.11.

нагрузкой

полевых транзисторов, причем

цепь истока транзистора

через транзисторы,

в режиме источника тока

причине напряжение меж-

должно равняться нулю, и, сле-

должно точно соответствовать





нии питания U=10В,

транзистора равным


нии питания U=15В,

ный ток стока транзистора


жении питания U= -

принять начальный ток

сечки – 3 В.


В, R1= 1 кОм. При расчете принять начальный

равным 5 мА, напряжение отсечки – 3 В.



В, R1= 1 кОм, R2= 2кОм. При расчете принять

стока транзистора равным 4 мА, напряжение отсечки



-15 В, U1= -3 B, R1= 1 кОм, R2= 2

начальный ток стока транзистора равным 4 мА

79


принять начальный ток стока


При расчете принять началь-

напряжение отсечки – 3 В.

рисунок 4.14) при напря-

кОм. При расчете

мА, напряжение от-



80


ния U=15В, R1= 1 кОм

чальный ток стока транзистора


нии питания U=-12В,

принять начальный ток стока

сечки – 4 В.


Рассчитать токи во всех ветвях схемы рис. 15 при напряжении

кОм, R2= 2кОм, R3=10кОм. При расчете

стока транзистора равным 4 мА, напряжение отсечки



В, R1= 100 кОм, R2= 50кОм, R3=1кОм

начальный ток стока транзистора равным 5 мА, напряжение

при напряжении пита-

При расчете принять на-

напряжение отсечки – 3 В.


кОм. При расчете

, напряжение от-




нии питания U=5В, R

сторов принять равным


нии питания U=5В, R




В, R1= 1 кОм. При расчете напряжение отсечки

принять равным ±2 В, крутизну характеристик S=



В, R1= 1 кОм. При расчете напряжение отсечки

принять равным 2 В, крутизну характеристик S=2 мА

81


напряжение отсечки транзи-

= 1 мА/В.



2 мА/В.



82


нии питания U=5В, R1= 1


- Рассчитать резисторы

нок 4.20), имеющего коэффициент

схемы U1= U2=12В. Начальный

равным 5 мА, напряжение



= 1 кОм. При расчете напряжение отсечки

принять равным 2 В, крутизну характеристик S=2 мА В


Рассчитать резисторы R1иR2 в в схеме усилительного каскада

имеющего коэффициент усиления 10, если напряжение

Начальный ток стока полевого транзистора

напряжение отсечки 3В.



2 мА/В.

усилительного каскада (рису-

если напряжение питания

полевого транзистора принять



5. СОСТАВНЫЕ

Составным транзистором

двух) транзисторов, предназначенная

элемент. В качестве составляющих

ются различные комбинации

ной структурой.

5.1. Схема Дарлингтона

Составной транзистор

нотипных биполярных транзисторов

страненной схемой составного

Рис. 5.1.


СОСТАВНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

транзистором называется комбинация из нескольких

транзисторов предназначенная для использования в схеме

качестве составляющих схемы составного транзистора

различные комбинации биполярных и полевых транзисторов

Схема Дарлингтона

транзистор Дарлингтона (Darlington), состоящий

биполярных транзисторов (рисунок 5.1), является наиболее

емой составного транзистора.

5.1. Составной транзистор Дарлингтона

83

комбинация из нескольких (обычно

использования в схеме как один

составного транзистора использу-

полевых транзисторов с различ-

состоящий из двух од-

является наиболее распро-



84

В данной схеме:

бэб III ⋅+== )1( 112 β ;

бббk IIII ⋅++=+⋅= )( 2121221 ββββββ ,

где кI – ток коллектора составного транзистора,

бI – ток базы составного транзистора,

2бI – ток базы второго транзистора,

1β и 2β - коэффициенты усиления, соответственно, первого и

второго транзисторов.

Из последнего равенства следует, что эквивалентный коэффициент уси-

ления составного транзистора:

2121211

βββββββ ≅++==б

kI

I.

Если транзисторы имеют коэффициенты усиления около 100, то расчет-

ный коэффициент β примерно равен 10 000.

В транзисторе Дарлингтона переход «база-эмиттер» состоит из двух p-n-

переходов. По этой причине падение напряжения между базой и эмиттером

бэU составного транзистора примерно в два раза больше, чем у транзистора

обычного.

5.2. Схема Шиклаи

Составной транзистор по схеме Шиклаи (Sziklai), (рисунок 5.2) собирает-

ся на паре биполярных транзисторов с различной структурой. Схема известна

также как комплементарный транзистор Дарлингтона.

Рис. 5.2. Схема Шиклаи



85

Схема такого составного транзистора эквивалентна одному транзистору

типа n-p-n с коэффициентом усиления

2121 )1(/ βββββ ≅⋅+== бк II ,

где 1β и 2β – коэффициенты усиления, соответственно, первого и второго

транзисторов комплементарной пары.

У такого составного транзистора падение напряжения на переходе база-

эмиттер бэU такое же, как и у обычного транзистора ( 8,06,0 ÷ В).

5.3. IGBT

В отличие от биполярных, полевые транзисторы не используются в со-

ставном включении. Объединять полевые транзисторы нет необходимости,

так как они и без того обладают чрезвычайно малым входным током. Однако

существуют схемы, где совместно применяются полевые и биполярные тран-

зисторы. В некотором смысле, такие схемы также можно считать составными

транзисторами. Наиболее распространенной такой схемой является IGBT

(Insulated-Gate Bipolar Transistor, биполярный транзистор с изолированным

затвором). Он применяется, в основном, как мощный электронный ключ в си-

ловых электронных схемах: источниках питания, инверторах, в системах

управления электрическими приводами.

По своей внутренней структуре (рисунок 5.3) IGBT представляет собой

каскадное включение двух электронных ключей: входной ключ на полевом

транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзи-

сторе. Управляющий электрод называется затвором как у полевого транзисто-

ра, два других электрода – эмиттером и коллектором как у биполярного. Такое

составное включение позволяет сочетать в одном устройстве достоинства

обоих типов полупроводниковых приборов.



86

Рис. 5.3. Структура

У рассматриваемой схемы

где 1cI – ток стока полевого

2бI – ток базы биполярного

2β – коэффициент усиления

Крутизна характеристики

=∂∂=

UU

IS

сизи

k

где 1S - крутизна характеристики


- Рассчитать токи во всех

питания U2=10В, U1=2В

нять коэффициенты усиления

пряжения на переходах база

а) б)

Структура и условное обозначение IGBT

рассматриваемой схемы:

12 cб II = ,

)1( 21 += βck II .

стока полевого транзистора VT1,

базы биполярного транзистора VT2,

коэффициент усиления по току биполярного транзистора

характеристики IGBT:

=const

12 )1(β S

constUU

I

сизи

c ≅=∂

∂+

крутизна характеристики полевого транзистора 1VT .

Рассчитать токи во всех ветвях схемы (рисунок 5.4) при

=2В, R1= R2= 100 кОм R3= 100 Ом. При

коэффициенты усиления транзисторов β1=100, β2=20,

переходах база-эмиттер равными 0,8 В.

биполярного транзистора VT1.

21βS .

при напряжении

При расчете при-

=20, падение на-




питания U2=15В, U1

принять коэффициенты

напряжения на переходах


питания U2=15В, U1

коэффициенты усиления

ния на переходах база



1=2В, R1= R2= 120 кОм R3= 100 Ом

коэффициенты усиления транзисторов β1=100

на переходах база-эмиттер равными 0,8 В.



1=6В, R1==100 кОм, R2=200 Ом. При расчете

коэффициенты усиления транзисторов β1=100, β2=20,

переходах база-эмиттер равными 0,8 В.

Рис. 5.6. Расчетная схема 87

рисунок 5.5) при напряжении

= 100 Ом. При расчете

=100, β2=20, падение

рисунок 5.6) при напряжении

При расчете принять

=20, падение напряже-



88


тания U2=12В, U1=5В,

эффициенты усиления транзисторов

на переходах база-эмиттер


питания U2=15В, U1=

усиления биполярного транзистора

ходе база-эмиттер 0,8В,

напряжение отсечки 3 В

Рассчитать токи во всех ветвях схемы (рис. 5.7) при напряжении

В, R1= 150 кОм R2= 150 Ом. При расчете

усиления транзисторов β1=100, β2=20, падение

эмиттер равными 0,8 В.


Рассчитать токи во всех ветвях схемы (рисунок 5.8) при

4В, R1= 1кОм. При расчете принять

биполярного транзистора β=100, падение напряжения

В, начальный ток стока полевого транзистора

3 В.


при напряжении пи-

При расчете принять ко-

падение напряжения

при напряжении


падение напряжения на пере-

полевого транзистора 10 мА,



89

6. ТИРИСТОРЫ

Устройство и характеристики

Тиристор (Thyristor) или полупроводниковый управляемый вентиль (Sili-

con Controlled Rectifier, SCR) – четырехслойный полупроводниковый прибор с

чередующимися типами электропроводности слоев (рисунок 6.1). Прибор

имеет три вывода и, по этой причине, известен также под названием трини-

стор. Вывод от крайнего p-слоя прибора называется анодом (anode), от край-

него n-слоя – катодом (cathode), третий вывод – управляющий электрод (gate)

в приборе может отсутствовать. Структура тиристора показана на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Структура тиристора

Крайние p-n-переходы тиристора называются эмиттерными, средний –

коллекторным. Напряжение, приложенное к тиристору, может быть любого

знака. Прямым (положительным) считается напряжение источника, плюсом

подключенного к аноду.

При обратном включении, когда к аноду прибора прикладывается отри-

цательное напряжение, эмиттерные переходы запираются и вольт-амперная

характеристика тиристора аналогична обратной ветви характеристики диодов.

В этом случае, эмиттерные p-n-переходы тиристора оказываются включенны-

ми в прямом направлении, и всё напряжение источника прикладывается к

коллекторному p-n-переходу.

При анализе работы тиристора в прямом включении его представляют в

виде комбинации двух биполярных транзисторов, соединенных по схеме на

рисунке 6.2.



90

Рис. 6.2. Эквивалентная транзисторная схема тиристора

Ток I , протекающий через тиристор, равен току эмиттера транзистора

1VT , току эмиттера транзистора 2VT и сумме коллекторных токов двух тран-

зисторов:

,)( 2021202211

2121

уkуkээ

kkээ

IIIIIII

IIIII

βααβαα +++=+++==+===

где 1α и 2α - коэффициенты передачи тока соответствующих транзисторов,

- 0kI - суммарный тепловой ток коллекторных переходов,

- уI - ток управления,

- 2β - коэффициент усиления по току транзистора 2VT .

В результате ток, протекающий через тиристор, определяется выражением:

αβ

ααβ

−+

=+−

+=

1)(120

21

20 уkуk IIIII , (6.1)

где α - суммарный коэффициент передачи тока двух транзисторов.

Если 0=уI и ток через прибор зависит только от приложенного напряже-

ния U . При малых напряжениях коэффициент передачи тока в тиристоре 1<α ,

и ток I через тиристор мал. Однако при росте напряжения увеличивается ин-

жекция носителей через эмиттерные переходы в средние слои тиристора, где эти

носители не являются основными. Коллекторный переход тиристора постепенно

насыщается неосновными носителями заряда, движению которых способствует

электрическое поле внутри перехода, и сопротивление перехода резко падает.

Коэффициент передачи тока α стремится к 1, и ток через тиристор резко возрас-



91

тает. Тиристор переходит в открытое состояние. На вольт-амперной характери-

стике прибора (рисунок 6.2), соответствующей 0=уI , до точки включения ти-

ристора ( вклUU = ) ток через прибор мал ( вклII < ), а дальше (при вклвкл IIUU << , )

появляется участок с отрицательным сопротивлением ( 0<∂∂

I

U).

Рис. 6.3. Семейство вольт-амперных характеристик тиристора

Ток управления, подаваемый на управляющий электрод тринистора, при-

водит к изменению напряжения включения и позволяет управлять процессом

включения прибора. При некотором критическом значении тока управления,

называемом током спрямления спI , на вольт-амперной характеристике тири-

стора исчезает участок отрицательного сопротивления. Характеристика тири-

стора становится аналогичной характеристике обычного диода.

Включенный тиристор выключается, если протекающий через него ток

уменьшается до значения тока выключения .выклI (рисунок 6.3).

Основными параметрами тиристоров считаются:

- напряжение включения вклU – максимальное прямое напряжение,

- ток включения вклI – максимальный прямой ток в запертом состоянии,

- ток выключения выклI – минимальный ток, при котором тиристор на-

ходится в открытом состоянии,

- остаточное напряжение остU – падение напряжения на тиристоре в

открытом состоянии при максимально допустимом анодном токе,

- максимально допустимый ток через тиристор – максI ,



92

- максимально допустимое

- ток спрямления I

открытие тиристора.

По проводимости и количеству

тиристоров:

- динистор (тиристор

имеет управляющего электрода

приложенное напряжение

- симистор (тиристор

current) имеет пятислойную

эквивалентной схемы из

параллельно; используется

Условные обозначения

Рис. 6.4.

динистора

Современные тиристоры

скольких килоампер, на напряжения

вольт; время включения тиристора

ков миллисекунд до нескольких

от нескольких единиц до нескольких

7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ

Оптоэлектронные приборы

ческому каналу, в котором распространяе

вание света зачастую необходимо

для обеспечения гальванической

различных физических процессов

максимально допустимое обратное напряжение максобрU

спI – ток управляющего электрода, обеспечивающий

проводимости и количеству выводов различают несколько

тиристор диодный) – тиристор, имеющий два

управляющего электрода и переходит в проводящее состояние

напряжение превышает напряжение включения

тиристор симметричный, TRIAC – triode

пятислойную структуру и упрощённо представ

ы из двух тринисторов, включённых

используется для коммутации цепей переменного

обозначения тиристоров приведены на рисунке 6.4.

а) б) в

. Условные обозначения тиристоров:

динистора (а), тринистора (б) и симистора (в)

Современные тиристоры изготовляют на токи от 1 милл

на напряжения от нескольких вольт до нескольких

тиристора составляет величины от нескольких

до нескольких десятков микросекунд, время выключения

единиц до нескольких сотен микросекунд.

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Оптоэлектронные приборы используют для передачи информации

в котором распространяется световое излучение

зачастую необходимо для представления информации

гальванической развязки электрических цепей

физических процессов в окружающей нас природе.

макс ,

электрода, обеспечивающий

различают несколько вариантов

имеющий два вывода; не

проводящее состояние, если

включения прибора;

triode for alternating

прощённо представляется в виде

включённых встречно-

переменного тока.

рисунке 6.4.

лиампера до не-

до нескольких кило-

величины от нескольких десят-

время выключения –

передачи информации опти-

световое излучение. Использо-

представления информации человеку,

электрических цепей, для оценки



93

Основными оптоэлектронными приборами считаются:

- фотодиод (photodiode),

- фототранзистор (phototransistor),

- светодиод (LED - light emitting diode),

- оптрон (optocoupler).

Фотодиоды

Фотодиоды осуществляют преобразование светового излучения в элек-

трический сигнал. Устройство и условное обозначение прибора показаны на

рисунке 7.1.

Рис. 7.1. Устройство и условное обозначение фотодиода

При освещении полупроводника по обе стороны p-n-перехода происхо-

дит генерация основных носителей заряда, в результате чего отрицательные

заряды накапливаются в n-области, а положительные – в p-области прибора.

Электродвижущая сила, на величину которой в результате снижается потен-

циальный барьер p-n-перехода, носит название фото-э.д.с. Фото-э.д.с. зависит

от светового потока, облучающего p-n-переход, но её максимальное значение

не может превысить контактной разности потенциалов.

Описание вольт-амперной характеристики фотодиода аналогично описа-

нию характеристики обычного диода, но обратный ток прибора зависит от его

освещенности:

ESeII iU

oT ⋅−−= )1( /ϕ ,

где I – ток фотодиода,

iS – интегральная чувствительность прибора,

E (лк) – освещенность прибора,

oI – темновой ток фотодиода,

U – падение напряжения на фотодиоде,

Tϕ – термический потенциал электрона.



94

Примерный вид семейства

Рис. 7.2. Семейство

В режиме холостого хода

зависит от освещенности прибора

)./1ln( oiT IESU += ϕ

При коротком замыкании

току:

Фототок практически не

го напряжения. Поэтому в электронных

ется к внешнему источнику питания

7.3). Такое включение позволяет

ростом запирающего напряжения

перехода.

Рис. 7.3.

вид семейства характеристик показан на рисунк

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода

холостого хода ток в цепи отсутствует ( )0=I

освещенности прибора:

коротком замыкании фотодиода ( )0=U ток через диод

ESI i ⋅−= .

практически не меняется и при подаче на фотодиод

Поэтому в электронных схемах фотодиод обычно

источнику питания U и сопротивлению нагрузки

включение позволяет повысить быстродействие схемы

запирающего напряжения уменьшается собственная

Типовая схема включения фотодиода

показан на рисунке 7.2.

фотодиода

) и напряжение

ток через диод равен фото-

на фотодиод запирающе-

фотодиод обычно подключа-

сопротивлению нагрузки R (рисунок

быстродействие схемы, так как с

собственная емкость p-n-



95

Ток в цепи нагрузки определяется световым потоком, интегральной чувст-

вительностью прибора и практически не зависит от сопротивления нагрузки R.

Важными характеристиками фотодиодов являются спектральные харак-

теристики, представляющие собой зависимость интегральной чувствительно-

сти прибора, выраженной в относительных единицах η , от длины волны реги-

стрируемого потока излучения λ . Максимум чувствительности кремниевых

приборов находится в области длин волн в пределах 0,6 - 1 мкм, германиевых

– 0,5-1,7 мкм (рисунок 7.4).

Рис. 7.4. Спектральные характеристики фотодиодов

Фототранзисторы

В фототранзисторе светочувствительным элементом, аналогичным све-

тодиоду, является переход «коллектор-база». Обычно его рассматривают как

комбинацию фотодиода и биполярного транзистора (рисунок 7.5).

а) б)

Рис. 7.5. Схема замещения (а) и условное обозначение (б) фототранзистора

Схема включения фототранзистора должна обеспечивать его работу в

усилительном режиме, поэтому источники питания подключаются к нему по

тем же правилам, как и к обычному транзистору: эмиттерный переход вклю-



96

чается в прямом направлении

также включение с «плавающей

тается неподключенным. Считается

висит от тока базы и освещенности

где β – коэффициент усиления

tS – токовая чувствительность

Светодиоды

Светодиоды являются маломощными

Свечение диода вызывается рекомбинацией

при протекании через него тока

только в узком диапазоне частот

ны полупроводника. Для получения

необходима значительная плотность

бочий ток светодиодов находится

сит от материала полупроводника

различные соединения кремния

пов перекрывают диапазон из

Коэффициент полезного

Яркость свечения в широком

Условное обозначение светодиода

Рис. 7.6

Основными параметрами

- цвет свечения (длина

- сила света νI ,

- номинальный прямой

- максимальное прямое

направлении, а коллекторный – в обратном

с плавающей» базой, когда базовый вывод транзистора

неподключенным. Считается, что ток коллектора фототранзистора

и освещенности прибора:

ESII tбk += β ,

коэффициент усиления транзистора,

токовая чувствительность прибора.

являются маломощными источниками светового

вызывается рекомбинацией в p-n-переходе носителей

через него тока в прямом направлении. Излучение

диапазоне частот, соответствующем энергии запрещенной

полупроводника Для получения излучения достаточной интенсивности

значительная плотность тока через переход. По этой

светодиодов находится в пределах 5÷100 мА. Цвет излучения

полупроводника. Для изготовления приборов используются

соединения кремния и арсенид галлия. Светодиоды различных

диапазон излучения с длиной волны от 0,45 до

Коэффициент полезного действия светодиода обычно не превышает

в широком диапазоне пропорциональна прямому

обозначение светодиода приведено на рисунке 7.6

7.6. Условное обозначение светодиода

параметрами светодиода считаются:

длина волны),

номинальный прямой ток нI ,

максимальное прямое напряжение maxU .

обратном. Допускается

базовый вывод транзистора ос-

коллектора фототранзистора за-

источниками светового излучения.

переходе носителей заряда

направлении Излучение возможно

энергии запрещенной зо-

достаточной интенсивности

этой причине ра-

мА Цвет излучения зави-

приборов используются

Светодиоды различных ти-

от 0,45 до 0,92 мкм.

обычно не превышает 5%.

пропорциональна прямому току.

7.6.



97

Непосредственное подключение светодиода к источнику напряжения

может вызвать протекание через него тока, превышающего предельно допус-

тимый. Для ограничения тока через прибор он должен подключаться к источ-

нику напряжения через токостабилизирующую цепь. В простейшем случае

такая цепь представляет собой резистор, последовательно включенный со све-

тодиодом. Для мощных светодиодов применяются схемы с широтно-

импульсной модуляцией, которые поддерживают средний ток через светодиод

на заданном уровне и позволяют регулировать его яркость.

Светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупровод-

никовых материалов, поэтому характеризуются различными значениями па-

дения напряжения в проводящем состоянии. В таблице 7.1 приведены распро-

страненные цвета и типовые значения падения напряжения на диоде.

Таблица 7.1

Параметры светодиодов

Цвет Длина волны (нм) Напряжение (В)

Инфракрасный более 760 менее 1.9

Красный 610 - 760 1.6 - 2.0

Оранжевый 590 - 610 2.0 - 2.1

Жёлтый 570 <λ< 590 2.1 - < 2.2

Зелёный 500 <λ< 570 1.9 - 4.0

Синий 450 <λ< 500 2.5 - 3.7

Фиолетовый 400 <λ< 450 2.7 - 4.0

Ультрафиолетовый λ< 400 3.1 - 4.4

Особенностью светодиодов является относительно низкое (несколько

вольт) обратное пробивное напряжение. В схемах, где возможно появление

обратного напряжения, светодиод должен быть защищён обычным диодом

противоположной полярности, включенным параллельно.

Оптроны

Оптроном называется прибор, в корпусе которого совмещаются светоди-

од и какой-либо фотоприемник. Такая конструкция оптрона позволяет осуще-

ствить гальваническое разделение цепей: входной электрический сигнал пре-

образуется в выходной электрический сигнал посредством оптической связи



98

источника и приемника света. В схемах самого различного назначения оптро-

ны чаще всего используются в качестве бесконтактных ключей.

Оптроны изготавливаются в стандартных корпусах интегральных микро-

схем. В качестве приемника света в них используются фотодиоды, фототран-

зисторы или фототиристоры. Условные обозначения различных оптронов по-

казаны на рисунке7.7.

а) б) в)

Рис. 7.7. Оптроны: а) диодный, б) транзисторный, в) тиристорный

Диодные оптроны – самые быстродействующие, они могут работать с

частотами до 76 1010 ÷ Гц. Темновое сопротивление фотодиодов в оптронах

достигает величин 100÷1000 Мом, а сопротивление освещенных фотодиодов

составляет 100÷1000 Ом.

Транзисторные оптроны чувствительнее диодных, однако, обладают

меньшим быстродействием. Их максимальная частота переключения обычно

не превышает 100 кГц. Во включенном состоянии остаточное напряжение на

фототранзисторе не превышает нескольких десятков милливольт. В выклю-

ченном состоянии сопротивление фототранзистора более одного мегома.

Тиристорные оптроны являются силовыми приборами. Они способны

коммутировать токи более 10А при токе светодиода около 10 мА, обеспечи-

вают время включения тиристора менее 10 мкс.

Современные оптоэлектронные приборы могут содержать усилитель в

одном корпусе с оптронной парой. Это позволяет существенно повысить на-

дежность и чувствительность схемы. Условное обозначение такого прибора

показано на рисунке 7.8.

Рис. 7.8. Оптронный усилитель



99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Достижения современной схемотехники трудно не заметить. Электро-

энергетика и электротехника, информатика и вычислительная техника, как и

другие направления развития техники и технологий, немыслимы сегодня без

современных электронных схем.

Схемотехника развивается в разных направлениях. Стандартные микросхе-

мы являются полностью готовыми изделиями (off-the-shelf), спроектированными

изготовителем по своему усмотрению в расчете на самую широкую область

применения. Они могут использоваться в различных задачах, всегда производят-

ся большими партиями и, по этой причине, характеризуются сравнительно низ-

кой стоимостью. Специализированные интегральные схемы (ASIC) разрабаты-

ваются по конкретному заказу. Они имеют специфические особенности функ-

ционирования, не изготовляются большими партиями. Процесс проектирования

и подготовки производства таких микросхем требует значительного времени и

материальных затрат.

Аналоговые и цифровые интегральные схемы, стандартные и специали-

зированные схемы, схемы с жесткой логикой и программируемой логикой,

микросхемы памяти и микропроцессоры – вот далеко не полный перечень со-

временных схем, созданных по законам схемотехники и используемых сейчас

абсолютно всеми производителями современных технических систем самого

разного назначения. Рассмотрение этих схем – отдельные задачи, которые мо-

гут быть рассмотрены в продолжение этой книги.



100

Библиографический список

1. Лаврентьев, Б. Ф. Схемотехника электронных средств: учебное пособие для вузов/ Б. Ф. Лаврентьев. - Москва: Академия, 2010. – 333 с.

2. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы: учебное пособие для ву-зов/ В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. - Санкт-Петербург: Лань, 2009. – 478 с.

3. Водовозов, А.М. Элементы систем автоматики: учебное пособие/ А.М.Водовозов.- Москва: Академия, 2008.- 224 с.

4. Забродин, Ю. С. Промышленная электроника : учебник для вузов/ Ю. С. Забродин. - Москва: Альянс, 2013. – 495 с.

5. Валенко, В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники элек-тронных устройств/ В.С.Валенко.- Москва: Додека-ХХI, 2001.- 368 с.

6. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник для бакалавров / О. П. Новожилов. - Москва: Юрайт, 2013. – 652 с.

7. ГОСТ 2.730-73. Единая система конструкторской документации. Обозна-чения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые [Электронный ресурс]. - Введ. 01.07.1974: - Режим доступа: http://gost.prototypes.ru/gost/2.730-73

8. Водовозов, А. М. Микроконтроллеры для систем автоматики: учебное по-собие/ А. М. Водовозов. – Вологда, ВоГУ, 2015. – 164 с.

Учебное издание

Александр Михайлович Водовозов

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ

Учебное пособие

Редактор Л.А. Перерукова Компьютерная верстка Н.В. Подхомутовой

Подписано в печать 29.02.2016. Формат 60 × 84/16

Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.-п.л. 6,25. Тираж 200 экз. Заказ №

Отпечатано: РИО ВоГУ, 160000, г. Вологда, ул. С. Орлова, 6



Documents

2016 vodovosov osn chem - ВоГУ...Кожевников Водовозов, А. М. В 62 Основы схемотехники: учебное пособие / А.М. Водовозов