Текст
И.ХАБЛОВСКИ
В. СКУЛИМОВСКИ
ЭЛЕКТРОНИКА
В ВОПРОСАХ
И ОТВЕТАХ
Перевод с польского
A. А. Визеля
Под редакцией
B. И. К о т и к о в а
Scan Pirat
DjVu сделал
Stribog
МОСКВА
««РАДИО И СВЯЗЬ
1984
ICHABt-OWSKI
W. SKULIMOWSKI
ELEKTRONIKA
W PYTANIACH
I ODPOWIEDZIACH
WYDAWNICTWA
NAUKOWO -TECHNICZNE
WARSZAWA 1978
ББК 32.85
Х12
УДК 621.38
Хабловски И., Скулимовски В.
XI2 Электроника в вопросах и ответах: Пер. с
польск./Под ред. В. И. Котнкова. — М.: Радио
и связь, 1984. — 304 с., ил.
В пер.: 1 р. 30 к.
В книге популярно в форме вопросов и ответов объясняются
физические основы электроники, электронные компоненты и схемы,
особенности нх применения. Удачно сочетается широта тематики —
от дискретных полупроводниковых приборов до интегральных ми¬
кросхем с простотой и наглядностью изложения материала.
Для широкого круга читателей.
X
2403000000-004
046(01)-84
КБ-21-64-83
ББК 32.85
6Ф0.3
Редакция литературы по электронной технике
И. ХАБЛОВСКИ, В. СКУЛИМОВСКИ
ЭЛЕКТРОНИКА В ВОПРОСАХ И ОТВЕТАХ
Редактор II В. Е ф и м о в а
Художник В. Д. Козлов
Художественный редактор Г II. К о в а н о в
Технический редактор Т. И. Колосов в
Корректор Т Л Кускова
ИБ № 225
Сдано в набор 2o.0-l.SJ. Подписано в печать 12.08.SJ
Формат 8-1X1087,32. Бумага типографская К» 2
Гарнитура литературная Печать высокая Уел печ т 1Г>,00
Уел. кр.-отт 15,96 Уч.-изд. л 20,13 Тираж 50 000 эк»
Изд Л» 19-178 Зак, 1606 Цепа I р. 30 к.
Издательство «Радио и связь» lOHHlO Москва, Почтамт a/я 6<ij
Московская типография -N» -1 (лнотполшрафпрома
при Государственном комитете СССР по делим шлателытв,
полиграфии п ышжпоЛ торговли. Моемы 129041
Б. Переяславская. 40
© Copyright by Wydawnictwa Naukowa—Teehniczne, Warszawa, 1978
© Предисловие к русскому изданию, перевод на русский язык, при¬
мечания, издательство «Радио и связь», 1984
Предисловие к русскому изданию
В .современной науке и технике исключительная роль при над*
лежит одной нз быстро развивающихся областей — электронике.
Она в значительной степени определяет совершенство технических
средств вычислительной техники, радиоэлектроники, систем управ¬
ления, передачи и обработки информации.
Особенностью современной электроники является быстрое внед¬
рение новейших достижений в различные области народного хозяй¬
ства. Сегодня трудно найти область науки, техники, народного хо¬
зяйства, где бы изделия электроники не применялись. Появление
интегральных микросхем, БИС и микропроцессоров позволяет зна¬
чительно повысить надежность радиоэлектронных устройств и сни¬
зить их габаритные размеры н массу.
В процессе проектирования н создания различных радиотех¬
нических устройств и систем приходится не только учитывать ос¬
новные характеристики электронных приборов и их конструкцию, но
и глубоко понимать физические основы работы, технологию изготов¬
ления, уметь сравнивать электронные приборы по их характери¬
стикам и параметрам при выборе оптимальных схемотехнических
решений.
Предлагаемая читателю книга представляет собой небольшую
популярную энциклопедию, в которой в форме вопросов и ответов,
а их более 500, приведены сведения о многих применяемых сегодня
электронных приборах. Необходимо отмстить, что понятие «электро¬
ника» в иностранной литературе значительно шире, поэтому неко¬
торые вопросы можно отнести к радиотехнике, радиоэлектронике,
вычислительной и измерительной технике.
Достоинством книги является и то, что, не приводя конкрет¬
ных данных по схемным решениям, авторы книги показали эволю¬
цию развития электроники — переход от ламповых схем к полупро¬
водниковым приборам, а затем и к интегральным микросхемам. Они
проделали большую работу по систематизации и отбору материала;
в простоте изложения многих вопросов не теряется их научность.
Графический материал книги приведен в-основном в соответст¬
вии с действующими в нашей стране стандартами. Некоторые до¬
полнительные сведения, поясняющие изложение, даны в примеча¬
ниях и сносках. К сожалению, отдельные вопросы электроники,
связанные с акустоэлектроннкой, квантовой и СВЧ электроникой,
не нашли отражения в этой книге.
Хочется надеяться, дорогой читатель, что в этой книге Вы най¬
дете ответы па интересующие Вас вопросы.
Замечания и пожелания можно присылать по адресу; 101000,
Москва, Почтамт, a/я G93, издательство «Радио и связь», редакция
литературы по электронной технике.
Канд. техн. наук В, И. Котиков
5
ГЛАВА i
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. АТОМ И МАТЕРИЯ.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
Что такое электроника?
Эго область науки и техники, занимающаяся использованием
явлений, связанных с движением заряженных частиц в вакууме,
газах и твердых телах. Электроника включает в себя изучение фи¬
зических процессов, разработку конструкций и технологию изготов¬
ления электронных приборов (ламп, транзисторов, интегральных
микросхем), а также устройств, в которых эти приборы при¬
меняют.
В каких областях науки, техники
И народного хозяйства применяют электронные
устройства?
Практически во всех. Достижения электроники используются
для создания измерительных устройств, без которых не было бы
возможно развитие химии, физики, биологии, медицины и даже та¬
ких областей науки, как социология, психология, археология. Воз¬
никновение и развитие космонавтики и исследование космического
пространства стало возможным только благодаря электронике.
Все чаще электронные устройства используются в учебном про¬
цессе. При обучении иностранным языкам, например , широки при¬
меняют так называемые аудиовизуальные устройства. Во многих
странах телевидение Используется для преподавания телезрителям
с разным уровнем подготовки, в том числе в развивающихся стра¬
нах — на уровне начального образования.
Электронные устройства позволяют автоматизировать техно¬
логические процессы и контроль качества продукции па предприя¬
тиях текстильной, автомобильной н химической промышленности,
в рудниках, иа верфях. Электронные устройства способствуют уве¬
личению производства различных изделий, повышению их качества,
улучшению условий труда и техники безопасности. Без электрон¬
ных устройств не могут функционировать современные транспорт,
телеграф, телефон и радиосвязь, так же как без электронных вычист
лительных центров и устройств обработки данных — современные
системы управления народным хозяйством.
Наконец, электроника — это устройства повседневного поль¬
зования: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, электропро¬
игрыватели, значение которых в жизни человека бесспорно. Совре¬
менные системы кабельной и спутниковой связи, созданные уже в
нескольких странах, обеспечивают произвольные двусторонние эну*
6
ковые к иизуалыю-зиуковыс соединения между любыми абонентами
а также возможность выбора произвольной телевизионной или радио¬
вещательной программы и даже реализацию индивидуальных про¬
грамм с магнитофонных кассет и пленок.
Когда началось развитий электроники?
Электроника сравнительно молодая отрасль науки и техники.
Теоретические основы ее были разработаны во второй половине
XIX и в первой половине XX в. Первые лампы и полупроводнико¬
вые приборы были созданы в XX в. Самые важныеисторические мо¬
менты в развитии электроники отмечаются следующими датами:
1865 г. — Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитных
волн;
1883 г. —Т. Эдисон открыл термоэлектронную эмиссию;
1886 г. — Г. Герц открыл электромагнитные волны, годом поз¬
же — фотоэмиссию;
1897 г. — Дж. Томсон открыл электрон;
1897 г. — К. Браун изобрел осцнллографичсскую трубку;
1904 г. — Дж. Флеминг создал диод с накаливаемым катодом;
1906 г. — Л. до Форест изобрел триод;
1948 г. — У. Шокли, У. Браттейк и Дж. Бардин изобрели
транзистор.
Какова структура атома?
Строение атома можно представить с помощью плоской модели
(рис. 1.1), являющейся упрощением пространственной модели ато¬
ма, разработанной Бором в 1913 г. В такой модели атом состоит из
ядра и некоторого числа электронов, вращающихся вокруг ядра но
определенным орбитам. Ядро
имеет относительно большую
массу и положительный заряд,
электрон — малую массу и от¬
рицательный заряд. Положи¬
тельный заряд ядра и отри¬
цательный заряд всех вра¬
щающихся вокруг этого ядра
электронов находятся в рав¬
новесии, н изолированный
атом в нормальном состоянии
электрически нейтрален. Сум¬
марный заряд электронов в ато¬
ме определяется атомным чис¬
лом элемента. Орбиты, по ко¬
торым вращаются электроны,
называемые орбитами или оболочками, точно определены, и ни один
электрон в атоме не может вращаться и пространстве между оболоч¬
ками. Оболочки обозначают последовательно, начиная от ядра, бук¬
вами К, L, Д1. -V .. Оболочка К может содержать до двух электро¬
нов, L -до 8. Д( до 18 и т. д. Па каждой следующей могут
находиться электроны лишь в том случае, если предыдущие оболоч¬
ки заполнены. Только последняя, внешняя, так называемая валент¬
ная оболочка, может быть не заполнена. Находящиеся на ней элек¬
троны называют валентными Валентная оболочка определяет хи-
7
05олочца К
мичсскме свойства элемента. Ядро вместе с заполненными, оболоч¬
ками образует постоянную часть атома, не подвергающуюся измене¬
ниям в химических процессах при изменениях температуры и проте¬
кании тока. С каждой оболочкой связана определенная энергия вра¬
щающихся па псп электронов. Чем дальше от ядра находится элек¬
трон, тем больше его энергия. Наибольшей энергией обладают ва¬
лентные электроны.
Сообщая электронам энергию извне (температура, излучение),
можно вызвать их переходы на оболочки е более высокими энерге¬
тическими уровнями. Лтом с электронами, находящимися'на более
высоких энергетических уровнях, называется возбужденным ато¬
мом. Такое состояние является неустойчивым — электрон, возвра¬
щаясь па низший энергетический уровень, отдаст приобретенную
энергию в виде кванта энергии излучения. Определенная доза под¬
водимой извне энергии может сделать электрон независимым от
сил притяжения ядра. Atom, лишенный электрона, называется по¬
ложительным ионом. Процесс возникновения ионов называется ио¬
низацией. Существует обратное явление — соединение иона с элек¬
троном, называемое рекомбинацией.
Что такое диаграмма энергетических
уровней атома?
Это диаграмма (рис. 1.2), представляющая энергетические свой¬
ства данного атома, называемая также зонной моделью атома. Для
каждого слоя К, L, М ... па этой диаграмме указывается численное
значение энергии электронов, на-
W
■3d
~Зо
-3s
Валентный
щооВень
годящихся в этом слое (зоне).
Энергия выражается в электрон-
вольтах [эВ]. Один электрон-
вольт соответствует работе элект¬
рона при преодолении разности
потенциалов, равной 1 В. Диаг¬
рамма энергетических уровней от¬
ражает законы квантовой механи¬
ка, из которых следует, что каж¬
дый энергетический уровень мо¬
жет быть занят определенным чи¬
слом электронов. Слой К содер¬
жит один энергетический уро¬
вень, слой L — два находящихся
рядом уровня (s — внутренний,
требует для заполнения двух
электронов, р — внешний —- ше¬
сти электронов), М — три уров¬
ня (s, р, d) п т д. Представленная па рис 1.2 диаграмма отно¬
сится только к одиночному изолированному атому. Если атом
находится п близком соседстве с другими атомами, например в твер¬
дом теле, то диаграмма энергетических уровнен изменяется.
Hue 1 2 luiiiiii>i модель атома
Что такое твердое тело?
Это тело, в котором атомы или частицы образуют пространствен¬
ную мюридоченимо 1чстем\, называемою кристаллической решет-
а
кой, и удерживаются в этой системе благодаря силам взаимодейст¬
вия. С точки зрения электропроводности твердые тела делятся на
проводники (металлы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы).
Что такое диаграмма энергетических уровней
в твердом теле?
Такая диаграмма, называемая также зонной моделью твердо¬
го тела, принципиально отличается от диаграммы, составленной для
изолированного одиночного атома (рис. 1.2), что является следст¬
вием взаимодействия между собой атомов, образующих кристалли¬
ческую решетку. В соответствии с законами квантовой механики,
согласно которым число электронов, находящихся на одном и том
М
Jo на
проводимости
Запрещенная зона
”Валентная
зона
{
Рис. 1.3. Расщепление энергетических уровней в твердом теле
же энергетическом уровне, нс может быть больше двух, связь ато¬
мов в кристаллической решетке и их взаимодействие вызывают рас¬
щепление энергетических уровней и возникновение многих новых
уровней, расположенных близко одни к другому в пределах данного
слоя. При этом энергетические уровни образуют энергетические зо¬
ны. В электронике особенно важны две зоны: валентная, называемая
также основной, которая образуется при расщеплении валентных
уровней отдельных атомов, и зона с более высокими энергетически¬
ми уровнями, чем уровни валентной зоны, называемая зоной прово¬
димости (рис. 1.3). Находящиеся в этой зоне электроны могут сво¬
бодно перемещаться под влиянием электрического поля.
Что такое проводник?
Это твердое тело (металл), проводящее электрический ток по
принципу движения свободных электронов. С ростом температуры
проводимость металлов убывает, а при очень низких температурах
(близких к О К) становится очень большой (сверхпроводимость).
По структуре кристаллической решетки и диаграмме энергетиче¬
ских уровнен проводник является телом, в котором зоны проводи¬
мости и валентная перекрываются (рис. J.4). Благодаря этому в кри¬
9
сталлической решетке существует высокая концентрация электро¬
нов, образующих так называемый электронный газ, который может
свободно перемещаться в объеме металла под воздействием внёшнс-
го электрического поля.
Хорошими проводниками электрического тока являются медь,
серебро, золото. Медь нашла широкое применение в виде провод¬
ников или соединений на печатных платах. Серебро, а особенно
зблото, из-за высокой стоимости используют значительно реже.
Основным параметром, определяющим проводник, является его
электрическое сопротивление, выражающееся отношением падения
напряжения на проводнике к протекающему по нему току. Хо-
Рис I 4. Зонная модель про-
нодмика
Рис. 1.5. Зонная модель дналек
трика
роший проводник оказывает малое сопротивление протеканию тока.
Электрическое сопротивление — параметр, зависящий от темпера¬
туры.
Что такое диэлектрик?
Это тело, не проводящее электрический ток. Внутренняя струк¬
тура диэлектрика (или изолятора) характеризуется полностью за¬
полненной электронами валентной зоной и незаполненной зоной
проводимости. Между зонами располагается широкая запрещенная
зона (рис. 1.5), так что при нормальных условиях электроны не мо¬
гут переходить нз валентной зоны в зону проводимости. Из-за от¬
сутствия электронов в зоне проводимости диэлектрик не может
проводить ток.
Диэлектрики широко применяют в электронике. Они служат
основным материалом в производстве конденсаторов (слюда, кера¬
мика, стекло, пленка, бумага и различные окислы, например,
тантала). Диэлектрики используют в качестве изоляционного мате¬
риала для покрытия проводов (изоляционная эмаль), изготовления
каркасов катушек индуктивности (бакелит, керамика) и трансформа¬
торов.
Свойства диэлектрика характеризуются диэлектрической про¬
ницаемостью, потерями, теплостойкостью, гигроскопичностью. По¬
тери являются частотно-зависимым параметром.
10
Что такое полупроводник?
Это тело, свойства которого, если речь идет о протекании тока
могут подвергаться изменению в зависимости от условии. Протека¬
ние тока в полупроводнике может происходить на основе движения
отрицательных (электронов) и положительных зарядов. Проводи¬
мость полупроводников увеличивается с ростом температуры. При
очень низких температурах полупро¬
водники ведут себя, как диэлектрики.
Свойства полупроводника можно
проиллюстрировать зонной моделью
(рис. 1.6). В полупроводнике, как и в
диэлектрике, между незаполненной
зоной проводимости и полностью за¬
полненной валентной зоной имеется
запрещенная зона. Однако она отно¬
сительно узка (меньше 2 эВ). При
определенном, достаточно небольшом
энергетическом возбуждении (теп¬
ловом или под влиянием электричес¬
кого поля) некоторые электроны из
валентной зоны могут переходить
в зону проводимости. При этом в валентной зоне появятся вакантные
уровни. Атом, у которого электрон перешел в зону проводимости,
превращается в положительный ион. Недостающий электрон у та¬
кого атома может быть восполнен соседним атомом, который в свою
очередь становится положительным ионом, при этом положительный
нон как бы перемещается в объеме валентной зоны. Такой подвиж.
о)
©!©!©!©!©
ОО ОО 0О оо оо
© о © о ©S © о ©
оо оо оо оо оо
©!©!©!©!©
оо оо оо оо оо
©i@t©s©s
о о
Рис. 1.7. Плоские модели (а и С) крнсталлнчсскоГ| решетки собст¬
венно полупроводники
ный положительный ион называется дыркой. Электрический ток
в полупроводнике связан с движением дырок в валентной зоне и
электронов в зоне проводимости, причем дырочный и электронный
токи равны, так как освобождение одного электрона вызывает одно¬
временно возникновение одной дырки. Полупроводник с такими свой¬
ствами называется собственным.
На рис. 1.7 показаны плоские модели кристаллической решетки
собственного полупроводника, в котором, как легко заметить, име¬
ется определенная симметрия структуры: любой атом полупровод?
11
Рис. 1.6. Зонная
проводника
модель полу-
ника имеет на внешней оболочке четыре собственных электрона и
связан с четырьмя электронами четырех соседних атомов. Анало¬
гичную структуру может иметь изолятор (например, алмаз) с той
лишь разницей, что в полупроводнике, как уже подчеркивалось,
некоторые электроны могут при комнатной температуре перехо¬
дить из валентной зоны в зону проводимости.
Что такое несобственный полупроводник?
Это полупроводник, у которого для изменения свойств, в основ¬
ном электропроводности, нарушена структура кристаллической ре^-
шетки. Небольшое протекание тока в собственном полупроводнике
происходит на основе равенства токов, возникающих из-за подвиж¬
ных электронов и такого же числа подвижных дырок. В несобствен¬
ном полупроводнике эти токи ие равны, поскольку не одинакова
концентрация электронов и дырок. Существуют два типа несобствен¬
ных (примесных) полупроводников: полупроводники типа п и типа р.
Что такое полупроводник типа м?
В полупроводнике типа л преобладает электронный ток. Нару¬
шения кристаллической структуры (рис. 1.8, а) достигают введением
в кристалл чистого полупроводника (кремния или германия), приме¬
сей донорного типа (например, мышьяка), т. е. элемента, имеющего
на внешней оболочке иа один вален-ный электрон больше, чем тер
Рис. 1.8. Плоская (а) и зонная (б) модели кристаллической решет¬
ки полупроводника типа п
маний и кремний. При этом в кристаллической решетке остается один
электрон, который может легко перейти в зону проводимости и уча¬
ствовать в прохождении тока как донорный или неосновной носи¬
тель. В кристаллической решетке сохраняется ион с положительным
зарядом. Следует подчеркнуть, что этот положительный иои в полу¬
проводнике типа п неподвижный, а следовательно, не участвует в
протекании тока в отличие от дырок, возникающих при собственной
проводимости. В зонной модели полупроводника типа п (рис. 1.8, б)
введение донорной примеси вызывает возникновение дополнитель¬
ного энергетического уровня между зоной проводимости и валент¬
ной зоной. Разность энергий между дополнительным уровнем и зо¬
ной проводимости настолько мала (для кремниевого полупровод-
с
12
иика она составляет около 0,05 эВ), что электрон может легко перей¬
ти с этого дополнительного уровня в зону проводимости. Положи¬
тельный ион, образовавшийся при отрыве электрона от атома приме¬
си, остается фиксированным.
Очевидно, что в полупроводнике типа п имеются также дырки,
возникшие в процессе образования пар электрон—дырка при собст¬
венной проводимости, одиако их значительно меньше, чем электро¬
нов, возникающих в основном за счет введения примеси. Дырки,
существующие в полупроводнике типа п, называются неоснов¬
ными, а электроны — основными носителями.
Что такое полупроводник типа р?
В полупроводнике типа р в качестве примесей — акцепторов
используются атомы элементов, имеющие на внешней оболочке иа
один электрон меньше, чем кремний и германий, например индий.
В кристаллической решетке (рис. 1.9, а) вблизи такого атома в од¬
ном из узлов отсутствует одни электрон и возникает дырка, которая
заполняется электроном соседнего атома. В результате атом стано¬
вится неподвижным отрицательным ионом, а дырка может переме-
а)
'о
О©
©
оо
©1
© 1 ©
0О
00
“00 О О
©1
©1
© о © Акцепторное
0О
0О
о о оо примесь
©
оо
©1
©о ©
О©
ОО
оо оо
©1
©!
©о ©
Рис. 1.9. Плоская (а) п зоновая (б) модели кристаллической решетки
полупроводника типа р
щаться далее. Таким образом, в полупроводнике типа р носителями
являются подвижные дырки, в то время как отрицательные ионы
не принимают участия в прохождении тока.
В зонной модели полупроводника типа р (рис. 1.9, б) введение
акцепторной примеси вызывает появление дополнительного энерге¬
тического уровня вблизи валентной зоны. Отрицательные ионы оста¬
ются неподвижными в узлах решетки. Для полупроводника типа р
характерна проводимость на основе движения дырок как основных
носителей в валентной зоне.-Очевидно, что в полупроводнике типа р
имеются также электроны, возникшие в процессе образования пар
электрон—дырка при собственной проводимости, однако их значи¬
тельно меньше, чем дырок, образующихся за счет введения приме¬
сей. Существующие в полупроводнике типа р электроны называются
неосновными, а дырки — основными носителями заряда.
13
Что такое термоэлектронная эмиссия?
Это эмиссия электронов из твердого (металл, полупроводник)
либо жидкого тела (ртуть), вызванная нагревом его до высокой,
температуры, которая сообщает электронам энергию, необходимую
для того, чтобы они могли покинуть тело и перейти в окружающее
пространство — вакуум или газ.
Термоэлектронная эмиссия используется в электронных лам¬
пах для получения электронов, создающих электрический ток меж¬
ду электродами лампы.
Что такое фотоэмиссия и фотопроводимость?
Это так называемые фотоэлектрические эффекты: внешний (фо¬
тоэмиссия) и внутренний (фотопроводимость). .Фотоэмиссия — эмис¬
сия электронов из твердого тела (металла, полупроводника) под воз¬
действием энергии излечения, например видимого света или
инфракрасного излучения. Число эмиттированных электронов
зависит от интенсивности излучения.
Фотопроводимость обусловливается увеличением электрической
проводимости под влиянием лучистой энергии, вызывающей иони¬
зацию атомов в дан ном теле, в результате чего возрастает число сво¬
бодных электронов, возникающих в теле.
Фотоэмнссип и фотопроводимость нспользуютдя в передающих
электроипо-лучевых трубках, находящихся в телевизионных ка¬
мерах.
Исчерпываются ли возможности
получения свободных электронов
термоэмиссией и фотоэмиссией?
Нет. Свободные электроны можно получить и под влиянием силь¬
ного электрического поля (автоэлектронная эмиссия), и под влия¬
нием энергии потока электронов твердого тела, это так называемая
вторичная эмиссия.
Что такое явление ионизации в газах?
Ионизацией называется про¬
цесс разделения атома (или части¬
цы) на электрон и положительный
иои. Для электроники представ¬
ляет интерес ионизация газа, на¬
ходящегося в электрическом по¬
ле. В этом случае свободные
электроны перемещаются в на¬
правлении положительного элект¬
рода (рис. 1.10), и если оии об¬
ладают соответствующей энергией
(напряженность электрического
поля соответственно велика), то
в результате их соударений с
атомами газа снова возникают
свободные электроны и положи-
Атом
Рис 1.10. Лавинная ионизация
гд
14
тельные ионы, которые при своем движении могут снова выбивать
электроны и т. д. Здесь имеет место лавинная ионизация, возни¬
кающая под действием сильного электрического поля.
Процесс ионизации характеризуется резким увеличением числа
носителей заряда (электронов и ионов), в результате чего проводи¬
мость между электродами в лампе резко увеличивается. Одновремен¬
но с процессом ионизации в большей или меньшей степени происхо¬
дит обратный процесс, называемый деионизацией или рекомбина¬
цией, который заключается в соединении ионов с электронами.
Ионизации сопутствует свечение газа, причем цветность све¬
чения зависит от вида газа, а яркость — от напряженности электри¬
ческого поля.
Какие токи существуют в электронике
и как они используются?
В электронике, как и в электротехнике, используют постоянный
и переменный ток (рис. 1.11). Постоянным называется ток, который
не изменяется во времени. Переменный ток изменяется как по зна¬
чению, так и по направлению, причем эти изменения могут иметь
разную скорость. Переменный ток может быть регулярным (сину¬
соидальным) и нерегулярным (соответствующим человеческой речи).
Наипростейшей формой переменного тока является синусоидальное
колебание.
а)
11
t.
Рис lit- Примеры формы токов:
а — постоя ними: б — переменный синусоидальны]) медленно и быстро итмспя
ющийся; в — непериодический
В электронике постоянный ток чаще всего играет вспомогатель¬
ную, но важную роль. Без источников постоянного тока нс могло
бы работать пи одно электронное устройство, так как и лампы, и
транзисторы требуют питания постоянным током. Основной задачей
электронных устройств является перенос и преобразование некото¬
рой информации (сигналов звука, изображения, изменения некото¬
рых физических величин и т. д.). В общем случае все эти сигналы
переменные и могут быть представлены только переменными токами.
При таком подходе постоянный ток можно считать лишь частным
(предельным) случаем переменного. Большое значение в электро¬
нике имеют токи, которые резко Меняются за относительно короткое
время. Это — импульсные токи (колебания).
15
В каких единицах измеряется ток?
Ток измеряется в амперах [А]. В электронике часто пользуют¬
ся в тысячу раз меньшей единицей — миллиампером [мА]. Токи,
протекающие в транзисторных цепях, обычно имеют порядок не¬
скольких сотен миллиампер. В мощных каскадах наблюдаются
большие токи (единицы и сотни ампер).
В каких единицах измеряется напряжение?
Напряжение, определяющее разность потенциалов (чаще всего
относительно «земли» или массы), измеряется в единицах, называе¬
мых вольтами [В]. В электронике часто пользуются в тысячу раз
меньшем единицей — милливольтом [мВ) и в миллион раз меньшей
единицей — микровольтом (мкВ). В транзисторных устройствах
обычно имеют дело с постоянными напряжениями от нескольких
до 10—20 В и переменными напряжениями от милливольт до 10—
20 В.
В каких единицах измеряется электрическое
сопротивление?
Электрическое сопротивление измеряется в омах [Ом]. Один
ом — это сопротивление цепи, в которой протекает ток в один ампер
при напряжении, равном одному вольту, В электронике часто поль¬
зуются в тысячу раз большей единицей — килоомом [кОм) и в мил¬
лион раз большей единицей — мегаомом (МОм).
Что определяет закон Ома?
Закон Ома определяет зависимость между током и напряжением
в цепи. Он гласит, что ток /, протекающий в цепи, пропорционален
напряжению U и обратно пропорционален электрическому сопро¬
тивлению R, находящемуся в данной цепи.
Математически закон Ома выражается зависимостью
1 —■ UlR, U = R! или R - U/1.
При использовании этой зависимости следует помнить о раз¬
мерности используемых единиц. Так, если ток выражается в ампе¬
рах, а напряжение в вольтах, то сопротивление получаем в омах.
В каких единицах измеряется мощность
электрического тока?
Мощность электрического тока измеряется в ваттах [Вт]. В
электронике часто пользуются единицей, в тысячу .раз меньшей, на¬
зываемой милливаттом [мВт]. В электронных устройствах действуют
чаще всего мощности от нескольких милливатт до нескольких де¬
сятков ватт. Мощность источников питания постоянного тока в боль¬
шинстве случаев не превышает нескольких сотен ватт.
16,
Математически мощность Р есть произведение тока на напой-
жение
Р = UI
или с учетом закона Ома
Р - PR либо Р - V4R.
Что мы называем источником
напряжения?
Источником напряжения или точнее источником с постоянным
выходным напряжением называется такой источник электрической
энергии, который на своих внешних зажимах имеет постоянное, не¬
изменное напряжение независимо от тока, потребляемого от этого
источника.
Каждый источник обладает определенным внутренним сопро¬
тивлением и может быть представлен в виде последовательного соеди-
Источник | Внешняя'
1 цепь
Рас / !2 Источник и
Diri*uniK<r цепь
Источник I Внешняя
напряжения I цепь
Рис. 1 13. Графическое
напряжения
Источник j Внешняя
нопряжения\ цепь
изображение источника’
пения (рнс. 1.12) идеальной ЭДС, выраженной в вольтах, и опреде¬
ленного внутреннего сопротивления RT, выраженного в омах.
Если к такому источнику подключить внешнюю цепь, то потребляе¬
мый ею ток будет идти через внутреннее сопротивление источника.
На нем возникает падение напряжения тем большее, чем больше ток, -
потребляемый внешней цепью. Напряжение на внешних зажимах
источника равно разности ЭДС источника и падения напряжения на
внутреннем сопротивлении. Поэтому внешнее напряжение может
иметь постоянное значение, несмотря па изменения потребляемого
тока, только тогда, когда внутреннее сопротивление источника близ¬
ко к нулю. Именно такой источник будем называть источником на¬
пряжения.
Графическое изображение источника напряжения показано на
рис. 1.13. На практике идеальные источники с постоянным напря¬
жением не встречаются. Однако часто источники с внутренним со¬
противлением, более чем в 10 раз меньшим сопротивлении нагруз¬
ки, можно приближенно считать источниками напряжения.
Что мы называем источником тока?
Источником тока или точнее источником с постоянным выходным
то-ком называется такой источник электрической энергии, который
отдаст во внешнюю цепь ток постоянного значения независимо от
17
падения напряжения на этой цепи, т. е. независимо от элекТрНче*
ского сопротивления внешней цепи. Отдаваемый источником ток
может иметь постоянное значение только в том случае, когда внеш¬
нее сопротивление Ru пренебрежимо мало по сравнению с внутрен¬
ним сопротивлением источника Rmi. Это бывает только тогда, когда
внутреннее сопротивление источника бесконечно велико. Такой ис¬
точник называется идеальным источником тока.
Графически источник тока представлен на рис. 1.14. Чаще на
схемах нс показывают внутреннее сопротивление RBil либо вместо
а)
Ф
^ 1
\В.
,0 -Ф О
I Внешняя
' цепь
z)
V I
j Внешняя.
1 цепь
Рис. 1.14. Графическое изображение источника тока:
а — переменного тока; б — постоянного тока
резистора, включаемого последовательно с собственно источником
тока, изображают идеальный источник с проводимостью (величина,
обратная сопротивлению), обозначаемой Квн. Проводимость под¬
ключают параллельно источнику. На практике источниками тока
часто считают источники, внутреннее сопротивление которых зна¬
чительно больше сопротивления нагрузки, на которую работает
данный источник.
Что мы имеем в виду, когда говорим о согласовании
источника с нагрузкой?
Если источник с некоторым внутренним сопротивлением нагру¬
зить внешним сопротивлением, то окажется, что мощность, отдавае¬
мая источником и выделяемая в нагрузке, будет зависеть от внешне¬
го сопротивления. Максимальная мощность выделяется на нагрузке
в том случае, когда ее сопротивление равно сопротивлению источ¬
ника (рис. 1.15). Такое состояние называется согласованием на¬
грузки с источником.
Какие источники постоянного и переменного
токов встречаются в электронике?
В электронике встречаются различные виды источников постоян¬
ного и переменного токов. Источниками постоянного тока служат
батареи и аккумуляторы, используемые для питания переносной и
бортовой аппаратуры, а также различные устройства электропнта-
18
ння. Батареи и аккумуляторы характеризуются малым внутренним
сопротивлением» и,в большинстве случаев их можно считать источ¬
никами напряжения. У питающих устройств постоянного тока,
работающих по принципу выпрямления переменного тока, внутрен¬
нее сопротивление зависит от их схемного решения, однако в боль>
щиистве случаев они близки к источникам напряжения.
Источниками переменного тока в электронных устройствах чаще
всего служат транзисторные или ламповые схемы. Транзисторная
Рис. 1.15. Зависимость пере¬
даваемой в нагрузку мощно¬
сти от сопротивления нагруз¬
ки
схема как источник сигнала обла¬
дает сопротивлением, зависящим
от типа транзистора и схемы его
включения. Обычно оно колеб¬
лется от нескольких ом до не¬
скольких мегом. Наибольшее со-
Рис. Мб, Вид колебания пере¬
менного синусоидального тока
(f — мгновенное значение тока,
Т — период колебаний, /т —■ ам¬
плитуда тока, 21т — размах)
противление, которого достаточно, чтобы считать схему источни¬
ком тока, можно получить при использовании полевых транзисто¬
ров или ламп типа пентода.
Какими параметрами характеризуется
переменный ток?
Переменный ток можно характеризовать следующими парамет¬
рами (рис. 1.16): период или частота, амплитуда, размах или пре¬
делы изменения мгновенного значения тока, действующее значение
тока, форма колебания.
В случае синусоидального колебания период Т (в секундах)
соответствует расстоянию на оси времени между двумя соседними
пиками (двумя положительными или двумя отрицательными). Длина
волны к характеризует то же самое расстояние, но выражается в
сантиметрах, дециметрах или метрах. Частота / — это величина,
обратная периоду, f — 1 iT. Основная единица измерения частоты —-
герц [Гц] (одни период в секунду). Единица, в тысячу раз большая,
называется килогерцем [кГц), в миллион раз большая — мегагер¬
цем [МГц), а в миллиард раз большая — гигагерцем (ГГц). Иногда
вместо частоты определяют круговую частоту колебания, обозначае¬
мую буквой 0). Между частотой / н ш имеется связь: ы -- 2лf.
19
Какие частоты переменного тока встречаются
в электронике?
Диапазон частот, с которым сталкиваются в электронике, весь¬
ма широк и зависит от отрасли, в которой используются колебания.
Он простирается от нулевой частоты, соответствующей постоянному
току, до частоты в несколько десятков гигагерц и более. Частота
питающей сети переменного тока в ПНР и СССР равна 50 Гц.
Речи и музыке, преобразованным в электрические колебания,
соответствуют низкие, или звуковые, частоты, лежащие в диапазоне
от нескольких герц до 10—20 кГц.
Телевизионному изображению, полученному в результате пре¬
образования отраженного от объекта света в электрический сигнал,
соответствуют видеочастоты, лежащие в диапазоне от 0 Гц до
5—6 МГц.
Для передачи иа расстояние звуков и изображений широко ис¬
пользуются электромагнитные волны диапазона радиочастот.
Что называется пиковым, или амплитудным,
значением переменного электрического колебания?
Пиковым, или амплитудным, значением колебания называется
его наибольшее значение. В случае периодически повторяющихся
процессов, таких, например, как синусоидальное колебание, пико¬
вое значение, или амплитуду, Ат определяют (рис. 1.16) иа интер¬
вале времени, равном одному периоду. На таком интервале встре¬
чаются две амплитуды, отличающиеся только полярностью, — поло¬
жительная и отрицательная. При записи пиковое, или амплитуд¬
ное, значение переменного тока обозначают большой буквой с ин¬
дексом т: Umx 1т.
Амплитудное значение тока, действующего в электрической це¬
пи, часто зависит от активного элемента (транзистора, лампы) схе¬
мы либо ограничено искажениями сигнала, возникающими при его
прохождении через цепь.
Амплитудное значение напряжения в схеме ограничивается на¬
пряжением электрического пробоя элементов схемы.
Что называется действующим значением
переменного тока?
Действующее значение переменного тока выражается 3Ha4ei
нием постоянного тока, который, протекая через цепь с постоянным
значением электрического сопротивления, выделяет такую же энер¬
гию, как и переменный ток, протекающий за то же самое время. Для
синусоидального колебания действующее значение1 связало с ам¬
плитудным следующей зависимостью:
t/д = 0,707Um либо /д = 0,7071т.
' Действующее значение периодического колебании /{/) можно выразить ин¬
тегралом
Для периодического синусоидального колебания имеем /(/) ■=* Um sin со/,
тогда t/д ~ - Um.
V 2
20
Действующее значение переменного тока при записи обозна¬
чается большой буквой с индексом «д», либо большой буквой / без
всякого индекса.
Действующее значение напряжения питающей цепи в СССР
равно 220 и 127 В. Действующее значение мощности связано с энер¬
гией, рассеиваемой в виде тепла, и определяет требования, которым
должны удовлетворять элементы в схеме.
Что такое среднее значение переменного колебания?
Средним значением колебания переменного тока называется
среднее арифметическое абсолютных значений этого колебания в те¬
чение одного периода1. В случае синусоидального колебания между
средним и амплитудным значениями существует определенная связь
Ucp = 0,636 ит.
Среднее значение переменного тока, протекающего в цепи, оп¬
ределяет среднее потребление тока от источника постоянного тока,
питающего данную цепь.
Что такое мгновенное значение переменного
колебания?
Это значение переменного колебания, которое определяется в
данный момент. В случае синусоидального колебания мгновенное
значение непрерывно изменяется. При других видах колебаний из¬
менение мгновенного значения может быть резким или постоянным
на некотором отрезке времени. Мгновенное значение переменного
колебания обозначается малой буквой, например и, 7.
Что такое синусоидальное или гармоническое
колебание?
Это такое колебание, при котором ток и напряжение изменяют¬
ся во времени в соответствии с законом изменения синуса угла от
0 до 360° (рис. 1.17). Это основ¬
ная форма колебания переменно¬
го тока, являющаяся прямым
результатом методов его генера¬
ции, в частности на электростан¬
циях. Электрический ток синусо¬
идальной формы возникает в ре¬
зультате вращательного движе¬
ния ротора генераторного агрега¬
та. Из самого принципа действия
этих агрегатов следует периодич¬
ность изменения тока в зависи¬
мости от угла поворота. Синусоидальное колебание можно создать
с помощью электронных устройств, питаемых постоянным током.
1 Среднее значение синусоидального тока можно выразить интегралом
Т/2
f f«><# = YUn"
0
21
Что такое несинусоидальные колебания?
В общем случае это колебания, форма которых отличается от
синусоиды. Несинусоидальные колебания можно разделить на две
группы:
1. Колебания, форма которых повторяется через равные про¬
межутки времени, т. е. имеются постоянно повторяющиеся периоды.
Это периодические несинусоидальные колебания. Такие колебания —
результат искажений синусоидальных колебаний (рис. 1.18). При¬
мером могут служить колеба¬
ния, полученные после про¬
хождения синусоидального ко¬
лебания через устройства с
нелинейными элементами.
Рис. 1.18. Форма косинусоидального
колебания на выходе. прлшкч1поЛ
цепи
Ф
Рис. 1.19. Периодическое (о) и не¬
периодическое (б) электрические
колебания
2. Колебания, форма которых в разные периоды различна или
вообще не наблюдается никакой периодичности (рис. 1.19). Приме¬
ром может служить периодически повторяемый с частотой повторс-
ияя строк телевизионный сигнал изображения, однако в общем слу¬
чае в каждом периоде он различен. Непериодическими сигналами
являются электрические колебания, соответствующие, например,
речи либо нерегулярным изменениям физических величин (темпе¬
ратура и др.).
Что такое колебание прямоугольной формы?
Это периодическое колебание, у которого оба полупериода
имеют прямоугольную форму. В общем случае оба полупериода мо¬
гут иметь разную длительность (рис. 1.20). Если их длительность
одинакова, то говорят, что это симметричное колебание или колеба¬
ние, имеющее форму меандра. Прямоугольное колебание характе¬
ризуется амплитудой (Л), длительностью положительного и отрица¬
тельного импульса Тг, Ts, периодом Т — Тг + Т2 и частотой повто¬
рения /п — 1 /Г = 1/(7! + Т2). В прямоугольном колебании мы
различаем фронт, срез, а также вершину импульса.
Прямоугольное колебание, как и другие периодические коле¬
бания, в общем случае можно рассматривать как сумму некоторой
постоянной составляющей (постоянного тока) и многих синусоидаль¬
ных колебаний с разными амплитудами, частотами и временным
сдвигом по отношению друг к другу (рис. 1.21).
22
Углы, соответствующие взаимным сдвигам, определенные, на¬
пример, относительно основной составляющей, называются фазовы¬
ми углами. Самую низкую частоту синусоидального колебайия назы¬
вают основной частотой. Она равна частоте данного прямоугольного
колебания. Остальные синусоидальные составляющие, частоты кото¬
рых являются кратными основной частоте, называются гармониче¬
скими составляющими.
Форма колебания, полученная путем суммирования синусои¬
дальных составляющих, тем ближе к исходной, чем больше состав¬
ляющих учитывается в этом процессе. Прежде всего это зависит от
о)
*1
вершина
импульса Срез
^ Tf импульса
4
Фронт
импульса L
Тг
£
\
21 гармоника
5гармоник \
vZJ
Рис. 1.21. Влияние количества
гармоник на форму импульса
Рис. I 20. Несимметричное (а)
н симметричное (квадратное)
(и) прямоугольные колебания
крутизны фронта и среза прямоугольного колебания. На практике
в некоторых случаях достаточно учесть лишь несколько гармоник,
а в других — при очень крутых фронте и срезе — недостаточно
учета даже ста гармоник. В первом случае говорят, что частотный
спектр сигнала является узким, Во втором — широким.
Прямоугольные колебания используют в таких областях, как
цифровая и импульсная техника.
Что такое нелинейные искажения сигнала?
Это искажения, возникающие в схемах, содержащих нелинейные
элементы. Гармонические нелинейные искажения связаны с появле¬
нием в выходном сигнале новых гармонических составляющих.
На рис. 1.22 приведены примеры нелинейных искажений для
синусоидального сигнала. Видно, что искажения, вызывающие, на¬
пример, срез вершин синусоиды, могут приводить к получению ис¬
каженного сигнала, форма которого близка к прямоугольному коле¬
банию. Искажения этого типа зависят от амплитуды сигнала в дан¬
ном схеме и обычно тем больше, чем больше амплитуда.
Количественно гармонические искажения определяются с по¬
мощью коэффициента гармоник или коэффициента нелинейных иска¬
жении. Этот коэффициент обозначается К г и выражается в процен¬
23
тах. Например, в акустических устройствах содержание гармоник
ограничивается несколькими процентами, а в устройствах высоко¬
качественного воспроизведения д'г < 1%.
Ю А
/ \
I \
^=ь
\ /
\ /
\ /
V-rf
Лис. /.22. Неискаженное (а) и искаженное (б, е) синусоидальные колебания
Что такое колебание пилообразной формы?
Это колебание, в котором изменение мгновенного значения про¬
текает во времени по линейному закону (рис. 1.23). В общем случае
времена нарастания Тг и убывания Т2 мгновенного значения колеба¬
ния не равны. В некоторых приме¬
нениях одно из этих времен (обыч¬
но более длительное) называется
рабочим или активным временем,
а другое — временем возврата
или пассивным временем.
Пилообразные колебания ис¬
пользуются в телевидении, а
также в устройствах с осцилло-
графическими электронно-луче¬
выми трубками.
Что такое шумовое колебание?
Это колебание, мгновенное значение которого изменяется во
времени по случайному закону. Накладываясь на полезное колеба¬
ние, оно может привести к нежелательным эффектам. Помимо внеш¬
них, посторонних помех, таких как помехи от сетей электропитания,
радиостанций, атмосферных, существуют весьма нежелательные соб¬
ственные помехи или шумы, возникающие внутри устройств и прояв¬
ляющиеся в виде большого количества случайных импульсов со
случайным распределением частот следования и фазовых углов. Это
уже нс периодический, а случайный, или вероятностный, процесс.
Большую роль играют тепловые и дробовые шумы. Первые
возникают в элементах цепей и зависят от сопротивления элемента
и его температуры, вторые — в полупроводниковых приборах и
электронных лампах и связаны, в частности, со случайным движе¬
нием носителей заряда или неравномерной эмиссией электронов из
катода.
Уровень шумов определяется значением их средней энергии.
Шумовые свойства схем и устройств часто определяют с помощью
коэффициента шума.
24
Что такое электрический импульс?
Дать точное определение трудно. В общем можно принять, что
определение «импульс» чаще всего относится к электрическому про¬
цессу с малым временем длительности, причем само определение
«малое» является относительным. Оно мало по сравнению с временем,
когда импульс отсутствует (например, с временем перерыва между
двумя последующими импульсами). Часто определение «импульс»
используется неправильно, по отношению к половине симметричного
прямоугольного колебания, даже когда се длительность относитель¬
но велика.
XI Л1
N t
Xj
Ли
К L
-УЛ t
Рис. t.24. Примеры электрических импульсов
Импульсы могут быть положительными или отрицательными по
отношению к некоторому уровню отсчета. Могут быть одиночными
или повторяющимися. Повторение импульсов может быть неперио¬
дическим или периодическим. Примеры различных импульсов приве¬
дены па рис. 1.24.
Какие параметры характеризуют
электрический импульс?
Электрический импульс характеризуется следующими основ¬
ными параметрами: длительностью, частотой повторения пиковым
значением (амплитудой), временем нарастания, формой колебания.
Длительность импульса определяется обычно на уровне, соот¬
ветствующем половине вершины (амплитуды) импульса (рис. 1.25).
Частота повторения импульсов выражается зависимостью
/п ” I (^i т Т2) ~ 1 /Т.
Пиковое, среднее и действующее значения находят так же, как и
для синусоидального колебания, но очевидно, что численные значе¬
ния коэффициентов отличаются и зависят от параметров импульсов.
Что называется временем формирования
фронта импульса?
Время формирования фронта импульса определяет крутизну
фронта (при заданном зпачеинн амплитуды), выраженную в едини¬
цах времени. Чаще рсего его определяют как время, за которое мгно¬
25
венное значение импульса нарастает от 10 до 00% установившегося
значения (рнс. 1.26). Диалогично находят и время, среза (от 90 до,
10%); время формирования фронта обычно обозначают /ф. Невоз-:
можно создать импульсы с /ф — 0, поскольку любое физическое явт
ле.ние, также и нарастание тока в цепи, требует определенного
времени. Длительность фронта зависит от устройства, в котором им¬
пульс был сформирован, нот элементов этого устройства. Поэтому,
если говорить точно, на практи
j Щли-\
ъТ~гтель\^
^1 / ноешь \
п«
♦ Г,
ь ,
Рис. 1.25. Определение длитель¬
ности шипульса
могут существовать ие прямо'
Рис. 1.26. Определение длитель¬
ности фронта п среза импульса
угольные, а лишь трапецеидальные импульсы. Однако название
«прямоугольные» используется повсюду по отношению к импульсам
,с малым временем фронта и среза по сравнению с длительностью
импульса.
Что называется выбросом импульса?
Определение «выброс импульса» относится к той части прямоу¬
гольного импульса, на которой наблюдается короткое, но резкое
увеличение мгновенного значения и которая предшествует вершине,
т. е. той части импульса, для которой мгновенное значение постоян¬
но или почти постоянно (рис. 1.27). Во многих применениях наличие
выбросов является нежелательным эффектом.
Что такое спектр электрических сигналов?
Основным электрическим сигналом является синусоидальный,
который в «чистом» (неискаженном) виде представляет собой перио¬
дическое колебание, точно соответствующее одиночной синусоиде
без гармонических составляющих. Прямоугольное колебание и дру-
гие периодические колебания, как уже указывалось выше, можно
представлять с помощью суммы ряда (теоретически бесконечного)
периодических колебаний с разными частотами, амплитудами и фа¬
зовыми углами. График, представляющий набор амплитуд отдель¬
ных гармонических составляющих колебания, называют его спектром
(рис. 1.28).
Спектр периодического колебания имеет дискретный линей¬
ный характер, т е. в нем присутствуют определенные гармониче¬
ские составляющие, являющиеся целыми, кратными основной частоте
Обычно наибольшую амплитуду Л,: имеют составляющие /?/, с
26
относительно низкими частотами, а амплитуды высших гармоник в
общем относительно малы. Можно показать, что последние возра¬
стают, когда импульсы становятся более узкими либо когда их кру¬
тизна становится большей: время фронта убывает. Для правильного
воспроизведения формы импульса электронные узлы, через которые
проходят импульсы, должны иметь определенную полосу пропуска¬
ние. 1.27. Форма импульса с
выбросом
Рис. 1.28. Спектр прямо¬
угольного периодического
колебания
ния. Ширина этой полосы связана с временем фронта /ф следующей
зависимостью: ширина полосы нс менее 1/2/ф. Если время нараста¬
ния выразим в микросекундах, то ширину полосы получим в мега¬
герцах.
Спектр непериодического колебания, например одиночного им¬
пульса, имеет непрерывный (сплошной) характер без точно опреде¬
ленных гармонических составляющих. Спектр сигнала изобра¬
жения в телевидении периодичен. Но форма сигнала в каждом
периоде отлична и представляет набор спектральных линий, пере¬
мещающихся вблизи состояния покоя, соответствующего простому
неподвижному изображению.
ГЛАВА 2
ИЗЛУЧЕНИЕ И ВОЛНЫ.
СОПРОТИВЛЕНИЕ.
ЭЛЕМЕНТЫ И ЦЕПИ
Что такое электромагнитное излучение?
Это распространение в пространстве электрической энергии
в виде переменных электрического и магнитного полей. Связанная
с этим излучением электромагнитная волна переносит электриче¬
скую энергию иа расстояние. Скорость распространения электро¬
магнитной волны в вакууме равна примернаЗОО 000 км/с. Электро¬
магнитная волна характеризуется частотой или длиной волны.
Связь Между частотой / и длиной волны X в пространстве выража¬
ется следующим образом:
Л, = сТ- = с//,
где с — скорость света. Если X выразим в метрах, a f — в кило¬
герцах, то X — 3‘ 105//, а если / в мегагерцах, то X = 3* Ю2//.
Электромагнитные волны известны и достаточно изучены в диа¬
пазоне частот практически отОдо 1023 Гц. Спектр электромагнитных
волн приведен в табл. 2.1. На практике для радиосвязи используют¬
ся волны с частотами от 104 до 1011 Гц, т. е. с длиной волны X от
30 км до нескольких миллиметров. Классификация электромагнит¬
ных волн, применяемых в электронике и радиоэлектронике, приведе¬
на в табл, 2.2*.
i Я
//V
70 -Ю
10 Гц]
-10,
tJ8r -Ю п
10 Гц
JSr
Ю Гц-'
Ю%
-ю
-10
и
:8
74
А Гамма-излучение (у)
РеитеетВское излучение
J Ультрафиолетовое излучение
3 Видимый едет
1000 ггц
ю а ггц
ю ггц
1ГГЦ
100 МГц-
10 МГц -
1МГц
100 КГц -
10 кГц -
woo гц
100 гц
ЮГц -
Постоянный ток
S Инфракрасное излучение.
§Г
-10 ‘
-1
-102
10й
-ю1
РадиоВолнЫ
ред.
28
Старая классификация по длине волны здесь не приводится. — Прим.
Таблица 2.2
Диапазон волн
Частота f
Длина волны Я
Радио-
Декаметровые
3—30 Гц
10s—104 км
диапазон
Мегаметровые
30—300 Гц
104—103 км
Гектокилометро-
вые
0,3—3 кГц
103—102 км
Мириаметровые
3—30 кГц
100—10 км
Километровые
30—300 кГц
10—1 км
Гектометровые
0,3—3 МГц
1000—100 м
Декаметровые
3—30 МГц
100—10 м
Метровые
30—300 МГц
10—1 м
Дециметровые
0,3-3 ГГц
1—0,1 м
Сантиметровые
3—30 ГГц
10—1 см
Миллиметровые
30—300 ГГц
10—1 мм
Децимиллиметро-
вые
300—3000 ГГц
1—0,1 мм
Оптичес¬
кий диа-
Инфракрасное
излучение
3—400 ТГц
(100—0,76)10-® м
пазон
Видимое излуче¬
ние
400-7500 ТГц
(0,76—0,4)10-® м
Ультрафиолетовое
излучение
(0,75-нЗО) 101 Гц
(0,4—0,01)10-® м
Свойства электромагнитных волн и их распространение в зна¬
чительной степени зависят от длины волны.
Что такое звуковые волны?
Это возмущения, распространяющиеся в материальной среде,
в основном в воздухе, и связанные с колебаниями частиц этой сре¬
ды. Звуковые волны охватывают диапазон частот от 10—20 Гц (низ¬
кие звуки — басы) до 20 кГц (высокие звуки) и распространяются
в воздухе со скоростью около 340 м/с. Это не электромагнитные вол¬
ны, однако при использовании соответствующих преобразователей
(микрофонов) звуковые волны легко удается преобразовать в элек¬
тромагнитные волны тон же частоты.
Электрический сигнал, соответствующий речи и музыке, назы¬
вается акустическим сигналом или сигналом низкой частоты. Его
можно усиливать, преобразовывать и передавать на большие расстоя¬
ния, что невозможно осуществить при непосредственном использо¬
вании звуковых волн. Для преобразования электрического сигнала
низкой частоты в звуковые волны применяют преобразователи, на¬
зываемые громкоговорителями. В общем случае электрический сиг-
29
пал, соответствующий звукам речи И музыки, не является пеэиоди-
веским сигналом и имеет нерегулярную форму.
Область науки и техники, занимающихся йреобразованием аку¬
стической энергии в электрическую и обратно,' а также передачей
акустических сигналов, называется электроакустикой.
В каких единицах измеряется уровень звука?
Уровень звука можно выразить в единицах силы (интенсивно¬
сти) звука — ваттах на квадратный метр, в единицах акустическо¬
го давления в ньютонах иа квадратный метр либо в единицах уров¬
ня громкости звучания — в фонах. Часто пользуются единицей,
называемой децибелом и определяющей относительный уровень аку¬
стического давления, акустической мощности или силы звука.
Децибел — логарифмическая мера отношения двух численных
значений акустических мощностей: число децибел равно 10 lg Р2! Р\.
Численное значение Рх часто называется уровнем отсчета (опор¬
ным). Человеческое ухо (так же как и глаз) реагирует нелинейно
на внешние стимулы, причем отклик пропорционален логарифму
возбуждения. С этой точки зрения применение децибелов очень
удобно. Изменение мощности звука па 1 дБ едва ощущается ухом.
Весьма часто децибелы используют также для характеристики
электрических сигналов, особенно акустических. Для уровней моЩт
иостей Р2 относительно Рх имеем число децибел 10 lg Р2/Рх, а для
уровней напряжений U2 относительно Ul с учетом того, что Р ~
-- UVR, число децибел равно 20 lg UJUX. В табл. 2.3 приведены
наиболее часто встречающиеся значения в децибелах и соответстппо»
щие им отношения напряжений и мощностей.
Таблица 2.3
Децибелы
Отношение напряжений
Отношение мощностей
—G
0,5
0,25
—3
0,707
0,5
0
1
1
+ 3
1,41
2
+ G
2
4
+G + 0 = + 12
2-2 = 4
4-4 = 16
Что такое световое излучение?
Это электромагнитное излучение, лежащее в диапазоне види¬
мого света и связанное со зрительными ощущениями человеческого
глаза. Частоты световых воли лежат выше самых высоких частот
радиоволн. Для передачи световых изображений на расстояние свет
преобразуется в электрический сигнал путем использования соот¬
ветствующих преобразователей, работающих, например, на прин¬
ципе фотоэмиссии. Затем с помощью радиоэлектронных средств этот
сигнал можно преобразовать w передать на большие расстояния.
Применение соответствующих электрооптических преобразователей
30
позволяет осуществить обратную задачу, т. е. преобразование элек¬
трического сигнала в световое изображение.
Областью техники, которая главным образом занимается пре¬
образованием света в сигнал и обратно, а также передачей этого-сиг¬
нала, является телевидение.
Какие параметры определяют свет?
Качественными параметрами являются цвет н насыщение.. Ко¬
личественным параметром является яркость. Единицей яркости яв¬
ляется кандела на квадратный метр, единицей освещенности —
люкс. Имеются и другие величины, и единицы их измерения.
Что такое полное сопротивление?
Это электрическое сопротивление, называемое иначе комплекс¬
ным или кажущимся. Оно относится к цепям переменного тока, в ко¬
торых помимо элементов, представляющих действительное электри¬
ческое сопротивление R, находятся элементы цепей переменного
тока, т. е. конденсаторы (С), или индуктивности (L). В этом случае
результирующее электрическое сопротивление такой цепи для пере¬
менного тока называется полным сопротивлением и обозначается.
Z. В соответствии с законом Ома Z = U/I. Величина, обратная пол¬
ному сопротивлению, называется проводимостью и обозначается У.
В общем случае полное сопротивление состоит из двух частей —
действительной и мнимой. Действительная, называемая резистив¬
ным или активным сопротивлением, обозначается Я. Его значение
на постоянном и переменном токе будет одинаковым. При протека¬
нии постоянного или переменного тока через активное сопротивление
в нем происходит выделение тепла. Величина, обратнаи резистивно¬
му сопротивлению, называется активной (действительной) прово¬
димостью и обозначается G, Единицей проводимости является си¬
менс [См] — величина, обратная ому.
Мнимая часть полного сопротивления образует пассивное
сопротивление, называемое реактивным, и обозначается X. В реак¬
тивном сопротивлении: нс происходит выделения тепла, а протекаю¬
щий через пего ток приводит к накоплению энергии в виде электро¬
магнитного поля. Наличие реактивности в цепи вызывает фазовый
сдвиг между током и напряжением. Различают емкостную реактив¬
ность Хс, сопротивление конденсатора С для переменного тока, и
индуктивное сопротивление XL — сопротивление катушки индук¬
тивности для переменного тока. Величина, обратная реактивному
сопротивлению, называется пассивной или кажущейся проводи¬
мостью и обозначается В. Численное значение модуля Z цени пере¬
менного тока с активным сопротивлением R и реактивным сопротив¬
лением X определяется формулой
7 = У R? + X2.
Какое электрическое сопротивление
имеет конденсатор?
Это зависит от вида тока. Для постоянного тока идеальный
конденсатор представляет собой сопротивление (активное) R -^ оо,
ш: позволяющее протекать постоянному току. На переменном токе
3!
с частотой / реактивное сопротивление конденсатора С или емкост¬
ное сопротивление выражается формулой
Хс = 1/2 л/С.
Если перейти от частоты f к со, то
Хс = 1 /озС.
Из этой зависимости следует, что емкостное сопротивление убывает
с ростом частоты тока. На очень высоких частотах емкостное сопро¬
тивление стремится к нулю.
Рис. 2.1. Сдвиг фазы между то- Рис. 2,2. Сдвиг фазы между
ком и напряжением па емкости током и напряжением на индук¬
тивности
Как уже указывалось, реактивность вызывает сдвиг фазы между
током и напряжением (рис/ 2.1). В результате этого сдвига (для
конденсатора) ток опережает напряжение на 90°.
Какое электрическое сопротивление имеет катушка
индуктивности?
Для постоянного тока идеальная индуктивность обладает нуле¬
вым сопротивлением R = 0. Для переменного тока с частотой /
индуктивное сопротивление выражается зависимостью XL = 2nfL
или XL — toL, т. е. индуктивное сопротивление с ростом частоты
увеличивается.
Фазовый сдвиг, вызываемый индуктивностью, таков, что напря¬
жение опережает ток на 90° (рис. 2.2).
Из каких элементов состоят электрические цепи?
Элементы электронных схем можно разделить на две. группы:
активные и пассивные. Активными называют такие элементы, кото¬
рые могут увеличивать энергию подводимого сигнала (транзисторы
и лампы). Пассивные элементы не дают увеличения мощности. К ним
относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, транс¬
форматоры, диоды1, переключатели и т. п.
1 Исключение составляют туннельные диоды, которые относятся к актив¬
ным элементам.
32
Резистор как элемент схемы
Резистор — элемент схемы, вносящий в цепь определенное по¬
стоянное или переменное (регулируемое) сопротивление. Элементы
с постоянным сопротивлением чаще всего изготавливают в виде про*
водочных и пленочных резисторов. Проволочные резисторы выпол¬
няют путем навивки провода с высоким сопротивлением на керамиче¬
ский корпус, а пленочные — посредством напыления соответствую¬
щих металлических сплавов на керамические столбики (цилиндри¬
ки) или трубки. Резистор (рис. 2.3) характеризуют в основном сле¬
дующие параметры: сопротивление и его допуск; допустимая мощ¬
ность (рассеяния).
Основной единицей сопротивления является ом [Ом]. Часто
используются в тысячу раз большая единица, называемая килоомом
[кОм] и в миллион раз большая — мегом [МОм]. В электронике ис¬
пользуют резисторы с сопротивлениями от нескольких ом до не¬
скольких десятков мегом.
В СССР и ПНР в крупносерийном производстве находятся ре¬
зисторы с допусками на номинальное значение ±30, ± 20, ± 10,
± 5% и менее. Для каждого допуска существует подобранный ряд
номинальных сопротивлений. Так, для допуска ± 20% выпускают
резисторы с сопротивлениями 10, 15, 22, 33, 47, 68 Ом и сопротивле¬
ниями, полученными путем умножения этих номиналов на 0,1, 10,
100, 1000 и более. Для допусков ± 10% ряд номинальных сопротив¬
лений в 2 раза больше.
Аналогично стандартизованы номинальные значения максималь¬
но допустимой мощности резисторов, связанные с допустимой рабо¬
чей температурой. Различают резисторы, для которых максималь¬
ная выделяющаяся мощность при температуре окружающей среды
20° С может иметь значения: 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 3 Вт и более. Вы¬
деляющаяся мощность в резисторе, работающем в цепи, рассматри¬
вается обычно по току, протекающему в ней (Р = I2R). В случае,
если в цепи течет только переменный ток, учитывается его действую¬
щее значение, а при протекании постоянного и переменного тока
значение тока, требующееся для определения мощности, выделяе¬
мой в резисторе в виде тепла, определяют с учетом постоянной со¬
ставляющей тока и действующего значения переменной составляю¬
щей1. Допустимое значение тока при определенной мощности рези¬
стора при заданной температуре окружающей среды можно рассчи¬
тать по закону Ома.
Помимо резисторов с постоянным сопротивлением существуют
переменные или регулируемые резисторы (потенциометры). Они до¬
пускают плавную регулировку сопротивления путем вращения оси,
связанной с движком, скользящим по поверхности, покрытой резис¬
тивным слоем. Изменения сопротивления в зависимости от угла
поворота могут происходить по линейному, логарифмическому или
экспоненциальному закону. Переменные, так же как и постоянные,
резисторы могут быть выполнены проволочными или пленочными.
Реальные резисторы помимо чисто активного сопротивления об¬
ладают также некоторой собственной емкостью и индуктивностью,
которые образуют паразитные реактивности. Особенно это отноеит-
' Результирующий ток определяется зависимостью
^ред ~ 2 + ^действ*
2 Зак. IG0G
33
ся к проволочным элементам Во многих случаях применения су¬
ществование реактивностей крайне нежелательно.
Определение результирующего сопротивлении при последова¬
тельном и параллельном соединении резисторов поясняется на
рис. 2.4.
Что можно сказать о конденсаторе
как элементе цепи?
Конденсатор — это элемент, и носящий в цепь определенную
постоянную или регулируемую емкость. Он состоит из двух проводя¬
щих обкладок, изолированных одна от другой диэлектриком.
В зависимости от конструкции п вида диэлектрика различают
Рис 2:) Графическое изображение постоянного (а) п переменного
(б) резисторов
Рис 2 4. Определение результирующего сопротивления при мосле
лонлтсльпом (и) и параллельном (б) соединении резисторов
конденсаторы с воздушным зазором, бумажные, полистироловые,
керамические, электролитические и т. п. Они имеют разные свой¬
ства и габаритные размеры, разное назначение и области примене¬
ния. Конденсаторы (рис. 2.5) характеризуются в основном следую¬
щими параметрами: емкость и ее допуск, рабочее напряжение,
диапазон рабочих температур и температурный коэффициент емко¬
сти, потери и добротность.
S)
1
1+
т
т
Рис 2 Я Графическое изображе¬
ние постоянного (а), элсктролн
тнческого (б), переменного (в)
и подстроечного (г) конденса¬
торов
Основная единица емкости — фарада [Ф]. Это очень большая
емкость, и поэтому на практике обычно используют значительно
меньшие единицы: 10—Ф 1 пФ — пикофарада, 10“° Ф = 1 нф —
нанофарада, 10-0 Ф 1 мкФ — микрофарада.
В электронике применяют элементы с емкостями от нескольких
пихофарад до нескольких тысяч микрофарад. Емкость конденсатора
возрастает при увеличении площади обкладок и убывает при увели¬
чении расстояния между ними. Увеличение площади обкладок при¬
водит к свернутой или многослойной конструкции конденсатора
При производстве конденсаторов применяются такие же допуски н
34
ряди номинальных значений емкости, как для ре«истории Для ■•♦лек*
тролитическкх кондепеаторон используется укороченный ряд зна¬
чений.
Конструкция конденсатора ограничивает рабочее напряжение
поскольку при очень большом напряжении происходит пробой ди¬
электрика и конденсатор выходит из строя. Интервал рабочих на¬
пряжении конденсаторов обусловлен их назначением и конструкцией.
Так, электролитические конденсаторы с емкостью порядка сотен
микрофарад, используемые в цепях питания постоянною тока, пред¬
назначены для работы при напряжениях в несколько десятков или
даже сотен вольт.
Диапазон рабочих температур конденсатора зависит прежде все¬
го от вида его диэлектрика. Изменение температуры влияет также на
емкость конденсатора. Это очень оежпо,
п поэтому выбор копденса
о)
|L_
С
II
г _ 2
2 L с, * с2
— II
II
Рис. 2.6. Определение рстультн- г«
рующеП емкости при последопа О]
тельном (я) и параллельном (б)
II
■Н-1
— II
соединении кпндене.ттороп 1
—
С?
= |f—
1
■IR
Спар = £/
тора часто определяется температурным коэффициентом емкости,
который в зависимости от используемых материалов и технологии
может иметь положительное или отрицательное значение. В цепях,
где важен «результирующий» температурный коэффициент, темпера¬
турный коэффициент конденсатора выбирается таким, чтобы изме-,
нения емкости в функции температуры компенсировали изменения
индуктивности; благодаря этой компенсации сопротивление цепи
RLC остается постоянным.
Помимо емкости конд< чсаторы обладают некоторой собственной
индуктивностью и активным сопротивлением. Наличие последнего
вызывает потери, связанные с преобразованием электрической энер¬
гии в тепловую. Потери энергии в конденсаторе характеризуются
тангенсом угла диэлектрических потерь tg 6; величина, обратная
этому коэффициенту, называется добротностью конденсатора.
Во многих применениях добротность является решающим фак¬
тором при выборе типа конденсатора. Помимо конденсаторов с по¬
стоянной емкостью существуют переменные (регулируемые) конден¬
саторы с плавной регулировкой емкости, обычно до нескольких де¬
сятков или сотен пикофарад. Они служат главным образом для пере¬
стройки резонансных контуров.
Определение результирующей емкости при последовательном и
параллельном соединении конденсаторов поясняется на рис. 2.6.
Как рассчитывается реактивное сопротивление
конденсатора?
Реактивное сопротивление конденсатора определяется по фор¬
муле
= 1/2л/С.
2*
35
Если емкость выражается d фарадах, а частота в герцах, то реактив¬
ное сопротивление получается в омах. Результат в омах получается
также при подстановке емкости в микрофарадах и частоты в мега¬
герцах. Для других единиц необходим пересчет. Например, для
С - 100 пФ и / 100 кГи следует его произвести по формуле
Хс - 1/6,28 (102- КУ1) (10- 10-3) ~ I/G.28 10-2 ~ ю Ом.
Как маркируются резисторы и конденсаторы?
Существует два способа маркировки или обозначения на рези¬
сторах и конденсаторах их значении и допусков. Один из них —
цветовой, второй — буквенно-цифровой.
/
2
J
Рис. 2.7 Пример цветопого ofionia-
чепия резистора с сопротивлением
22 КОМ J:I0%
Г
J — оранжевый (коэффициент крат¬
ности (О3!; 2 серебряный (допуск
±10%): 3 — красный (вторая циф¬
ра) — 2; 4 — красный (нерпал циф-
if рэ) — 2
В цветовом коде (табл. 2.4) используются четыре цветные поло
скн или точки. Цвета первой и второй полосок определяют первую
и вторую цифры, а цвет третьей полоски — коэффициент кратности
для величины, выраженной помах или пикофарадах. Последняя по¬
лоска или точка определяет своим цветом допуск на эту величину.
На рис. 2.7 приведен пример обозначения резисторов.
Т а 0 л п ц а 2.4
Парная четвертая (смотпстггпеиио) полоски или гичка
Цвет знака
Первая
цифра
Вторая
цифра
Коэффициент
КрПТПОСТИ
Допуск
Серебряный
10 2
±10%
Золотой
—
—
ю-г
±5%
Черный
—
0
1
—
Бронзовый
1
1
10
±1%
Красный
2
2
10*
±2%
Оранжевый
3
3
ю5
—
Желтый
4
4
10*
—
Зеленый
5
5
105
—
Г олубой
6
6
10"
—
Фиолетовый
7
7
го7
—
Серый
8
8
108
—
Белый
9
У
109
—
Отсутствие
цветного знака
±20%
36
■' В буквенно-цифровом коде обозначения кратности исполь-
зуЮтся буквы. Для резисторов пр имели ют следующие обозначения
кратности: 1 — буква R, I03 — К, I0,J — /VI, а для конденсаторов:
10~12 — р, 10~й — п, 10~и ;— J.L. Буквы занимают место запятой
десятичного знака в поминальном значении. Например, 5,9 Ом —
обозначение 5R9, 59 Ом — 59R, 1,5 кОм — 1Л'5, 59 кОм —59К,
1,5 МОм — 1УИ5, а также 1,5пФ — 1р5, 33,2 пФ — 33/;2.
Буквенно-цифровая маркировка резисторов и конденсаторов в СССР со¬
стоит из последовательно расположенных цифр, указывающих поминальное
сопротивление (емкость), буквы, обозначающей единицу измерения (крат¬
ность) сопротивления при емкости и показывающей положение запятой деся-
ти'чнЗй дроби, и буквы, обозначающей допустимое отклонение от поминаль¬
ного - значения, Для резисторов приняты следующие обозначения кратности
поминального сопротивления: Е — омы, К — килоомы, М — мегомы, Г — гн-
гаомы, Т —тераомы, а для номинальной емкости: П — пнкофарады, И — на-
пофарады, М — микрофарады. Кодированные обозначения ■ допускаемого от¬
клонения сопротивлсш!Я и емкости приведены в табл. 2.5. Например, резисто¬
ры с сопротивлением 68 Ом и 1,5 кОм и допустимым отклонением ±2% име¬
ют соответственно маркировку 6ЙЕЛ и 1К5Л, а емкость 1,5 мкф с допусти¬
мым отклонением ±20% сокращение обозначается 1М5В. -- Прим. рсО.
Т а 6 л и ц а 2.5
Допустимое от¬
клонение сопро¬
тивления п емко¬
сти от номиналь¬
ных значений, %
±0,1
±0,2
±0,5
±1
±2
±5
±ю
±20
±30
Кодированное
обозначение
Ж
У
Д
Р
л
И
с
В
ф
Допустимое от¬
клонение емкости
от поминальных
значений
-1-50
— 10
'-{-50
—20
-1-80
—20
+ 100
-{-100
— 10
+0,4
гтф
-1-30
Кодированное
обозначение
Э
; Б
Л
я
ю
х-
1 -
ф
Что можно сказать о катушке индуктивности
как элементе схемы?
Катушка индуктивности является элементом, вносящим в цепь
определенную постоянную или регулируемую индуктивность. Ка¬
тушку индуктивности часто выполняют навивкой проволоки на кор¬
пус, сделанный из изолятора. Навивка может быть одно- или много¬
слойной. Катушки бывают воздушными (бссссрдечниковыми) либо
с магнитным сердечником. Катушки индуктивности (рис. 2.8) в ос¬
новном характеризуются следующими параметрами: индуктивно¬
стью и добротностью.
Основной единицей индуктивности является генри [Гн]. Ча¬
ще используются в тысячу раз меньшая единица, называемая мил-
37
лигепри [мГн], и в миллион раз меньшая единица — микрогенри
[мкГн]. Индуктивность катушки возрастает с увеличением се разме¬
ров и числа витков. Воздушные катушки имеют индуктивность от
1 Г и до нескольких десятков миллигенри. Большие значения ин¬
дуктивности (даже несколько тысяч генри) получают, когда катушки
индуктивности выполняют иа ферромагнитных стержнях. Регули¬
ровка индуктивности чаще всего выполняется перемещением сер¬
дечника относительно навивки (например, путем вворачивания или
выворачивания сердечника отверткой).
Рис. 2.8. Графическое и.юбрлжстю
катушек индуктивности с постони-
иоЛ (о). переменной (б) индуктив¬
ностью н с ферритовым сердечни¬
ком (о)
а) 5} 8)
Кроме индуктивности катушки обладают некоторой емкостью
зависящей от распределения навивки, и некоторым активным со¬
противлением (рис. 2.9), отражающим потери энергии в катушке
(в навивке, корпусе, сердечнике). Сопротивление потерь увеличива¬
ется при росте частоты.
Добротность катушки определяется как отношение индуктив¬
ного сопротивления к сопротивлению потерь (последовательному):
Q = XJR = 2 я/L/tf.
Добротность изменяется в зависимости от частоты, габаритных
размеров и формы катушки, материала корпуса, типа навиваемого
Рис. 2.9. Эквивалентная схе¬
ма реально!! катушки индук¬
тивности
Рис. 2.10. Определение результирующей
индуктивности при последовательном
(«) н параллельном (и) соединении ка¬
тушек
провода, свойств сердечника. Добротность катушек составляет 50—
200. Большой добротностью в диапазоне высоких частот обладают
воздушные катушки, навитые на керамический корпус.
Индуктивными элементами являются также дроссели и трансфор¬
маторы. Дросселями называются катушки, задача которых создать
в цепи большое сопротивление для переменного тока, чтобы пода¬
вить токи определенных частот. В частности, дроссели применяются
в фильтрах источников питания.
Определение результирующего значения индуктивности при
последовательном и параллельном соединении катушек пояснено на
рис. 2.10.
38
Трансформа гор как элемент цепи
Трансформатор является индуктивным элементом, состоящим по
меньшей мерс из двух обмоток, предназначенных для передачи энер¬
гии из первичной обмотки во вторичную. В электронных устройст¬
вах трансформатор чаще всего служит для повышения или пониже¬
ния напряжения (в выпрямителях в устройствах питания), а также
для согласования нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке
трансформатора, сопротивлением источника, подключенного к пер¬
вичной обмотке. Часто трансформаторы
используют в качестве элементов связи
в усилителях. Мощности используемых
в электронных устройствах трансфор¬
маторов редко превышают 100 Вт. От¬
ношение числа витков вторичной об¬
мотки п2 к числу витков первичной
называется передаточным отношением р
или коэффициентом трансформации /0гр
трансформатора. Для идеального тран¬
сформатора, т. с. трансформатора' без
потерь, имеем следующие соотношения
(рис. 2.11):
передаточное отношение р —■ п21п^
= UJUi, .
передаваемая мощность1 р ----- U\IR2 — p^Uf/Ri.
Согласование сопротивления нагрузки R2 с сопротивлением
источника Ri бывает в том случае, когда сопротивление Rlt «види¬
мое» со стороны источника или пересчитанное на первичную обмот¬
ку трансформатора и зависящее от передаточного отношения транс¬
форматора, равно сопротивлению источника
1 с
1 1
—
1
|
V'
иг
4
О
»■ ■ ■ —<
э
'
r J
Рис. 2.11. Трансформатор,
нагруженный: на сопротивле¬
ние
R = Rjp2 =
Какие преобразователи встречаются в электронных
устройствах?
Существует много видов преобразователей. Их задача — преоб¬
разование энергии одного вида в другой. Электроакустические пре¬
образователи (рис. 2.12) преобразуют акустическую энергию, напри-
Рис. 2.12, Графическое- ню-
Сражение электроакустиче¬
ских преобразователей мик¬
рофона (а), громкоговори¬
теля (б) и наушников (о)
9
мер речи или музыки, в электрическую или наоборот. В первом слу¬
чае это микрофоны, во втором—громкоговорители и телефоны. Су¬
ществуют также преобразователи, обеспечивающие возможность за¬
писи звуковых сигналов и изображений, в том числе на магнитной
1 В действительности передаваемая мощность меньше, поскольку в транс¬
форматоре всегда имеются потери.
39
лепте, на пластинке (записывающие головки), а также преобразова¬
тели для воспроизведении записанного звука и изображения, на¬
пример в электропроигрывателях, магнитофонах, видеомагнито¬
фонах.
В телевидении используют преобразователи, которые преобра¬
зуют в передающей камере (передающие элсктрогшо-лучевыс трубки)
оптическое (световое) изображение н электрический сигнал, а также
в приемнике (кинескопы приемные трубки) электрический сиг¬
нал в световое изображение.
На каком принципе работает микрофон?
Это зависит от типа микрофона, но в общем случае можно ска¬
зать, что преобразование энергии звука, попадающего на микрофон,
в электрическую энергию происходит на принципе использования
пружинной мембраны, колеблющейся под влиянием энергии звуко¬
вых воли, которая вызывает изменение тока, протекающего в цепи
микрофона в такт с воздействующими на эту мембрану волнами.
Рас. 2.13. Упрощенная кон¬
струкция динамического ми¬
крофона:
/ — колеблющаяся мембрана:
2 — витки катушки; 3 — по¬
стоянный магнит
/ 2
Рис. 2.14. Конструкция
угольного микрофона:
1 — колеблющаяся мембрана;
2 — зерна угольного порош¬
ка; 3 — корпус
Динамический микрофон (рис. 2.13) действует на принципе
возникновения электродвижущей силы в катушке, перемещающейся
в магнитном поле. Катушка соединена с колеблющейся мембраной,
а магнитное поле создается постоянным магнитом.
Угольный микрофон (рис. 2.14) применяется, в частности, в те¬
лефонных трубках. Колеблющаяся в нем мембрана изменяет элек¬
трическое сопротивление угольного порошка, прижимаемого мем¬
браной, чтов свою очередь вызывает изменение тока, протекающего
через порошок.
Емкостный микрофон работает на принципе использования ко¬
леблющейся мембраны в качестве одной из обкладок конденсатора.
Колебания мембраны изменяют емкость, что в свою очередь вызывает
изменение падения напряжения на резисторе, включенном в цепь
микрофона.
Существуют и другие типы микрофонов. Они отличаются кон¬
струкцией и параметрами, такими как чувствительность (точнее
эффективность), полоса акустических частот, выходное сопротивле¬
ние источника сигнала, направленные свойства и др.
40
На каком принципе работает
громкоговоритель?
Это зависит от типа громкоговорителя. В случае динамическо¬
го громкоговорителя (рис. 2.15) электрический ток на акустических
частотах, протекающий через обмотку катушки, размещенный ь по¬
ле постоянного магнита или электромагнита, вызывает колебания
этой катушки. Катушка соединена с конусообразной мембраной (чаще
всего из бумажной массы). Колебания мембраны вызывают в свою
очередь возникновение звуковых волн.
Существуют также другие типы громкоговорителей. Важными
параметрами громкоговорителя являются: допустимая акустиче¬
ская мощность, КПД, сопротивление громкоговорителя как нагруз¬
ки схемы, управляющей громкоговорителем.
Рис. 2.IS. Упрощенная конструкция ди¬
намического громкоговорителя:
/ — колеблющаяся мембрана; 2 — ко¬
леблющаяся катушка; 3 — постоянный
магнит; 4 — подвеска мембраны
Верное воспроизведение всего диапазона акустических частот
одним громкоговорителем при современном уровне техники оказы¬
вается невозможным, и поэтому в устройствах высококачественного
воспроизведения применяют комплекты громкоговорителей, содер¬
жащие подобранные соответствующим образом громкоговорители
для низких и высоких частот. Обычно громкоговорители, хорошо
воспроизводящие низкие частоты, значительно больше по размерам,
чем громкоговорители для воспроизведения высоких частот.
На каком принципе работают преобразователи
изображения?
Преобразователь, превращающий оптическое изображение в
электрический сигнал и применяемый в телевизионной камере, ра¬
ботает иа принципе использования явления фотоэмиссии или фото¬
проводимости.
Во втором случае в передающей трубке, называемой видиконом,
оптическое изображение, проектируемое объективом на пластнй-
ку со слоем фоторезистора, изменяет сопротивление в различных ее
местах в зависимости от интенсивности света, падающего в данное
место. Увеличение интенсивности света вызывает убывание сопро¬
тивления. При проектировании изображения на пластинке возника¬
ет определенное распределение потенциала, зависящее от распреде¬
ления света и теней в проецируемом оптическом изображении. В
трубке имеется электронный луч, который направлен на пластинку
и перемещается по ней по определенному закону. Перемещаясь,
луч попадает на точки с разным потенциалом, что вызывает проте¬
41
кание через пластину тока, значение которого в каждый момент за¬
висит от сопротивления в данной точке, т. е. от количества света,
падающего на точку.Таким образом, получают ток, изменяющийся
в зависимости от распределения светлых и темных точек простран¬
ства.
Преобразование электрического сигнала в оптическое изобра¬
жение происходит в приемных трубках, называемых кинескопами.
Пр инцип действия кинескопа тот же, что и осциллографических тру¬
бок. Электронный луч воздействует на экран, покрытый материалом,
светящимся под его воздействием. Интенсивность свечения зависит
от тока луча, который в свою очередь зависит в каждый момент от
мгновенного значения управляющего трубкой сигнала, полученного
от передающей трубки.
Что такое электронные цепи и схемы?
Это комбинации, образующиеся в результате соединения элск-
трических элементов. В общем случае определение «цепь» применяет¬
ся по «отношению» к простым комбинациям элементов, а определение
«схема» — к более сложным, однако такое деление строго и последо¬
вательно не соблюдается.
Цепи и схемы делятся на разные группы в зависимости от прин¬
ципа действия, функции, технологии, свойств и т. п. В дальнейшем
мы познакомимся с определением и сущностью цепей и схем, назы¬
ваемых линейными и нелинейными, активными и пассивными, логи¬
ческими и цифровыми, резонансными, связанными, печатными, ин¬
тегральными и др.
Что такое линейные и пассивные цепи?
Линейные цепи — это цепи, состоящие только из линейных эле¬
ментов, т. е. таких, для которых зависимость между напряжением
и током является линейной. В общем случае линейными элементами
не являются транзисторы, лампы, катушки индуктивности, транс¬
форматоры с сердечником и преобразователи.
На практике цепи, содержащие нелинейные элементы и называе¬
мые нелинейными, рассматриваются приближенно как линейные,
особенно при работе с малыми уровнями сигналов.
Пассивными цепями называются цепи, не содержащие активных
элементов, т. е. элементов, повышающих уровень энергии подво¬
димого сигнала, таких как, например, транзистор или лампа.
Что такое интегрирующая цепь?
Это линейная цепь (рис. 2.16, а), используемая для изменения
формы подводимого сигнала. Форма выходного сигнала при возбуж¬
дении такой цепи прямоугольным импульсом представлена на
рис. 2.16, б. Скорость нарастания фронта выходного сигнала за¬
висит от постоянной времени т = RC или т U R. Чем больше по¬
стоянная времени, тем сильнее форма выходного сигнала отличает¬
ся от формы входного сигнала.
Интегрирующую цепь можно рассматривать как фильтр, про¬
пускающий низкочастотные составляющие сигнала н подавляющий
составляющие более высоких частот, т. с. как фильтр нижних ча¬
стот.
42
а) 5)^
О- 1 )
Вх С -
—о
- Вых
1 1
iXN
п
/l- Ьольшая
V-среднпя
Г- малая
У
Г
1 Вых
'—о
Рис. 2.16. Примеры простых
ющпх цепей (о) ц фпрмп
(б) па выходе
пптегриру-
II м пульса
Что такое дифференцирующая цепь?
Это линейная схема (рис. 2.17, а), используемая для изменения
формы подводимого сигнала. При подаче прямоугольного импульса
на выходе цепи получают сигнал, форма которого показана на
рис. 2.17, б. Изменение формы сигнала тем больше, чем меньше по¬
стоянная времени цепи т = RC или т = LI R.
а)
Вх
llz-
R
Вых Вх
6-
о о-
8)
Г Г5-"
~__i
V
SL
—о $- Воль
лая t-средн.
£ V
яя t-малая
Рис. 2.17 Примеры простых дифференцирующих цепей (а) н форма импуль¬
са (б) па выходе
Дифференцирующую цепь можно рассматривать как фильтр,
пропускающий высокочастотные составляющие сигнала и подавляю¬
щий низкочастотные составляющие, т. е. как фильтр верхних частот.
Что такое цепь с параллельным резонансом?
Это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора,
соединенных параллельно. Если учесть потери в катушке и конден¬
саторе как сопротивление R, то такую цепь можно представить
в виде, показанном на рис. 2.18, а. Полное сопротивление этой цепи
зависит от частоты (рис. 2.18, б). Наибольшее значение достигается
при частоте собственных колебаний цепи, называемой резонансной
частотой и выражаемой формулой
/о = 1/2нУТС,
где L — в генри, С — в фарадах, а результат получаем в герцах.
Резонансное сопротивление (или динамическое) имеет чисто рези¬
стивный характер, а его значение рассчитывают по формуле
£рсз = L/ RC.
43
На частотах, меньших резонансной, сопротивление цепи имеет ’
характер индуктивной реактивности, на больших — емкостной ре¬
активности. Если сопротивление потерь мало, а добротность Q ка¬
тушки и всей цепи высока, кривая, представляющая изменение со¬
противления Z, получается узкой и высокой. Условием сохранения
узкой и крутой резонансной кривой является возбуждение цепи от
источника с соответственно большим внутренним сопротивлением
(ZBH > 2рез). Важно также, чтобы сопротивление нагрузки, под¬
ключенной на выходе цепи, было достаточно высоким. Если эти ус-
6)
Рис. 2.18. Цепь с парал¬
лельным резонансом (а)
и зависимость полного
сопротивления цепи (б)
'•т частоты
ловия не выполняются, то даже при большом значении Q самой цепи
резонансное сопротивление снижается из-за нагружения цепи со¬
противлением источника или нагрузки, а резонансная кривая расши¬
ряется и снижается.
Цепи с параллельным резонансом находят широкое применение
в электронике и радиоэлектронике, в частности в усилителях и ге¬
нераторах.
Что такое цепь с последовательным
резонансом?
Это цепь, состоящая из катушек индуктивности и конденсатора,
соединенных последовательно. Если учесть потери в катушке и кон¬
денсаторе (сопротивление /?), то такую цепь можно представить в
а)
Рис. 2.19. Цепь с последова¬
тельным резонансом (а) и
зависимость полного сопро¬
тивления цепи (б) от часто¬
ты
виде, показанном на рис. 2.19, а. Полное сопротивление такой цепи
зависит от частоты (рис. 2.19, б) и достигает наименьшего значения
Z = R на частоте собственных колебаний, выражаемой той же фор¬
мулой, что и в случае параллельного резонанса. На частотах, мень-
44
in и x резонансном, сопротивление пени и мечт емкостный характер,
на больших индуктивный Чем больше добротность цепи, тем
меньше сопротивление при резонансе и тем уже кривая изменения
сопротивления
Что такое частотная характеристика?
Это график или аналитическое выражение, представляющее дли
данной цепи или устройства зависимость тока, напряжения или ко¬
эффициента усиления от частоты подводимого к нему синусоидаль¬
ного колебания. Частотная характеристика называется иногда пере¬
даточной характеристикой. Можно рассматривать график изменения
фазового угла от частоты, называемой частотной характеристикой
фазы или фазовой характеристикой.
Примеры частотных и фазовых характеристик для нескольких
цепей показаны на рис. 2.20. Для двух первых цепей приведено из¬
менение отношения напряжений U2/Ult выраженное » децибелах,
а для третьей — изменение тока, протекающего в цепи, в функции
частоты.
Что такое линейные искажения цепи?
Это искажения сигнала, возникающие в электронных цепях
(линейных и нелинейных), связанные с тем, что синусоидальные сиг¬
налы с различными частотами передаются с разным затуханием
(усилением) и разным отставанием по фазе. В результате этих иска¬
жений частотная характеристика отличается от линейной плоской
характеристики так, как показано на рис. 2.20.
Что такое ширина полосы пропускания цепи?
Это полоса частот, заключенная между граничными частотами
и численно равная разности этих частот (рис. 2.21). Граничные ча¬
стоты — такие частоты, на которых разность ординат на резонансной
характеристике относительно отсчетнон частоты имеет точно опре¬
деленное условное значение, равное, например, 3 дБ. Отсчетнон ча¬
стотой для данной цепи может быть средняя (центральная), резо¬
нансная или какая-нибудь другая частота. Из двух граничных ча¬
стот частоту, имеющую меньшее значение, называют нижней гра¬
ничной частотой, а имеющую большее значение — верхней гранич¬
ной частотой.
В случае резонансной цепи ширина полосы пропускания тем
меньше, чем больше добротность цепи.
Что такое импульсная характеристика цепи?
Импульсной характеристикой цепи называется электрический
сигнал, получаемый на выходе при возбуждении цепи прямоуголь¬
ным импульсом большой длительности с очень коротким временем
фронта. Такой импульс называется единичным скачком, а сигнал,
полученный после возбуждения цепи таким скачком, называется
откликом на единичный скачок или ступенчатым откликом.
Пример сигнала отклика показан на рис. 2.22.
45
Рис. 2 20. Частотные и фазовые характеристики диф¬
ференцирующей (а), интегрирующей (б) цепей и
цепи с параллельным резонансом (я)
4fi
Отклик по своей форме отличается от возбуждающего колебания
и позволяет оценивать динамические свойства исследуемой цепи.
Если амплитуда возбуждающего сигнала такова, что нелинейные
искажения не возникают (например, ограничение), то отклик связан
с линейными искажениями, вносимыми цепью. В сигнале отклика
можно определить время фронта (см. рис. 1.26) и размер выброса
Рис. 2.21. Определение ширины
полосы цепи
Рис. 2.22 Пример отклика на
единичный скачок
(см. рис. 1.27). Между частотной характеристикой и откликом су¬
ществует взаимосвязь, однако математически она достаточно слож¬
на. В общем случае можно утверждать, что чем больше ширина поло¬
сы пропускания данном цепи, т£м форма отклика меньше отличается
от формы возбуждающего сигнала.
ГЛАВА 3
ДИОДЫ
Что такое диод?
Диод — простой электронный прибор с двумя электродами,
имеющий несимметричную характеристику выходного тока, проте¬
кающего через него и зависящего от входного напряжения (ампли¬
туды и полярности) (рис. 3.1). Такая характеристика позволяет ис-
Рис. 3.1. Условные графические обозначения полупропод
пикового (о), вакуумного (б) диодов и вольт амперная
.чарактерисiяка диода (о)
47
пользовать диод во многих электронных устройствах в качестве эле¬
мента, который легко пропускает ток в одном направлении и почти
не пропускает в противоположном, в частности для выпрямления
переменных и детектирования модулированных колебаний и т. и.
Различают полупроводниковые и ламповые диоды. Полупроводнико¬
вый диод работает на принципе использования свойств р-п перехо¬
да, возникающего при соединении полупроводников п- и р-типов.
Что такое плоскостной диод?
Плоскостной диод (или иначе диод с р-п переходом) — полу¬
проводниковый прибор, образованный р-п переходом с двумя ме¬
таллическими контактами (выводами), -присоединенными к р- и п-
областям (рис. 3.2, а) и хорошо проводящими электрический ток
а}
9.
—F
Анод+^. Катод
Рис. 3.2. Графические изображения
для р-п перехода диода (а), его
пыводов (б) и других полупровод¬
никовых диодов (в)
(омические контакты). Контакты выводятся наружу из корпуса дио¬
да и называются анодом и катодом (рис. 3.2, б). Графическое изобра¬
жение полупроводникового диода и способы обозначения катода
показаны на рис. 3.2, в.
Какие явления происходят в р-п переходе
без смещения?
Полупроводники pan, образующие переход, отличаются типом
основных носителей и их концентрацией. В области p-типа акцеп¬
торные примеси увеличивают концентрацию дырок, а в области
«-типа донорные примеси обеспечивают преимущественную концен¬
трацию электронов (рис. 3.3). Соединение полупроводников обоих
типов с разной концентрацией вызывает протекание (диффузию) ос¬
новных носителей через переход: дырки из p-области переходят в
«-область, а электроны из «-области диффундируют в р-область.
На большом расстоянии от перехода происходит рекомбинация
(повторное соединение) дырок и электронов, в то же время вблизи
перехода в полупроводнике «-типа наблюдается избыток положи¬
тельных зарядов, образованных неподвижными положительными
ионам-и доноров, а в полупроводнике р-типа — избыток отрицатель¬
ных зарядов, образованных неподвижными отрицательными нона¬
ми акцепторов. В результате вблизи перехода возникает пространст¬
венный заряд ионов, создающий электрическое поле на переходе
и вызывающий появление потенциального барьера, который пре¬
пятствует дальнейшему протеканию основных носителей после до¬
стижения состояния равновесия. При этом состоянии «-область за¬
ряжена положительно относительно p-области. Существующий в
переходе запирающий слой делает невозможным протекание основ-
43
пых носителем! заряда, однако не препятствует протеканию через
переход в противоположном направлении неосновных носителей, т. с
дырок из п- в р- и электронов из р- в /г-область.
а)
Рис. 3.3. Явления в р-п переходе:
а — начальное состояние р■ и п- слоев; б — распределение зарядов в
р-п переходе перед установлением равновесного состояния; в — распре¬
деление объемных зарядов в р-п переходе в равновесном состоянии;
г — распределение потенциала; д — направления движения неосновных
носителей через переход
Какие явления происходят в р-п переходе
при подаче смещения?
К р-п переходу можно подвести внешнее напряжение от источ¬
ника постоянного тока. В результате получают переход со смеще¬
нием. Имеются две возможности смещения, которые зависят от по¬
лярности подключения источника к переходу. На рис. 3.4, а показан
переход, смещенный в проводящем направлении. В этом случае ис¬
точник действует таким образом, что положительный полюс «вытя¬
гивает» электроны из полупроводника p-типа во внешнюю цепь и
«отталкивает» дырки, тогда как отрицательный полюс поставляет
электроны в полупроводник п-типа и притягивает дырки. В связи
с этим в полупроводнике происходит перемещение (диффузия) ос¬
новных носителей; дырок из p-области в л-область и электронов из
п-области в p-область. Ток, протекающий в цепи в результате диф¬
фузии основных носителей,«.называют диффузионным током. Следо¬
вательно, действие внешнего источника таково, что в результате уве¬
личения числа основных носителей вблизи перехода оно нейтрали¬
зует пространственный заряд в запирающем слое, т. е. уменьшает
ширину этого слоя и снижает потенциальный барьер, который до
подключения источника препятствовал протеканию основных но¬
4 У
сителей заряда в полупроводнике после достижения равновесного
состояния. Уменьшение потенциального барьера приводит к даль¬
нейшему росту числа основных носителей, диффундирующих через
переход.
Независимо от движения основных носителей в р-п переходе
существует также перемещение неосновных носителей в противо¬
положном направлении. Ток, протекающий в цепи в результате дви¬
жения неосновных носителей заряда, называют обратным током (или
тепловым). При смещении в проводящем направлении диффузион¬
ный ток значительно больше, чем обратный.
При подключении источника противоположной полярности
(рис. 3.4,6) переход смещается в обратном направлении. В этом слу-
1
Рис. 3.4. р-п переход, смещенный в прямом (а) и обратном (б) направлениях
чае дырки, находящиеся в области л-типа, движутся в направлении
отрицательного полюса батареи через полупроводник р-типа, а
электроны из полупроводника р-типа — в направлении положитель¬
ного полюса батареи через полупроводник л-типа. Это движение
неосновных носителей. Такое смещение вызывает расширение за¬
пирающего слоя и повышение потенциального барьера для основных
носителей. При такой ситуации протекание основных носителей ста¬
новится полностью невозможным, и во внешней цепи протекает лишь
относительно малый обратный ток.
Каковы свойства плоскостного диода?
Свойства плоскостного (полупроводникового) диода определяют¬
ся явлениями, происходящими в р-п переходе. На рис. 3.5 показа¬
на характеристика типичного плоскостного диода, представляющая
зависимость постоянного тока, протекающего через диод, от постоян¬
ного напряжения, подводимого к диоду. Для малых напряжений в
проводящем направлении ток равен нулю. Когда напряжение тако¬
во, что преодолевается потенциальный барьер в переходе, ток начи¬
нает возрастать, сначала незначительно, а затем почти линейно.
Напряжение, необходимое для преодоления потенциального барье¬
ра (пороговое значение), составляет около 0,2 для германиевых и
0,7 В для кремниевых диодов. При отрицательных напряжениях,
смещающих диод в обратном направлении, существует относительно
небольшой обратный ток, возрастающий с ростом температуры. Этот
рост особенно велик для кремниевых диодов, однако обратный ток
для германиевых диодов значительно больше. Обратные токи для
типовых плоскостных диодов лежат обычно в пределах от микроам¬
пер до пикоампер, в то же время токи, протекающие в прямом па-
50
правлении при напряжении, не превышающем нескольких вольт,
составляют от нескольких миллиампер до нескольких ампер.
Кроме вольт-амперной характеристики параметры диода опре-
делнют также указанием сопротивления в рабочей точке. Сопротив¬
ление диода в очень большой степени зависит от выбора рабочей точ¬
ки, поскольку в общем зависимость тока от напряжения нелинейна.
Сопротивление полупроводникового диода в прямом направлении
обычно лежит в интервале от нескольких десятков до нескольких ом,
а в обратном направлении до¬
стигает нескольких сотен килоом
и более.
Сопротивление диода в рабо¬
чей точке называется статичес¬
ким сопротивлением или сопро¬
тивлением по постоянному току и
определяется как отношение на¬
пряжения на аноде диода к току,
протекающему через диод в этой
точке, Rcr — till. Во многих при¬
менениях, например при подве¬
дении переменного напряжения
к диоду, работающему в опреде¬
ленной рабочей точке, важно
определить сопротивление диода,
указывающее ход характеристики
вблизи рабочей точки. В связи с этим вводится понятие динами¬
ческого сопротивления (или дифференциального), определяемого
наклоном касательной к характеристике диода в рабочей точке.
Наклон определяется как отношение приращений напряжения и
тока вблизи этой точки.
Рис. 3.5. Вольт-амперная харак¬
теристика плоскостного диода
Что такое точечный диод?
Это полупроводниковый диод, в котором вместо плоской кон¬
струкции используется конструкция, состоящая из пластины полу¬
проводника типа п или р, образующей один электрод, и метал¬
лического проводника в виде острия, являющегося другим электро¬
дом. При сплавлении острия с пластинкой образуется микропере¬
ход. Характеристика точечного диода представлена на рис. 3.6
По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точеч¬
ном диоде в прямом направлении очень мало (малое сопротивление).
Ток в обратном направлении значительно меняется в зависимости от
напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлектродной ем¬
костью и часто используются для выпрямления малых токов высокой
частоты.
Что такое диод Шотки?
Это плоскостной полупроводниковый днод с переходом металл —
полупроводник вместо р-п перехода. Проводимость диода основы¬
вается на протекани и основных носителей в отличие от р-п пере¬
ходов, в которых ток в проводящем направлении возникает в связи
с движением неосновных носителей заряда. При использовании полу
проводника гс-типа основными носителями являются электроны,
51
протекающие В слой металла. По сравнению с точечным диодом диод
Шотки (рис. 3.7) имеет более крутую характеристику в области ма¬
лых напряжений в прямом направлении, значительно меньший об¬
ратный ток, меньший разброс параметров, большую надежность
и высокую устойчивость к ударам, а также меньшее сопротивление
в прямом направлении, по несколько большую паразитную емкость.
Кроме того, диод Шотки обладает малой инерционностью, что де¬
лает его пригодным для работы в качестве переключателя и в диапа¬
зоне высоких частот. Малая инерционность является следствием
Рис 3.6. Вольт-ампсрная ха¬
рактеристика точечного дно
да
Рис 3 7 Вольт-ампорнмг ха¬
рактеристики диода Шотки
(Kpim.ni /) и точечного дно
да (кривая 2)
того, что накопленный d переходе металл—полупроводник заряд
очень мал по сравнению с зарядом, который накапливается в пло¬
скостном диоде с р-п переходом в режиме проводимости.
Диоды Шотки часто применяют в детекторах и смесителях в
диапазоне частот вплоть до 2000 ГГц,
Какая разница в свойствах плоскостного
и точечного диодов?
Разница в свойствах германиевых и кремниевых плоскостных
диодов и точечных диодов непосредственно вытекает из сравнения
вида типичных вольт-амперных характеристик, приведенных на
рис. 3.8.
Что такое идеальный диод?
Идеальным диодом называют обычно диод с характеристикой,
представленной на рис, 3.9. Резкий излом характеристики, состоя¬
щей из двух прямых отрезков, наблюдается при напряжении, рав¬
ном нулю. С точки зрения эквивалентной схемы такой диод представ¬
ляется нулевым сопротивлением в прямом направлении и бесконеч¬
но большим сопротивлением в обратном направлении. В некоторых
применениях, например при детектировании,почти идеальным ечн-
52
тается диод с прямолинейной характеристикой, представленной
пунктирной линией на рис. 3.9. Тайой диод при работе в прямом на-
правлении аналогичен постоянному сопротивлению малого значе-
ния. В эквивалентной схеме идеального диода отсутствуют паразит¬
ные емкость н индуктивность, поэтому работа такого диода не
зависит от частоты.
Характеристики реальных диодов (см. рис. 3.8) отличаются от
характеристики идеального диода. Они обладают большой 'нелиней¬
ностью и большим изменением сопротивления, особенно в диапазо¬
не малых напряжений в прямом направлении, и не имеют резкого
излома хаактеристики при нулевом напряжении. Кроме того, в эк¬
вивалентной схеме реального диода следует учесть емкость между
Рис. 3.8. Типичные вольт-амперные
характеристики германиевого (кри¬
вая 1) и кремниевого (кривая 2)
плоскостных диодов, а также точеч¬
ного диода (кривая 3)
Запирающее
направление
/
/
/ ПраВадящее
jнаправление
Рис. 3.9. Вольт-амперпая ха¬
рактеристика идеального
диода
электродами, а для более высоких частот и паразитную индуктив¬
ность. В некоторых применениях существенна также инерционность
д иода в процессе переключения из прямого на обратное направление.
Свойства реального диода зависят не только от конструкции, но
и от материала полупроводника. Лучшие свойства имеют диоды,
у которых в качестве полупроводника применен кремний. При од¬
ной и тон же конструкции кремниевые диоды отличаются меньшим
обратным током, большим обратным напряжением, большей крутиз¬
ной характеристики в прямом направлении и, что особенно сущест¬
венно! большей допустимой температурой перехода (примерно до
170° С), что позволяет работать при большей рассеиваемой мощности.
Что такое полупроводниковый стабилитрон?
Это плоскостной диод, в котором для стабилизации напряжения
используется эффект Зенера. Обратный ток диода в относительно
большом интервале изменений напряжения не зависит от этого на¬
пряжения. Однако при достаточно большом значении обратного наг
пряжения ток диода начинает резко возрастать (рис. 3.10). Напря¬
жение, зависящее от свойств перехода (ширины, материала, концен¬
трации примесей), составляет от нескольких до 1000 В и называет¬
ся напряжением зенеровского пробоя или напряжением стабилиза¬
53
ции. Если не будет превышена допустимая мощность рассеяния дио¬
да, пробой не разрушает диод.
Причиной резкого увеличения тока является чрезмерное увели¬
чение напряженности электрического поля в запирающем слое, ко¬
торое вызывает два эффекта: зенеровскую и лавинную ионизацию.
Для узких переходов, образующихся при сильном легировании, уже
при напряжениях около нескольких вольт напряженность электри¬
ческого поля становится настолько большой, что наступает зенеров¬
ская ионизация, основанная на переходе электронов из валентной
зоны материала p-типа и переносе их через барьер в зону проводи¬
мости в материал л-типа1. Лавинная ионизация, имеющая место в
а)
Я
U
Загорающее
направление
ЗроЫящее
направление
Рис. ЗЛО. Условное гра¬
фическое обозначение
полупроводникового ста¬
билитрона (а) н его ха¬
рактеристика (б)
широких переходах при малом легировании, вызывается бомбарди¬
ровкой атомов кристаллической решетки ускоренными электронами,
создающими обратный ток. Столкновение электронов с атомами вы¬
зывает лавинный процесс образования новых носителей заряда,
быстро увеличивающих обратный ток.
Что такое туннельный диод?
Это полупроводниковый диод, в котором благодаря использо¬
ванию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барь¬
ер и наблюдается туннельный
механизм переноса зарядов через
р-n переход. Характеристика
туннельного днода (рис. З.П)
имеет область отрицательного
сопротивления /, т. о. область,
в которой положительному при¬
ращению напряжения соответ¬
ствует отрицательное прираще¬
ние тока. В таком диоде прохож¬
дение электронов через область
барьера наблюдается при обрат¬
ном смещении и даже при неболь¬
шом Смещении в проводящем на¬
правлении, при котором имеет
место максимум тока. Дальней¬
шее увеличение напряжения сме¬
щения вызывает такое уменьшение электрического поля в барьере,
что прохождение электронов через область барьера прекращается.
Одновременно по мере роста напряжения возрастает «нормальный»
ток диода, смещенного в прямом направлении. Название «туннелъ-
1 Подобные переходы электронов вызваны туннельный э ф ф е к-
т о м, зависящим от легирования и температуры перехода.
54
ный» вытекает из более подробного рассмотрения сложных явлении
в переходе, которое предполагает, что электроны, будучи нс в со¬
стоянии пройти нормальным способом над потенциальным барьером,
проходят под барьером, как бы через туннель.
Туннельный диод, называемый иногда диодом Есаки, использу¬
ется в электронных устройствах в качестве элемента с отрицатель¬
ным сопротивлением.
Что такое варакторный диод?
Это полупроводниковый диод с р-п переходом, изготовленный
по специальной технологии, в котором имеет место нелинейная за¬
висимость емкости запертого р-п перехода от приложенного к дио¬
ду обратного напряжения. Емкость диода зависит от ширины запи¬
рающего слоя, который в этом случае можно трактовать как диэлек¬
трик конденсатора. Обкладками конденсатора служат прилегающие
Рис. 3.12. Условное графическое обозиаче- Рис. 3.13. Принцип пере¬
кис варакторного диода (а) и характерк- стройки резонансного конту-
стика изменения емкости (б) ра с помощью варакторного
диода
к запирающему слою области полупроводника. Если напряжение,
смещающее диод в обратном направлении, возрастает, то емкость
диода уменьшается. Для типичного диода в интервале отрицатель¬
ных напряжений от нескольких десятков вольт до нуля емкость из¬
меняется от 10 до 200 пФ (рис. 3.12).
Варакторные диоды, называемые также емкостными диодами
или варикапами, находят применение, в частности, как элементы,
включаемые в резонансные контуры, которые можно при этом пере¬
страивать, изменяя напряжение смещения на аноде (например, с по¬
мощью потенциометра). Такое решение часто используют в радио¬
приемниках, исключая, таким образом, неудобный и дорогостоящий
конденсатор переменной емкости поворотного типа (рис. 3.13). Ре¬
гулируемое напряжение подводится к диоду через резистор /?, со¬
противление которого должно быть настолько большим, чтобы не
шунтировать резонансный контур. Зависящее от этого напряжения
изменение емкости диода вызывает изменение емкости, подключен¬
ной параллельно емкости резонансного контура. Тем самым изме¬
няется результирующая емкость этого контура, а следовательно,
и его резонансная частота.
Что такое p-i-n диод?
Это диод, содержащий слой собственного полупроводника меж¬
ду областями р- и п-тила. Положительное смещение полупроводника
р по отношению к полупроводнику /г-типа вызывает перемещение
55
электронов из л-области и одновременно дырок из p-области в соб-!
ствеииын полупроводник. Концентрация примесей в собственном!
полупроводнике увеличивается, и сопротивление этой области умень¬
шается. При противоположном смещении из-за высокого удельного
сопротивления области собственного полупроводника и большой
ширины перехода (запирающего слоя) сопротивление велико. При
смещении в прямом направлении получают изменение сопротивле¬
ния диода в интервале, например, от нескольких ом до нескольких
килоом.
В частности, p-i-n диоды применяют в переключающих уст¬
ройствах как элементы с высокой скоростью переключения, в схе¬
мах аттенюаторов, управляемых напряжением постоянного тока, и
в технике сверхвысоких частот.
Что такое полупроводниковый фотодиод?
Это светочувствительный диод, обычно с одним р-п переходом,
работающими при смещении в обратном направлении. Под влиянием
излучения, например видимого света, наступает изменение сопро¬
тивления диода и, следовательно, изменение тока, протекающего
во внешней цепи. Внешнее излучение вызывает увеличение количе¬
ства основных и неосновных носителей заряда и уменьшение сопро¬
тивления, что эквивалентно увеличению обратного тока диода.
Существуют также вакуумные и газонаполненные фотоэлементы
(фотодиоды). В типичном вакуумном фотоэлементе подвергаемый
воздействию света катод покрыт слоем металла с фотоэмиссионными
свойствами, например слоем натрия, калия, цезия. Выбор применяе¬
мого металла зависит от длины волны падающего света. Фотоэле¬
менты применяются в фотоэкспонометрах.
Что такое электролюминесцентный диод?
Это диод, светящийся под влиянием подведенной извне элек¬
трической энергии. Интенсивность свечения зависит от подводимого
тока, причем эта зависимость является линейной в большом диапа¬
зоне изменений тока. Существуют вакуумные, газонаполненные и
полупроводниковые электролюминесцентные диоды. Все более ши¬
рокое применение находят последние, работающие при малых на¬
пряжениях (около 2 В) и токах (от нескольких до 10—20 мД), что
упрощает их работу в транзисторных схемах. При этом их отличает
высокая надежность и исключительно большой срок службы. Сущест¬
вуют также многосегментные электролюминесцентные диоды, на¬
пример из фосфида гелия, используемые в качестве цифровых инди¬
каторов (от 0 до 9). Они нашли применение в миникалькуляторах и
электронных часах.
Электролюминесцентные диоды известны также под названием
светодиоды.
Как обозначаются полупроводниковые диоды?
В каталогах зарубежных фирм диоды обозначаются буквенно-
цифровыми символами. Обозначения бывают различными и зависят
от изготовителя и время изготовления. В настоящее время первая
буква определяет тип полупроводника: А — германий, В — крем¬
нии. Вторая буква характеризует вид элемента: А — обычный диод,
5G
Z— стабилитрон, E — туннельный диод, Р — фотодиод, В — ва¬
ракторный диод, Y — выпрямительный диод. Третья буква обозна¬
чает элемент, предназначенный для специальных устройств. Цифро¬
вое обозначение характеризует некоторые параметры либо очеред¬
ной тип в производстве.
Таблица 3.1
Полупроводниковые приборы
Обозначение
I. Диоды
1. Диоды выпрямительные:
малой мощности (со средним значением прямого
тока не более 0,3 А)
1
средней мощности (со средним значением пря-
мого тока более 0,3 А, но не более 10 А)
2
2. Диоды универсальные:
(с рабочей частотой не более 1000 МГц)
4
3. Диоды импульсные:
со временем восстановления обратного сопротнв-
лення более 150 нс
5
со временем восстановления обратного сопротив-
лення более 30, но не более 150 нс
6
со временем восстановления обратного сопро-
тнвленпя более 5, но нс более 30 нс
7
со временем восстановления обратного сопро-
тнвленпя не менее 1 и не более 5 нс
8
со временем восстановления обратного сопро-
тнвлепня менее 1 нс
9
4. Выпрямительные столбы и блоки:
столбы малой мощности (со средним значением
прямого тока более 0,3 А)
1
столбы средней мощности (со средним значени-
ем прямого тока более 0,3, но не более 10 А)
2
блоки малой мощности (со средним значением
прямого тока более 0,3 А)
3
блоки средней мощности (со средним значением
прямого тока более 0,3, но не более 10 А)
4
5. Диоды сверхвысокочастотные:
смесительные
1
детекторные
2
параметрические
4
регулирующие (переключательные, ограиичи-
тельные и модуляторные)
5
у множительные
б
генераторные
7
6. Варикапы:
подстроечные
1
умножительпые (варакторные)
2
57
Продолжение табл, 3.1
Полупроводниковые приборы
Обозначение
7. Диоды туннельные н обращенные:
усилительные
1
генераторные
2
переключательные
3
обращенные
4
8. Диоды излучающие:
инфракрасного диапазона
1
видимого диапазона (светодиоды) с яркостью:
не более 55 нт
3
более 500 нт
4
II. Тиристоры
1. Диодные тиристоры:
малой мощности (с допустимым значением пря-
мого тока не более 0,3 А)
1
средней мощности (с допустимым значением
, прямого тока более 0,3 А, но не более 10 А)
2
2. Триодные тиристоры:
и е з а п и,р а е м ы е:
малой мощности (с допустимым значением пря-
мого тока не более 0,3 А)
1
средней мощности (с допустимым значением
прямого тока более 0,3, но не более 10 А)
2
запираемые:
малой мощности (с допустимым значением пря-
мого тока не более 0,3 А)
3
средней мощности (с допустимым значением
прямого тока не более 0,3 А)
4
симметричные незапираемые:
малой мощности (с допустимым значением пря-
мого тока не более 0,3 А)
5
средней мощности (с допустимым значением
прямого тока более 0,3, но не более 10 А)
6
В СССР полупроводниковые диоды также имеют буквенно-цифровую мар¬
кировку. Первая буква в приборах широкого применения определяет тип
исходного материала: Г — германий, К — кремний, А — соединения галлия.
Вторая буква определяет подкласс прибора: Д — диоды выпрямительные,
универсальные, импульсные: Ц — выпрямительные столбцы и блоки; А — дио¬
ды сверхвысокочастотные; В — варикапы; И — диоды туннельные и обращен¬
ные; Л — диоды излучающие; Б — приборы с объемным эффектом (приборы
Ганна); С — стабилитроны и стабисторы. Третий элемент маркировки (цифра)
соответствует назначению прибора (табл. 3.1). Четвертый и пятый элементы
маркировки прибора определяют порядковый номер разработки технологиче¬
ского типа прибора и обозначаются от 1 до 99.
Третий элемент маркировки и стабисторов (цифра) определяет индекс
мощности, а четвертый и пятый — номинальное напряжение стабилизации
(табл. 3.2). При напряжении стабилизации менее 10 В четвертый элемент
означает целое число, а пятый — десятые доли напряжения стабилизации.
При напряжении стабилизации от 10 до 99 В четвертый и пятый элементы
обозначают номинальное напряжение стабилизации, а от 100 до 199 В —
58
разность поминального напряжения стабилизации и 100 В. Шестой элемент
маркировки определяет последовательность разработки и обозначается буква*
ми от А до Я, а для диодов определяет деление технологического типи на
параметрические группы. Например. КД206В * кремниевый выпрямительный
диод, предназначенный дли устройств широкого применения, средней мощно*
стн с порядковым номером разработки G. Прим. рсд.
Таблица 3.2
Обозначения
Стабилитроны и стабпсторы
Третий
элемент
Четвертый
и пятый
элементы
1. Мощностью не более 0,3 Вт с на-
пряжением стабилизации:
1
От 1 до 99
менее 10 В. не менее Ю и не более 99 В
2
10 99
не менее 100 и не более 199 В
3
00 99
2. Мощностью более 0,3, но не более
5 Вт с напряжением стабилизации:
4
От 1 до 99
не менее 10 и не более 99 В
5
10 99
не менее 100 н не более 199 В
6
00 99
3. Мощностью более 5, но не более
25 Вт с напряжением стабилизации:
менее 10 В
7
От 1 до 99
не менее 10 н не более 99 В
8
10 99
не меиее 100 и не более 199 В
У
00 99
Каковы принцип действия и свойства
вакуумного диода?
В вакуумном диоде источником свободных электронов является
катод, выполненный из металла (либо окислов металлов) и накали¬
ваемый (косвенно или непосредственно) от внешнего источника на¬
пряжения накала (термоэмиссия), которым обычно является источ¬
ник переменного тока. Свободно выходящие из катода электроны
движутся в вакууме к другому электроду лампы, называемому ано¬
дом1 и подключенному к положительному полюсу источника анод¬
ного напряжения (рис. 3.14, а). Через диод от анода к катоду течет
анодный ток2. Вблизи катода возникает электронное облако, назы¬
ваемое пространственным зарядом, защищающее катод от бомбар¬
дировки ионами, возникающими в неидеальном вакууме лампы.
Анодный ток зависит от потенциала на аноде относительно катода.
При нулевом и даже небольшом отрицательном анодном напряжении
(рис. 3.14, б) существует небольшой ток за счет собственной скорости
электронов, которые попадают на анод несмотря па отсутствие ус¬
коряющего поля. В интервале небольших положительных напря¬
жении анодный ток возрастает при одновременном уменьшении про¬
странственного заряда. При дальнейшем росте анодного напряже¬
ния наступает все более сильное выхватывание электронов нз обла-
' Движение электронов к аноду происходит в результате действия элек¬
трического поля в промежутке анод—катод, возникающего вследствие допол¬
нительного источника постоянного напряжении.
3 Принято, что направление тока противоположно направлению движения
электронов.
59
ка пространственного Заряда вплоть до полной ликвидаций, этого за-
ряда. Дальнейшее увеличение анодного тока при этом ограничива¬
ется эмиссионными свойствами катода, и наступает режим насыщения
тока. Вольт-амперная характеристика'диода имеет нелинейный ха¬
рактер.
.Вакуумные диоды обладают некоторой паразитной междуэлск-
тродной емкостью (обычно больше 3 пФ) и относительно высоким
сопротивлением в проводящем иаправлени.
Рис. 3J4. Схема включения (а) и характеристика (б) плкуумпого
диода:
/ — начальный тою 2 — область пространственного заряда; 3 —
вольфрамовый катод; 4 — оксидный катод
Вакуумные диоды рассчитаны на максимальные обратные на¬
пряжения от нескольких вольт до нескольких десятков тысяч вольт
при токах в прямом направлении, доходящих до нескольких ампер.
В большинстве случаев вакуумные диоды были заменены полу¬
проводниковыми диодами, особенно в схемах детекторов и выпрями¬
телей малой н средней мощности.
Что такое газоразрядные диоды?
Это диоды, наполненные разреженным благородным газом или
парами ртути, в которых носителями зарядов являются как элек¬
троны, так и положительные ионы. Существуют газоразрядные лам¬
пы с холодным катодом, называемые лампами тлеющего разряда, и
газоразрядные лампы с накаливаемым катодом, называемые га¬
зотронами. В диодах с холодным катодом существенную роль игра¬
ют свободные электроны и положительные ионы, находящиеся в
газе, в частности, в результате воздействия световой энергии и
внутренней тепловой энергии частиц газа. При достаточно высоком
анодном потенциале ускоренные свободные электроны вызывают
ионизацию газа, а положительные ионы бомбардируют катод и бла¬
годаря своей большой массе, а также высокой кинетической энер¬
гии вызывают вторичную эмиссию с поверхности катода.
Газотроны чаще всего применяют в качестве выпрямительных
диодов для больших токов (до 100 А), а также в схемах регулиров¬
ки напряжения, тогда как лампы тлеющего разряда применяют для
60
стабилизации напряжения, для чего используется плоская часть
вольт-амперной характеристики, соответствующая области иониза¬
ции газа (рис. 3.15). Кроме того, газотроны применяют в качестве
неоновых ламп, цвет свечения которых зависит от наполняющего
лампу газа, например неон дает красное свечение, гелии — желтое,
пары ртути с неоном и аргоном — голубое. Существуют также лам¬
пы тлеющего разряда, имеющие 10 катодов
в виде цифр от 0 до 9, используемые в циф¬
ровых индикаторах счетных устройств.
Где применяется диод?
Диод является элементом, очень часто ис¬
пользуемым в электронных устройствах. В
интегральных схемах применяют только дио¬
ды с р-п переходом. Диод в схемах играет
роль вентиля. Параметры реального диода
отличаются от параметров идеального. Наи¬
более нежелательные явления — обратный
ток, существование некоторого сопротивле¬
ния в прямом направлении, паразитная ем¬
кость, а также нелинейность отдельного участка вольт-амперной ха¬
рактеристики. При применениях диода в качестве переключателя
в диапазоне высоких частот или в схемах с импульсами с крутыми
фронтом и срезом решающее значение имеют динамические свойства.
Диоды используют главным образом в схемах ограничения, вы¬
прямления, детектирования, а также в вентильных схемах в цифровой
технике. В каждом из этих случаях берут диоды, удовлетворяю¬
щие определенным требованиям, если речь идет о динамических
свойствах, внутреннем сопротивлении, емкости, токовой эффектив¬
ности и электрической прочности.
Каковы динамические свойства
полупроводникового диода?
Динамические свойства диода определяются при работе в режи¬
ме переключения, т. о. при переходе из состояния включения (пря¬
мое направление) в состояние выключения (обратное направление)
либо наоборот. Идеальный диод практически не обладает инерцион¬
ностью при переключении, тогда как реальный полупроводниковый
диод характеризуется ограниченной скоростью переключения
(рис. 3.16), являющейся следствием явлений, происходящих в за¬
пирающем слое. Эти явления исключают возможность очень бы¬
строго изменения концентрации носителей.
Одной из причин такого состояния является наличие емкости
перехода, называемой также переходной емкостью. Переход дейст¬
вует иа принципе конденсатора, к которому следует подвести (либо
удалить) заряд с целью формирования области барьера. Для этого
всегда требуется некоторое время. Переходная емкость зависит от
приложенного напряжения. Для быстродействующих плоскостных
диодов она равна 0,5—2 пФ.
Другой причиной ограниченной скорости переключения явля¬
ется накопление заряда в диоде, пропорциональное току в прямом
направлении. Действие заряда определяется с помощью диффузной.
61
Рис. 3.15. Харак¬
теристика диода с
тлеющим разря¬
дом
ной емкости. Влияние заряда наглядно видно при переключении из
состояния проводимости в состояние запирания. Лучшими динами¬
ческими свойствами обладают точечные диоды, но одновременно они
имеют достаточно высокое сопротивление в прямом направлении,
в результате чего на них возникает определенное падение напряже¬
ния в проводящем состоянии. Налучшими свойствами обладают ди¬
оды с плоским переходом металл—полупроводник, у которых бла-
Рис. 3.J6. Переходные процессы в диоде при переключе¬
нии ил состояния проводимости в состояние запирания
(я) и наоборот (б):
/ — открытое; 2 — закрытое состояние
годаря малому накопленному заряду в переходе время переключе¬
ния составляет менее 0,1 нс при сопротивлении меньше 1 Ом.
Работу полупроводникового элемента в режиме переключения
более детально рассмотрим на примере транзистора.
Как используется диод для ограничения
сигнала?
В простой схеме ограничителя последовательного типа (рис.
3.17) диод проводит, когда иа аноде присутствует положительное
относительно катода напряжение (проводящее направление), — в
течение положительного (верхнего) полупериода входного напря¬
жения и не проводит, когда напряжение на аноде отрицательно (об¬
ратное направление), — в течение отрицательного полупериода
входного напряжения. Выходное напряжение иа нагрузочном ре¬
зисторе состоит только из верхних полупериодов синусоиды. Если
направление включения диода изменить на обратное, то на выходе 11 Точнее, если учесть напряженно иа диоде, линия отсечки проходит па
другом уровне, чем нулевая линия.
62
появляются только нижние полупсриоды входного напряжения.
Уровень ограничения определяет «нулевая линия»1. Возможно также
ограничение и иа другом уровне. Изменение уровня ограничения
U
8х
+
t
Рис. 3.17. Простои последовательный ограничитель снизу
достигается путем добавления источника постоянного напряжения,
смещающего диод в направлении проводимости либо в обратном на¬
правлении. В схеме на рис, 3.18 происходит частичное ограничение
Рис, 3.18. Последовательный ограничитель сверху со смещением
верхней половины синусоиды. Устройства, ограничивающие «верх¬
ние» половины синусоид, чаще всего называются односторонними
ограничителями. Существуют также двусторонние ограничители.
Как используется диод для выпрямления
переменного напряжения?
Существует много схем выпрямителей на диодах. Диод может
работать как выпрямитель, например в схеме, изображенной на
рис. 3.17. Если выходное напряжение, состоящее из полупериодов
входного переменного напряжения той же самой полярности, по¬
дать затем на сглаживающий фильтр, то на выходе фильтра получают
сглаженное постоянное напряжение, т. е. напряжение, которое явля¬
ется средним значением колебания на выходе выпрямителя. Таким
образом, диод участвует в процессе преобразования переменного
напряжения в постоянное. Этот процесс называется выпрямле¬
нием.
Более подробно выпрямители рассматриваются в гл. С.
03
Как используются диоды для детектирования
сигналов?
К диоду, работающему в режиме детектирования (демодуляции),
подводится сигнал высокой частоты, иромодулированпый по ампли¬
туде, частота которого значительно ниже (рис. 3.19). Это может быть
электрический сигнал, соответствующий звуковым сигналам. В этом
случае задача диода заключается в ограничении одной полови¬
ны модулированного сигнала, что позволяет затем с помощью филь-
Г^Г
-“-г
г «У*
—5'*'?
_11
S)
i
Рис. 3.19. Схема диодного детектора (а) и формы входного (б) и
выходного напряжений без емкости (в) и с емкостью (г)
тра выделить модулирующее напряжение, т. е. сигнал низкой ча¬
стоты. Фильтр #С-типа не пропускает, а исключает высокочастот¬
ные составляющие и обеспечивает появление на выходе только со¬
ставляющих модулирующего сигнала. В этом случае диод работает
так же, как переключающая схема—вентиль. Вопросы детектирова¬
ния более детально обсуждаются в гл. 11.
Что такое диодные вентили?
Это схемы с диодами, часто встречающиеся в цифровой техни¬
ке. В них диоды используются как элементы, отпирающие либо
запирающие путь для сигнала со входа на выход. Разработано много
различных схем вентилей. Более подробно они будут рассмотрены в
гл. 12.
64
ГЛАВА 4
ТРАНЗИСТОРЫ И ТРИОДЫ.
ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ
Что такое транзистор?
Это полупроводниковый прибор с тремя электродами, который
обладает свойством усиления электрического сигнала. По прин¬
ципу работы транзисторы делятся на биполярные и униполярные или
полевые, а по технологии на плоскостные (с р-п переходом) и точеч¬
ные. Биполярные плоскостные транзисторы с точки зрения техно¬
логии также подразделяются на дрейфовые, диффузионные, пла¬
нарные, сплавные, меза и др. С точки зрения используемого полу¬
проводникового материала транзисторы делятся на германиевые,
кремниевые и арсенидо-галлиевые.
Транзистор является активным элементом, который в боль¬
шинстве электронных схем полностью заменяет ранее используе¬
мые вакуумные приборы (электронные лампы). По сравнению с
электронной лампой транзистор обладает следующими преимущест¬
вами: малые габариты, большой срок службы и большая надежность,
высокая устойчивость к механическим ударам, низкое напряжение
питания, отсутствие напряжения накала. Недостатки транзистора
(по сравнению с лампами) — ограниченные мощность и рабочее на¬
пряжение, большая чувствительность к изменениям температуры и
меньший диапазон рабочих температур, малая стойкость к корот¬
ким замыканиям и искрениям.
Что такое биполярный плоскостной
транзистор?
Это транзистор, образуемый при соединении двух переходов,
т. с. состоящий из трех областей: р-п-р или п-р-п. В таком транзи¬
сторе существует два вида носителей: основные и неосновные, от¬
сюда название — биполярный. Электроды транзистора имеют сле-
Рис. 4.1. Структуры транзисторов-
а — п-р-п-. 6 — р-п-р и их графические изображения
дующие названия: эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К), причем эмит¬
тер и коллектор имеют одинаковый тип проводимости, а база, раз¬
деляющая эмиттер и коллектор, — противоположный. Транзисторы
типа п-р-п и р-п-р, а также их графическое обозначение представле¬
ны на рис. 4.1.
3 Зак. 1606
65
Как работает биполярный транзистор?
В типичных услрвиях работы транзистор подключен к источни¬
ку постоянного тока таким способом, что переход эмиттер—база
(эмиттерный переход) смещен в проводящем направлении, а переход
коллектор—база (коллекторный переход) в обратном направлении
(рис. 4.2).
При таком смещении в случае р-п-р транзистора из области
эмиттера в область базы переходят дырки, являющиеся основны¬
ми носителями области эмиттера
p-типа. Большинство дырок диф¬
фундирует через базу и достигает
коллектора. Часть дырок исче¬
зает в базе вследствие рекомби¬
нации (повторного соединения) с
основными носителями базы, т. е.
электронами. В эмиттере также
происходит рекомбинация дырок
с электронами, проходящими нз
базы к эмиттеру. Электронный
ток базы в общем значительно
меньше дырочного тока эмиттера,
поскольку база тонкая и легиро¬
вана значительно меньше эмитте¬
ра. Ток коллектора создает дыр¬
ки, приходящие от эмиттера, его
значение (обычно несколько мил¬
лиампер) зависит непосредствен¬
но от напряжения смещения на
переходе эмиттер—база (обычно
около 0,2 В) и мало зависит от
напряжения, смещающего в об¬
ратном направлении коллектор¬
ный переход ((/кэ около 10 В). От напряжения {/Б3 зависит как
ток эмиттера, так и ток базы (обычно несколько десятков микро'
ампер), поэтому можно утверждать, что большой ток коллектора
зависит от малого тока базы, т. е. малые изменения тока базы вы¬
зывают большие изменения тока коллектора.
Почему биполярный транзистор усиливает сигналы?
Рассмотрим это иа примере, воспользовавшись упрощенной схе¬
мой усилителя на транзисторе (рис. 4.3, а). Переход база—эмиттер
смещен в проводящем направлении, для этого между базой и эмит¬
тером имеется напряжение смещения около 0,5—1,0 В. Переход кол¬
лектор — база смещен в обратном направлении, для этого между
коллектором и базой существует напряжение смещения около 10—
20 В (обычно 12 В). Между базой и эмиттером находится источник
управляющего сигнала, например синусоидального, напряжением
около нескольких десятков милливольт.
Напряжение между базой и эмиттером изменяется в соответст¬
вии с изменениями мгновеииого управляющего напряжения и в каж¬
дый момент равно сумме постоянного напряжения от источника
смещении и мгновенного значении управляющего напряжения
66
(рис. 4.3, б). Для одного поЛупериода управляющего напряжений
получен рост напряжения, смещающего базу в проводящем направ¬
лении, и увеличение тока базы, для другого — наоборот. Увеличе¬
ние проводимости в переходе база—эмиттер вызывает рост тока
через транзистор (отэмиттера до коллектора). Ток коллектора со¬
ставляет обычно несколько миллиампер и при изменениях тока
базы в интервале нескольких десятков микроампер изменяется на
несколько миллиампер. Пои сопротивлении нагрузки в цепи коллек¬
тора, равном нескольким килоомам, диапазон мгновенных измене¬
ний падения напряжения на этой нагрузке составит несколько вольт.
Рис. 4.3. Упрощенная схема транзисторного усилителя (а) и из¬
менение мгновенного напряжения на его входе (б):
1 — наибольшая проводимость перехода (максимальные токи
базы, эмиттера, коллектора); 2 — наименьшая проводимость пе¬
рехода (минимальные токи базы, эмиттера, коллектора)
В этом случае коэффициент усиления по напряжению, определен¬
ный как отношение изменения напряжения на сопротивлении на¬
грузки (несколько вольт) к изменению напряжения в цепи базы (не¬
сколько десятков вольт), составит несколько десятков.
Коэффициент усиления по току, определяемый отношением из¬
менений (приращений) токов, т. е. несколько миллиампер для тока
коллектора и несколько десятков микроампер для тока базы, со¬
ставит примерно 100. Следовательно, коэффициент усиления по мощ¬
ности, равный произведению коэффициента усиления по току на ко¬
эффициент усиления по напряжению, будет равен нескольким ты¬
сячам.
Как обозначаются токи и напряжения
в транзисторных схемах?
В типичной транзисторной схеме одновременно имеются как по¬
стоянный, так и переменный ток. Часто приходится помимо постоян¬
ного тока определять и обозначать переменный (мгновенное, макси¬
мальное, действующее, среднее значение) либо их полные значения,
являющиеся результатом суммирования постоянного и переменно¬
го токов (полное среднее, полное максимальное). Это осложняет во¬
прос обозначений и может приводить к недоразумениям. Поэтому
во многих странах, в том числе и в ПНР, принята единая система
обозначений.
Для обозначения токов и напряжений в транзисторных схемах
используются буквы i, /, а также и, U с соответствующими индек¬
сами. В общем случае малые буквы относятся к мгновенным эначе-
3* 67
ниям, а большие Используются для обозначений величин, опреде¬
ленных индексом, а также для обозначения постоянного тока.
Буквы в индексе определяют электрод транзистора (К, к — коллек¬
тор; Э, э — эмиттер; Б, б — база), а также среднее значение (СР,
ср) — либо максимальное (т, шах). Малые буквы в индексе отно¬
сятся только к самой переменной составляющем, а большие — к по¬
стоянному току и к полным значениям.
Рис. 4.4. Обозначения токов в
биполярных транзисторных схе¬
мах:
iи — мгновенное -значение тока
коллектора. р — ток коллек¬
тора в рабочей точке; l'Kmax —
максимальное значение коллек¬
торного тока; / К д—действую¬
щее значение; /— амплитуд¬
ное значение тока; Д/^р—при-
ращенне постоянной, составляю¬
щей при наличии переменного
сигнала; б — время, в течение
которого отсутствует перемен¬
ный сигнал; i2— на входе дей¬
ствует переменный сигнал
Подробнее «расшифровка» системы буквенных обозначений для
токов приведена на рис. 4.4. Для напряжений часто используется
доиолнительная буква в индексе, обозначающая электрод, относи¬
тельно которого определяется напряжение, например УБЭ» ^БК»
^КЭ max И т- Д<
В каких схемах включения биполярный транзистор
работает как усилитель?
Транзистор может работать как усилитель в трех основных схе¬
мах включения (рис. 4.5): схеме с общей базой (ОБ), с общим эмитте-
0)
Вх
Б^-
—оК
Вых
-о5
Рис. 4.5. Схемы включения
транзистора:
а — схема с общей базой;
6 — схема с общим эмитте¬
ром; в — схема с общим
коллектором
ром (ОЭ) или общим коллектором (ОК). Каждая из этих схем обла¬
дает свойствами, с точки зрения усиления входного и выходного
сопротивлений. Чаще всего используют схему ОЭ.
68
Что можно сказать о транзисторе как элементе
схемы?
Транзистор является активным (нелинейным) элементом, пара*
метры которого зависят от токов, напряжений (т. е. от рабочей точки
и уровня сигнала), температуры и частоты. При работе с малыми сиг¬
налами транзистор приближенно можно считать линейным элементом.
Зависимость параметров транзистора от условий работы созда¬
ет значительные трудности при проектировании и рассмотрении
транзисторных схем. Часто возникает необходимость представления
транзистора в виде упрощенной эквивалентной схемы (модели). Это
трудная задача, так как эквивалентная схема транзистора зависит не
только от условий работы, но и от технологии изготовления данного
транзистора (материала и размеров).
Существует много приближенных эквивалентных схем, каждая
из которых имеет ограниченный диапазон применений. Транзистор
можно представить в виде соединения двух диодов: одного — сме¬
щенного в проводящем направлении (эмиттер—база), другого —
в обратном (коллектор—база). Такие схемы называются физически¬
ми эквивалентными схемами или физическими моделями транзистора,
так как они дают наглядное представление о физическом смысле
отдельных элементов схемы. Эквивалентные схемы этого типа за¬
висят также от схемы включения транзистора. Они различны для
схем ОБ, ОЭ, ОК.
Что можно сказать о транзисторе
как четырехполюснике?
Во многих случаях неудобно пользоваться физической эквива¬
лентной схемой, поскольку она излишне сложна и содержит состав¬
ляющие элементы, которые не всегда можно определить либо найти
в справочнике для определенных условий работы транзистора.
В этом случае часто пользуются представлением транзистора в виде
«черного ящика» с двумя входными и
двумя выходными зажимами (рис. 4.6),
совершенно не вникая во внутреннюю
структуру этого «ящика» и интересуясь
лишь параметрами «ящика» в целом со
стороны входных и выходных зажимов.
Такой «черный ящик» называется актив¬
ным четырехполюсником.
При использовании эквивалентной схе¬
мы в виде четырехполюсника обычно
транзистор рассматривается как линей¬
ный элемент. В принципе это допущение
справедливо только при работе с малыми сигналами. Отсюда пара¬
метры транзистора называются малосигнальнымн. Транзистор как
четырехполюсник можно описать с помощью только четырех пара¬
метров, значение которых зависит от рабочей точки и частоты, В об¬
щем значения этих параметров можно найти в справочниках либо
измерить более простым способом, чехМ в случае измерения сопро¬
тивлений, входящих в состав физической модели транзистора.
Существует несколько типов четырехполюсников, отличающих¬
ся рассмотрением при различных условиях на входе н выходе, а
69
Рис. 4.6. Представление
транзистора в виде че¬
тырехполюсника
именно в режимах короткого замыкания или холостого хода и при*
Нятии различных независимых переменных. Наибольшее практиче*
ское применение иашли четырехполюсники типа h и четырехполюс¬
ники типа у.
Что такое четырехполюсник типа h?
Это четырехполюсник, параметры которого определяются при
условиях короткого замыкания на входе и холостого хода на выходе.
Эти условия наиболее приближенны к реальным условиям работы
транзистора в наиболее часто встречаемых схемах с биполярными
транзисторами. Ведь биполярный транзистор в типовой схеме имеет
относительно малое входное сопротивление и относительно большое
выходное.
Основные зависимости четырехполюсника типа h можно полу¬
чить путем замены его равноценной схемой замещения. В общем слу¬
чае эквивалентная схема может иметь вид, изображенный на
рис. 4.7, а; это схема с двумя источниками напряжения, причем оче¬
видно, что е2, определяющее выходное напряжение, зависит от иу.
Затем можно выполнить преобразования, вводя вместо источника
напряжение ег источник тока (рис. 4.7, б). При коротком замыка¬
нии выходной цепи (ыа = 0) будет протекать ток, линейно завися¬
щий (линейный четырехполюсник!) от тока iy; если обозначим коэф¬
фициент пропорциональности через к2у, то получим i'2 — hniy.
При размыкании входной цепи (iy = 0) имеем во входной цепи на¬
пряжение elt линейно зависящее от напряжения и2. Обозначая ко¬
эффициент пропорциональности через Л12, получаем кх = h12u2.
После введения дополнительных обозначений получим окончатель¬
ную эквивалентную схему, представленную на рис. 4.7, в. На осно¬
вании этого можем записать два уравнения четырехполюсника:
•}
Цетырехпотснин munah
Рис. 4.7. Эквивалентная схема
транзистора четырехполюсника:
а — с двумя источниками на¬
пряжения; б — с источником на¬
пряжения во входной цепи и
источником тока в выходной це¬
пи; в — с ft-параметрами
Uy — hyyiy "f* hy2U2\ *a — ^21*1 4“ ^22^2;
70
в которых в качестве независимых переменных действуют входной
ток i*i и выходное напряжение и2, т. е. смешанные, гибридные пара*
метры или сокращенно Л-параметры, Параметры четырехполюсника
типа*Л достаточно легко определяются простыми методами измерэ*
нин.
Выбор переменных it и и2 з качестве независимых переменных
можно обосновать иа примере усилителя рнс. 4.3, а. Ток ^ соот*
ветстзует току базы, и он действительно является независимой пере*
меиной, управляющей диодом эмиттер—база в проводящем каправ*
ленни. Напряжение ut = w<j является зависимой переменной в ос*
иовном от г'д. Ток ia (= fH) является регулируемым током, т. е.
зависимым. Другой независимой переменной может быть только
н2(=ык); диод коллектор—база, смещенный в обратном направлении,
должен управляться напряжением.
Каков смысл величины и обозначения
параметров тока /i?
Как уже пояснялось выше, параметры типа h определяются
для режима короткого зам.ыкания (к. з.) на входе либо холостого
хода (х. х.) на выходе. Смысл этих параметров и функций:
.
Пц = 1~\ — входное сопротивление при к. з.
•'i |Ма = О
на выходе, т. е. входное сопротивление, измеренное при к. з. на вы*
ходе (и2 — 0); кц отражает входное сопротивление и выражается в
омах. Значение кп Для низкочастотного транзистора может соста»
вить, например, 5 кОм.
h
— коэффициент обратной связи по напряжению
при х. х., т. е. коэффициент, измеренный при х. х. на входе (ij. =
= 0); ki2 выражается безразмерным числом. Значение hl2 для низ*
кочастотного транзистора в схеме ОЭ может составлять, к примеру,
2-I0-*.
h2i
коэффициент передачи тока при к. з..
измеряемый при к. з. на выходе (и2 = 0); h2i представляется без*
размерным числом. Значение k2i для низкочастотного транзистора
в схеме ОЭ может составлять, например, 300.
/i22 = Т7~ | , п — входная проводимость при х. х., измерен*
“2 1 *t—0
ная при х. х. на входе (i\ = 0); h22 имеет размерность проводимости
и выражается в сименсах. Значение h22 для транзистора в схеме
ОЭ может составлять, например, 30 См.
Используются также и другие обозначения параметров типа
h и у: вместо индекса 11 — применяется индекс i (от английского
Input —вход), вместо 22 — индекс о (output — выход), вместо 12 —
индекс г (reverse — обратный), вместо 21 — индекс / (forward —
прямой).
Параметры транзистора как четырехполюсника зависят от схе*
мы, в которой работает транзистор. Для различения параметров в
различных схемах включения применяются дополнительные индек¬
сы: Э — для схемы ОЭ; Б — для схемы ОБ; К —для схемы ОК.
71
Следовательно, получаем, например, hi (= hn), hj (= ft21),
Л/э (= h21Э).
'Параметрами типа h особенно часто пользуются в случае низ¬
кочастотных схем. С помощью /г-параметров можно выразить такие
параметры усилительной схемы (рис. 4.8), например усилителя, как
входное и выходное сопротивления, усиление по току, напряжению
и мощности. Например, усиление по току выражается как
К{ = ^2^*1 = Л2]/(1 *f* ^22/?jj),
Что такое //-параметры четырехполюсника?
Это параметры проводимостей транзистора, определяемые для
режима к. з. на входе (uj = 0) или на выходе (иа = 0). Близкие
условия обычно имеют место в транзисторных схемах, работающих
в диапазоне высоких частот с малыми сопротивлениями, и поэтому
Рис. 4.8. Транзистор в виде четы¬
рехполюсника в схеме усилителя
Рис. 4.9. Эквивалентная схема
транзистора четырехполюсника с
(у-парамстрамн
//-параметры широко используют при проектировании высокочастот¬
ных схем. Эквивалентная схема четырехполюсника (транзистора) с
//-параметрами представлена на рис. 4,9. Значения отдельных пара¬
метров следующие:
уп = —- — входная проводимость при к. з. на выходе цепи;
«1 1«« = о
У г2 ~~
h_
иг
— проводимость обратной связи при к. з. на входе;
«! = 0
— проводимость
о
прямой передачи при к. з. на
h
выходе цепи; //22 = —
U 2
иг = 0 — выходная проводимость при к. з.
иа входе (иг = 0).
В общем случае //-параметры в системе проводимостей состоят
из действительной части активной проводимости g и мнимой части —
реактивной проводимости Ь.
Между h~ и у-параметрами существуют соотношения, допускаю¬
щие их пересчеты, например hn = \!уц, h^C = у^/уц н т. д.
72
Что такое схема с общей базой и каковы
ее свойства?
В схеме ОБ сигнал подводится между эмиттером и базой, а на¬
грузка включается между коллектором и базой (рис. 4.10, с). Су¬
ществует ряд физических моделей схемы ОБ. Наиболее часто встре¬
чается схема, представленная на рис. 4.10, б, называемая Т-образ¬
ной моделью или Т-образной эквивалентной схемой. В этой схеме
слой базы транзистора изображается сопротивлением базовой обла¬
сти га, значение которого убывает с ростом тока базы. Параллельно
сопротивлению коллекторного перехода гк включена барьерная
емкость Ск, сильно зависящая от напряжения £/КБ и тока /к.
Частотная зависимость элементов, образующих рассматриваемую
Рас. 4.10. Транзистор в уси¬
лительной схеме ОБ (а); фи¬
зическая модель транзисто¬
ра, работающего в схеме
ОБ (б), схема с ОБ в виде
четырехполюсника с /г-пара¬
метрами (в)
физическую модель, в большом диапазоне частот невелика. Боль¬
шое практическое значение при работе в диапазоне высоких частот
имеет произведение гаСк. Его значение должно быть как можно мень¬
ше. Также имеет большое значение и произведение диффузионной
емкости Сэ на сопротивление эмиттерного перехода гэ, определяю¬
щее предельную частоту /0йц схемы ОБ, при которой Л21Б умень¬
шается на 3 дБ, т. е. до относительного уровня 0,707, г„Сэ ж 1/2Л//Щ.
Схему ОБ можно представить также в виде четырехполюсника
с ft- или «/-параметрами, заменяя в схеме, показанной на рис. 4.7, в
ток «! на i3, i2 на иг иа иЭБ, и2 на иКБш ^ этом случае полу¬
чаем схему, показанную на рис. 4.10, в.
Между ft-параметрами и параметрами транзистора, соответ¬
ствующими Т-образной эквивалентной схеме, существует опреде¬
ленная связь:
^ИБ~гэ» Ь2\ъ~ ^12б/^22Б~Л6’ ^22Б=^Гк*
73
С помощью /t-параметров можно определить параметры схемы,
работающей в качестве усилителя, возбуждаемого от источника с
внутренним сопротивлением Rr и нагруженного сопротивлением
/?н (рис. 4.10, с).
При расчете коэффициента усиления по напряжению Ки мож¬
но воспользоваться формулой
К
V Б
Ццб
= /?к/(аиб+/?г) или КЬъ
цкб„_
^эб ^ПБ
Коэффициент усиления по току схемы ОБ К/Б = й21Б ~ 1.
Выходное и входное сопротивления схемы определяются соответст¬
венно как
^?вых ^ 1/^г22Б> ^вх; ~ 1Б-
Основные свойства схемы ОБ кратко можно свести к следующим:
большое усиление по напряжению (не менее 1000), коэффициент уси¬
ления по току меньше единицы, большее усиление по мощности
(примерно 1000), малое входное сопротивление (около 200 Ом),
высокое выходное сопротивление (около 500 кОм).
Е1то называют статическими характеристиками
транзистора?
Статические характеристики транзистора — зависимости меж¬
ду токами и напряжениями на различных электродах транзистора,
которые получают при подаче на соответствующие электроды регу¬
лируемых постоянных напряжений. Статические характеристики
снимают путем измерений в простой измерительной схеме либо на¬
ходят в каталогах или справочниках, разработанных заводом-из-
готознтелем. Статические характеристики позволяют определить ряд
параметров транзистора и выбрать соответствующие условия ра¬
боты, например при усилении сигналов переменного и постоянного
тока.
Каковы статические характеристики
транзистора в схеме ОБ?
Типичные статические характеристики транзистора в схеме ОБ
представляют собой зависимость тока коллектора от постоянного
напряжения между коллектором и базой, они называются выход¬
ными или коллекторными характеристиками. Такие характери¬
стики можно определить для двух разных случаев: поддерживая по¬
стоянным ток эмиттера (рис. 4.11) или поддерживая постоянное зна¬
чение напряжения эмиттер —база. В обоих случаях уже при малых
напряжениях нКБ ток коллектора достигает значения, которое
незначительно возрастает при дальнейшем увеличении коллектор¬
ного напряжения, причем это возрастание связано в основном с ро¬
стом составляющей обратного тока /КБ0 (h\o)> который сущест¬
вует из-за наличия неосновных носителей в полупроводнике и опре¬
деляется для /э = 0. Основная составляющая тока коллектора, свя¬
занная с основными носителями, не зависит от напряжения £/КБ,
74
смещающего коллекторный переход и запирающем направлении.
Нулевое значение коллекторного тока /к достигается при неболь¬
шом напряжении £/КБ противоположной полярности, т. е. при сме¬
щении коллекторного перехода в проводящем направлении.
Если при снятии характеристики /к = <р ((/КБ) в измеритель¬
ной схеме поддерживается постоянным ток /э, то ток /э является
в этом случае параметром.
Для транзистора типа п-р-п
напряжение и ток коллектора
положительны, а для транзистора
типа р-п-р — отрицательны1.
По приведенной на рис. 4.11
характеристике можно простым
способом определить коэффициент
передачи тока Л2 jБ как отношение
приращения тока коллектора Д/ц
к приращению тока эмиттера Е1Э
при постоянном напряжении кол¬
лектор—база (t/KB = const). Для
Д^КБ “ О
Л21Б —
А/К
Д/э
t/KB = const.
Рис. 4.U. Статические выходные
характеристики транзистора в
схеме ОБ
Из этих характеристик можно также определить параметр h22б
или выходную проводимость схемы ОБ, а именно:
Л22Б —
а^кб
/э = const.
Что такое схема с общим эмиттером
и каковы ее свойства?
Схема ОЭ наиболее часто используется на практике, особенно
прн работе транзистора в качестве усилителя. В этой схеме входной
сигнал подводится между базой и эмиттером, а нагрузка включается
между коллектором и эмиттером (рис. 4.12, а). Наиболее часто
используемой физической моделью или эквивалентной схемой для
транзистора ОЭ является П-образная гибридная схема, представлен¬
ная на рис. 4.12,6, которая отражает малосигнальные свойства
транзистора в достаточно широком интервале изменений условий
работы и частоты. Некоторые из элементов этой модели такие же
как и для схемы ОБ. Проводимостьga',{ совместно с емкостью Сб'к
определяет обратную связь с выхода на вход схемы. Проводимость
£кэ определяет выходное сопротивление схемы. Параметр S назы¬
вается внутренней крутизной тразистора или взаимной проводи¬
мостью и выражается зависимостью
S ~ Ык/ Д^бэ»
1 К коллектору транзистора типа п-р-п прикладывается «+» от источника
постоянного напряжения, а типа р-п-р «—». — Прим, ред.
75
Внутренняя крутизна 5 обычно равна нескольким десяткам милли*
ампер на вольт.
Предельная частота /гр схемы ОЭ определяет ту частоту, на
которой коэффициент Л21Э уменьшается на 3 дБ
/гр — fhtl 0 ~/г21Б)~/л,-1/(1 +^21э)-
Схема ОЭ в виде четырехполюсника с ^"Параметрами представлена
на рис. 4.12, в. Если известны /i-параметры для схемы ОБ, то можно
путем пересчета получить Л-параметры для схемы ОЭ:
^113^^213^116*, ^21Э~^21б/(* ^21б)*, ^223 ~ ^213 ^122Б.
Рис. 4.12. Транзистор в усили¬
тельной схеме ОЭ (а), физиче¬
ская модель транзистора, рабо¬
тающего в схеме 03 (б) и схе¬
ма 03 в виде четырехполюсни¬
ка с /i-параметрами (е)
Для определения параметров схемы ОЭ, используемой в качестве
усилителя, возбуждаемого от источника сопротивлением Rr и на¬
груженного сопротивлением RK (рис. 4.12, с), воспользуемся сле¬
дующими соотношениями:
и5э — 1 б *э = (1 +Л21Э) Aj 1 в *'б»
икэ — *к «к-
Тогда усиление по напряжению
„ , ^213 RH
икэ/ибэ— , — . »
Л1 13 fillB
а усилнение по току, как уже было известно, равно К1Э ~ Л21Э‘
Входное сопротивление
гвх ~ (• “Ь А21 э) ^11Б~ ^ 113
включено параллельно с Rq.
76
Основные свойства схемы ОЭ в сравнении со схемами ОБ и ОК
можно свести к следующим: большое усиление по напряжению
(возможно не менее 1000), большое усиление по току (возможно не
менее 30), очень большое усиление по мощности (возможно не ме¬
нее 30 000), среднее входное сопротивление (около 2 кОм), среднее
или большое выходное сопротивление (примерно 100 кОм).
Какие статические характеристики транзистора
в схеме ОЭ?
Типичными статическими характеристиками транзистора в схе¬
ме ОЭ являются: выходная характеристика рис. 4.13, а — зависи¬
мость тока коллектора /к от напряжения £/кэ при постоянном на¬
пряжении иБЭ или токе /Б* и входная характеристика (рис.
4.13, б) — зависимость тока базы /Б от напряжения (УБЭ при по¬
стоянном напряжении £/^э, выбранном в качестве параметра.
<0
1я,нА
20
18
П
8
4
О
Ь)
О,г 0,k 0,8 0,8 1,0 lfMl8
0,6 0,8 V63,B
Рис. 4.13. Статические характеристики транзистора в схеме ОЭ:
а — выходные; б — входные
Как видно из выходных характеристик, ток коллектора начина¬
ет появляться уже при очень небольших значениях напряжения
£/кэ, смещающего коллекторный переход в запирающем направле¬
нии, и быстро достигает значения, выше которого возрастает уже
незначительно. При токе базы, равном нулю, в цепи коллектора
протекает обратный ток коллектора
^КЭО= /КБо/(1 ~Л21 б)*
Из выходной характеристики можно легко определить коэффи¬
циент передачи по току в схеме ОЭ Л21Э как отношение приращения
тока коллектора Д/к к приращению тока базы Д/Б при постоян¬
1 В отечественной литературе статические характеристики транзистора
^К^ЧЧ^КЭ) приводятся чаще в зависимости от значения тока базы /g- —
Прим. ред.
77
ном напряжении коллектор—эмиттер (£/кэ = const), Т. е. для
Д£/Кэ = 0* Получим
^21Э~
д/Б
— const •
Из характеристики транзистора, работающего в схеме ОЭ, можно
также определить й11э и h22э:
апб~
Д^бэ
Д/Б
t/K3~cons^
д/к !
Д^кэ j7B-const'
Что такое схемы с общим коллектором
и каковы ее свойства?
Транзисторную схему с обшим коллектором (О К) часто называют
эмиттерным повторителем. Входной сигнал подводится между ба¬
зой и коллектором, а нагрузка включается между эмиттером и кол¬
лектором (рис. 4.14, <г). Физическая модель (эквивалентная схема
ОК) представлена на рис. 4.14, б. Для эмиттер него повторителя спра¬
ведливы следующие соотношения:
^11К==^11э1 Л12К~1: ^21 К ~ ^21Э» ^22К ^ /г223 ~ ^21Э /г22Б^
Рис. 4.14. Транзистор в усилительной схеме ОК (а) и физическая модель
транзистора, работающего в схеме ОК (б)
Основные свойства схемы ОК по сравнению со схемами ОБ и
ОЭ сводятся к следующему: большое усиление по току (возможно
примерно 30), усиление по напряжению меньше единицы, малое уси¬
ление по мощности (примерно 30), очень большое входное сопротив¬
ление (возможно 2 МОм), очень малое выходное сопротивление (не
более 200 Ом).
Какая разница в свойствах схем ОБ, ОЭ, ОК?
Схемы ОБ, ОЭ, ОК отличаются входным и выходным сопротив¬
лениями, усилением по напряжению, току и мощности. Численное
значение каждого из этих параметров зависит от типа транзистора и
78
условий его р? JOTU. Наибольшее усиление по мощности в каждой из
схем достигается при согласовании транзистора, с одной стороны,
о источником сигнала и, с дрГугой стороны, — с нагрузкой.
Наибольшее входное сопротивление достигается в схеме с OI{,
наименьшее в схеме OS. Что касается выходного сопротивления, то
ситуация обратная: наибольшее сопротивление можно получить в
схеме ОБ, наименьшее — в схеме ОК. Коэффициент усиления по
напряжению в схемах ОБ и ОЭ почти одинаков (возможно 1000), а в
схеме О К он меньше единицы. Наибольшее усиление по мощности
достигается в схеме ОЭ (можно получить несколько десятков тысяч),
наименьшее — в схеме ОК (несколько десятков). Наибольшую ра¬
бочую частоту для данного транзистора можно получить в схеме ОБ.
Она определяется частотой /д1х и в h2i3 раз больше предельной ча¬
стоты frр схемы ОЭ.
Существенной особенностью схемы ОЭ является переворачива¬
ние фазы сигнала. Это основано на том факте, что в случае нагрузки
схемы резистором фаза выходного сигнала перевернута на 180° от¬
носительно фазы входного. В схемах ОБ и ОК переворачивание
фазы сигнала отсутствует.
Что такое рабочая или нагрузочная характеристика
транзистора?
Это уравнение прямой, выражающее зависимость тока коллекто¬
ра от напряжения на нем при определенных значениях напряжения
источника питания и сопротивления нагрузки. По характеристике
можно определить мгновенные значения напряжений н токов при
возбуждении входной цепи управляющим сигналом.
При построении рабочей характеристики используются статис¬
тические характеристики транзистора, которые, как известно, сни¬
маются в измерительной схеме без сопротивления нагрузки и без
управляющего входного колебания.
Наличие сопротивления нагрузки приводит к возникновению
падения напряжения иа этом сопротивлении за счет постоянной со¬
ставляющей выходного тока, а подключение источника управляю¬
щего напряжения вызывает как изменение протекающего через
транзистор тока, так и дополнительное падение напряжения на со¬
противлении нагрузки. Связь между токами и напряжениями в этом
случае определяется именно рабочей характеристикой.
При определении рабочей (нагрузочной) характеристики при
усилении переменных колебаний следует учитывать фактическое
сопротивление нагрузки, которое для переменного тока может иметь
другое значение, чем для постоянного тока.
Что можно сказать о рабочей характеристике
схемы ОБ?
Усилитель, работающий в схеме ОБ, представлен на рис. 4.10, а,
а выходные характеристики /к = / (£/КБ) для /э = const — на
рис. 4.15.
Для выходной цепи можно записать следующее уравнение:
= Дк»
79
которое говорит о том, что сумма падений напряжения на сопротив¬
лении и на переходе коллектор—база должна быть численно
равна напряжению источника питания. Для RK ~ 2 кОм и £к =
— 12 В на основании этого уравнения получим два крайних значе¬
ния: i/KB — 0, если /к — 6 мА, и 1/КБ = 12 В, если /к = 0.
На семействе характеристик /к = / (£/Кб) обозначим через
Рх и Р2 точки, соответствующие этим значениям, а затем проведем
через них прямую, называемую
нагрузочной прямой.
В рассматриваемом примере
нагрузочная прямая одинакова
для переменного и постоянного
тока, поскольку в представлен¬
ной на рис. 4.10, а схеме сопро¬
тивление нагрузки (резистивное)
не зависит от частоты. Точка Р0,
лежащая на этой прямой и соот¬
ветствующая значениям /к и £КБ
в схеме при отсутствии сигнала
на входе, называется рабочей точ¬
кой в состоянии покоя Р0. При
заданных значениях Рк и £к
рабочая точка зависит от значе¬
ний R3 и £э, определяющих
напряжение смещения перехода
эмиттер—база, а следовательно,
и ток /э. В режиме линейного
усиления рабочую точку выбирают таким образом, чтобы она ле¬
жала вблизи середины нагрузочной прямой, проходящей через
точки Рг и Р2.
На семействе характеритстик /к = f (£/^Б) можно нанести
управляющее колебание. Если изменения мгновенного значения
тока эмиттера, вызванные этим колебанием, будут находиться, в
пределах от i3 may до г'э mJn, то, двигаясь вдоль этой прямой, можем
определить диапазон изменений тока и напряжения между кол¬
лектором и базой.
Когда сопротивление нагрузки для переменного тока имеет дру¬
гое значение, чем для постоянного, на семействе характеристик
строим две нагрузочные прямые: одну для постоянной составляю¬
щей, другую для переменной. Обе прямые всегда пересекаются в
рабочей точке.
Что можно сказать о рабочей характеристике
схемы ОЭ?
Схема усилителя, работающего по схеме ОЭ, представлена на
рис. 4.12, с, а примерные выходные характеристики = / (£/Кэ)
для /Б = const на рис. 4.16, а. При построении рабочей характе¬
ристики принято £ = 12 В, RK ~ 2 кОм, а также нспользоезно
уравнение
Рис. 4.15. Нагрузочная характе¬
ристика о семействе статиче¬
ских выходных характеристик
схемы ОБ
80
“Ь ^кэ ■
Затем построена нагрузочная прямая. Рабочая точка покоя Р0 выб¬
рана для /Б = 80 мкЛ. Для точек Рг и Р2 в этом случае имеем:
/Б (Pi) = 120 мкА; /к (Рг) — 5 мА;
/Б (Р2) = 40 мкА; (Р2) ~ 1»3 мА.
Используя нагрузочную прямую, можно вычислить некоторые па¬
раметры рассматриваемой схемы. Например, коэффициент усиле¬
ния по току
Ki3
£к
Д/Б
hi ^2)
f Б (^l) — (^a)
5 мА— 1,3 мА
120 мкА — 40 мкА
Рис. 4.16. Нагрузочная характеристика в семействе выходных (а) характе¬
ристик схемы ОЭ и определение управляющего напряжения в схеме
ОЭ (б)
Можно также рассчитать значение коэффициента передачи по на¬
пряжению. Для этого следует воспользоваться входной статичес¬
кой характеристикой /Б = ср ({/БЭ) для = const (рис. 4.16, б-
с учетом того, что для (/Кэ выбираем значение, соответствующее ра¬
бочей точке Р0 на характеристике /к = / (Дкэ) (рис* 4.16, а). За¬
тем выбираем такое значение ЕБ или для заданного ЕБ такое сопро¬
тивление РБ, чтобы нагрузочная прямая пересекла эту характери-
тику в точке, соответствующей току базы для рабочей точки Рп
(рис. 4.16, а). Вдоль оси напряжения UБЭ определим UБЭ управ
ляющего напряжения для токов базы от /Б (Рх) до /Б (Р2). Из
рис. 4.16, а получим £/БЭ — 30 мВ, а из рис. 4.16, б и^Б —
Д/к Рк ~ 6 В, т. е. коэффициент усиления по напряжению для
этого примера равен
К
U
КБ
иэ
U
БЭ
6 В
30 мВ
= 200 .
81
Что такое полевой транзистор?
Это транзистор, управляемый электрическим полем, в котором
действует лишь один вид тока, а именно созданный только основ¬
ными носителями: электронами или дырками1. В биполярном тран¬
зисторе, как известно, действуют оба вида носителей — основные и
неосновные, т. е. электроны и дырки. Полевые транзисторы назы¬
ваются также транзисторами на полевом эффекте, что следует из
принципа их работы. Встречается также название — транзисторы
FET, являющееся сокращением английского названия Field Effect
Transistor. Полевые транзисторы делятся на две группы: транзис¬
торы с р-п переходом и транзисторы с изолированным затвором —
МДП или МОП транзисторы.
Каковы структура и принцип работы
полевого транзистора?
Структура полевого транзистора упрощенно представлена на
рис. 4.17. На подложке из собственного или слабо легированного
акцепторами полупроводника (p-типа) расположены полученные
путем диффузии две области с высокой концентрацией электронов
(л-ткпа), называемые истоком и стоком и соединенные с металличес¬
кими контактами. В центральной части над подложкой находится
изолирующий слой окисла, а над ним — металлический слой треть-
Рис. 4.17. Структура полево¬
го МОП транзистора:
/— металлический контакт
истока; 2—металлический
контакт стока; 3 — подложка
с собственной проводимостью
или р-тнпа; 4 — изолирую¬
щий слой окисла; 5 — канал
с зарядом электронов
его электрода, называемого затвором. В полупроводнике между ис®
током и стоком под затвором во время работы транзистора возкика®
ет капа л, проводящий ток.
Действие подобного полупроводникового прибора заключается
в следующем. При отсутствии напряжения иа затворе подводимое
между стоком и истоком напряжение создает пренебрежимо малое
значение протекающего тока благодаря большому сопротивлению
канала. При подведении к затвору положительного относительно
истока и большего, чем напряжение сток-исток, напряжения в ди¬
электрике подложки возникает электрическое поле, вытягивающее
электроны из участков металлизации истока и стока и направляю¬
щее их в канал в сторону стока. Электроны свободно движутся вдоль
1 Электроны в транзисторе с каналом р-тнпа и/ч дырки в транзисторе с
каналом ft-типа.
82
канала от истока к стоку, образуя ток стока, зависящий от напря¬
женности электрического поля. Зто и есть полевой эффект.
Рассматриваемый транзистор типа МОП имеет несколько экви¬
валентных названий, связанных со структурой и принципом работы,
которые встречаются в литературе и каталогах: полевой транзистор,
работающий на принципе обогащения носителей в канале, или тран¬
зистор с индуцированным или встроенным каналом, или транзис¬
тор типа «нормально выключенный».
Название «нормально выключенный» следует из того факта, что
ток стока равен нулю при разомкнутом затворе (£/зи = 0) и воз¬
растает при положительных напряжениях на затворе.
Существуют транзисторы типа МОП с несколько отличной ст¬
руктурой и другими эффектами, сопутствующими возникновению
Рис. 4.18. Условные графические
изображения полевых МОП транзи¬
сторов с изолированным затвором,
обогащенного типа с р-каналом с
подложкой, выведенной наружу, (а)
и подложкой, не выведенной нару¬
жу. (б), с «-каналом (в) и обеднен¬
ного типа с р-какалом (а)
а) S)
S) г)
pj
и Шг
тока стока, называемые полевыми транзисторами с изолированным
затвором, работающие иа принципе обеднения носителей в канале,
или транзисторы типа «нормально включенный», В зарубежной ли¬
тературе оии помимо обозначения MOS часто имеют обозначение
MOST или IGFET. Название, связанное с обеднением, следует из
того факта, что проводимость канала, не равная нулю для £/зи =
= 0, может быть уменьшена («обеднена»), когда {/зи будет отри¬
цательным. Положительные значения напряжения затвора увели¬
чивают проводимость канала и ток стока.
Графически изображения обоих типов транзисторов представ¬
лены на рис. 4.18.
Что такое статическая характеристика МОП
транзистора?
Статическая характеристика МОП транзистора представляет
собой зависимость тока стока /с от напряжения сток—исток £/си
при постоянном напряжении затвор—исток £/зи. Это выходная,
или стоковая, характеристика. На рис. 4.19, а представлена такая
характеристика для транзистора «нормально выключенного» типа.
Ток стока тем больше, чем больше напряжение между истоком
и стоком, поскольку при этом увеличивается заряд свободных элект¬
ронов в канале подложки. Зависимость тока стока от напряжения
исток—сток £/сИ линейна до тех пор, пока напряжение Ucii доста¬
точно мало. Если оно сравнимо с напряжением затвор—исток и по¬
ложительно, то вдоль канала наблюдается изменение электрическо¬
го поля. Оио максимально вблизи истока и минимально вблизи сто¬
ка. Зависимость тока стока от напряжения сток—исток становится
83
нелинейной. При боЛьшйх напряжениях £/си (£/си ^зи) иа"
ступает насыщение тока стока. При дальнейшем росте /Усн рез¬
ко увеличивается ток (лавинный эффект). Это область пробоя.
Стоковая характеристика МОП-транзистора простирается также
в область отрицательных напряжений между стоком и истоком, так
Рис. 4.19. Статические выходные характеристики (стоковые) МОП тран¬
зистора типа:
«—«.нормально выключенный»; б—«нормально включенный»
Рис. 4.20. Статические передаточные характеристики МОП транзи¬
стора типа:
« — «нормально выключенный» ; б — «нормально включенный»
как изменение полярности напряжения не вызывает существенных
изменений в работе транзистора. Происходит это благодаря тому,
что в МОП транзисторе в отличие от биполярного транзистора от¬
сутствуют однонаправленные р-n переходы. Насыщения тока в
области отрицательных ие наблюдается, поскольку в этом
случае нет перехода через точку (/сИ = £/зи.
Характеристика МОП транзистора типа «нормально включен¬
ного» показана на рис. 4.19,6.
Статическая характеристика, представляющая зависимость то¬
ка стока от напряжения (/чм при напряжении £/си, взятом в ка¬
ст)
5}
84
честве параметра, называется входной характеристикой (стоко*
затворной характеристикой или характеристикой управления —
прим, перев.). Примеры таких характеристик для транзисторов обоих
типов представлены на рис. 4.20, а и б.
Каковы структура и принцип действия полевого
транзистора с р-п переходом?
Упрощенная конструкция униполярного транзистора с управ¬
ляющим переходом показана иа рис. 4.21. Канал n-типа охватыва¬
ется кольцевой областью затвора p-типа, в результате чего между
затвором и каналом образуется р-п переход. По обеим противопо¬
ложным сторонам канала расположены металлические электроды
истока и стока.
Рис. 4.21. Физическая струк¬
тура полевого транзистора с
р-п переходом (<г) и его ус¬
ловное графическое изобра¬
жение (б):
/ — исток (И); 2 —затвор
р-типа (3); 3 — сток (С). 4 —
канал л-типа
о)
? 3
И Ъ oQ
Обычно транзистор работает с переходами, смещенными в об¬
ратном направлении. Это означает, что для конструкции, представ¬
ленной на рисунке, напряжение i/3 должно быть отрицательным
относительно напряжений £/и и Ус. Основные носители зарядов
обычно протекают от истока к стоку, поэтому напряжение Uc
должно быть больше напряжения (/и. Например, £/зи = —1 В,
UQи = +10 В. В канале под затвором возникает запирающий слой
Рис. 4.22. Запирающий слей
В канале полевого транзи¬
стора с р-п переходом:
/ — канал; 2 — запирающие
слои пространственного за¬
ряда
(рис. 4.22) р-п перехода, уменьшающий ширину канала, т. е. уве¬
личивающий его сопротивление. Протекающий через канал ток сто¬
ка зависит от площади поперечного сечения канала, не занятой за¬
пирающим слоем. Обычно затвор смещен в обратном направлении
и запирающий слой расширяется (т. е. уменьшается ширина кана¬
ла), если затвор становится более отрицательным. Ток стока убы¬
вает и в конце концов при напряжении затвора, когда запирающий
слой захватывает весь канал, протекание тока от истока к стоку
прекращается. Такое напряжение затвора называют напряжением
отсечки и обозначают через (/отС (например, £/охс = —3 В).
85
Что такое статическая характеристика полевого
транзистора с р-п переходом?
Выходная стоковая характеристика полевого транзистора с
переходом представляет собой зависимость тока стока /с от напря¬
жения сток—исток UCtf при выбранном в качестве параметра Uorc
(рис. 4.23, а). Из рис. видно, что при постоянном напряжении £/зи
ток стока с увеличением напряжения £/Си возрастает сначала ли¬
нейно, транзистор ведет себя как сопротивление. При дальнейшем
росте напряжения (/си ток /с возрастает нелинейно и дости¬
гает точки перегиба («колено»), причем напряжение £/си, при ко¬
тором наблюдается перегиб, равно разности напряжений (/зи —
а)
Рис. 4.23. Статические
выходные (я) и переда¬
точная (б) характеристик
ки полевого транзистора
с р-п переходом
— U0TC (или, иначе говоря, разности модулей значений U0Tс и
£/зи). Дальнейшее увеличение напряжения (/си вызывает изме¬
нение распределения потенциала в канале и появление сильного
поля в области стока, поддерживающие постоянство тока /с неза¬
висимо от дальнейшего роста напряжения £/си. Область характе¬
ристики для напряжений превышающих напряжения, соот¬
ветствующие точкам перегиба, называются областью насыщения
или отсечки. Наибольший ток стока достигается при £/зи = 0, т. е.
при коротком замыкании между затвором и истоком. Этот ток обо¬
значается /с иас> Стоковые характеристики полевых транзисторов
с р-п переходом, так же как МОП-траизисторов, смещаются в об¬
ласть отрицательных напряжений £/зи, однако работа транзисто¬
ров этого типа при таких условиях невозможна из-за большого то¬
ка затвора.
Входная характеристика (сток-затворная характеристика —
прим, перев.) полевого транзистора с управляющим р-п переходом
представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-
исток (рис. 4.23, 6). Напряжение Uзи, при котором прекращается
ток стока, определяет напряжение отсечки Umc.
Каковы свойства полевых транзисторов?
Важный параметр униполярных транзисторов — большое
входное сопротивление. Оно является следствием протекания очень
малого тока затвора, который для полевых транзисторов с р-п пе¬
86
реходом равен от 1 до 10 мА, а для МОП транзисторов — в 1000 раз
меньше.
Большое входное сопротивление допускает управление поле¬
вым транзистором по напряжению от генератора (источника), прак¬
тически такой транзистор не нагружает источник, не отбирает от
него мощность.
Выходное сопротивление (внутреннее сопротивление — прим,
персе.) полевых транзисторов (определяется в режиме насыщения)
также велико н может быть равно нескольким сотням кнлоом
^вых —
А/с
(/ЗИ = С°П51.
Важным параметром полевого транзистора является крутизна иля
иначе проводимость прямой передачи, которая определяется как
ШЗИ
t/CH = const •
ее значение может изменяться от нескольких миллисименсов до
1 См. Обычно крутизна полевых транзисторов меньше крутизны би¬
полярных. Усилительные свойства полевых транзисторов обуслов¬
лены относительно небольшим напряжением, подведенным между
затвором и истоком и вызывающим большое изменение тока стока, а
следовательно, и большое изменение падения напряжения на сопро¬
тивлении нагрузки.
Е каких схемах работает полевой транзистор
и какова его эквивалентная схема?
Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать
в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на
рис. 4.24: схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема
с общим затвором (03) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком
(ОС) — аналог схемы О К.
Рас. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:
а —с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком
Для каждой из этих схем можно определить соответствующую
эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физичес¬
кая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с на¬
грузкой в цепи стока — резистором сопротивлением Rn. Емкость
Сзи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость Сзс еще меньше.
87
Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимо¬
стью
^вх — ^зи—,
причем коэффициент k зависит от 5 и RH и он тем больше, чем боль¬
ше 5 и Rn. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно
измерить либо иайти в справочниках, однако в них чаще даются
«четырехполюсниковые» параметры транзистора.
При этом следует помнить, что имеются следующие соотноше¬
ния:
С3с —С12; Сзс + Сзи = Си.
Рис. 4.25. Физическая мо¬
дель полевого транзистора,
работающего в схеме с ОИ
и нагрузкой Rя
Параметр 5 можем определить из характеристик. Коэффициент уси¬
ления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле
Кг
AU
Д U
вых
^ивх
Знак минус обозначает переворачивание фазы
Чем отличаются свойства биполярных
и полевых транзисторов?
Полевые транзисторы по сравнению с биполярными имеют сле¬
дующие преимущества: большое входное сопротивление, малу1о
зависимость параметров от температуры, возможность работы в диа¬
пазоне как положительных, так и отрицательных сигналов (это не
относится к полевым транзисторам с р-п переходом, которые при
смещении затвора в проводящем направлении дают большой ток
затвора).
Полевые транзисторы по сравнению с биполярными обладают
следующими недостатками: малая мощность, малое значение S;
большая входная емкость, в результате чего, несмотря на большое
входное сопротивление, полное входное сопротивление быстро убы¬
вает с ростом частоты. Например, Ян : 15 кОм, Свх = 40 пФ, и
тогда на частоте /= 100 кГц получим ZBX = 1/10соСвх=40 кОм.
Что можно сказать о рабочей характеристике
схемы с О И?
Усилитель, работающий по схеме с ОИ, представлен иа
рис. 4.26, а, а выходные стоковые характеристики /с = /(£/си)
для U311 = const — на рис. 4.26, б. Можем записать следующее
уравнение:
88
причем для плоских участков характеристики /с = / (t/CH) в СЛУ*
чае полевых транзисторов с р-п переходом и МОП-транзисторов
«нормально включенных» существует зависимость
в которой /с иас определяет ток насыщения стока при изи — 0.
Для МОП транзисторов «нормально включенного» типа не существу-
ет/сикз» поскольку ток «отсечен», если напряжение затвора мень¬
ше небольшого порогового значения £/ПОр (ток /с выражается Дру¬
гой зависимостью).
Рис. 4.26. Электрическая схема (а) и рабочие (нагрузочные) характсри*
стики (б) для усилителя с полевым транзистором в схеме с ОИ:
/ — нагрузочная прямая для переменного тока; 2 — нагрузочная прямая
для постоянного тока
Рабочую характеристику получают нанесением на семействе
статических стоковых характеристик соответствующих нагрузоч¬
ных прямых (рис, 4.26, б). Две точки Рх и Р2 через которые прохо¬
дит нагрузочная прямая для постоянного тока, определяется сле¬
дующим образом:
При выборе рабочей точки следует учитывать, что зависимость, оп¬
ределяющая ток /с, является квадратичной. Это означает возмож¬
ность возникновения нелинейных искажений в результате появле¬
ния, в частности, второй гармоники усиливаемого сигнала. В связи
с этим рабочую точку следует выбирать таким образом, чтобы на¬
грузочная прямая для переменного тока полностью находилась
в области плоских участков стоковых характеристик. В упрощен¬
ной схеме усилителя, представленной на рис. 4.26, а, обе нагрузоч¬
ные прямые для постоянного и переменного тока налагаются друг
на друга, поскольку в цепи, через которую протекает ток стока, от¬
сутствует реактивность. Искажения увеличиваются с ростом ампли¬
туды усиливаемого сиг 'ала.
Аз — нас 0 ~ ^зи/^отс)2,
A: (^l) ~
Аз (^г)= 0; Ucи (Р2) = £с.
89
Чем следует руководствоваться при выборе
рабочей точки транзистора?
При выборе рабочей точки следует учитывать несколько факто¬
ров. В обшем можно сказать, что рабочая точка должна быть выбра¬
на таким образом, чтобы при работе транзистора с предполагаемой
амплитудой входного сигиала удовлетворялись следующие основ¬
ные требования: нелинейные искажения должны быть минималь¬
ны; выделяющаяся в транзисторе мощность не должна превышать
допустимой мощности рассеяния; напряжения и токи не должны
превышать максимальных значений.
Указанные выше условия долж¬
ны удовлетворяться во всем диапа¬
зоне температур, в кетором будет
работать транзистор, причем нельзя
превышать температуру, оговорен¬
ную заводом-изготовителем. Темпе¬
ратура влияет на параметры тран¬
зистора, ход его характеристик н
положение рабочей точки.
При заданной амплитуде вход¬
ного сигнала нелинейные искаже¬
ния относительно невелики в том
случае, если рабочая точка выбра¬
на так, что используемый отрезок
нагрузочной прямой (для перемен¬
ного тока, если . усиливается пере¬
менный сигнал) не проходит через
область, в которой наблюдаются не¬
линейности характеристик.
При работе с малыми сиг¬
налами выбор положения рабочей
точки не очень критичен и нелинейные искажения малы. При боль¬
ших сигналах выбор рабочей точки весьма существен и часто кри¬
тичен. Если нужно обеспечить работу с минимально возможными
искажениями, то рабочую точку выбирают вблизи середины ис¬
пользуемого отрезка нагрузочной прямой, причем обычно сопро¬
тивление нагрузки и напряжение питания подбирают так, чтобы
этот отрезок лежал в пределах линейного участка стоковой харак¬
теристики.
Рассеиваемая в транзисторе мощность (мощность потерь) оп¬
ределяется как произведение тока на напряжение коллектора
(стока) в рабочей точке: Р = /к(/к. Выделение мощности в тран¬
зисторе вызывает увеличение его температуры, что приводит к из¬
менению параметров, а в случае превышения допустимых границ
может вызвать порчу транзистора.
Примерный вид характеристик транзистора с указанием огра*
ннчений при выборе рабочей точки представлен на рис. 4.27.
Как влияет темнература на свойства транзистора
и положение рабочей точки?
Температура транзистора значительно сильнее влияет на пара¬
метры биполярных транзисторов, чем полевых. В разной степени
изменению подвержена все параметры. Особенно заметен рост ко-
90
Рис. 4.27. Выходные характери¬
стики полевого транзистора с
областью выбора на них рабо¬
чей точки:
1 — допустимая область работы;
2 — ограничение из-за нелиней¬
ности; 3 — ограничение из-за
максимальной мощности потерь
Рпст =«■ 1q ^СИ : 4—ограниче¬
ние по напряжению из-за про¬
боя
зффициента л21э ПРИ увеличении температуры, а также рост об¬
ратных токов, например ток /КБО для кремниевых транзисторов
удваивается при повышении температуры на 6° С.
Полевой транзистор обладает меньшей зависимостью от темпе¬
ратуры, однако четко прослеживается убывание тока /с при уве¬
личении температуры.
Примерный вид характеристик биполярного транзистора для раз¬
ных температур представлен на рис. 4.28.
Рис. 4.28. Характеристики биполярного транзистора при
25 и 105° С
Зависимость параметров транзистора от температуры, а следо¬
вательно, изменение токов вызывают меньшие или большие измене¬
ния положения рабочей точки. Может случиться, что под влиянием
температуры рабочая точка сместится так, что появятся сильные
искажения или будет превышена максимальная мощность потерь.
Для предотвращения подобных явлений часто прибегают к ис¬
пользованию схем стабилизации рабочей точки.
Что такое схемы питания транзисторов?
Это схемы, обеспечивающие соответствующие постоянные на¬
пряжения на электродах транзистора, т. е. устанавливающие зара¬
нее выбранную рабочую точку, называемую статической или в со¬
стоянии покоя. Схемы питания содержат источники напряжений и
цепи, через которые эти напряжения подводятся к транзистору, на¬
пример цепи резистивных делителей напряжения.
91
Подача напряжений через делители позволяет: обеспечить на
электроде транзистора требуемое напряжение при использовании
источника с постоянным напряжением питания, питать все электро¬
ды данного транзистора или схемы, состоящей из ряда транзисто¬
ров, от одного общего источника, обеспечить подбор сопротивле¬
ния источника, «видимого» со стороны транзистора. Обычно источ¬
ник питающего напряжения имеет малое внутреннее сопротивле¬
ние, которое, будучи подключено ко входу транзистора, нагружает
дополнительно источник управляющего сигнала. Для предотвра¬
щения этих нежелательных явлений между источником и электро¬
дами транзистора используют резисторы.
Какие самые простые схемы питания
транзисторов?
Проще всего обеспечить установку рабочей точки транзистора,
т. е. подать иа его электроды смещение, если соединить соответству¬
ющие электроды с источником напряжения посредством отдельных
резисторов (рис. 4.29).
Из этой зависимости при заданном Еэ и определенном (для выбран¬
ной рабочей точки) токе /э можно определить сопротивление ре¬
зистора R3, необходимое для смещения перехода эмиттер—база,
соответствующее рабочей точке. Для кремниевых транзисторов мож¬
но принять {УЭБ = 0,7 В.
Для схемы ОЭ (рис. 4.29, б) для входной цепи имеем следующую
зависимость:
Для определения сопротивления резистора Rq ток /б определяют
из характеристик транзистора для заданной рабочей точки либо
из следующих соотношений:
Можно использовать более простое решение, показанное на
рис. 4.30, для которого достаточно одного источника питания.
Рис. 4.29. Простейшие схемы питания транзистора, включенно¬
го по схеме с ОБ (а) и ОЭ (б)
Для схемы ОБ (рис. 4.29, а) для входной цепи имеем
Еэ /э Ra = 0 .
92
Для схемы ОБ (рис. 4.29,с) имеем:
EK~I^RK — U^B — 0 ,
для схемы ОЭ (рис. 4.29, б)
Ей— /к Як — ^кэ=° •
Какие существуют схемы питания транзисторов
с делителем напряжения?
Часто совместно с источником напряжения питания использу¬
ется делитель из резисторов, обеспечивающий большую свободу при
проектировании всей схемы смещения транзистора. Пример пода¬
чи смещения на МОП транзистор показан на рис. 4.31.
Рис. 4.30. Схема питания
транзистора с ОЭ при
использовании одного
источника
Рис. 4.31. Схема питания
для полевого МОП тран¬
зистора с использовани¬
ем делителя напряжения
Резисторы Rt и R2 делителя в этом случае выбираются таким
образом, чтобы получить требуемое ^зи, определяемое формулой
^ЗИ —
R.
Ri + Rz
Эту же самую схему смещения можно применить также в случае би¬
полярного транзистора, однако на практике при этом добавляются
одновременно схемы стабилизации рабочей точки.
Что такое схемы стабилизации рабочей точки?
Это схемы, уменьшающие влияние изменений тока /КБО и коэф¬
фициента /г21Э на ток коллектора /к. Например, изменение тока
/КБо вызывает изменение полного тока, протекающего в цепи кол¬
лектора, и в результате происходит смещение рабочей точки тран¬
зистора, это в свою очередь влечет за собой изменение входного и
выходного сопротивлений, изменение ширины полосы, нелинейных
искажений, мощности потерь в транзисторе.
93
Изменение значений 1 КБО и h21Э наблюдается под влиянием
температуры транзистора, которая зависит как от температуры ок¬
ружающей среды, так н от электрической мощности, выделяемой
в транзисторе.
Схемы стабилизации обычно соединены со схемами питания
транзистора, образуя чаще всего общую схему питания и стабили¬
зации. Рассматриваемые до сих пор схемы питания ие обеспечивали
стабилизации рабочей точки транзистора. Эффективность стабили¬
зации подсчитывают с помощью коэффициентов стабилизации Scr,
определяемых обычно как отношение приращения тока или стаби¬
лизированного напряжения к приращению тока /КБО или коэф¬
фициента Л21Э* вызванного ростом температуры, например
Для простой схемы питания (без стабилизации) с учетом того, что
/j^ = Л21э^Б ^21Э ^)^КБО» имеем *SCX = Л21э "f" 1» т- е* 5СТ
составляет десятки единиц, тогда как при идеальной стабилизации
На основе рассмотрения многих схем можно показать, что на
практике стабилизация чаще всего сводится к поддержанию посто¬
янных значений тока /к и напряжения э.
Дополнительный выигрыш от использования большинства схем,
стабилизирующих рабочую точку транзистора,является уменьшение
влияния разброса параметров, имеющего место для отдельных эк¬
земпляров транзисторов одного типа, на работу транзисторной схе¬
мы.
Чем характеризуется схема питания
со стабилизацией в цепи эмиттера?
На рис. 4.32 представлена схема питания со стабилизацией в
виде резистора, включенного в цепь эмиттера. В схеме без резисто¬
ра рост тока /КБО вызывает увеличение тока в цепи коллектора и уве¬
личение падения напряжения на резисторе, находящемся в цепи
базы, что вызывает более положительное смещение перехода и даль¬
нейший рост токов эмиттера и коллектора. Введение резистора в
цепь эмиттера препятствует росту токов, поскольку мгновенный
рост тока вызывает увеличение падения напряжения на этом резис¬
торе, а следовательно, увеличение напряжения, смещающего пере¬
ход в непроводящем направлении. Это в свою очередь ведет к умень¬
шению роста тока к, следовательно, к его стабилизации на некото¬
ром, почти постоянном уровне.
В этом случае имеем следующие приближенные соотношения:
Б Яб+^21Э^°
= ^к ГЭ ^3’
94
Эффективность стабилизации тем больше, чем выше отношение
R3fR в. Обычно стремятся к тому, чтобы достичь значения SCT от
нескольких единиц примерно до 10. Для больших значений SCT рас¬
считываем по формуле Scr ж RB/R3.
Стабилизирующий резистор в цепи эмиттера часто шунтирует¬
ся конденсатором большой емкости. При этом резистор влияет толь¬
ко на рабочую точку и ее стабильность и не вызывает уменьшения
усиления схемы до тех частот, пока конденсатор обладает сопро¬
тивлением намного меньшим, чем резистор R3.
Обсуждаемую схему смещения часто называют схемой Со ста¬
билизацией на принципе эмиттерной связи.
Чем характеризуется схема стабилизации
рабочей точки на основе коллекторной
связи?
Такая схема представлена на рис. 4.33. В этом случае стабили¬
зация основана на питании базы через резистор, включенный меж¬
ду коллектором и базой. Увеличение тока коллектора вызывает сни¬
жение потенциала на коллекторе и через резистор Rq изменение по¬
тенциала на базе так, что это вызывает уменьшение изменений тока
коллектора.
В этом случае справедливы следующие приближенные соотно¬
шения:
Сопротивление резистора Rq не может быть слишком малым, так как
это вызывало бы уменьшение усиления по напряжению, поэтому
следует выбрать компромисс между усилением н коэффициентом ста¬
билизации.
о
Рис. 4.33. Схема питания транзисто¬
ра со стабилизацией на принципе
коллекторной связи
Рис. 4.32. Схема питания со ста
билизацией в цели эмиттера
95
Какие другие схемы стабилизации
рабочей точки встречаются на практике?
Разработано много других решений, например одновременное
использование эмиттерной и коллекторной связей, питание базы
при использовании делителя и одновременном включении эмиттер-
ного резистора, шунтированного конденсатором (рис. 4.34, а). Для
этой схемы имеем следующие соотношения:
Рис. 4.34. Схема стабилизации тока коллектора с отрицательной обрат¬
ной связью по постоянному току при подаче смещения на базу от
делителя (а) н пример решения этой схемы (б)
Коэффициент стабилизации при этом выражается формулой
Достоинством этой схемы является достаточно большая свобо¬
да при выборе сопротивлений резисторов и, кроме того, малая зави¬
симость рабочей точки транзистора от коэффициента /121Э и ег0 из*
менений.
На рис. 4.34, б представлен пример подобной схемы питания с
указанием значений токов, напряжений и сопротивлений.
Помимо схем стабилизации, использующих резисторы, приме¬
няются также схемы, стабилизирующие положение рабочей точки
95
транзистора, на основе элементов, обладающих зависимостью от
температуры, например диодов (в частности, стабилитрона), термис-
оров, а также транзисторов. Схемы, в которых применяют подобные
элементы, иногда называют компенсационными.
Как работает транзистор в диапазоне
высоких частот?
При использовании транзистора для усиления сигналов высо¬
кой частоты возникают некоторые ограничения, связанные со свой¬
ствами самого транзистора. Существенную роль играют сопротив¬
ления и емкости транзистора.
Параметры транзистора меня¬
ются в зависимости от часто¬
ты, и для высоких частот его
эквивалентная схема услож¬
няется. По мере роста часто¬
ты все большее значение при¬
обретают пассивные составляю¬
щие полных прозоднмостей.
Для анализа работы транзис¬
тора в диапазоне высоких ча¬
стот наиболее часто исполь¬
зуют П-образнуго физическую
модель (рис. 4.12,6 и 4.35),
и при проектировании высоко¬
частотных транзисторных схем
чаще всего используют его
«четырех-полюеннковые» параметры. Отдельные параметры для оп¬
ределенной частоты находят в справочниках из соответствующих
графиков, представленных в функции частоты. Частотной зави¬
симостью обладают также коэффициенты передачи токаЛ21Б и Л21Э»
с увеличением частоты их значения обычно убывают.
Какие параметры транзистора определяют
его пригодность для работы в высокочастотных
схемах?
Имеется несколько таких параметров. Самыми важными явля¬
ются предельные частоты транзистора /А , /Гр, fT, а также /тах» ука¬
зываемые в каталогах или справочниках.
Частоты f[ и /гг> определяют частоты, на которых значение
Л21Б или/i21з падают на ЗдБ по отношению к своему значению в об¬
ласти низких частот. С учетом П-образной физической модели име¬
ем следующие приближенные формулы:
hhl~~7TZ 7 ; /гр=//1и(1 —А21Б) •
б' э ьб' э
Частота /у (или Д) соответствует падению коэффициента Л21Э
до значения, равного единице:
!т ~ /х ~ /гр ^2 1Э»
ЗМ
Рис. 4.35. Физическая модель
транзистора в диапазоне высо¬
ких частот с примерными зна¬
чениями параметров
4 Зак. 10 0G
97
Часто /max определяет максимальную частоту, на которой коэффи¬
циент передачи по мощности не меньше единицы. Это — максималь¬
ная частота генерации, которая выражается приближенной форму¬
лой
/шах * V hj^nr6' 6 Сб' э •
Легко видеть, что предельные частоты fh^, / тем больше, чем мень¬
ше произведение (постоянная времени) г6,э Сб,э. Максимальная час¬
тота работы транзистора fmax зависит от постоянной времени гб,$Сб,9,
влияние которой становится заметным для частот, лежащих выше
/ftjt *
Пои работе в диапазоне высоких частот важную роль играет
также проводимость £/12. Она должна быть как можно меньше.
Каковы шумовые свойства транзисторов?
Шумы транзисторов обусловливаются тепловыми, дробовыми
и структурными шумами. Источником тепловых шумов являются
распределенные сопротивления полупроводника. Для биполярно¬
го транзистора решающее значение имеет величина Гб> Дробовые
шумы связаны с флуктуациями прохождения носителей зарядов
через переходы. Структурные шумы образуются шумами поверхно¬
стной рекомбинации и шумами утечки коллектора.
Шумы зависят от частоты, выбора рабочей точки, сопротивле¬
ния источника сигнала. Обычно шумы растут с ростом тока /к.
В биполярном транзисторе в диапазоне низких частот преоб¬
ладают структурные шумы, в диапазоне средних частот шумы почти
не зависят от частоты, в диапазоне высоких частот шумы растут с
увеличением частоты. При больших значениях внутреннего сопро¬
тивления источника сигнала шумы возрастают, если сопротивление
возрастает.
В полевых транзисторах шумы обычно меньше, чем в биполяр¬
ных. В частности, дробовые шумы очень малы, если ток затвора ми¬
нимален. Кроме того, полевой транзистор может работать с источ¬
ником сигнала с высоким внутренним сопротивлением, имея при
этом очень малые шумы.
На чем основывается работа транзистора
при большом сигнале?
Рассмотрение работы транзистора при большом сигнале стал¬
кивается с рядом трудностей. Следует помнить, что физические мо¬
дели транзисторов были разработаны при упрощающих предполо¬
жениях, которые перестают быть справедливыми при большом сиг¬
нале. Его к- и //-параметры определяются только через малые при¬
ращения токов и напряжений и не определяют свойств транзистора
для большого сигнала. В этой ситуации при использовании тран¬
зисторной схемы, предназначенной для работы в режиме большого
сигнала, можно использовать лишь статические характеристики.
При выборе положения рабочей точки, помимо стремления получить
малые искажения, в схемах, работающих при большом сигнале, осо¬
98
бенно для усилителей мощности, часто учитывается мощность, ПО»
требляемая от источника питания, и мощность, рассеиваемая в тран¬
зисторе.
Что такое усилители классов А, В, С?
Как уже подчеркивалось, усилители малых сигналов обычно
работают в режиме, рабочая точка которого расположена вблизи
середины используемого отрезка нагрузочной прямой. В усилителях
больших сигналов в зависимости от положения рабочей точки раз¬
личают режимы классов А, В, АВ и С.
Работой в классе А (рис. 4.36) называют режим работы, при ко¬
тором положение рабочей точки таково, что выходной ток протека¬
ет в течение времени длительности переменного входного сигнала,
т. е. в течение всего периода. В классе В выходной ток протекает
только в течение полупериода входного колебания. При отсутствии
входного колебания выходной ток, соответствующий рабочей точке,
почти равен нулю и в транзисторе выделяется очень малая мощ¬
ность. Промежуточное положение рабочей точки между режимами А
и В соответствует классу АВ. В классе С выходной ток протекает
в течение времени, меньшего чем полупериод.
Очевидно, что наименьшие искажения сигнала имеют место в
классе А, наибольшие — в классе С1. Эффективность схемы наиболь¬
шая в классе С, наименьшая — в классе А.
Зачем транзисторы иногда размещают
на радиаторах?
Рабочая температура транзистора имеет ограниченное значе¬
ние, обычно зависящее от температуры коллекторного перехода.
Для кремниевых транзисторов максимальная температура перехо¬
да лежит в интервале 150—200° С. Температура перехода зависит
от выделяемой в транзисторе мощности, температуры окружающей
среды и эффективности излучения тепловой энергии транзистором
и платой, на которой он закреплен. Увеличение полезной мощности,
1 Искажения зависят от типа усилителя. В двухтактном усилителе мощно¬
сти малые искажения можно получить при работе в классе В. В резонансном
усилителе даже в классе С искажения могут быть малыми.
4*
Рис. 4.36. Работа транзистора в классе А (а) и классе В (б)
99
Полученной на выходе транзистора, вызывает увеличение рассеи¬
ваемой мощности. Рассеиваемая мощность не может превышать до¬
пустимую для полупроводникового элемента. Однако допустимую
мощность можно повысить, увеличив излучение тепловой энергии.
Для этого транзистор часто размещают на металлическом элементе
с как можно большей поверхностью, увеличиваемой путем создания
ребер. Подобные элементы, отбирающие тепловую энергию от тран¬
зистора и излучающие ее в окружающую среду, называются радиа¬
торами. Применение радиатора позволяет получить от данного тран¬
зистора большую мощность, чем при работе без радиатора.
Какие существуют области работы транзистора?
Существуют три такие области, зависящие от смещения пере¬
ходов. При работе транзистора как усилителя малых сигналов эмит-
терный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это — активная
область работы (рис. 4.37), в
которой транзистор прибли¬
женно можно считать линей¬
ным активным элементом и
пользоваться параметрами,
приводимыми в справочниках.
Область, в которой как
эмиттерный, так и коллектор¬
ный переходы смещены в об¬
ратном направлении, называют
областью отсечки. В этой об¬
ласти ток коллектора минима¬
лен (/к= /ко)» а напряжение
на коллекторе максимально.
Областью насыщения на¬
зывается область, в которой
эмиттерный и коллекторный
переходы смещены в проводя¬
щем направлении. Коллектор¬
ный ток достигает насыщения,
напряжение на коллекторе имеет очень малое значение. В этой об¬
ласти входное сопротивление транзистора в схеме ОЭ очень мало,
благодаря чему достигается большое постоянство амплитуды вы¬
ходного колебания, не зависящее от изменения входного сигнала.
Как работает транзистор в режиме переключения?
Транзистор, работающий при малых сигналах, остается все
время в активной области. Если сигнал достаточно велик, мгновен¬
ная рабочая точка транзистора может проходить через три области:
отсечки, активную и насыщения. Тогда говорят, что транзистор ра¬
ботает в режиме переключения. Подобные условия работы наблю¬
даются очень часто в схемах импульсной техники (см. гл. 10) и схе¬
мах цифровой техники (см. гл. 12).
При работе с импульсным сигналом важным практическим во¬
просом в большинстве случаев является определение скорости, с
которой может нарастать выходной ток, когда ко входу подводится
сигнал с большой крутизной. Скорость зависит от источника управ¬
ляющего сигнала (амплитуды н внутреннего сопротивления), цепи
100
Рис. 4.37. Области работы
транзистора:
/ — область насыщения; 2 —
активная область; 3 — об-
часть отсечки
между источником и транзистором, управляющей цепи, а также от
свойств самого транзистора и выбора его рабочей точки.
С точки зрения свойств транзистора можно показать, что ско¬
рость нарастания фронтов выходного сигнала будет тем большей,
чем больше предельные частоты транзистора и чем меньше постоян¬
ные времени гб,б Сб,,. и гэ6,Сэ6,. В случае работы при больших
сигналах дополнительное влияние оказывают явления, происходя¬
щие в полупроводнике при пе¬
реходе из состояния насыще¬
ния в состояние отсечки и об¬
ратно.
Работа транзистора в ре¬
жиме переключения представ¬
лена на рис. 4.38. На транзис¬
тор, находящийся первона¬
чально в состоянии отсечки,
подается управляющий прямо¬
угольный импульс большой
амплитуды, который вызывает
переход в состояние насыще¬
ния перехода эмиттер—база.
Ток коллектора нарастает с
задержкой, зависящей не толь¬
ко от параметров транзистора,
но и от степени управления
(глубины насыщения). Кру¬
тизна выходного импульса
будет тем большей, чем больше
возбуждение, т. е. чем больше
токи базы. Однако при этом
происходит расширение им¬
пульса, поскольку выходной
импульс еще «длится», несмот¬
ря на исчезновение 'входного
импульса. Процесс обусловлен
наличием в базе в состоянии
насыщения высокой концен¬
трации неосновных носителей,
тогда как изменение смеще¬
ния перехода коллектор—база
при переключении нз состоя¬
ния насыщения в активную
область требует небольшой
концентрации этих носителей.
На это требуется некоторое
время, зависящее, в частности, от глубины насыщения и дли¬
тельности входного сигнала, а также от свойств транзисторов. В
справочниках по транзисторам приводятся некоторые данные, опре¬
деляющие время включения и выключения.
Время включения является суммой времени задержки /3 и вре¬
мени нарастания ta, а время выключения — суммой времени накоп¬
ления (рассасывания) ip и времени среза /с. Время включения и вы¬
ключения связано и с другими параметрами транзистора. Напри¬
мер, чем частота fr больше, тем эти времена меньше. Рост емкости
С22Б увеличивает время включения и выключении. Работа прн
10J
°)
о—
JL
е)
Рис. 4.38. Работа транзистора в
режиме переключения: схема
(а) и формы импульса входно¬
го напряжения (б), тока Сазы
(о), напряжения эмиттер—база
(г), тока коллектора (д), напря¬
жения коллектор — эмиттер (е)
большом токе коллектора увеличивает время нарастания и спада,
ио сокращает время накопления. Возрастание тока базы вызывает
уменьшение времени включения, ио увеличение времени выключе¬
ния. Работа при малом токе базы, обеспечивающем работу вне об¬
ласти насыщения, связана также с малым коэффициентом передачи
транзистора по току.
С точки зрения управления транзистора различают управление
током, напряжением и зарядное управление.
Что такое управление транзистора током,
напряжением и зарядом?
Управлением транзистора по току называется управление вход¬
ной цепью от источника с большим внутренним сопротивлением по
сравнению с входным сопротивлением транзистора, а управлением
по напряжению — от источника с малым внутренним сопротивле¬
нием.
Рис, 4.39. Управление транзистора зарядом: схема (а) н формы
из5ленеинп управляющего напряжения (б), тока базы (з) и тока
коллектора (г)
При управлении по току н напряжению скачкообразное изме¬
нение тока базы не вызывает мгновенного изменения тока коллек¬
тора.
Наибольшую крутизну выходного колебания, т. е. наименьшее
гремя фронта, можно получить при управлении зарядом (рис. 4.39).
Оно состоит во введении инжекции в базу требуемого заряда сразу,
целиком, а не на принципе постепенного накопления этого заряда,
как. например, это имеет место в случае управления при постоян¬
ном токе базы. Это осуществляется, в частности, путем использо¬
вания цепи с ускоряющим конденсатором (иначе — компенсацион¬
ным); вмпульс, связанный с наличием емкости во входной цепи, вво¬
дит в базовую область такой заряд в начальный момент, что ток
коллектора очень быстро достигает своего установившегося значе¬
ния.
1С2
Как обозначаются транзисторы?
Существуют различные обозначения, которые зависят от стра¬
ны и изготовителя. В иностранкой литературе чаще всего встреча¬
ются буквенно-цифровые обозначения с двумя либо тремя буква¬
ми в начале. Наиболее распространена система обозначений, в ко¬
торой первая буква обозначает тип полупроводника: А — герма¬
ний; В — кремний. Вторая буква обозначает тип элемента: С —
транзистор маломощный низкочастотный; D — транзистор мощный
низкочастотный; F — транзистор маломощный высокочастотный;
L — транзистор мощный высокочастотный; S — транзистор для пе¬
реключающих схем; U — транзистор мощный для переключающих
схем. Определение «маломощный» обычно соответствует мощности
•Ртах 0,3 Вт; определение «низкочастотный» обозначает, что
для данного транзистора граничная частота /т ^ 3 МГц (или
/т 2,5 МГц). Третья буква обозначает применение транзистора,
указанное изготовителем.
В СССР используется буквенно-цифровая маркировка транзистора. В за¬
висимости от назначения и используемого при изготовлении транзисторов ма¬
териала первая буква нлн цифра обозначает тип полупроводника: 1 илн Г —»
германий; 2 или К — кремний; 3 кли А — арсенид галлия. Буква соответствует
пркмеиеиию в аппаратуре широкого, а цифра — специального назначения.
Второй элемент классификация (маркировки) обозначает тип транзистора:
Т — биполярный; П — полевой.
Третий элемент назначения определяет назначение транзистора по частот¬
ным и мощностным свойствам (табл. 4.1).
Четвертый и пятый элементы — номер разработки транзистора, обознача¬
ется цифрами от 01 до 99.
Шестой элемент обозначения — буквенной от А до Я. Показывает разде¬
ление транзисторов данного типа по классификационным параметрам. Напри¬
мер, транзистор КТ605А — кремниевый, биполярный, средней мощности, высо¬
кочастотный, номер разработки 0,5, группа А с классификационным парамет¬
ром /г2|Э от 10 до 40. — Прим. ред.
Таблица 4.1
Транзистор
Третий элемент
маркировки
транзистора
Малой мощности (до 0,3 Вт) с граничной часто-
той передачи тока:
низкие частоты до 3 МГц
1
средние частоты 3—30 МГц
2
высокие и сверхвысокие частоты (более
30 МГц)
3
Средней мощности (0,3—1,5 Вт) с граничной ча-
стотой передачи тока:
низкие частоты до 3 МГц
4
средние частоты 3—30 МГц
5
высокие и сверхвысокие частоты (более
30 МГц)
6
Большой мощности (более 1,5 Вт) с граничной
частотой передачи тока:
низкие частоты до 3 МГц
7
средние частоты 3—30 МГц
8
высокие и сверхвысокие частоты (более
30 МГц)
9
103
В справочниках помимо обозначения транзистора часто указы¬
ваются тип корпуса и эскиз расположения электродов. Корпуса за¬
щищают структуру транзистора от механических повреждений, заг¬
рязнений, влияния влаги, упрощают отвод тепла, облегчают монтаж
транзистора. Применяются корпуса металлические, стеклянные,
керамические и из искусственных материалов. Расположение элект¬
родов зависит от типа используемого корпуса.
Что такое вакуумный триод?
Это вакуумный прибор (рис. 4.40) с тремя электродами: като¬
дом, сеткой и анодом, обладающий свойством усиления электричес¬
кого сигнала. Электроды расположены в стеклянном или металли¬
ческом баллоне с вакуумом внутри.
Катод триода, накаливаемый непосредственно или косвенно с
помощью подогревателя, через который протекает ток накала, эмит-
тирует электроны на основе эф¬
фекта термоэмиссии. Количество
эмиттерных электронов зависит, в
частности, от материала катода и
мощности накала. Анод улавливает
электроны, излученные катодом. По¬
тенциал анода должен быть поло¬
жительным относительно катода.
Число попадающих на анод элект¬
ронов тем больше, чем больше по¬
ложительный потенциал анода
(анодное напряжение). Электроны
создают в цепи анода анодный
ток.
Сетка триода, часто называемая управляющей сеткой, явля¬
ется электродом, расположенным между катодом и анодом. Она име¬
ет форму спирали, навитой из тонкой проволоки. Сетка воздейст¬
вует на распределение электрического поля между катодом и ано¬
дом, в результате чего изменяется число электронов, попадающих
на анод, и соответственно сила анодного тока. Сетка обычно имеет
отрицательный потенциал относительно катода.
Триоды применяются в качестве усилительных ламп низкой и
высокой частоты, малой и большой мощности, а также в качестве
генераторных ламп. По сравнению с транзисторами триоды имеют
следующие недостатки: большие габаритные размеры, необходи¬
мость использования напряжения накала, большое напряжение
питания. Достоинствами триодов являются возможность работы с
большими токами, высокими напряжениями, малая чувствитель¬
ность к температуре н ее изменениям, устойчивость к искрению. В
маломощных схемах триоды вытеснены транзисторами и интеграль¬
ными микросхемами.
На каком принципе триод усиливает
электрические сигналы?
Сетка расположена к катоду ближе, чем анод, и благодаря это¬
му она значительно сильнее воздействует на количество электронов,
доходящих до анода и образующих анодный ток. Небольшое увели¬
чение сеточного напряжения (от —3 до —2 В) вызывает большой
104
о)
Рис. 4.40. Условное графиче¬
ское обозначение триода:
общее (а) и с косвенным на¬
калом (б)
рост анодного тока (от 10 до 20 мА), а небольшое уменьшение напря¬
жения на сетке (от —3 до —4 В) дает заметное снижение анодного то¬
ка. Изменение анодного тока вызывает изменение падения напряже¬
ния на сопротивлении нагрузки, находящемся в цепи анода. Изме¬
нение падения напряжения на этом сопротивлении во много раз
больше, чем изменение напряжения на сетке, а это означает, что в
триоде имеет место усиление по напряжению.
Триод обеспечивает также большое усиление по току, посколь¬
ку управление в цепи сетки осуществляется напряжением (ток сет¬
ки в рабочей точке для усилительной схемы пренебрежимо мал).
Как обозначают токи и напряжения в схемах
на лампах?
Их обозначают обычно по тем же принципам, что и на транзис¬
торных схемах, с той лишь разницей, что используются другие бук¬
венные обозначения электродов: анода (А, а), катода (К, к) и сетки
(С, с).
В каких схемах триод работает как усилитель?
Триод может работать в трех основных схемах включения,
имеющих свои аналоги в транзисторных схемах (рис. 4.41): схема
с общей сеткой (ОС) — аналог схемы ОБ, схема с общим катодом
Рис. 4.41. Основные схемы включения триода:
а — с общей сеткой; б — с общим катодом; в — с общим анодом
(ОК) — аналог схемы ОЭ, схема с общим анодом (ОА) называется
катодным повторителем — аналог схемы ОК эмиттерного повтори¬
теля.
Наиболее часто используемой типовой схемой является схема
ОК.
Какими параметрами характеризуется
триод?
Анодный ток триода /а зависит от анодного иа и сеточного
напряжений Uc. Для маломощного триода анодный ток обычно оа-
вен 5—15 мА. Анодные напряжения обычно лежат в пределах 100—
300 В. Сеточные напряжения находятся в диапазоне —Н—10 В.
Напряжение накала составляет от нескольких до 10—20 В, ток на¬
кала обычно меньше 0,5 А, мощность накала для маломощных трио¬
дов составляет несколько ватт.
Наиболее полно трнод характеризуют три параметра: внут¬
реннее сопротивление, крутизна, коэффициент усиления.
Ял
С
105
Внутреннее сопротивление триода, или анодное сопротивление,
выражается формулой
Rt =
А и*
А/а
Uc = const .
Обычно его приводят в килоомах.
Крутизна характеристики лампы обозначается как S, выра*
жается формулой
Д/«
S =
д и*
Ur. = const
и приводится в миллиамперах на вольт.
Коэффициент усиления обозначается через |х и выражается как
Г_А^а
AUC
I а = const.
Коэффициент [X является безразмерной величиной. Знак минус оз¬
начает, что для поддержания постоянного значения /а прнраще-
ния1AU Аа н AUq должны быть разного знака. Для трех основных
параметров триода существует зависимость jx = R(S.
Указанные параметры можно определить непосредственно (из¬
мерением) либо на основе статических характеристик триода. Их
значения зависят от выбора рабочей точки.
Уравнение анодного тока триода можно записать в следующем
виде:
= ~ U& -{- SUQ = EaIRa Va/Ra .
К i
Для типовых маломощных триодов имеем следующие параметры:
Rt — 1—50 кОм; S = 2—15 мА/В; |х = 5—100.
Что можно сказать о триоде как элементе
схемы?
Триод является нелинейным активным элементом схемы, па¬
раметры которого зависят от условий работы, в основном от посто¬
янных напряжений и токов в схеме, т. е. от рабочей точки и частоты.
По сравнению с транзистором триод характеризуется меньшей за¬
висимостью параметров от условий работы, в частности зависимость
параметров триода от уровня сигнала является значительно мень¬
шей, чем у транзисторов. Вид эквивалентной схемы зависит от схе¬
мы включения триода (ОА, ОК или ОС). Как правило, эквивалент¬
ные схемы представляют в виде физических моделей. Эквивалент¬
ные схемы для режима малого сигнала используются реже, посколь¬
ку физическая модель триода оказывается вполне достаточной как
для малых, так и для больших сигналов. Кроме того, образующие
эту модель элементы почти не зависят от уровня сигнала. Значения
емкостей и индуктивностей, входящих в физическую модель, также
почти не зависят от частоты, их реактивное сопротивление являет¬
ся функцией частоты.
По сравнению с биполярным транзистором триод как элемент
схемы отличается значительно более высокими входным и выход¬
ным сопротивлениями.
106
Что такое схема О К и каковы ее свойства?
Схема ОК является типовой схемой работы триода. В этой
схеме сигнал подводится между сеткой и катодом, а нагрузка вклю¬
чается между анодом и катодом (рис. 4.42,а). В эквивалентной схеме
(рис. 4.42, б) содержатся три междузлектродные (внутриламповыо)
емкости Сск, Сак. Сса. Их значения зависят от конструкции лампы,
формы и размеров отдельных электродов. Обычно они лежат в пре¬
делах 2—6 пФ. Емкость Сас меньше «видимой» со стороны генера¬
тора, т. е. входной емкости (динамической). Она выражается сле¬
дующей формулой:
Свх~ ^с.к“Ь^с.а (1 ~Ь Ки)»
где Ки — усиление триода по напряжению в данной схеме. Выход¬
ная емкость триода также увеличивается при росте усиления.
Рис. 4.42. Трнод в усилительной схеме с ОК (я) и его физическая модель (б)
Свойства схемы ОК аналогичны со схемой ОЭ с тем отличием,
что численные значения коэффициента усиления и сопротивлений
другие. Важным свойством, типичным для триода, является зави¬
симость входной и выходной емкости от усиления по напряжению.
Каковы статические характеристики триода
в схеме с О К?
Типичными статическими характеристиками триода являются:
анодная характеристика (рис. 4.43, с) — зависимость анодного то¬
ка от анодного напряжения Ua при постоянном значении напря¬
жения UCt т. с. /а = / (£/а) при Uс — const; аподно-сеточная ха¬
рактеристика (рис. 4.43, б) — зависимость анодного тока от сеточ¬
ного напряжения при постоянном напряжении 0&) т. е. /а = / (с/с)
при /а — const; проходная характеристика — зависимость анод¬
ного напряжения от сеточного Uc при постоянном анодном токе,
т. е. Ua — f (£/с) при /а = const.
Как видно из семейств анодных характеристик, анодный ток
быстро возрастает при небольшом увеличении сеточного напряже¬
ния. При росте анодного напряжения он также растет, но не столь
быстро. Ток не достигает уровня насыщения из-зя использования
оксидных катодов. Однако это не означает, что ток, протекающий
через лампу, может быть произвольно большим. Существуют огра¬
ничения максимального тока с точки зрения как срока службы ка¬
тода, Так и максимальной мощности, которая может быть введена
в лампу. Максимальные токи указываются в. справочниках.
107
Из сеточной характеристики видно, ЧТО при небольших поло¬
жительных напряжениях на сетке начинает протекать сеточный ток.
Значение этого тока зависит от анодного напряжения. Появление
сеточного тока является нежелательным явлением и вызывает ис¬
кажения выходного сигнала, поэтому рабочую точку лампы, рабо-
Рис. 4.43. Статические выходные (а) /а *» f(l/a) И передаточные (характери¬
стики (б) Uс =const при /а =/(Uс)
тающей в качестве усилителя, следует выбирать таким образом,
чтобы работа происходила без сеточного тока даже при небольших
амплитудах входного сигнала1.
Что такое схема ОА и каковы ее свойства?
Схему включения триода ОА часто называют катодным повто¬
рителем. Входной сигнал подается между сеткой и анодом, а нагруз¬
ку включают между катодом и анодом (см. рис. 4.41, в).
На основе эквивалентной схемы можно показать, что входная
емкость относительно мала. Мало также выходное сопротивление
(Явых « 1 IS), в то же время очень велико входное сопротивление.
Усиление по напряжению схемы ОА несколько меньше единицы.
Схему ОА часто применяют в качестве трансформатора сопро¬
тивлений благодаря высокому входному сопротивлению этой схемы
(около 1 МОм) и малому выходному сопротивлению (около 76 Ом).
Коэффициент передачи по напряжению такого «трансформатора»
близок к. единице; малые емкости схемы ОА позволяют пропускать
широкую полосу частот.
Что такое схема ОС и каковы ее свойства?
В триодион схеме ОС входной сигнал подводится между сеткой
и катодом, а нагрузка включается между анодом н сеткой (см.
рис. 4.41, а).
Можно показать, что выходная емкость схемы ОС относитель¬
но мала, а выходное сопротивление велико. Большим достоинством
схемы ОС является очень малая емкость между входом и выходом,
что особенно ценно при работе с высокочастотным сигналом. Входное
1 Это не относится к резонансным усилителям, которые могут давать ма¬
лые искажения даже при заходе в область сеточных токов.
а)
•3 -2 -1
103
сопротивление схемы ОС мало (/?Вх ~ 1/S) и равно примерно
200 Ом. Усиление схемы по напряжению ближе к получаемому в
схеме ОК, тогда как усиление по току примерно равно единице.
Схема ОС находит применение в диапазоне высоких частот.
Как выбирают рабочую точку триода?
Рабочую точку триода выбирают так же, как и у транзистора.
На семействе статических характеристик /а = / (Ua) строят нагру¬
зочную прямую. Положение рабочей точки выбирают так, чтобы
получить соответствующую линейность выходного колебания без
захода в область, в которой протекает сеточный ток, и не превысить
допустимую мощность потерь на аноде. Это — наибольшая допус¬
тимая мощность рассеяния. Она равна произведению тока /а и на¬
пряжения на аноде Ua, ее значение (около 1 Вт) указано в справоч¬
никах. При выборе рабочей точки следует также помнить о том, что
нельзя превышать максимальных значений анодного тока напря¬
жения, указанных заводом-изготовителем.
Как подается смещение на электроды
триода?
Напряжения смещения подаются на электроды триода проще,
чем у транзисторов. Для смещения триода, так же как и транзис¬
тора, в общем достаточно одного источника постоянного напряже¬
ния (положительного) стой лишь разницей, что напряжение долж¬
но быть намного больше,чем напряжение источника питания тран-
0)
Рис. 4.44. Последовательная
питания анода триода
1
и параллельная (б) схема
зистора (около 200 В). Кроме того, в большинстве случаев' нет не¬
обходимости в использовании стабилизирующих схем, так как ра¬
бота триода очень слабо зависит от температуры окружающей сре¬
ды.
Пример типичной триодной схемы с цепью питания приведен
на рис. 4.44, а. На анод подается положительное напряжение, под¬
ключаемое через сопротивление нагрузки. Это последовательное
109
питание анода, при котором анодное напряжение уменьшается по
сравнению с источником на значение падения напряжения на этом
сопротивлении. Иногда анод питают непосредственно от источника,
Минуя сопротивление нагрузки, как это показано, например, на
рис. 4.44, б. Сетка триода должна кметь отрицательный потенциал
по отношению к катоду, поэтому берут источник небольшого отри¬
цательного напряжения. Однако в большинстве случаев использу¬
ют автоматическое смещение, не требующее применения дополни¬
тельного источника. Для этого в цепь катода триода включают ре¬
зистор /?к, на котором возникает падение напряжения, связанное с
протекающим через лампу анодным током. Это падение напряжения
Имеет такой знак, при котором катод лампы смещается положитель¬
но относительно массы. Соединение сетки с массой через резистор
Rq равнозначно отрицательному смещению сетки относительно като¬
да. На резисторе Rc не возникает падения напряжения, если лампа
работает без тока сетки. Однако резистор Rc необходим для работы
лампы, поскольку через него замыкается цепь сетка—катод. Сопро¬
тивление резистора Rc обычно равно 1 МОм, Сопротивление резис¬
тора RK составляет от нескольких сотен омов до 10—20 кОм. Для
того чтобы переменные колебания не создавали на резисторе RK па¬
дения напряжения, его шунтируют конденсатором. В противном
случае возникает отрицательная обратная связь (см. гл. 8), снижаю¬
щая коэффициент усиления.
Следует помнить, что описанный способ подачи смещения на
сетку не удается применить для биполярного транзистора из-за
противоположного знака напряжения, требуемого для смещения
базы относительно эмиттера.
На чем основана работа триода в диапазоне
высоких частот?
При работе транзистора в диапазоне высоких частот существен¬
ную роль играют междуэлектродиые емкости и индуктивности вво¬
дов электродов (особенно катода), которые в диапазоне средних и
низких частот малы и ими можно пренебречь. Большое значение
имеет также время пролета электронов между катодом и анодом,
влияющие на входную проводимость лампы.
Для работы в диапазоне высоких частот конструируют специаль¬
ные триоды (с плоскими электродами), работающие на частотах до
5 ГГц.
Как работает триод в режиме переключения
при большом сигнале?
Триод как элемент, используемый в режиме ключа (при пере¬
ключении), в общем создает меньше трудностей, чем биполярный
транзистор. Его существенным преимуществом является работа без
сеточного тока, благодаря чему не появляется нагрузка для управ¬
ляющего источника и управление по напряжению не встречает труд¬
ностей. Кроме того, не возникают явления, связанные с рекомби¬
нацией и накоплением зарядов, благодаря чему легче удается полу¬
чить форму выходного колебания, близкую к форме входной. Не¬
которое уменьшение крутизны фронтов может возникнуть из-за
междуэлектродных емкостей. Недостатком триода как переклю¬
110
чателя является необходимость использования большего управ¬
ляющего сигнала, чем для транзистора, а также относительно высо¬
кое внутреннее сопротивление во время протекания тока. На этом
сопротивлении возникает относительно большое падение напряже¬
ния, снижающее падение напряжения ка сопротивлении нагрузки.
Триод является элементом, который не создает трудностей при
работе с большим сигналом. При питании анода напряжением, рав¬
ным, например, 280 В, получают выходные сигналы с амплитудой
около 100 В. Кроме того, гораздо легче достичь относительно боль¬
ших мощностей, чем от полупроводниковых элементов. Для сверх¬
мощных триодов (около нескольких сотен киловатт) применяют спе¬
циальное охлаждение.
Какие шумовые свойства имеет триод?
Источником шумов в триоде является прежде всего эмиссия
электронов из катода. Шумы имеют флуктуациенный (стохастичес¬
кий) характер. Шумы в схеме с триодом зависят, в частности, от
сопротивления управляющего источника и ширины полосы пропус¬
каемых частот. В общем шумы устройств на триодах больше, чем
шумы устройств на современных транзисторах, особенно в диапа¬
зоне дециметровых волн.
ГЛАВА 5
ДРУГИЕ ТИПЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
И ВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
Что такое меза-транзистор?
Это транзистор, выполненный таким образом, что иа пластин¬
ке полупроводника, образующей коллектор, с помощью диффузии
создается область базы, а иа поверхности пластины напыляются вы¬
воды базы и эмиттера в виде полосок (рис. 5.1). Избыток материала,
непосредственно не прилегающий к области базы, удаляется путем
травления. Название «меза» (от испанского — стол) связано с ха¬
рактерной формой транзистора, сделанного этим методом. Сущест¬
вуют меза-транзисторы, выполненные на основе эпитаксиальных
пленок и характеризующиеся очень узкими р-п переходами.
Меза-транзисторы имеют высокую граничную частоту (несколь¬
ко сотен мегагерц), особенно в эпитаксиальном исполнении, и так¬
же могут иметь большую выходную мощность.
Что такое планарный транзистор?
Это диффузионный транзистор плоской конструкции, в кото¬
ром оба перехода выполнены методом диффузии н расположены, ка
одной и той же стороне кремниевой пластины (рис. 5.2). Поверхность
такого транзистора покрыта тонким защитным слоем двуокиси крем-
111
ния, благодаря чему обеспечивается высокое постоянство парамет¬
ров во времени, в частности малые токи утечки и высокая надеж¬
ность.
О Б
Рис. 5.!. Структура диф¬
фузионного меза-транзи-
стора
3 Б
Рис. 5.2. Структура пла.
нарного транзистора
(/ — слой двуокиси крем
ния)
Что такое однопереходный транзистор?
Это транзистор с одним переходом, созданный путем вплавления
стерженька из ^-материала (алюминий) в монокристаллическую
пластинку из материала п-типа (кремний). К пластинке присоеди¬
нены два вывода, играющие роль баз, стерженек, расположенный
Рис. 5.3. Структура однопереходного тран¬
зистора (а) и его графическое изображе¬
ние (б):
/ — стержень р-тппа; 2 — р-я-переход: 3 —
пластина я-типа; 4 — омические контакты
Рис. 5.4. Статическая харак¬
теристика однопереходного
транзистора
(/ — область отрицательного
сопротивления)
несимметрично относительно баз,—эмиттер. Такой транзистор назы¬
вают также двухбазовым диодом (рис. 5.3). Сопротивление между
базами составляет около нескольких тысяч ом. Обычно база />» сме¬
щена в положительную сторону относительно базы />А. При подве¬
дении к эмиттеру соответствующего положительного напряжения
протекает большой ток эмиттера (при небольшом падении напря¬
жения между эмиттером Э и базой Б\). При этом па эмнттерпой
характеристике транзистора наблюдается область отрицательного
сопротивления (рис. 5.4), благодаря чему однопереходный транзис¬
И2
тор находит применение в генераторах и триггерах, а также в цепях
регулирования. В области отрицательного сопротивления осуществ¬
ляется очень быстрое переключение.
Что такое полевой транзистор с двумя
затворами?
Это полевой МОП транзистор с каналом типа п (или р) с двумя
затворами, управляющими током стока (рис. 5.5). При таком реше¬
нии в схеме с общим источником достигается хорошая развязка
входных к выходных цепей, что позволяет транзистору работать в
0
з,
из2с
Рис. 5.5. Структура полевого транзистора с двумя затво¬
рами с каналом л-типа (а) и его условное графическое
обозначение (б):
/ — изолирующий слой; 2 — подложка д-типа; 3 ~
исток п; 4 — островок; 5 — сток п
качестве усилителя высокой частоты до частот около 1000 МГц. При
этом трудности, связанные с обратным проникновением сигналов,
не возникают. Полевые транзисторы с двумя затворами часто при¬
меняют в смесителях в диапазоне высоких частот.
Что такое транзистор с неоднородной базой?
Это планарный транзистор, в котором между базой и коллекто
ром располагается /-слой собственного полупроводника. При этом
уменьшается область, обедненная носителями (вблизи перехода
а) 5)
Рис. 5.6. Условное графиче¬
ское обозначение транзисто¬
ра с неоднородной базой ти¬
па p-n-i-p (а) к p-n-i-n (б)
коллектор—база) при обратном смещении коллектора, сокращает¬
ся время пролета носителей на участке база—коллектор и тем са¬
мым достигается увеличение максимальной частоты транзистора.
Графическое изображение транзисторов с неоднородной базой пред¬
ставлено на рис. 5.6.
тг
Что такое фототранзистор?
Это трехслойный полупроводниковый прибор с двумя р-п пе
реходами и тремя или двумя выводами, в котором выходной ток из •
меняется с помощью внешнего облучения (освещения) и электричес¬
кого сигнала, подводимого к транзистору. Освещение влияет на со¬
противление области эмиттер—база. Фототранзистор обладает боль¬
шей чувствительностью, чем фотодиод, н находит применение в из¬
мерительных схемах и автоматике.
Существуют также полевые фототранзисторы, работающие с
очень малыми входными токами и малыми шумами.
Что такое диодный тьфистор?
Это полупроводниковый р-п-р-п прибор с тремя переходами и
двумя выводами, имеющий два устойчивых рабочих состояния. В
одном состоянии ток, протекающий через прибор, мал, в другом —
велик. Диодный тиристор можно рассматривать как последователь¬
ное и встречное включение трех диодов (рис. 5.7) или как соедине¬
ние двух транзисторов типов р-п-р и п-р-п. Тиристор смещен в про
водящем направлении, если на его аноде положительное напряже
ние; при этом диоды Дг и Да открыты. Для диодного тиристора
встречается также название диод Шокли или динястор.
Какой вид имеет вольт-ампериая характеристика
диодного тиристора?
Типичный вид вольт-2мперной характеристики диодного тирис¬
тора, т. е. зависимость протекающего через тиристор тока от по¬
дводимого напряжения, представлен на рис. 5.8. При подведении к
аноду отрицательного напряжения (при смещении тиристора в не¬
проводящем направлении) через тиристор течет очень малый обрат¬
ный ток (так называемое состояние запирания тиристора), диффе¬
ренциальное с.опротивле21йс в этой области очень велико (несколь¬
ко десятков мегом). При превышении обратного напряжения пробоя
Uобр наступает резкое увеличение этого тока. При подаче на анод
тиристора положительного напряжения, т. е. при его смещении в
проводящем направлении, возможны два состояния: выключенное
(запертое) н включенное (отпертое) состояние, в котором дифферен¬
те. 5.7. Структура (а), эк¬
вивалентная схема (б) и ус¬
ловное графическое обозна¬
чение диодного тиристора
(<?)
114
цнальное сопротивление тиристора очень мало (несколько ом).
Для перехода из выключенного во включенное состояние требуется
превышение напряжения включения UвнЛ. Процесс перехода длит¬
ся определенное время, связанное с движением носителей зарядов
через переходы. Для возврата в выключенное состояние требуется
отключение илн соответствующее уменьшение внешнего напряже¬
ния.
Что такое симметричный диодный тиристор?
Это тиристор со структурой, соответствующей двунаправленно¬
му четырехслойному диоду. Из характеристики такого тиристора
(рис. 5.9) видно, что его свойства одинаковы при смещении в про¬
водящем и запирающем направлениях.
Рис. 5.8. Типичный вид вольт-ампериой ха¬
рактеристики диодного тиристора:
1 ~ ток выключения: 2 — включенное (от¬
крытое) состояние; 3 — запертое состояние
(отсутствие проводимости); 4 — лавинный
пробой; 5 — напряжение включения; 6 —
выключенное (закрытое) состояние
Рис. 5.9. Характеристика
симметричного диодного ти¬
ристора (а) и его условное
графическое обозначение (б)
Симметричный диодный тиристор, или двунаправленный ти¬
ристор, называется также двунаправленным диодным выключате¬
лем или дниистором.
Что такое триодный тиристор?
Это полупроводниковый прибор, представляющий собой четы¬
рехслойную структуру, имеющую дополнительный третий вывод,
называемый управляющим электродом, соединенный с виутренней
областью р-тнпа (рис. 5.10). Управляющий электрод дает возмож¬
ность включать тиристор при анодном напряжении, меньшем напря¬
жения включения. Триодный тиристор называется также кремние¬
вым управляемым выпрямителем или просто тиристором.
Семейство статических характеристик трнодиого тиристора
представлено на рис. 5.11, Вид характеристик зависит от тока управ-
115
ляющего электрода, При положительном смещении анода и отсут¬
ствии сигнала управления (/упР = 0) вид характеристик такой же,
как и у диодного тиристора. При подаче на управляющий электрод
положительного напряжения переход тиристора во включенное со¬
стояние происходит при значениях анодных напряжений, меньших
напряжений включения, соответствующего нулевому управляюще¬
му току (/уПр = 0). Чем больше ток управления /упр, тем меньше
соответствующее ему напряжение включения.
После перехода тиристора во включенное состояние цепь уп¬
равляющего электрода перестает влиять на анодный ток и «погасить»
тиристор (вывести его из включенного состояния) с помощью управ¬
ляющего электрода невозможно. Тиристор, который удается вклю¬
чить током управляющего электрода, называется незапираемым
тиристором. Его выключение возможно путем прерывания проте¬
кания анодного тока. Это осуществляется при помощи отключения
анодного напряжения, при замыкании цепи анод-катод или при пе¬
реходе через нуль в случае питания анода синусоидальным напря¬
жением.
Каковы параметры тиристоров?
Тиристоры могут работать в большом диапазоне напряжений,
токов к температур, особенно прн дополнительном водяном или воз¬
душном охлаждении. Современные тиристоры работают при нап¬
ряжениях до нескольких тысяч вольт и токах со средним значением
до нескольких сотен ампер. Дифференциальное сопротивление ти¬
ристоров во включенном состоянии очень мало и разно 0,01—0,1 Ом.
В выключенном состоянии сопротивление тиристоров обычно боль¬
ше 100 кОм. Время включения в зависимости от конструкции ти¬
ристора от 0,1 до нескольких микросекунд, а время выключения
значительно больше (5—30 мкс).
Рис. 5.10. Структура трнод-
ного тиристора (а) и его ус¬
ловное графическое обозна¬
чение (б)
Рис. 5.11. Статические ха¬
рактеристики триодного ти¬
ристора в диапазоне поло¬
жительных анодных напря¬
жении
316
Что такое запираемый тиристор?
Это тиристор, структура и вольт-амперная характеристика ко¬
торого такие же, как у триодного тиристора, с той лишь разницей,
что с помощью управляющего электрода можно его как включить,
так и выключить. Графическое изображение такого тиристора, на¬
зываемого иногда запираемым (англ. GTO — gate turn-oft' switch),
представлено на рис. 5.12. Следствием возможности выключения
Рис. 5.12. Условное графиче¬
ское обозначение запираемо¬
го тиристора с управлением
по аноду (а) и катоду (б)
а)
I)
является значительное увеличение тока управляющего электрода,
требуемого для включения, по сравнению с незапираемым тиристо¬
ром (до 20 мА вместо 30 мкА).
Запираемые тиристоры выпускаются в настоящее время для
работы при токах до нескольких ампер н мощности потерь до 20 Вт.
Что такое тетродный тиристор?
Это тиристор с двумя управляющими электродами: анодным и
катодным. Структура тетродного тиристора к его графическое изоб-
Рис. 5.13. Структура тетродного ти- Рис. 5.14. Вольт-амперная ха-
ристора (с) и его условное графи- рактернстнка симистора (а) и
ческое обозначение (б) его условное графическое обо¬
значение (б):
/ — отрицательный и 2 — поло¬
жительный второй анод
ражение представлены на рис. 5.13. Анодный управляющий элект¬
род может быть использозан как для включения, так и для выклю¬
чения тиристора. Для включения необходимо подать на управляю-
117
ЩИй электрод импульс отрицательной полярности, для выключе¬
ния положительной. Тетродный тиристор часто называют кремниевым
управляемым переключателем. Достоинством тетродных тиристо¬
ров является меньшее время выключения (около I—30 мкс), чему
триодиых тиристоров. Выпускаемые в настоящее время тетродные
тиристоры работают при токах до нескольких сотен миллиампер
при рассеиваемой мощности до 0,5 Вт. Вольт-ампериые характерис¬
тики обоих типов тиристоров имеют одинаковый вид.
Что такое симИстор?
Это симметричный тиристор с одним управляющим электродом,
который может быть включен как при положительном, так и при
отрицательном напряжении смещения анода с помощью положи¬
тельного или отрицательного импульса, поданного на управляющий
электрод. Вид характеристики симистора и его графическое изобра¬
жение представлены на рис. 5.14.
Для каких целей используются тиристоры?
Тиристоры широко применяются в управляемых выпрямите¬
лях, стабилизаторах наЬряжения (см. гл. 6) в качестве переклю¬
чателей, выключателей и основных элементов в технике автома¬
тического регулирования.
Что такое фототиристор?
Это тиристор с одним управляющим электродом и окошком в
корпусе, позволяющим освещать один из переходов в р-п-р-п струк¬
туре. Включение фототиристора зависит как от тока управляющего
электрода, так и от падающего через окошко света. Фототиристоры
находят широкое применение в схемах регулирования и логических
схемах.
Что такое микроэлектроника?
Определение «микроэлектроника» охватывает область электро¬
ники, занимающуюся проектированием и изготовлением интеграль¬
ных микросхем, позволяющих значительно уменьшить (в несколь¬
ко сотен или даже тысяч раз) размеры электронных устройств.
Что такое интегральные микросхемы?
Это схемы, содержащие в виде одного электронного микроузла
ряд основных элементов (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисто¬
ры), изготовленных в едином технологическом цикле к образующих
соответствующую электронную схему, выполняющую запланиро¬
ванную и определенную функцию, например усилителя, генерато¬
ра, триггера, логической схемы, и имеет определенные технические
параметры. Составляющие элементы электронной схемы и нх' меж¬
соединения изготавливаются внутри (в объеме), либо на поверхно¬
сти общей подложки и образуют неразъемное целое. Интегральная
микросхема как микроузел предназначена для непосредственного
монтажа в электронных устройствах и образует вместе с корпусом
1 id
небольшую «таблетку» прямоугольной формы (рис. 5.15) с выводами
для пайки. В зависимости от технологии и назначения интеграль¬
ная микросхема эквивалентна электронной схеме, содержащей обыч¬
но от единиц до нескольких сотен
к более отдельных (дискретных)
пассивных и активных элемен¬
тов.
Что такое интегральные
схемы малой и большой
степени интеграции?
Интегральные микросхемы,
содержащие до 100 пассивных и
активных элементов1, принято
называть схемами средней степени
интеграции (англ. MSI), а схемы,
содержащие свыше 100 элемен¬
тов, — большой степени интегра¬
ции.. Существуют также схемы с малой степенью интеграции, со¬
держащие небольшое количество элементов. Например, типичная
схема БИС содержит несколько сотен элементов, выполненных
на пластинке размерами (без корпуса) 1,5 X 3 мм.
Какие преимущества дает применение
интегральных микросхем?
Применение интегральных микросхем вместо схем, состоящих
из дискретных элементов, дает ряд преимуществ, из которых важней¬
шими являются: уменьшение габаритных размеров (миниатюриза¬
ция) и массы устройства, увеличение надежности, снижение стои¬
мости изготовления устройств и уменьшение потребления материа¬
лов. Введение интегральных микросхем позволило разработать
устройства, изготовление которых при использовании дискретных
элементов было бы вообще невозможным или неэкономичным.
Применение интегральных микросхем создает также и некото¬
рые неудобства. Ограниченный выбор типов этих схем иногда вы¬
нуждает разработчиков «подгонять» свои решения к существующим
интегральным микросхемам. Интегральные микросхемы создают
также некоторые трудности при монтаже, в частности при пайке.
Они крайне чувствительны к искрениям и коротким замыканиям
в схеме.
Какие типы интегральных микросхем
встречаются в электронике?
Существуют четыре типа интегральных микросхем, отличаю¬
щихся технологией изготовления и свойствами: полупроводнико¬
вые, тонкопленочные, толстопленочные, гибридные. Наиболее рас¬
пространены полупроводниковые интегральные микросхемы.
рлАААААД
у—
Ы У У У У У J
Рис. 5.IS. Внешний вид инте¬
гральной микросхемы
1 Степень интеграции в пашен литературе принято характеризовать коли¬
чеством активных элементов (транзисторов) на кристалле. — Прим. ред.
119
Интегральные микросхемы можно разделить на две группы с
точки зрения условий работы содержащихся в них элементов: циф¬
ровые интегральные микросхемы и аналоговые интегральные мик¬
росхемы (часто называемые линейными интегральными микросхе¬
мами). В цифровых схемах активные элементы выполняют роль пе¬
реключателей, которые могут принимать два крайних состояния:
отпирания н запирания (или включения и выключения). В аналого¬
вых схемах произвольный входной сигнал (в определенном интер¬
вале линейной работы) вызывает соответствующий выходной сигнал.
К цифровым схемам относятся триггеры, к линейным — усилите¬
ли.
Что такое полупроводниковые интегральные
микросхемы?
Это интегральные микросхемы, все пассивные и активные эле¬
менты которых изготовлены в одной пластинке полупроводника
(монокристалле кремния). Большую часть пластинки по толщине со¬
ставляет подложка, и только в тонком приповерхностном слое нахо¬
дятся элементы схемы и соединения между ними, созданные методом
диффузионно-планарной технологии. Такая технология позволяет
создать в пластинке полупроводника (кремния) области с разным
типом проводимости (р и п), а также соединения этих областей с ме¬
таллическими контактами. Области с разным типом проводимости
образуют переходы, выполняющие функции резисторов, конденса¬
торов, диодов, транзисторов. Тип проводимости определяется кон¬
центрацией примеси. Избыток доноров дает область с проводимостью
типа п, избыток акцепторов — область с проводимостью типа р.
Процесс изменения типа проводимости путем добавления примесей
называется компенсацией.
Атомы примесей вводятся в полупроводник через поверхность
с помощью диффузии, например путем помещения полупроводника
в смесь паров с атомами примеси при достаточно высокой темпера¬
туре. Возможно проведение даже тройной диффузии, при которой
получают трехслойную структуру, содержащую два перехода; наи¬
более глубокой является первая диффузия. Ограничение областей,
в которых путем диффузии примесей получают изменение типа про¬
водимости, осуществляется с помощью слоев двуокиси кремния,
предохраняющих от диффузии участки, покрытые таким слоем.
Слой двуокиси кремния на пластинке создается окислением поверх¬
ности пластинки при высокой температуре. Вскрытие определенных
участков (так называемых окошек) в слое окисла для проведения диф¬
фузии осуществляется растворением окисла в плавиковой кислоте.
В процессе удаления слоев окисла с определенных участков по¬
верхности пользуются фотомасками, облучаемыми ультра¬
фиолетовыми лучами. Участки полупроводника, покрытые свето¬
чувствительной эмульсией и не засвеченные через маску (шаблон),
образованную системой прозрачных и непрозрачных участков, вы¬
травливаются. Этот процесс называется фотолитографией.
Слой окисла используется также для защиты поверхности полупро¬
водника после окончания производственного процесса от загрязне¬
ний к влияния окружающей среды. Это—пассивация поверхности.
Полупроводниковые интегральные микросхемы являются наи¬
более распространенным типом интегральных микросхем, обеспе¬
чивающих максимальную миниатюризацию н надежность. При мас¬
120
совом производстве являются наиболее дешевыми. Плотность упа¬
ковки в полупроводниковых интегральных микросхемах доходит
даже до нескольких тысяч элементов и более на 1 мм2.
Как выполняются диоды и транзисторы
в полупроводниковых интегральных микросхемах?
Изготовление диода осуществляется отнрсительно просто. Ис¬
пользуется процесс диффузии* создающий один р-п переход. Струк¬
тура диода в интегральной микросхеме характеризуется плоским
планарным) переходом, например таким, как на рис. 5.J6. Электри-
1
Рис. 5.16. Структура полупро¬
водникового диода в интеграль¬
ной микросхеме:
/ — контакт; 2 — металлизация;
3 — двуокись кремния
з 6 к
3
2
1
Рис. 5.17. Схематиче¬
ская структура тран¬
зистора в интеграль¬
ной схеме:
/ — первая, 2 — вто¬
рая, 3 — третья диф¬
фузии
ческие параметры диффузионного диода зависят от площади пере¬
хода, распределения и концентрации примесей. Транзисторы также
изготавливаются на основе использования диффузии для получения
двух переходов в планарной структуре (рис. 5.17).
Как создаются резисторы в полупроводниковых
интегральных микросхемах?
Ж
Металлический
контакт
Сопротивление материала зависит от его удельного сопротив¬
ления (сопротивления, определенного на длине 1 см для поперечно¬
го сечения этого материала, рав¬
ного 1 см2), длины, площади и
температуры. У полупроводнико¬
вых интегральных микросхем ре¬
зистор создается путем диффузии
слоя типа р в полупроводнике
типа п или наоборот (рис. 5.18).
По двум концам созданной таким
образом резистивной дорожки
располагаются металлические кон¬
тактные площадки, между кото¬
рыми и «действует» сопротивле¬
ние, зависящее от формы канала
Резистор р-типа
Ляйшда р-тла
Рис. 5.18. Структура резисто¬
ра в полупроводниковой ин¬
тегральной микросхеме
121
и количества примесей в нем. Ограничивающий такой канал пере¬
ход, естественно, смещен в обратном направлении.
Описываемым способом получают сопротивления от нескольких
ом до нескольких десятков килоом. Точность диффузионного резис¬
тора невысокая и составляет обычно примерно 20%, однако отно¬
сительный разброс сопротивлений резисторов для интегральных
микросхем одного типа составляет около ±2%.
Как изготавливают конденсаторы
в полупроводниковых интегральных микросхемах?
Емкостные элементы создаются путем использования емкости
р-п перехода, смещенного в обратном направлении. Заряд в запи¬
рающем слое зависит от напряжения смещения. Кроме того, ем¬
кость перехода зависит от площади перехода и распределения в нем
примесей. Легко получают емкости 100—1000 пФ/мм2. Из-за огра¬
ниченной площади перехода возможности получения больших ем¬
костей перехода также ограничены. Недостатками таких конденса¬
торов являются большая температурная зависимость, а также огра¬
ничение амплитуды переменного напряжения, поскольку переход
в любых условиях работы должен быть смещен отрицательным на¬
пряжением, если он должен представить собой емкость и работа
должна происходить н линейном диапазоне.
Как создаются индуктивности в полупроводниковых
интегральных микросхемах?
Создание индуктивности в полупроводниковых интегральных
микросхемах связано с некоторыми трудностями. В связи с этим при
преобразовании классической схемы в схему, предназначенную для
интеграции, следует применять /?С-элемеиты и исключать элемен¬
ты L. Трудности создания индуктивности в полупроводниковых
микросхемах оказывают непосредственное влияние на выбор и струк¬
туру схем, предназначенных для интегрального исполнения. При¬
ходится заменять схемы, построенные из дискретных элементов
и содержащие индуктивности, несколько более громоздкими схе¬
мами, однако без индуктивности.
Некоторое увеличение схемы, предназначенной для интеграль¬
ного исполнения, однако, имеет второстепенное значение. С этой
точки зрения проще создавать схемы цифровой техники, так как
они обычно реализуются без индуктивности (триггеры, логические
элементы).
Что такое тонкопленочные интегральные
микросхемы?
Это схемы, элементы которых совместно с межсоединениями соз¬
даются в виде тонких пленок1, (проводящих, резистивных, диэлект¬
рических и полупроводниковых) разных материалов, осажденных
1 Толщина пленок 1—2 мкм. — Прим. рсд.
122
на общей стеклянной или керамической подложке. Схемы подобно»
го типа изготавливают напылением в вакууме через соответствую*
щие маски.
Обычно в виде тонкопленочных схем изготавливаются пассив¬
ные схемы. В отличие от полупроводниковых конденсаторов с р-п
переходом емкость тонкопленочных конденсаторов не зависит от
напряжения и может иметь значительно большее значение (напри¬
мер, в виде многослойных конденсаторов). Тонкопленочные резне*
торы также могут иметь большие сопротивления. Кроме того, их
точность может быть очень высокой, а температурная зависимость
слабой.
Активные элементы в тонкопленочной технике пока еще недоста¬
точно освоены, поэтому тонкопленочная техника не находит широ¬
кого практического применения.
Что такое толстопленочные интегральные
микросхемы?
Это схемы, отличающиеся от тонкопленочных прежде всего тем,
что они изготовлены путем вжигаиия окислов1, расположенных на
керамической подложке. Их применение ограничено, хотя встре¬
чаются чаще, чем тонкопленочные схемы. Толстоплеиочкые схемы
охватывают лишь пассивные схемы.
Что такое гибридные интегральные микросхемы?
Это схемы, изготовленные путем использования различных тех¬
нологических методов, чаще всего такие, в которых резисторы, кон¬
денсаторы и нх межсоединения выполнены с помощью тонкопленоч¬
ной нли толстопленочной технологии на керамической плате, а дио¬
ды и транзисторы представляют собой дискретные компоненты,
вмонтированные в эту схему. Затем всю сборку заливают изоли¬
рующей смолой. В других вариантах пассивные тонкопленочные
элементы напыляются на полупроводниковую пластинку, содержа¬
щую активные полупроводниковые элементы.
Что такое термистор?
Это нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление
которого зависит от температуры, причем рост температуры вы¬
зывает уменьшение сопротивления. Изменения температуры в тер¬
мисторе могут возникать под влиянием изменении внешней темпе¬
ратуры нли при изменении тока, протекающего через термистор.
Рост тока вызывает увеличение температуры, что ведет к убыванию
сопротивления, в результате чего напряженке ка термисторе может
оставаться постоянным в определенном диапазоне изменения тока.
Примерный вид характеристик термистора и его графическое изоб¬
ражение представлены на рис. 5.19. Термисторы имеют широкий
интервал номиналов сопротивлений. Их применяют для стабилиза¬
ции напряжения, для компенсации елияння изменений температуры
н т. д.
•Толщина пленок в этом случае составляет 10—20 мкм н более. — Прим.
ре 6.
123
Рис. 5.19. Характеристики термистора (а) и его ус¬
ловное графическое обозначение (б)
Что такое варистор?
Это нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление
которого зависит от напряжения. Примерный внд характеристики
варистора и его графическое изображение представлены на рис. 5.20.
Варнсторы применяются, в частности, для стабилизации напряже¬
ния.
Рис. 5.20. Характеристика вари¬
стора (с) и его графическое
изображение (б)
а)
-Ur
Ur
Рис, 5.21. Характеристика тиратрона
(а) и его условное графическое обозна¬
чение (б)
Что такое тиратрон?
Это газонаполненная лампа, являющаяся аналогом тиристора
в том смысле, что помимо анода и катода содержит также электрод,
используемый для изменения состояния лампы (пропускание или
запирание). Примерная характеристика тиратрона и его графичес¬
кое изображение показаны на рис. 5.21. Тиратроны выпускаются
для работы при напряжениях от 100 В до 20 кВ и токах от долей
ампера до 1000 А. Тиратроны применяют в схемах выпрямителей.
Какие многосеточные лампы применяются
в электронике?
Существует несколько типов многосеточных ламп: лампа с дву¬
мя сетками — тетрод, с тремя — пентод, с четырьмя — гексод, с
пятью — гептод и с шестью — октод. -Как известно, электронные
124
Лампы применяют все реже, особенно в маломощных схемах. Од*
нако встречаются еще схемы с тетродами и пентодами, в основном в
устройствах очень большой мощности.
Как работает тетрод и какова его характеристика?
От триода тетрод отличается конструктивно добавлением вто¬
рой сетки, называемой экранирующей и расположенной в лампе
между управляющей сеткой и анодом. На экранирующую сетку по¬
дается положительное, но меньшее, чем на анод, напряжение. При¬
сутствие этой сетки значительно уменьшает емкость между управ¬
ляющей сеткой и анодом, что ведет к уменьшению проникновения
сигнала между цепями анода и первой сетки. Введение второй сетки
в значительной степени уменьшает влияние анодного напряжения
на анодный ток. Благодаря этому в тетроде роль управляющего
Рис. .5.22. Примерный вид характеристик тетрода
(а) и его условное графическое обозначение! (б)
электрода играет только первая сетка и изменения анодного напря¬
жения оказывают малое влияние на работу тетрода как усилителя.
Принцип действия тетрода состоит в следующем. Излученные
катодом электроны ускоряются из-за действия второй сетки, на ко¬
торую подано положительное по отношению к катоду напряжение.
Электроны достигают второй сетки, и большинство их пролетает
через нее, попадая на анод. Анодное напряжение, которое больше,
чем напряжение второй сетки, почти не влияет на количество элект¬
ронов, попадающих на анод. Поэтому характеристика /а = / (На)
для тетрода (рис. 5.22) при напряжениях Ua > UC2 почти горизон¬
тальна (полога). Сопротивление лампы и ее коэффициент усиления
велики. При напряжениях На < Uc2 электроны, достигающие ано¬
да, выбивают из него вторичные электроны, которые двигаются в
направлении второй сетки, имеющей большее положительное на¬
пряжение, чем анод. Когда число вторичных электронов больше
числа первичных, анодный ток изменяет направление (участок А В
на характеристике). В определенном (дннатрониом) интервале на¬
пряжений лампа имеет отрицательное сопротивление н может быть
использована для генерирования колебаний.
Разработаны лучевые тетроды специальной конструкции, у ко¬
торых на выходной характеристике /а = / (Ua) нет участка, соот¬
ветствующего отрицательному сопротивлению.
125
о)
Как работает пентод и каковы его характеристики?
Пентод по сравнению с тетродом отличается в конструктивном
отношении введением третьей сетки, называемой нулевой, защитной
или антидинатронной и расположенной между второй сеткой и ано¬
дом. Защитная сетка соединена (снаружи или внутри лампы) с ка¬
тодом лампы. Действие этой сетки заключается в создании нулевого
потенциала между анодом и второй сеткой. Выбитые из анода вто¬
ричные электроны не попадают на вторую сетку, как это имеет место
в тетроде (даже если ее потенциал значительно выше потенциала
анода), и возвращаются к аноду и улавливаются им. На характерис¬
тике пентода (рис. 5.23) отсут¬
ствует участок с отрицатель¬
ным сопротивлением. Роль
анода сводится только к соби¬
ранию электронов. В пентоде,
так же как и в тетроде, анод¬
ное напряжение оказывает
очень слабое влияние на анод¬
ный ток.
Внутренние емкости пен¬
тода во много раз меньше, чем
у триода (тысячные доли пико¬
фарад). В то же время по срав¬
нению с триодом пентод имеет
значительно большие внут¬
реннее сопротивление (до
нескольких мегом), коэффициент усиления и крутизну (до 10—
20 мА/В). Благодаря этим свойствам пентода удается получать боль¬
шое усиление в диапазоне как низких, так и высоких частот. Коэф¬
фициент усиления по напряжению Ки пентода, работающего в ка¬
честве усилителя и нагруженного сопротивлением, значительно мень¬
шим, чем внутреннее сопротивление пентода, приближенно равен
произведению крутизны S на сопротивление нагрузки RH: К.и =
= SR:i. Из-за высокого внутреннего сопротивления пентод в боль¬
шинстве случаев можно рассматривать как источник, ток которого
не зависит от сопротивления нагрузки в широком интервале изме¬
нений этого сопротивления, т. е. как источник тока. Недостатком
пентода как усилителя являются большие шумы, чем получаемые
в случае триода. Это связано со значительно более высоким вход¬
ным сопротивлением пентода по сравнению с триодом, что в основ¬
ном следует из того факта, что малая емкость Са.с в пентоде ограни¬
чивает обратное влияние с выхода на вход.
Рис. 5.23. Анодные характеристики
пентода (а) и его условное графи¬
ческое обозначение (б)
Как работает электронно-лучевая трубка?
Электронно-лучевые трубки — это электровакуумные приборы,
в которых образуется электронный пучок малого поперечного сече¬
ния, причем электронный пучок может отклоняться в желаемом на¬
правлении и, попадая на люминесцентный экран, вызывать его све¬
чение (рис. 5.24). Электронно-лучевая трубка является электронно¬
оптическим преобразователем, превращающим электрический сиг¬
нал в соответствующее ему изображение в виде импульсного коле¬
бания, воспроизводимого на экране трубки. Электронный пучок
образуется в электронном прожекторе (или электронной пушке),
126
состоящем из катода и фокусирующих злектродоБ. Первый фокуси¬
рующий электрод, который называют также модулятором, выпол¬
няет функции сетки с отрицательным смещением, направляющей
электроны к оси трубки. Изменение напряжения смещения сетки
влияет на число электронов, а следовательно, на яркость получае¬
мого на экране изображения. За модулятором (в направлении к эк¬
рану) расположены следующие электроды, задачей которых является
фокусирование и ускорение электронов. Они действуют на принципе
электронных линз. Фокусирующе-ускоряющие электроды называ¬
ются анодами и на них подается положительное напряжение. В за¬
висимости от типа трубки анодные напряжения имеют значения от
нескольких сотен вольт до нескольких десятков киловольт.
Рис. 5.24. Схематическое изображение электроико-лучевой труб¬
ки:
1 — катод; 2 — анод I; 3 — анод II; 4 — горизонтальные откло¬
няющие пластины; 5 — элехтронный пучок; 6 — экран; 7 — вер¬
тикальные отклоняющие пластины; 8 — модулятор
В некоторых трубках фокусировку пучка производят с помо¬
щью магнитного поля путем использования катушек, расположен¬
ных снаружи лампы, вместо электродов, находящихся внутри
трубки и создающих фокусирующее электрическое поле. Отклоне¬
ние пучка также осуществляется двумя методами: с помощью элект¬
рического или магнитного поля. В первом случае в трубке помеща¬
ют отклоняющие пластины, во втором — снаружи трубки монти¬
руют отклоняющие катушки. Для отклонения как в горизонтальном,
так и в вертикальном направлениях используют пластины (или ка¬
тушки) вертикального или горизонтального отклонения луча.
Зкран трубки покрыт изнутри материалом — люминофором,
который светится под влиянием бомбардировки электронами. Лю¬
минофоры отличаются различным цветом свечения н разным време¬
нем свечения после прекращения возбуждения, которое называет¬
ся временем послесвечения. Обычно оно составляет от долей секун¬
ды до нескольких часов в зависимости от назначения трубки.
127
Где применяются электронно-лучевые трубки?
Электронно-лучевые трубки в зависимости от их свойств и па¬
раметров находят очень широкое применение в измерительных
приборах, в частности осциллографах (осциллоскопах), в качестве
трубок, воспроизводящих колебания токов и напряжений, в радио¬
локационной технике и телевидении, в качестве приемных трубок —
кинескопов.
Что такое кинескоп?
Это электронно-лучевая трубка, предназначенная для вос¬
произведения телевизионного изображения, подводимого к трубке
в виде электрического сигнала. Электрический видеосигнал, пред¬
ставляющий изображение, подводится к катоду. Он определяет яр¬
кость свечения точки на экране в данный момент, а сигналы, под¬
водимые к отклоняющим катушкам (вертикальным и горизонталь¬
ным), — положение этой точки в тот же момент времени. Время по¬
слесвечения кинескопа подбирается таким, чтобы свечение каждой
точки длилось настолько долго, чтобы одновременно наблюдались
все поочередно высвечиваемые точки изображения. Впечатление
непрерывности структуры изображения и непрерывности свечения
на экране является следствием не только соответственно длительно¬
го послесвечения, но прежде всего особенности человеческого зре¬
ния, его инерционности и ограниченной разрешающей способности.
В кинескопах, предназначенных для телевидения, применяют
только магнитное отклонение с помощью катушек, расположенных
снаружи трубки. В кинескопах для цветного телевидения, применяют
три типа люминофоров с разным цветом свеченияГТеленым, крас¬
ным и синим. Такие люминофоры, например в виде очень малых
таблеток, размещают в определенном порядке рядом друг с другом
на экране трубки. Каждый из трех люминофоров возбуждается пуч¬
ком электронов, выходящих из отдельной электронной пушки. Зна¬
чения анодных напряжений в кинескопах для черно-белого телеви¬
дения не более 20 кВ, а в трубках, предназначенных для цветного
телевидения, не более 30 кВ.
Что такое запоминающие трубки?
Это электронно-лучевые трубки, предназначенные для накоп¬
ления (запоминания) информации и воспроизведения этой информа¬
ции по истечении длительного времени (нескольких часов). С этой
целью в трубке предусмотрен дополнительный накопительный элект¬
род, на котором электронный пучок образует определенное поверх¬
ностное распределение зарядов, представляющее записываемую ин¬
формацию. В качестве запоминающих трубок используют также
электронно-лучевые осциллографические трубки с очень большим
временем послесвечения.
Что такое передающие трубки?
Это преобразователи, заменяющие оптическое изображение со¬
ответствующим ему электрическим сигналом. Передающие трубки
128
работают на принципе использования явления фотоэмиссии или
фотоэлектрической проводимости. Изображение с помощью объек¬
тива проектируется на пластину со светочувствительным материа¬
лом. Под влиянием света на пластине (мишени) возникает плоское
распределение электрических зарядов, соответствующее распреде¬
лению света и тени в проецируемом оптическом изображении.
Электронный пучок, выходящий из электронной пушки передаю¬
щей трубки в направлении мишенн, вызывает последовательное пре¬
образование «зарядного изображения» мишеии («изображения»,
созданного различными электрическими зарядами) в ток, зависящий
от этих зарядов, т. е. от света, падающего в данное место мишени.
Последовательность преобразования отдельных зарядов в электри¬
ческий ток задается телевизионной системой.
Существуют различные виды передающих трубок. Чаще всего
применяют трубки, называемые видиконами или суперортиконами
(или ортиконом изображения).
Что такое декадные счетные лампы?
Декадные лампы (декатроны) — лампы тлеющего разряда (га¬
зосветные), предназначенные для счета импульсов в десятичном ис¬
числении1. Типичная лампа такого типа имеет один анод и девять
катодов, расположенных по окружности. Под влиянием подводимых
к лампе импульсов возникают разряды, переходящие после каждого
импульса на следующий катод. Светящееся пятно указывает цифру,
соответствующую числу импульсов.
Что такое клистроны и магнетроны?
Это лампы специальной конструкции, используемые в технике
сверхвысоких частот для усиления или генерирования колебаний.
Их применяют в телевизионных и радиолокационных передающих
устройствах большой мощности.
Что такое датчики на эффекте Холла?
Это полупроводниковый прибор, использующий эффект Хол¬
ла, основанный на том, что в полупроводниковой пластинке, вклю¬
ченной в электрическую цепь и соответствующим образом располо¬
женной в магнитном поле, возникает напряжение, зависящее от
этого поля. Датчики на эффекте Холла применяют для измерения
напряженности поля, тока и мощности, а также в качестве усилите¬
лей и генераторов.
' Существуют также вакуумные декадные счетные дампы.
5 Зак. (606
129
ГЛАВА 6
ВЫПРЯМИТЕЛИ
Что такое выпрямление электрических
колебаний?
Это процесс, в результате которого переменное входное элект¬
рическое колебание преобразуются в выходное колебание только
одного знака (рис. 6.1). Процесс выпрямления используется в уст¬
ройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.
Рис. 6J. Выпрямление синусоидального колебании:
а, в — одпополупериодное; 6 — двухполупернодиос
На каком принципе осуществляется выпрямление?
Выпрямление всегда осуществляется при использовании нели¬
нейных элементов, обладающих свойством однонаправленного про¬
пускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на вы¬
ходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.
Какие электронные элементы используют
для выпрямления?
Применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) дио¬
ды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и
селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными
свойствами в зависимости от применения, значении выпрямленных,
напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных элект¬
ронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полу¬
проводниковые диоды.
Что называется выпрямителем?
Название «выпрямитель» используется прежде всего для схем,
преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем на¬
зывается также и сам элемент с однонаправленными свойствами,
используемый в процессе выпрямления.
130
Что называется однополупериодным
выпрямителем?
Однополупериодным выпрямителем называется такой вынря-
мнтелЕ», на выходе которого после процесса выпрямления остаются
колебания одного знака. Схема однополупериодиого выпрямителя,
возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рис. 6.2.
Диод включен таким образом, что проводит ток только при по¬
ложительных полупериодах входного колебания, т. е. когда напря¬
жение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение
0)
Рис. 6.2. Схема однополупериодиого выпрямителя, уп¬
равляемого синусоидальным напряжением от трансфор¬
матора (о) и внешнего источника (о)
Ucр колебания, полученного в результате выпрямления синусои¬
дального напряжения с действующим значением U и максимальным
«качением Um (см. рис. 4.4), равно
^ср —
V2
U —- 0,45t/ = 0,318£/m.
Например, при выпрямлении напряжения с действующим зна¬
чением 0 220 В после выпрямления получаем среднее напряже¬
ние UC{, ^ 100 В.
В отрицательный полупериод диод не проводит ток и все под¬
веденное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обрат¬
ное напряжение выпрямителя. При изменении направления вклю¬
чения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не
проводить в положительные.
Рассматриваемая схема выпрямителя называется последова¬
тельной. Название связано с тем, что нагрузка включается после¬
довательно с нелинейным элементом (вентилем).
5* 131
Что называется двухполупериодным
выпрямителем?
Двухполуперйодным выпрямителем называют Такой выпрями¬
тель, в котором после процесса выпрямления остаются участки вход¬
ного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака
добавляются участки, имеющие противоположный знак. Принци¬
пиальная схема двухполупернодного выпрямителя, управляемого
синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рис. 6.3
Рис. 6.3. Схема дпухполупериодного выпрямителя, упрлвляемо-
го синусоидальным напряжением от трансформатора
В периоды времени, когда на аноде диода Дх действует положи¬
тельное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное
и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной
обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет
нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на
вторичной обмотке диод Дх пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.
При отрицательной полуволне положительное напряжение дейст¬
вует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Дх, смещенный
в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряже¬
ния, полученного на выходе двухполупернодного выпрямителя,
как легко заметить, в 2 раза больше напряжения, полученного на
выходе однополупериодного выпрямителя.
Что такое выпрямитель на мостовой схеме?
Выпрямитель иа мостовой схеме, называемой иногда схемой
Гретца, является двухполупериодным выпрямителем с четырьмя
диодами, соединенными, как это пока¬
зано на рис. 6.4. Когда мгновенная по¬
лярность напряжения на вторичной
обмотке такая, как это показано на ри¬
сунке, то проводит диод Д:, а диод Д2
ие проводит. В это же время в другой
ветви проводит диод Д3, а диод Д4 не
проводит. При этом в один полупериод
входного напряжения ток протекает
следующим путем: вывод трансформато¬
ра, находящийся при отрицательном по¬
тенциале («иижиий»), диод Дз, нагруз-
Рис. 6.4. Двухполупери-
одная мостовая схема
выпрямителя
132
ка, диод Д1, вывод трансформатора, находящийся при положитель¬
ном потенциале («верхний»), В данный момент—это одиополупериод-
нын выпрямитель с двумя диодами Д2 и Дг, соединенными последова¬
тельно. В следующий полупериод полярность входного напряжения
изменяется. Проводят диоды Д2 и Д± и не проводят Дг и Д3. Теперь
ток течет от верхнего вывода трансформатора через диод Д4, нагрузку
и днод Д2 к нижнему выводу трансформатора. Схема также работает
как однополупериодный выпрямитель, и ток, текущий.через нагруз¬
ку, имеет то же самое направление, что и в предыдущий полупери¬
од. Следовательно, ток течет через нагрузку в течение обоих полу-
периодов, и в сумме мостнковый выпрямитель работает как двух-
полупериодный выпрямитель.
Что называется коэффициентом
пульсаций выпрямителя?
Коэффициентом пульсаций выпрямителя называется отноше¬
ние максимального значения переменной составляющей напряже¬
ния на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляю¬
щей на этом выходе. В большинстве применении желательно, чтобы
коэффициент пульсации был как можно меньше (например, меньше
чем 0,002). Уменьшение пульсаций достигается путем применения
соответствующих фильтров.
Что называется коэффициентом использования
трансформатора в выпрямительной
схеме?
Использование трансформатора, работающего в выпрямитель¬
ной схеме, характеризуется коэффициентом, определенным как от¬
ношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и
номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.
Что называется коэффициентом полезного действия
выпрямителя?
Это параметр, характеризующий эффективность схемы выпря¬
мителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное.'
Коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя выражается
отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к
входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного дей¬
ствия определяется для резистивной нагрузки.
Что называется частотой пульсаций
выпрямителя?
Это основная частота переменной составляющей, существую¬
щей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпря¬
мителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Филь¬
трация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсаций.
133
Что следует из сравнения основных схем
выпрямителей?
Существенным является сравнение с точки зрейия технических
параметров. При сравнении допустим, что действующее значение
напряжения на вторичной обмотке трансформатора, питающего вып¬
рямитель, во всех схемах одинаково и равно U, и его частота сос¬
тавляет 50 Гц. Трансформаторы влияют на напряжение U и тем са¬
мым на выпрямленное напряжение. Простыми расчетами можно
показать, что параметры отдельных схем такие, как указано в
табл. 6.1. Из сопоставления следует, что наиболее выгодным с точ¬
ки зрения технических параметров является выпрямитель по мости-
ковой схеме. Однако следует помнить, что в этой схеме применяют
четыре диода или другие выпрямительные элементы.
Таблица 6.1
Сравнение выпрямительных схем
Тип выпрямительной
схемы
Параметр
Однополу-
порподпая
Двухполу-
периодмли
Мостнкоппп
Количество диодов
1
2
4
Среднее значение выходно¬
го напряжения
0.45*
0,9*
0,90*
КПД выпрямителя
0,40
0,81
0,81
Коэффициент использова¬
ния трансформатора
0,28
0.09
0,81
Коэффициент пульсаций
Т ,57
0,67
0,67
Частота пульсаций, Гц
50
100
100
* Действующее значение напряжения на вторичной обмотке.
Какую роль играют фильтры, расположенные
на выходе выпрямителей?
Задачей фильтра, размещенного на выходе выпрямителя, явля¬
ется уменьшение пульсаций в выпрямленном напряжении. Выходное
напряжение выпрямителя представляет собой п<?лусинусоиду, мгно¬
венное значение которой изменяется от нуля до максимального
значения. Такое напряжение имеет определенную постоянную сос¬
тавляющую, которая, однако, не подходит для питания транзисторов
и ламп нз-за наличия «нежелательной» переменной составляющей.
Переменная составляющая в напряжении питания вызывает неус¬
тойчивость рабочей точки и проникает в полезный сигнал, прохо¬
дящий через схемы, питаемые этим «нежелательным» колебанием.
Из-за использования фильтра на выходе выпрямителя получают по¬
стоянное напряжение с относительно небольшой переменной состав¬
ляющей, значение которой может быть настолько малым, что его
можно использовать для питания трамэисторов и ламп, т. е. в ка¬
134
честве напряжения питания Переменная составляющая в питаю¬
щем напряжении должна быть во много раз меньше полезного сиг¬
нала, проходящего через данную схему. Поэтому при питании вы¬
прямленным напряжением схем, работающих при малых сигналах,
необходимо применять фильтры с достаточной эффективностью
фильтрации.
Какие типы фильтров используются на выходе
выпрямителей?
Это фильтры нижних частот, пропускающие с малым затуха¬
нием постоянную составляющую (с частотой, равной 0 Гц) и с боль¬
шим затуханием переменную составляющую (в случае выпрямите¬
лей сетевого напряжения с частотой 50, 100 Гц и более), причем ос¬
лабление пульсаций тем больше, чем больше частота переменной
составляющей. В одпополупериодных сетевых выпрямителях час¬
тота основной составляющей пульсаций равна 50, вдвухполупериод-
ных — 100 Гц. Из этого следует, что эффективней подавляются
пульсации, возникающие на выходе двухполупериодного выпрями¬
теля. Помимо основной частоты в выпрямленном колебании име¬
ется ряд гармонических частот.
Типы фильтров, используемых на выходе выпрямителей, пред¬
ставлены на рис. 6.5—6.10. Они отличаются не только электричес¬
кой схемой, но и эффективностью фильтрации и влиянием на работу
выпрямителя. Используемые на выходе выпрямителей фильтры
обычно подразделяют па две группы: с емкостным и индуктивным
входами.
Что называется фильтром с емкостным
входом?
Фильтром с емкостным входом называется фильтр, на входе ко¬
торого параллельно схеме выпрямителя включен конденсатор (см.
рис. 6.5, а). Существуют несколько вариантов такого фильтра. Рас¬
смотрим сначала простейший фильтр (см. рис. 6.6, а).
Конденсатор фильтра, включенный параллельно как с выпря¬
мителем, так и с нагрузкой, заряжается в то время, когда диод про¬
водит ток. Вторичная обмотка трансформатора, диод и конденсатор
образуют цепь зарядки. Постоянная времени зарядки мала, посколь¬
ку как сопротивление обмотки, так и сопротивление диода d откры¬
том состоянии малы. Благодаря этому конденсатор очень быстро заря¬
жается до пикового значения напряжения, попадающего на фильтр
Если мгновенное значение напряжения начинает убывать, то кон¬
денсатор разряжается через сопротивление нагрузки. Постоянная
времени разряда, зависящая при заданной емкости конденсатора в
основном от сопротивления нагрузки, относительно велика, поэто¬
му разряд происходит медленно. Напряжение на конденсаторе имеет
небольшие изменения, а его среднее значение велико. Это означа¬
ет, что конденсатор фильтра уменьшает пульсации (сглаживает вы¬
ходное колебание) и одновременно увеличивает постоянную состав¬
ляющую по сравнению с постоянной составляющей колебания в
отсутствие этого конденсатора. При очень большой постоянной вре¬
мени разряда, которую получают при большом сопротивлении на¬
грузки, постоянная составляющая близка к максимальному значе¬
нию напряжения.
135
( выпрямителю
°)
Рис. 6.5. Простейшие ти¬
пы фильтров с емкост¬
ным (а) и индуктивным
(б) входами
а)
°—Of-
A/V с
I
I
5)
t
Рис. 6.6. Однополупериодный выпрямитель с простым
фильтром, имеющим емкостный вход (а), и форма на¬
пряжения на выходе (б):
/ — заряд емкости С; 2 — разряд; 3 — выходное напря¬
жение на конденсаторе; 4 — постоянное напряжение на
выходе
Рис. 6.7. Выпрямитель с простым фильтром н индуктив¬
ным входом (а) и форма напряжения на выходе (б):
] — форма выходного напряжения; 7 — постоянная со¬
ставляющая выходного напряжения
а) Ь)
Рис. 6.8. LC-фильтр с индуктивным (а) и емкостным (б) входами
Л I L ^,.1 1_ . Т,.. I 1
Рис. 6.10. Примеры многозвенных фильтров
136
Так же велико влияние фильтрующего конденсатора на обрат¬
ное напряжение, действующее на выпрямительном диоде во время
запирания. В схеме без конденсатора обратное напряжение, напри¬
мер для однополупериодиого выпрямителя, равно максимальному
входному напряжению. В схеме с фильтром с емкостным входом на¬
пряжение на конденсаторе приближенно равно максимальному зна¬
чению и направлено таким образом, что катод диода смещен поло¬
жительно. В то же самое время на аноде диода действует отрица¬
тельное напряжение, также равное максимальному входному напря¬
жению. Поэтому в схеме с рассматриваемым фильтрующим конден¬
сатором на диоде действует результирующее напряжение, равное
двойному максимальному выпрямляемому напряжению. Следует
также обратить внимание на тот факт, что во время заряда фильт¬
рующего конденсатора (например, во время включения выпрями¬
теля в сеть) импульс зарядного тока очень велик и будет тем боль¬
шим, чем больше емкость. Зарядный ток должен обеспечиваться
диодом, приспособленным для работы при больших импульсах тока.
Для защиты диода от перегрузки излишне большим током часто
последовательно с диодом (особенно в случае полупроводникового
диода) включают ограничивающий ток резистор с сопротивлением
примерно 100 Ом.
Что называется фильтром с индуктивным
входом?
Фильтром с индуктивным входом называется фильтр, на
вхдде которого последовательно с нагрузкой включен дроссель (см.
рис. 6.5, б). Рассмотрим фильтр в простейшей схеме, представленной
на рис. 6.7. Индуктивность накапливает энергию в виде магнитного
поля в периоды, когда ток в цепи нарастает, и отдает энергию в
цепь, когда ток исчезает.
Таким образом, индуктивность противодействует резким из¬
менениям тока в цепи. Благодаря действию индуктивности фильтра
постоянная составляющая выпрямленного колебания увеличивает¬
ся, а пульсации уменьшаются. Эффективность фильтра тем больше,
чем больше индуктивность. Однако увеличение индуктивности при¬
водит к значительному увеличению габаритных размеров дросселя.
Что такое фильтры нижних частот типов RC
и LC и каково их применение?
В большинстве применений простые фильтры нижних частот
с емкостным или индуктивным входом (см. рис. 6.5) не могут обес¬
печить достаточно низких пульсаций, поскольку это потребовало
бы использования слишком больших конденсаторов (что создает
трудности с подбором диодов, выдерживающих большие импульсы
зарядного тока) либо больших и дорогостоящих дросселей. При боль¬
шом значении тока, отбираемого от выпрямителя, применяют схемы
фильтров нижних частот типа LC, такие как показано на рис. 6.8.
Объединение действия дросселя н конденсатора в LC-фильтре уве¬
личивает ослабление пульсаций по сравнению с пульсацией в прос¬
том фильтре типа L или С. LC-фильтр может иметь две конфигура¬
ции: с емкостным или индуктивным входом. LC-фильтр с емкостным
входом дает большую постоянную составляющую напряжения из-
137
за зарядки конденсатора до максимального напряжения, однако
требует большого тока от выпрямительного элемента при зарядке
конденсатора.
Часто применяют составной фильтр с емкостным входом — П-
образный фильтр (см. рис. 6.9). В этой схеме емкость конденсатора
Сг определяет в основном постоянную составляющую напряжения,
в то время как L и С2 образуют фильтр нижних частот, влияющий
прежде всего иа уменьшение коэффициента пульсаций.
Применяют также многозвенные фильтры (см. рис. 6.10), со¬
стоящие из нескольких LC- и П-образных звеньев.
При малых токах нагрузки, когда протекающий через сопро¬
тивление фильтра ток нагрузки вызывает уменьшение постоянного
напряжения на нагрузке и, кроме того, создает потери мощности
в резисторе, вместо дросселей используют резисторы.
Какие номиналы элементов L, R и С
применяются в фильтрах?
В фильтрах выпрямителей, предназначенных для питания мало¬
мощных (до нескольких сотен ватт) транзисторных или ламповых
схем н работающих от напряжения сети 220 В, обычно используют
емкости от десятков до нескольких сотен микрофарад и более (элект¬
ролитические конденсаторы), а также индуктивности от единиц до
нескольких десятков генри. Сопротивление нагрузки чаще всего
составляет от 100 до нескольких тысяч ом. При выборе элементов
фильтров обычно пользуются формулами, определяющими зависи¬
мость коэффициента пульсаций от номиналов элементов. Например,
для однополупериодного выпрямителя с фильтром типа LC (см.
рис. 6.9) t = 1,19 LC, причем L выражается в генри, а С в микро¬
фарадах.
Что такое активный фильтр?
Это фильтр, в котором активный элемент играет существенную
роль в процессе подавления переменной составляющей, например
путем увеличения фильтрующей емкости. Для этой цели можно ис¬
пользовать как лампы, так н транзисторы. Достоинством фильтра
с активными элементами является прежде всего уменьшение габа¬
ритных размеров питающих устройств. Широкое применение нашли
активные фильтры с транзисторами, в особенности в случаях отно¬
сительно большого отбора мощности от схемы выпрямителя.
Что такое активный фильтр с транзистором?
Схема простого активного филь¬
тра с транзистором показана на
рис. 6.11. Транзистор работает d
схеме эмиттерного повторителя. Со¬
противление нагрузки включено в
цепь эмиттера. Подавление пульса¬
ций осуществляется делителем, об¬
разованным большим сопротивлени¬
ем коллектор — эмиттер (для пере¬
менной составляющей) и иебрльшим
138
Рис. 6.11 Простая схема ак¬
тивного транзисторного
фильтра
входным сопротивлением емкостного характера. Благодаря это¬
му конденсатор С, включенный в цепь базы транзистора, пре¬
образуется в цепь эмиттера емкостью, примерно в К/э раз боль¬
шей. Коэффициент К1Э для обсуждаемой схемы и типового тран¬
зистора составляет обычно 100. При использовании конденсатора
С с емкостью 100 мкФ достигается фильтрующее действие, соответ¬
ствующее конденсатору с емкостью 10 000 мкФ.
Что такое нагрузочная характеристика
выпрямителя?
Это график, представляющий зависимость падения постоянно¬
го напряжения ид сопротивлении нагрузки от тока нагрузки. Зна¬
чение постоянного напряжения на нагрузке всегда уменьшается
при росте тока нагрузки. Это следует из того, что отбираемый от
выпрямителя ток протекает как через нагрузку, так и через выпря¬
мительный элемент, всегда обладающий некоторым сопротивлением.
Падение напряжения на этом сопротивлении вычитается из напря¬
жения, существующего на выходе неиагруженного выпрямителя,
и тем самым уменьшает падение напряжения на нагрузке.
Что следует из сравнения нагрузочных характеристик
выпрямителей?
На рис. 6.12 представлен .типичный вид нагрузочной характе¬
ристики однополупериодных выпрямителей с подключенным фильт¬
ром (с емкостным и индуктивным входом). Изменение тока нагрузки
достигалось путем изменения нагрузочного сопротивления. Легко
Рис 6.12. Типичные нагрузочные характеристики выпрямителем с фнльт
рами:
а - емкостный: 0 — индуктивный
заметить, что большее постоянство выходного напряжения дости¬
гается при использовании фильтра с индуктивным входом. Однако
недостатком такого фильтра является применение дросселя, кото¬
рый обычно намного дороже электролитического конденсатора.
Фильтр с емкостным входом даст спад напряжения при росте нагруз¬
ки и одновременно быстрый рост пульсаций, особенно при малых
Я)
1.
/_
139
емкостях конденсаторов. Возможность увеличения фильтрующей
емкости ограничивается током, отбираемым от выпрямительного
элемента во время дозарядки. Значение постоянного напряжения
выпрямителя в интервале средних токов нагрузки больше у схемы
с фильтром с емкостным входом. П-образный фильтр позволяет по¬
лучить большие выпрямленные напряжения, чем Г-образнын фильтр
L-типа, однако изменения этого напряжения при росте тока на¬
грузки больше, чем при использовании фильтра с индуктивным вхо¬
дом.
Что такое выпрямитель по параллельной схеме?
Это выпрямитель, работающий по схеме, в которой нагруз¬
ка включена параллельно выпрямительному элементу (диоду)
(рис. 6.13). В такой схеме заряд конденсатора происходит через ма¬
лое сопротивление диода во время его отпирания, разряд — через
сопротивление, соответствующее параллельному
соединению сопротивления нагрузки и сопро¬
тивления запертого диода.
Достоинством выпрямителя по параллель¬
ной схеме является возможность заземления
одного из электродов диода и то, что постоян¬
ная составляющая выпрямленного напряжения
в этой схеме не протекает через источник вход¬
ного напряжения, а это весьма важно для неко¬
торых применений. Недостатком такого выпря¬
мителя является относительно малое сопротив¬
ление схемы со стороны источника, связанное с
тем фактом, что к сопротивлению нагрузки вы¬
прямителя параллельно подключается внешнее
нагрузочное сопротивление.
Выпрямитель по параллельной схеме часто используют для
демодуляции (детектирования) амплитудно-модулированных сиг¬
налов в измерительной технике и подачи смещения на управляю¬
щие сетки электронных ламп.
Что такое умножитель напряжения?
Это выпрямительная схема, выходное напряжение которой во
много раз больше пикового входного напряжения. Удвоитель на¬
пряжения дает двукратное увеличение напряжения, утроитель —
трехкратное и т. д. Умножители напряжения используют для пи¬
тания схем, потребляющих относительно небольшой ток при высо¬
ком напряжении, например для питания оецнллографических тру¬
бок, кинескопов.
Что такое схема удвоителя напряжения?
Схема удвоителя напряжения содержит два выпрямитель¬
ных элемента и два конденсатора, включенных, как показано на
рис. 6.14, а. В такой схеме нагрузка Rlt включена параллельно кон¬
денсаторам. В момент, когда полярность входного напряжения соот¬
ветствует показанной на рисунке, диод ^отперт и конденсатор Сг
заряжается до пикового значения входного напряжения, а затем
140
Рис. 6.13. Однопо-
лупернодный вы¬
прямитель по па¬
раллельной схеме
при изменении полярности очень медленно разряжается. Измене¬
ние полярности вызывает отпирание диода Дг и заряд конденсато¬
ра С2. Напряжение на обоих конденсаторах, включенных последо¬
вательно, почти в 2 раза больше, чем пиковое значение входного
напряжения. Оно полностью действует на сопротивлении нагрузки.
Разряд конденсаторов, а следовательно, и напряжение на нагрузоч¬
ном сопротивлении зависят от тока, отбираемого нагрузкой, так как
он одновременно является и током разряда конденсаторов. При ма¬
лых сопротивлениях нагрузки напряжение на нагрузочном сопро¬
тивлении убывает быстрее. Конденсаторы одновременно действуют
как элементы сглаживающего фильтра. Из рассмотренного прин¬
ципа работы следует, что это схема двухполупериодного удвоителя,
Рис. 6.14. Схемы двухполупериодного (а) и однополупери-
одного (б) удвоителя напряжения (каскадная схема)
На рис. 6.14, б представлена другая схема удвоителя — кас¬
кадная. При такой полярности, как показано на рисунке, происхо¬
дит заряд конденсатора Су через диод Дх. При обратной полярности
отперт диод Дг. Напряжение, подведенное к этому диоду и к кон¬
денсатору С2, представляет собой сумму входного напряжения и
напряжения на конденсаторе Сх. Следовательно, конденсатор С2
заряжается до двойного пикового значения входного напряжения.
Во время разряда С2 конденсатор Су заряжается. На нагрузке, под¬
ключенной параллельно к С2, действует удвоенное напряжение,
«пополняемое» каждый второй полупериод. Это однополупериор.
пый удвоитель, пульсации в котором больше, чем в рассмотренном
выше двухполупериодном удвоителе.
Что такое схемы многократных
умножителей напряжения?
Это схемы, созданные путем каскадного соединения удвоителей.
На рис. 6.15 представлена схема утронтеля, представляющая схему
удвоителя с дополнительно введен¬
ными конденсатором С3 и диодом Д3.
При отпирании диода Д3 на кон¬
денсаторе создается напряжение,
равное удвоенному пиковому значе¬
нию входного напряжения. Напря¬
жение на нагрузке равно сумме на¬
пряжений на конденсаторах Су и С3,
т. е. почти утроенному пиковому
значению входного напряжения.
Подключение дополнительных сек¬
Рис. 6.15. Схема однополу-
периодного утронтеля напря¬
жения
141
ций к схеме, изображенной на рис. 6Л5, позволяет получить ум¬
ножители напряжения в 4, 5 раз и более.
Что такое управляемый выпрямитель и как
он работает?
Это выпрямительная схема, допускающая плавную регулиров¬
ку напряжения и выпрямленного тока. В -таких схемах чаще всего
используются тиратроны илн тиристоры. В маломощных электрон¬
ных устройствах, требующих чаще всего питания низким напряже¬
нием при относительно больших токах, как правило, применяют
тиристоры.
На рис. 6.16 представлена простейшая схема выпрямителя на
тиристоре. Схема работает следующим образом. Ток через нагруз¬
ку тиристора протекает только тогда, когда напряжение на аноде
Рис. 6.16. Схема управляемого выпрямителя е тиристором:
/ — входное напряжение: 2 — ток в нагрузке; 3 — задержка по фазе
тиристора и управляющее напряжение на его затворе имеют соот¬
ветствующие положительные значения. При подведении к тирис¬
тору синусоидального переменного напряжения протекание тока
через нагрузку происходит только в течение положительной полу¬
волны (однополупериодное выпрямление). Если затвор управляет¬
ся синусоидальным напряжением, то время, в течение которого ти¬
ристор находится в состоянии пропускания, будет зависеть от фа¬
зового сдвига между переменным напряжением на аноде и на затво¬
ре. Если этот сдвиг равен нулю, то тиристор проводит в течение
времени, соответствующего длительности почти всей положительной
полуволны синусоидального напряжения. В этом случае среднее
значение тока, протекающего через нагрузку, максимально. Если
фазовый сдвиг между напряжениями увеличивается, то время отпи¬
рания тиристора уменьшается, поскольку отрезок времени, в тече¬
ние которого напряжения на аноде и затворе одновременно положи¬
тельны, сокращается. В связи с этим средний ток, протекающий че¬
рез нагрузку, уменьшается. Регулировка фазового сдвига между
напряжением, управляющим затвором, и входным напряжением, под¬
веденным к тиристору, дает возможность регулировать протекаю¬
щий через нагрузку ток и, следовательно, напряжение на этой на¬
грузке, Регулировку фазового сдвига осуществляют путем исполь¬
зования фазосдвигающих цепей типа LR или RC, в которых сопро¬
тивление резистора R устанавливается потребителем.
/
/
7
t
142
В двухполупериодных выпрямительных схемах с регулировкой
выходного тока необходимо использовать два тиристора.
Какое применение в выпрямителях находит
симметричный тиристор?
Симметричный тиристор нс является выпрямительным элемен¬
том и находит применение лишь для регулировки переменного тока
в нагрузке.
Что такое стабилизирующие схемы?
Стабилизирующие схемы — это схемы, предназначенные для
поддержания постоянного выходного напряжения или тока, на¬
пример от выпрямителя при изменениях напряжения, питающего
этот выпрямитель, или изменениях сопротивления нагрузки.
При питании транзисторов задачей стабилизирующих схем час¬
то является поддержание постоянной рабочей точки, несмотря на
изменение параметров транзисторов, вызванных, например, влия¬
нием температуры. В некоторых применениях важной проблемой
является обеспечение постоянной рабочей точки транзистора даже
при замене одного транзистора другим того же типа, несмотря иа
значительный разброс параметров у отдельных экземпляров. Эту
задачу выполняют также соответствующие схемы стабилизации.
На каком принципе работает стабилизатор
напряжения?
В простейшем варианте стабилизацию напряжения получают
на основе использования полупроводникового стабилитрона или
газоразрядного диода с холодным катодом (другие названия — лам¬
па тлеющего разряда, ионная лампа или стабиливольт), Т. е. эле¬
ментов, характеризующихся нелинейной зависимостью между па¬
дением напряжения на этом элементе и протекающим через него то¬
ком. В определенном, относительно большом интервале изменений
тока напряжение на элементе меняется незначительно. В более
сложных схемах стабилизацию получают, используя транзисторы,
иногда с дополнительными каскадами усиления и с использова¬
нием обратной связи. Транзистор в качестве стабилизирующего
элемента в этих схемах действует как переменное сопротивление,
включенное последовательно с нагрузкой или параллельно с ней.
Что такое стабилизатор напряжения
с лампой тлеющего разряда?
Схема стабилизатора напряжения с лампой тлеющего разряда
представлена на рис. 6.17. Лампа и нагрузка включены параллельно.
Последовательно с лампой включен резистор R. Ток нагрузки про¬
текает через нагрузку и резистор R, а ток лампы — через лампу и
резистор R, следовательно, падение напряжения на резисторе R
определяется суммой тока нагрузки и лампы.
Стабилизация происходит следующим образом. При мгновенном
увеличении тока нагрузки возникает мгновенное увеличение паде-
143
ния напряжения на резисторе R, и в результате этого напряжение
па нагрузке и па лампе мгновенно снижается. Это вызывает умень¬
шение тока лампы, поэтому в итоге протекающей через резистор R
ток и падение напряжения па нем изменяются незначительно. При
возникновении мгновенного уменьшения тока нагрузки происхо¬
дит рост тока лампы, противодействующий изменению тока нагруз¬
ки.
Ли
Стабилизация осуществляется также при изменениях входно¬
го напряжения, поскольку рост (или убывание) напряжения вызы¬
вает рост (или убывание) протекаю¬
щего через лампу тока. Например,
при использовании лампы тлеющего
разряда, предназначенной для рабо¬
ты при напряжении 105 В, и измене¬
ниях протекающего через лампу то¬
ка в интервале 5—30 мА напряже¬
ние на электродах, а следовательно,
и на нагрузке, изменяется не более
чем на ± 1 В.
Лампы тлеющего разряда (га¬
зотроны) выпускают для работы
при различных напряжениях (70—150 В). Для стабилизации боль¬
ших напряжений можно соединить последовательно несколько ламп
тлеющего разряда. Следует подчеркнуть, что газотроны в схемах
стабилизаторов используются все реже.
r /i\ I
Фильтр
Рис. 6.17. Стабилизатор
лампой тлеющего разряда
Что такое стабилизатор напряжения
с полупроводниковым стабилитроном?
Схема стабилизатора напряжения с полупроводниковым ста¬
билитроном представлена на рис. 6.18. Его работа аналогична ра¬
боте стабилизатора с лампой тлеющего разряда. Изменения тока,
протекающего через диод в нормальном диапазоне работы, велики,
а напряжение на диоде почти постоянно, поэтому небольшие изме¬
нения вызывают большие изменения тока, благодаря чему проте¬
кающий через нагрузку ток и падение напряжения на ней остаются
почти неизменными.
Полупроводниковые стабилитроны выпускаются в широком
ассортименте для работы при различных напряжениях стабилиза¬
ции, а также для стабилизации малых напряжений, для которых
лампы тлеющего разряда не выпускаются.
Что такое последовательный стабилизатор
с электронной лампой?
Схема последовательного стабилизатора с электронной лампой
показана на рис. 6.19. В этой схеме лампа работает как переменное
сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Сопро¬
тивление зависит от смещения на сетке, устанавливаемого падени¬
ем напряжения на резисторе R. При мгновенном изменении напря¬
жения на нагрузке изменяется также падение напряжения на резис¬
торе R, тогда как падение напряжения на ионной лампе, подклю¬
ченной к сетке лампы, поддерживается На постоянном уровне. На¬
пример, увеличение напряжения на сопротивлении R вызывает рост
Н4
напряжения смещения, а следовательно, и рост сопротивления лам¬
пы, что приводит к увеличению падения напряжения на ней. Рост
последнего вызывает уменьшение падения напряжения на нагрузке
и возврат этого напряжения к его номинальному значению. При
мгновенном уменьшении напряжения на нагрузке изменения па¬
дений напряжения будут происходить в направлении, противопо-
Рис. С. 18. Стабилизатор на¬
пряжения с полупроводни¬
ковым стабилитроном
Рис. 6.19. Последовательный
стабилизатор с 1 электронной
лампой и лампой тлеющего
разряда (газотрон)
ложном описанному выше, а также вызовут возвращение напряже¬
ния на нагрузке до его номинального значения. На том же самом
принципе основан процесс стабилизации при изменениях входного
напряжения.
Что такое последовательный стабилизатор
с регулировкой напряжения?
Схема подобного стабилизатора представлена на рис. 6.20.
Напряжение на выходе регулируют изменением напряжения сме¬
щения на сетке лампы с помощью переменного резистора.
Рис. 6.20. Последователь¬
ным стабилизатор с ре-
гулировко'й выходного
напряжения
Что такое последовательный стабилизатор
на транзисторе?
Схема такого стабилизатора представлена на рис. 6.21, а. Она
соответствует схеме с лампой, показанной на рис. 6.19, с той разни¬
цей, что лампа тлеющего разряда заменена полупроводниковым
стабилитроном, питаемым через резистор R. Разность между напря-
145
жениями на нагрузке и базе равна напряжению смещения перехода
эмиттер—база. Последовательный стабилизатор на транзисторе с
регулировкой напряжения показан на рис. 6.21, б. В нижнем поло¬
жении движка потенциометра база соединена с массой (землей) и
напряжение на нагрузке равно нулю. В верхнем положении движ¬
ка переход коллектор—база закорачивается, а переход эмиттер—
база представляет собой малое сопротивление, включенное после¬
довательно с нагрузкой. При этом напряжение на нагрузке макси¬
мально.
Что такое последовательный стабилизатор
с дополнительным усилителем?
Задачей дополнительного усилителя в схеме последовательного
стабилизатора является усиление мгновенных изменений выходного
напряжения, подводимого к сетке регулирующей лампы или к базе
транзистора. Благодаря этому достигается значительно большее
постоянство выходного напряжения, тем большее, чем больше ко¬
эффициент усиления усилителя. Иногда для увеличения усиления
применяют дополнительные усилители, например двухкаскадные.
Что такое импульсный стабилизатор?
Импульсный стабилизатор — это схема, в которой элемент,
включенный последовательно с нагрузкой (например, транзистор),
периодически переключается в состоянии отпирания и запирания.
Время отпирания элемента и, следовательно, выходное напряжение
на нагрузке, подключенной только во время отпирания, зависят
от мгновенного отклонения выходного напряжения от номинально¬
го значения. Таким образом достигается стабилизация постоянного
выходного напряжения. На выходе такого стабилизатора необхо¬
димо применять фильтры, исключающие переменную составляющую,
которая возникает в результате работы в прерывистом режиме. По¬
лученное таким способом постоянное напряжение подводится к схе¬
ме, питаемой от подобного стабилизатора. Импульсный стабилиза¬
тор характеризуется большим КПД и малыми потерями энергии на
тепло.
о-
о-
Рис. 6.21. Последовательный стабилизатор с транзисто¬
ром и полупроводниковым стабилитроном (а) и с регу¬
лировкой выходного напряжения (б)
146
Как термистор применяется в схемах
стабилизации?
Термистор является полупроводниковым резистором, сопро¬
тивление которого убывает с ростом температуры. На температуру
термистора непосредственно влияет температура окружающей сре¬
ды и косвенно — ток, протекающий через термистор. Чем больше
ток, тем больше температура элемента и меньше сопротивление.
Это позволяет использовать подобный элемент для стабилизации
напряжения на нагрузке при изменениях температуры окружаю¬
щей среды или выходного напряжения.
В схеме, представленной на рис. 6.22, уменьшение выходного
напряжения вызывает уменьшение протекающего через термистор
тока и, следовательно, рост его сопротивления. В свою очередь
а)
U
5)
O-d}
U
Рис. 6.22. Схема стабили¬
зации напряжения тер¬
мистором
Рис. 6.23. Схемы стабилиза¬
ции напряжения с варпсто-
ром при изменениях:
« — тока нагрузки; б — вы¬
ходного напряжения
это вызывает рост тока, протекающего через сопротивление нагруз¬
ки, что препятствует уменьшению падения напряжения на нагруз¬
ке, несмотря на уменьшение выходного напряжения. Тем самым
достигается стабилизация напряжения, действующего на нагрузке.
Где в схемах стабилизации используют
варисторы?
Варистор — это нелинейный резистор, сопротивление которого
зависит от напряжения. Протекающий через варистор ток в опре¬
деленном интервале возрастает пропорционально 4—5-й степени
подводимого напряжения. Варисторы, в частности, используются
для стабилизации напряжения, действующего на нагрузке, при из¬
менениях отбираемого этой нагрузкой тока (рис. 6.23, а) или для
стабилизации напряжения на нагрузке при изменениях входного
напряжения (рис. 6.23, б). По схеме рис. 6.23, а рост тока нагрузки
увеличивает на мгновение падение напряжения на варисторе, в ре¬
зультате чего снижается его сопротивление и напряжение на нагруз¬
ке почти не изменяется. По схеме рис. 6.23, б увеличение входного
напряжения вызывает рост тока варистора и убывание его сопро¬
тивления в такой степени, что выходное напряжение остается почти
постоянным.
14-7
Что такое стабилизатор на магнитном
усилителе?
Это стабилизатор переменного напряжения, использующий
магнитный усилитель — устройство, состоящее из магнитного сер¬
дечника и обмоток переменного и постоянного тока. Стабилизацию
выходного напряжения получают благодаря изменению магнитной
проницаемости магнитного усилителя.
Что такое ферромагнитные и феррорезонансные
стабилизаторы?
Это стабилизаторы переменного напряжения, действующие н?
принципе использования нелинейной характеристики намагничи¬
вания магнитных сердечников с обмоткой. При работе сердечника
в режиме насыщения выходное напряжение изменяется в неболь¬
ших пределах при относительно больших изменениях входного на¬
пряжения. В резонансных стабилизаторах используется явление
последовательного нли параллельного резонанса в цепи с дросселем
с сердечником, работающим в области насыщения.
На каком принципе работает стабилизатор
тока?
На таком же принципе, что и стабилизатор напряжения. Точ¬
но так же регулирующие элементы, применяемые для стабилизации
тока, аналогичны тем, которые применяются для стабилизации нап¬
ряжения. Другой является только схема взаимосоединений между
nai рузкой и регулирующим элементом. Стабилизаторы тока в элект¬
ронике применяются значительно реже, чем стабилизаторы напря¬
жения, и чаще всего для измерения и в специальных целях. Их за¬
дачей является поддержание на постоянном уровне тока, протекаю¬
щего через нагрузку, при изменениях входного напряжения и соп¬
ротивления нагрузки.
Какая схема у стабилизатора тока?
Схема стабилизатора тока с транзистором и полупроводниковым
стабилитроном показана на рис. 6.24. При росте входного напряже¬
ния или уменьшении сопротивления нагрузки ток, протекающий че¬
рез нагрузку, остается почти постоянным. Это следует из того факта,
что напряжение база—коллектор тран¬
зистора поддерживается на постоянном
уровне, в то же время изменяется на¬
пряжение между коллектором и эмит¬
тером. При увеличении входного напря¬
жения или уменьшении сопротивления
нагрузки напряжение между коллекто¬
ром и эмиттером возрастает настолько,
что ток эмиттера и ток, протекающий
через нагрузку, остаются практически
постоянными. Рассматриваемый стаби¬
лизатор представляет собой для на¬
грузки источник тока.
—и
4
Рис. 6.2-1. Схема стаби¬
лизации выходного тока
на транзисторе и полу¬
проводниковом стабили¬
троне
143
Какие методы защиты применяются
в схемах питания?
Применяются различные методы защиты. Широкое применение
находят плавкие предохранители, прерывающие протекание гока
в схеме питания при длительной перегрузке или замыкании (по¬
вреждении) в цепи нагрузки. Часто используются инерционные
предохранители, иначе называемые предохранителями с замедлен¬
ным временем срабатывания. Они не вызывают перерыва в проте¬
кании тока в нагрузку во время коротких перегрузок, возникающих,
например, в момент включения.
Применяются также схемы, автоматически ограничивающие
отбираемый от схемы питания ток и не допускающие тем самым воз¬
никновения токовых перегрузок. Такие решения особенно пригодны
при питании транзисторных схем и интегральных микросхем, кото¬
рые на перегрузки реагируют быстрее, чем предохранители. Огра¬
ничение отбираемого транзисторными схемами тока защищает тран¬
зисторы от выхода из строя. Защитные схемы подобного типа иног¬
да состоят из нескольких транзисторов.
Разработаны схемы, защищающие от появления перенапря¬
жений в питающем напряжении, которые вызываются, например,
искрением. Искрения особенно опасны для интегральных микросхем.
На чем основан процесс, обратный выпрямлению
переменного напряжения?
Обратный процесс должен состоять в преобразовании постоян¬
ного напряжения в переменное. Подобная необходимость может
возникать тогда, когда имеется источник в виде аккумулятора, а
для питания устройства требуется переменное напряжение (элект¬
родвигатель переменного тока, устройство с сетевым трансформато¬
ром). Часто в том случае, когда необходимо увеличить постоянное
напряжение, его сначала преобразуют в переменные колебания,
затем с помощью трансформатора повышают, а потом выпрямляют.
Устройства, которые служат для преобразования постоянных
напряжений и токов в переменные колебания, называются преоб¬
разователями постоянного тока. Существует несколько методов пре¬
образования постоянного тока в переменный. Часто используются
вибропреобразователи. Они состоят из колеблющегося прерыва¬
теля тока, который приводится в движение электромагнитом. Чаще
применяются транзисторные преобразователи вибрационного типа,
в которых не возникают механические колебания и связанное с этим
искрение контактов. В этих преобразователях постоянный ток за¬
пускает генератор переменных колебаний. Напряжение генератора
может быть повышено с помощью трансформатора. Часто транзис¬
торный преобразователь применяется для преобразования постоян¬
ного тока одного значения в постоянный ток другого. При этом по¬
лученное с генератора-преобразователя переменное напряжение
после повышения в трансформаторе подвергается выпрямлению.
ГЛАВА 7
НЕРЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Что такое усилитель?
Усилитель — это устройство, предназначенное для увеличе¬
ния уровня электрического сигнала за счет энергии источника пита¬
ния.
Как классифицируются усилители?
Классификацию усилителей можно проводить исходя из различ¬
ных критериев. Сточки зрения усиливаемого электрического пара¬
метра (напряжение, ток, мощность) различают усилители напряже¬
ния, тока и мощности. В зависимости от диапазона усиливаемых
частот они подразделяются на усилители постоянного тока (медлен¬
ных электрических колебаний), низкой (звуковой) и высокой частот.
Последние могут быть выполнены как широкополосные или нерезо¬
нансные усилители, предназначенные для усиления определенной
полосы частот.
Существует много других методов деления усилителей на группы,
которые, однако, в процессе их систематизации имеют меньшее зна¬
чение. Различают, например, транзисторные и ламповые усилители
классов А, В, С, у которых принадлежность к данному классу опре¬
деляется положением рабочей точки на характеристике управления
активного элемента; усилители, название которых зависит от их при¬
менения, а именно антенные усилители, видеоусилители и т. п.
Что такое нерезонансные усилители?
Нерезонансные усилители не содержат элементов, подлежащих
подстройке. Это в основном усилители различного назначения. Их
общей чертой является усиление сигналов с широкой полосой частот
от постоянного тока или очень низких частот до частот 10—20 кГц
или даже нескольких десятков мегагерц. Ясно, что иерезонанспыс
усилители могут относиться к любой из ранее упомянутых групп, на¬
пример, может быть усилитель звуковых частот, класса А, транзис¬
торный.
Какую принципиальную схему имеет однокаскадный
усилитель и каковы его основные
параметры?
Однокаскадным называется усилитель, содержащий один актив¬
ный элемент: лампу, биполярный или полевой транзистор. На рис.
7.1 представлена принципиальная схема подобного усилителя. По¬
мимо активного элемента, символически обозначенного прямоуголь¬
ником, она содержит входную цепь с источником управляющего
напряжения или тока, а также выходную цепь с сопротивлением
нагрузки 2„.
Основными параметрами, характеризующими схему, являются
коэффициент усиления, входное и выходное сопротивление. В зави¬
150
симости от рассматриваемой электрической величины различают ко¬
эффициенты усиления по напряжению, току и мощности.
Коэффициент усиления по напряжению — это отно¬
шение выходного напряжения к входному
Ки~ ивх ■
Аналогично коэффициент усиления по току оп¬
ределяется отношением выходного тока к входному
' Ki~i-вых/^'пх •
Произведение этих величин дает коэффициент усиле¬
ния по мощности, являющийся частным от деления выход¬
кой мощности па входную
мощность,
Zr
Кр ~ ^вых/^вх = ивых X
X /вых/^вх ■ *вх ~ К и Ki
ch uh
Чч/г
Лампа,
транзистор
■*-1
г1]
и
SbtxY
Следует подчеркнуть,
что полученная на выходе
усилителя мощность всегда рис- Схема однокаскадного усилн-
больше мощности, подве* тсля
денной к входу усилителя.
Входное сопротивление равно отношению входного напряжения
к входному току
= ^вх/*вх»
а выходное сопротивление — отношение выходного напряжения к
выходному току
^вых = ^вых/*вых •
Значения всех указанных параметров зависят от вида используе¬
мого активного элемента (лампа, транзистор) нагрузки, а также
схемы включения (схема ОЭ, ОБ или ОК). Чаще всего эти параметры
являются функциями параметров активного элемента и сопротивле¬
ния нагрузки.
Что такое частотная характеристика
усилителя?
Это характеристика, изображающая зависимость коэффициента
усиления от частоты входного синусоидального сигнала. В большин¬
стве усилителей сигналы малы, причем высокие частоты усиливаются
не так, как сигналы средних частот. Поскольку коэффициент
усиления является комплексным, то изменению, по сравнению с вход¬
ным сигналом, подвергаются как амплитуда, так и фаза выходного
сигнала. Поэтому различают две частотные характеристики: ампли¬
тудно-частотную и фазочастотную характеристику, кратко называе¬
мые также амплитудной и фазовой характеристиками. Примеры
подобных характеристик представлены иа рис. 7.2.
При построении частотных характеристик по оси абсцисс откла¬
дывают частоту / или угловую частоту to, а по оси ординат для амп¬
литудных характеристик откладывают численные значения коэффи¬
циента усиления, а для фазовых — фазовый угол в градусах или
15!
радианах. Удобнее воспользоваться логарифмической шкалой.
Тогда по шкале абсцисс откладывают не частоту, а ее десятичный
логарифм (lg/), а по оси ординат — коэффициент усиления, выражен¬
ный в децибелах. Амплитудная н фазовая характеристики опреде¬
ляют способность усилителя пропускать сигнал с определенным час¬
тотным спектром.
Для усилителя звуковых частот представляет интерес амплитуд¬
ная характеристика; а фазовая не играет существенной роли, пос¬
кольку человеческое ухо не реагирует на небольшие фазовые сдвиги
Рис. 7.2. Амплитудная (а) и фазовая (б) характеристики усилителя
переменного тока низкой частоты
звуковых сигналов. Иначе обстоит дело для видеоусилителя. Фазо¬
вая характеристика имеет такое же значение, как и амплитудная,
поскольку человеческий глаз реагирует на малые фазовые сдвиги от¬
дельных составляющих сигнала изображения.
Что такое ширина полосы пропускания
усилителя?
Из-за того что усилитель не усиливает одинаково сигналы различ¬
ных частот, возникает необходимость уточнения способности усили¬
теля усиливать определенные полосы
ражается с помощью ширины полосы,
частот. Эта способность вы-
определяемон как разность
частот между двумя точками
амплитудной характеристи¬
ки, для которых коэффици¬
ент усиления на 3 дБ мень¬
ше, чем на средних часто¬
тах. Одна из этих точек,
расположенная в этой части
характеристики отражает
в диапазоне более низких
частот, соответствует иа оси
частот нижней граничной
частоте /„ (рис. 7.3), тогда
как другая точка — соот¬
ветственно верхней гранич¬
ной частоте /в. Разность этих частот и является шириной полосы
пропускания, которую обычно обозначают буквой В или Д/:
А/ = В = / д — /„•
Точки на амплитудной характеристике, в которых усиление (по
напряжению и по току) снижается на 3 дБ, называются точками по-
152
Рис. 7.3. Амплитудная характери¬
стика низкочастотного усилителя с
граничными частотами {и и /в
лоиинной мощности, поскольку соответствующая ИМ МОЩНОСТЬ
уменьшается в 2 раза.
В зависимости от применения усилители могут иметь различную
ширину полосы пропускания. Полоса пропускания усилителен зву¬
ковых частот, используемых, например, в радиоприемниках и элект¬
роакустических устройствах, лежит в полосе от нескольких десят¬
ков герц до 10- 20 кГц, тогда как в видеоусилителях, предназначен¬
ных для усиления сигналов изображения с широким частотным спект¬
ром,— от нескольких герц до нескольких мегагерц (например,
б МГц).
Оба упомянутых усилителя относятся к усилителям типа фильт¬
ров нижних частот, поскольку пропускают сигналы с очень низкими
частотами. Именно поэтому в подобных усилителях за ширину по¬
лосы пропускания принимают значение верхней граничной частоты
/н, поскольку разность верхней и нижней граничных частот /п — /ц
незначительно меньше частоты /п.
Что понимается под терминами:
диапазоны низких, средних и высоких
частот усилителя?
При анализе изменения коэффициента усиления усилителя в
функции частоты удобно разделить весь диапазон частот, пропускае¬
мых усилителем, на трн поддиапазона: низких, средних и высоких
частот. Диапазон низких частот простирается от нуля до частоты, в 10
раз большей нижней граничной частоты В этом диапазоне ампли¬
тудная характеристика обычно спадает при уменьшении частоты.
Аналогично диапазон высоких частот охватывает область от частот,
в 10 раз меньшей верхней граничной частоты вплоть, до/в. В этом
диапазоне амплитудная характеристика также спадает, но при уве¬
личении частоты. Между указанными диапазонами располагается ди¬
апазон средних частот, в котором амплитудная характеристика
плоская. Следует подчеркнуть, что термин «диапазон высоких частот»
означает частоты, большие по сравнению со средними частотами.
В действительности, например в случае усилителей звуковых час¬
тот, этн частоты могут быть малыми, около нескольких килогерц.
Что такое искажения, вносимые усилителем?
Искажением называется изменение формы сигнала после прохож¬
дения этого сигнала через усилитель. Если форма выходного сигна¬
ла отличается от формы входного, то говорят, что усилитель вносит
искажения. Очевидно, что изменение значения амплитуды не являет¬
ся искажением. Различают два основных вида искажений — линейные
и нелинейные.
Что такое амплитудные линейные
искажения усилителя?
Усилитель вносит в сигнал линейные амплитудные искажения в.
том случае, если ширина его полосы пропускания оказывается недо¬
статочной по отношению к частотному спектру усиливаемого сигна¬
ла. Электрические сигналы могут иметь различную форму синусо¬
идальную, прямоугольную, трехугсльную, пилообразную и-т. п.
Каждый из этих сигналов можно представить как сумму синусои¬
дальных сигналов: сигнала основной частоты f и гармонических сиг¬
налов, частоты которых являются кратными основной частоте, т.е.
равны 2/, 3/, nf. Для правильного представления (воспроизве¬
дения) сигнала сложной формы обычно достаточно десяти гармоник
сигнала основной частоты. На¬
пример, если усиливается пря¬
моугольный сигнал с частотой
15 кГц, то ширина полосы про¬
пускания усилителя должна со¬
ставлять 150 кГц В этом случае
иа выходе усилителя также по¬
лучим прямоугольный сигнал
Если бы полоса пропускания
усилителя составляла 15 кГц, на
выходе вместо прямоугольного
колебания мы бы получили сину¬
соидальное колебание с частотой
15 кГц (рис. 7.4). Высшие гармо¬
нические составляющие сигнала
усилителем не были бы пропу¬
щены. При более широкой по¬
лосе усилителя, например 50 кГц,
выходной сигнал был бы уже бо¬
лее похож иа прямоугольный
сигнал, и лишь при полосе усили¬
теля, соответствующей спектру
сигнала, наблюдается воспроиз¬
ведение на выходе входного сиг¬
нала.
Следовательно, линейные амплитудные искажения наблюдаются
в том случае, когда коэффициент усиления усилителя не является
постоянным в достаточно широком диапазоне частот.
Что такое линейные фазовые искажения
усилителя?
К линейным искажениям относятся также фазовые искажения»
которые наблюдаются в том случае, когда фазы сигналов различных
частот, образующих сложный (составной) сигнал, например прямо¬
угольной формы, оказываются сдвинутыми на разное значение. Пос¬
кольку прямоугольный сигнал является суммой синусоидальных
сигналов с определенными фазовыми сдвигами, то нарушение фазо¬
вых соотношений этих сигналов на выходе усилителя не позволит
вновь получить прямоугольный сигнал.
Можно доказать, что только усилитель с линейной фазовой харак-
тсристикой не вносит фазовых искажений.
Что такое динамическая характеристика
усилителя?
Динамическая характеристика усилителя — это график, пред¬
ставляющий собой зависимость выходного напряжения (тока)
усилителя от входного напряжения (тока) (рис. 7.5). При правильно
154
а)
_J
1 t
5)
t
Рис. 7.4. Электрические колеба¬
ния на входе и выходе усили¬
теля:
а — входное прямоугольное ко¬
лебание с частотой 15 кГц.: б и
в — колебания на выходе уси¬
лителя с шириной полосы соот¬
ветственно 15 и 150 кГц
выбранной рабочей точке усилителя (на Линейном участке его рабо¬
чей характеристики) выходное напряжение является линейной
функцией входного напряжения. В связи с этим динамическая ха¬
рактеристика проходит вдоль прямой линии, наклоненной под не¬
которым углом к оси При увеличении входного напряжения
свыше определенного значения в результате нелинейности характе¬
ристик ламп нли транзисторов динамическая характеристика изги¬
бается и становится горизонтальной линией, параллельной оси UBK.
В усилительных устройствах нас интересует только линейный
участок динамической харак¬
теристики. Чем он больше, 1д
т. е. чем больший диапазон
вход
тывает, тем больше динамический диапазон усиления. Если выход¬
ное напряжение перестает линейно зависеть от входного, то возни¬
кают искажения, а об усилителе говорят, что он работает в режи¬
ме насыщения.
Что такое нелинейные искажения?
Нелинейные искажения связаны с нелинейностью динамической
характеристики усилительной схемы. Если поданый на вход усилите¬
ля сигнал имеет слишком большую амплитуду, превышающую ли¬
нейный диапазон возбуждения усилителя, возникают искажения
вершин усиливаемого сигнала. В качестве примера рассмотрим се¬
точную характеристику лампы, работающей в схеме усилителя
(рис. 7.6).
Рабочая точка лампы находится на середине линейного участка
характеристики. Синусоидальный входной сигнал, амплитуда кото¬
рого не выходит за линейный участок характеристики, вызывает про¬
текание синусоидального тока через лампу и в результате — появле¬
ние синусоидального напряжения на сопротивлении нагрузки. Если
амплитуда возбуждающего (входного) сигнала увеличивается так,
что максимальные значения сигнала превышают напряжение, со¬
ответствующее верхнему загибу характеристики, и напряжение от¬
сечки, то на выходе появится колебание со срезанными вершинами
сигнала. Такого вида сигнал может быть представлен как сумма
синусоидального сигнала основной частоты и множества сигналов,
частоты которых кратны основной частоте (гармоникам). Поскольку
Рис. 7.5. Динамичс-
ска я характеристика
усилителя
Рис. 16. Возникновение пели
неГшых искажении в усилителе
гармоники во входном сигнале отсутствовали, то они возникли в
усилителе. Их присутствие в выходном сигнале поясняет другое
название нелинейных искажений — искажения из-за гармоник.
Что такое каскадное соединение усилителей?
Каскадным соединением усилителей называется группа ступеней
усилителя, в которой сигнал, полученный на выходе первой ступенг
усиления, возбуждает вторую. В свою очередь сигнал, полученньп
на ее выходе, возбуждает третью ступень и т. д. вдоль всей цепочки
Основной чертой усилителя, состоящего из нескольких каскадов, яв
ляется большее усиление, чем у одиночного. Полный коэффициент
усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления
отдельных каскадов илн равен их сумме, если усиление каждого
каскада выражено в децибелах. Однако каскадное соединение уси¬
лителей приводит к уменьшению общей полосы пропускания.
В качестве примера рассмотрим два одинаковых усилительных
каскада с определенной верхней граничной частотой /в. Этой часто¬
те соответствует па 3 дБ меньшее усиление, чем на средних частотах,
Падение усиления каскадного соединения двух ступеней при гранич¬
ной частоте каждой из ступеней будет равно уже С дБ, т. е. новая
граничная частота будет ниже. В связи с этой особенностью каскад¬
ного соединения ширина полосы каждого усилительного каскада
должна быть большей, чтобы общая ширина полосы имела заданное
значение.
В общем случае в каскадном соединении отдельных усилителей
можно выделить входной каскад с низким уровнем сигнала, непосред¬
ственно взаимодействующего с источником возбуждения, средние и
выходной каскады, взаимодействующие с нагрузкой, уровень сиг¬
нала в которых является наибольшим. В связи с этим требования к
отдельным каскадам различны. Во входном существенную роль
может играть входное сопротивление н шумовые свойства. В средних
каскадах основное значение имеют коэффициент усиления и частот¬
ная характеристика. Наконец, для выходного важны вид выхода
(симметричный или несимметричный), выходное сопротивление и
уровень нелинейных искажений.
Что такое межкаскадная связь?
Это способ соединения отдельных каскадов для передачи выход--
ного сигнала одного каскада в другой. Непосредственная связь кол¬
лектора одного каскада с базой второго не применяется, поскольку
коллектор и база транзистора требуют подачи постоянных напряже¬
ний с сильно отличающимися значениями. Поэтому непосредствен¬
ную связь используют исключительно в усилителях, предназначен¬
ных для усиления очень низких частот.
Наиболее часто применяемыми способами связи являются ем¬
костная и трансформаторная.
Что такое резистивный усилитель с емкостной связью?
Резистивный усилитель с емкостной связью, называемый также
/?С-усилнтелем, — основная схема. На рис. 7.7 представлена его
принципиальная схема па транзисторе. Название схемы связано с ха-
156
рактером сопротивления нагрузки (сопротивление #,<) и емкОстнсн
связью обсуждаемого каскада с источником сигнала либо предыду¬
щим каскадом и нагрузкой следующего каскада (конденсаторы С А и
С 2). Транзистор работает по схеме с ОЭ. Эту схему наиболее часто
используют, поскольку она дает большой коэффициент усиления по
напряжению и току, а следовательно, н большое усиление по мощно¬
сти.
Рабочую точку транзистора определяют резисторы Rlt Rif R3, Rk>
причем делитель RiR* определяет напряжение смещения базы, а па¬
дение напряжения, возникающее в результате протекания тока эмит¬
тера через резистор R3, — напряжение эмиттера. При заданном на¬
пряжении коллектора, равном разности между напряжением пита¬
ния и падениями напряжений на
резисторах RK и R3, устанавли¬
вается определенный ток базы.
Параметры элементов, опреде¬
ляющие положение рабочей точ¬
ки на рабочей характеристике
транзистора, обычно подобраны
таким образом, чтобы рабочая
точка находилась иа прямолиней¬
ном участке характеристики. Это
означает, что при достаточно ма¬
лых возбуждающих сигналах уси¬
литель работает в классе А и мо¬
жет рассматриваться как линей¬
ная схема. Резистор R3 выполня¬
ет, кроме того, функции резисто¬
ра, стабилизирующего рабочую
точку транзистора. Для исключения отрицательной обратной
связи по переменному току этот резистор обычно шунтируется кон¬
денсатором Сэ большой емкости.
В представленной на рис. 7.7 схеме резистор #DX2 символизиру¬
ет входное сопротивление следующего каскада, которое является па¬
раллельным соединением резисторов в цепи базы и входного сопро¬
тивления транзистора следующего каскада.
В диапазоне средних частот, в котором влиянием действующих в
схеме емкостей можно пренебречь, усиление схемы по напряжению
выражается следующей формулой:
Рис. 7.7.
литель с
Резистивный уси-
емкостной связью
Ки =
^213
/ll 1Э
^ВЫХ f
в которой А21Э — коэффициент передачи по току при коротком за¬
мыкании в схеме с ОЭ при малом сигнале; Лпэ — входное сопротив¬
ление при коротком замыкании в схеме ОЭ при малом сигнале;
/?дых — сопротивление, полученное при параллельном соединении
резисторов RK и #вха. Знак минус в формуле означает, что фаза вы¬
ходного напряжения повернута на 180° относительно входного на¬
пряжения. Сопротивление 7?вых не зависит от выходного сопро¬
тивления транзистора. Действительно, выходное сопротивление
транзистора в схеме с ОЭ велико, и в связи с этим им можно
пренебречь.
В противоположность выходному сопротивлению входное со¬
противление транзистора мало и поэтому оказывает существенное
157
влияние на ЯВь[7; В схеме, нагрузкой которой является следующий
каскад усиления. Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ
примерно равно/г11Э. Входное сопротивление транзисторного каска¬
да также снижается из-за шунтирующего влияния параллельного
соединения резисторов цепи смещения базы.
От чего зависит верхняя граничная частота
в резистивном усилителе с емкостной связью?
При заданном сопротивлении нагрузки усилительного каскада
верхняя граничная частота резистивного усилителя зависит от емко¬
сти, шунтирующей это сопротивление. На рис. 7.7 эта емкость не
приведена, поскольку она нс оказывает влияния на усиление в диапа¬
зоне средних частот, так же как и емкости связи и емкость, вклю¬
ченная параллельно резистору в цепи эмиттера. Цепь, на которую
нагружен каскад усиления в диапазоне высоких частот, представлена
па рис. 7.8, а. Помимо емкостен, указанных на рис. 7.7, имеются
Рис, 7.8. Экпнпмлрнтнал схема (и) к диаграмма токоп (о) ма ча
стоте /7)ц ЯС-усилитсля
дополнительно выходная емкость транзистора СпыХ, входная емкость
следующего каскада Свх, а также емкость рассеяния Ст, которую об¬
разуют собственные емкости компонентов и соединительных прово¬
дов. Пренебрегая реактивным сопротивлением конденсатора Сс2,
которое в диапазоне высоких частот мало, можем представить
нагрузку усилителя в виде сопротивления R с подключенной парал¬
лельно ему емкостью С„. Переменный ток транзистора i протекает
через обе ветви цепи. В диапазоне средних частот, где реактивное
сопротивление Конденсатора С0 велико, практически весь ток проте¬
кает через сопротивление /?Экв- Поскольку падение напряжения на
сопротивлении RDhB является выходным напряжением, то в диапа¬
зоне средних частот оно имеет максимальное значение.
Реактивное сопротивление конденсатора С„ обратно пропорцио¬
нально частоте. При некоторой частоте оно становится равным сопро¬
тивлению R;mn. В этом случае полный ток делится на дне части, рав¬
ные 0,707 значения тока транзистора /, что следует из векторной ди¬
аграммы, приведенной на рис. 7.8, б. В соответствии с законом Ома
падение напряжения на сопротивлении R,n;u меняется таким же
образом. Спад до 0,707 означает спад на 3 дБ относительно значения,
действующего в диапазоне средних частот. Поэтому частота, па ко¬
торой Хс0 = /?;)Кп, является граничной частотой /и. Эту частоту мо¬
жно определить, приравняв друг другу Хс0 и /?;,ки и решив получен¬
ное уравнение относительно /и:
о)
1
I
2д/?экв С,
158
Из анализа этого уравнения следует, что при заданной емкости С0
увеличение верхней граничной частоты, а следовательно, расшире¬
ние полосы усилителя возможно лишь за счет уменьшения сопро¬
тивления нагрузки Дэкн. Выше частоты /в реактивное сопротивле¬
ние Хс0 меньше сопротивления Л0„п и поэтому амплитудная
характеристика имеет резкий спад.
Коэффициент усиления резистивного усилителя с емкостной
связью в диапазоне высоких частот можно рассчитать по следующей
формуле:
У J "г {flfuY1
где Кw — коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних
частот; / — частота, для которой определяют усиление. Видно, что
при / = /в Ки = 0,707 АГц.
Емкость, шунтирующая резистор нагрузки, оказывает также
влияние на фазовый сдвиг между выходным и входным напряжение
ями. Угол фазового сдвига убывает с ростом частоты и при частот-
ZB составляет 135°, т. е. на 45° меньше угла в диапазоне средних час¬
тот.
Эти рассуждения относятся к усилителям с относительно малы¬
ми верхними граничными частотами. Для усилителей с очень большой
шириной полосы пропускания, в которых сопротивление /?экв
имеет малое значение, усиление в диапазоне высоких частот в боль¬
шей степени зависит от изменений коэффициента Л21Б транзистора
с частотой, чем от емкости С0.
От чего зависит нижняя граничная частота
в резистивном усилителе с емкостной связью?
Нижняя граничная частота зависит от постоянных времени це¬
пи эмиттера и цепи связи. Постоянной времени (поскольку она имеет
размерность «секунда») называется произведение сопротивления ре¬
зистора и емкости конденсатора. Влияние постоянной времени R^C3
сказывается в росте сопротивления в цепи эмиттера при уменьшении
частоты. При этом возни¬
кает отрицательная обрат¬
ная связь, приводящая к
снижению коэффициента
усиления. Если емкость
конденсатора Сэ велика
(около 100 мкФ), то ниж¬
няя граничная частота за¬
висит главным образом от
постоянной времени цепи
связи.
Цепь, на которую нагружен усилитель в диапазоне низких час¬
тот, представлена на рис. 7.9. Из-за малого входного сопротивления
последующего транзисторного каскада RB% при рассмотрении цепи
связи следует принимать во внимание также сопротивление RK. Од¬
новременно с уменьшением частоты возрастает сопротивление ветви,
состоящей из последовательно соединенных конденсатора Сс2 и ре¬
зистора Rвх. и большая часть тока начинает протекать через сопро¬
тивление коллектора Rl{. На основе такой же векторной диаграммы.
159
Рис, 7.9. Нагрузка ЯС-уснлителя в
диапазоне низких частот
как для диапазона высоких частот, можно показать, что нижняя
гпаничная частота, при которой усиление снижается на 3 дБ, вы¬
ражается формулой
2л (Дк + /?их)Сс2 ‘
Из анализа этой формулы следует, что при заданных сопротивлениях
RK и Явх нижнюю граничную частоту можно уменьшать лишь путем
увеличения емкости связи Сс2. На практике емкость связи Сс2
составляет обычно несколько десятков микрофарад.
Усиление резистивного усилителя с емкостной связью в диапазо¬
не низких частот можно рассчитать по следующей формуле:
“ Vi+(/H//)2 ’
где Ки — коэффициент усиления усилителя в диапазоне средних
частот; f — частота, для которой рассчитывается усиление.
Видно, что при / = /н Ки = 0,707 Ки• Конденсатор связи Сс2
вносит в схему некоторый фазовый сдвиг между выходным и входным
напряжениями. Этот сдвиг увеличивается, если частота снижается,
и при частоте/й составляет 225°, т. е. на 45° больше, чем сдвиг в ди¬
апазоне средних частот.
Как работает ламповый резистивный усилитель
и какова его схема?
Наиболее простые схемы такого усилителя на триодах и пенто¬
дах показаны на рис. 7.10. Напряжение питания около 200 В подво¬
дится между точками, обозначенными £а, и массой схемы. Анодный
ток протекает через лампы, а также резисторы RK и Ra. Падение
напряжения на резисторах RK обеспечивает соответствующие отри¬
цательные сеточные напряжения, т. е. задает рабочие точки на
сеточных характеристиках. Конденсаторы Ск, включенные парал¬
лельно резисторам RK, имеют малое сопротивление для переменных
напряжений, благодаря чему сеточные напряжения остаются по¬
стоянными. Резисторы Rc — это сопротивления утечки. Они обра¬
зуют цепь, по которой электроны, перехваченные управляющей сет¬
кой лампы, могут быть отведены на катод. При отсутствии такого пу¬
ти утечки накопленные на сетке электроны вызвали бы возникнове¬
ние на сетке отрицательного напряжения, существенно нарушающе¬
го работу усилителя. Обычно сопротивление резистора Rc не пре¬
вышает 1 МОм.
В случае усилителя на пентоде для обеспечения правильной ра¬
боты лампы необходимо соединить третью сетку лампы с катодом или
массой, а также вторую сетку (экранную)—с источником напряже¬
ния питания £а. Если требуемое напряжение питания второй сетки
меньше, чем напряжение Еа, то ее соединяют с источником напря¬
жения £а через гасящий резистор /?э. Экранная сетка в пентоде дей¬
ствует аналогично аноду, поэтому при работе лампы в качестве уси¬
лителя напряжение между экранной сеткой и массой изменяется.
Чтобы воспрепятствовать этим нежелательным изменениям, между
экранной сеткой и массой включают конденсатор большой емкости.
160
Он представляет собой короткое замыкание для переменных то¬
ков, и благодаря этому потенциал экранной сетки поддерживается
на постоянном уровне.
Если на вход схемы подать переменное напряжение, то оно нало¬
жится на постоянное сеточное напряжение и вызовет изменение по¬
тенциала между сеткой и катодом. В результате изменений этого по¬
тенциала изменятся анодный ток и падение напряжения на нагру¬
зочном сопротивлении R&. Следует добавить, что выходное напряже¬
ние имеет полярность обратную полярности выходного, что для им¬
пульсных сигналов означает инверсию (поворот) фазы на 180°. Не¬
значительное изменение напряжения в цепи сетки может вызвать
изменение анодного тока на несколько миллиампер. При большом
а) 5)
Рис. 7.10. Триодный (а) и пентодиый (б) резистивные усилители с ем¬
костной связью
сопротивлении резистора Ra на нем возникает падение напряжения,
во много раз превышающее входное напряжение. Поэтому схема ра¬
ботает как усилитель напряжения.
Коэффициент усиления схемы в диапазоне средних частот выра¬
жается следующей формулой:
Ки— *S^a, энв »
где 5 — крутизна сеточной характеристики лампы; /?а.экв — со-
противление нагрузки лампы.
В пентбдном усилителе из-за большого внутреннего сопротивле¬
ния Ri пентода нагрузка представляет собой параллельное сопротив¬
ление резисторов Ra и ^С2; в триодном усилителе необходимо еще
учитывать включенное параллельное сопротивление R{.
Конденсаторы Сс1 и СС2 являются конденсаторами связи, кото¬
рые выполняют те же задачи, что и конденсаторы связи в транзис¬
торном усилителе. Однако емкости конденсаторов из-за высокого си-
противления сеточной цепи значительно меньше и не превышают
обычно 0,5 мкФ. Конденсаторы связи, блокирующие катодные резис¬
торы, оказывают влияние на ход кривой усиления в диапазоне низ¬
ких частот, тогда как входные и выходные емкости ламп, а также ем¬
кости соединительных проводников ограничивают полосу усилите¬
ля со стороны высоких частот.
6 Зак. 1606
161
Что такое произведение коэффициента
усиления на ширину полосы пропускания?
Произведение коэффициента усиления на ширину полосы GB*,
называемое также площадью усиления, является параметром, опре¬
деляющим способность активного элемента усиливать в широкой по¬
лосе частот. Из формулы для верхней граничной частоты, которая оп¬
ределяет ширину полосы, следует, что эта частота тем больше, чем
меньше сопротивление £Э1{В, являющееся нагрузкой усилителя.
Однако, с другой стороны, меньшему сопротивлению соответствует
меньшее усиление, и поэтому требование большой ширины полосы
противоречит возможности получения большого коэффициента уси¬
ления усилителя. Оказывается, например, что для пентода произве¬
дение GB имеет постоянное значение и выражается следующей
зависимостью:
В — 5/2лСпОЛ11 ,
где 5 — крутизна сеточной характеристики пентода; СПОлн — сумма
емкостей, шунтирующих сопротивление нагрузки усилительного
каскада.
Если 5=10 мА/'В и С = 20 пФ, то GB — 80 МГц. Это означает,
что при ширине полосы В — 10 МГц усиление G — 8, т. е. наблюда¬
ется «обмен» между усилением и полосой при сохранении постоянст¬
ва их произведения. Проблема «обмена» усиления и полосы нс очень
существенна в усилителях низкой частоты, поскольку площадь уси¬
ления обычно больше требуемой. Эта проблема становится существен¬
ной и в широкополосных усилителях, в которых площадь усиления
является решающим фактором, ограничивающим коэффициент уси¬
ления схемы. В триодном усилителе произведение коэффициента уси¬
ления на ширину полосы пропускания не является постоянным. Это
следует из того факта, что емкость возрастает при росте коэффициен¬
та усиления (эффект Миллера) и уменьшении ширины полосы. При
больших усилениях и малых полосах площадь усиления меньше,
чем в противоположном случае.
В транзисторных усилителях произведение GB также не яв¬
ляется постоянным и достигает максимального значения при опти¬
мальных сопротивлении резистора, шунтирующего входную цепь
транзистора, коэффициенте усиления и ширине полосы. Кроме того,
для получения большой площади усиления транзистор должен рабо¬
тать при достаточно больших токах эмиттера.
Если речь идет о полевом транзисторе, то его свойства в известной
степени схожи со свойствами электронной лампы. В связи с этим
произведение GB усилительного каскада на полевом транзисторе
должно быть постоянным. Однако из-за значительной емкости меж¬
ду стоком и затвором произведение GB характеризуется такими же
свойствами, как произведение GB триода.
Что такое широкополосный усилитель?
Широкополосный усилитель — это усилитель, используемый
для усиления сигналов с широким спектром частот, часто сравнимым
с площадью усиления применяемых активных элементов, ламп или
транзисторов. Примером такого сигнала может быть сигнал изобра- 11 От англ. O' (ain) уиглсит.' п U (Jiidwidtli) ширина полосы
162
Ленин, действующий в телевизионных схемах, спектр которого ох¬
ватывает частоты от нескольких герц примерно до 6 МГц, или после¬
довательность коротких импульсов с малым временем фронта.
Основные схемы однокаскадного широкополосного усилителя
не отличаются от представленных на рис. 7.7 и 7.10. Разница заклю¬
чается в использовании меньших сопротивлений нагрузки и подборе
соответствующих усилительных элементов. Для ламповой схемы при¬
меняют пентоды с большим отношением крутизны к параллельной
емкости (S/С), а для транзисторной — транзисторы, характеризую¬
щиеся большим значением граничной частоты /гр.
Что такое временная характеристика усилителя?
Временной характеристикой усилителя называется отклик уси¬
лителя на заданный эталонный входной импульс. За эталонный им¬
пульс чаще всего принимают единичный скачок или скачок напряже¬
ния от 0 до 1 за бесконечно малый промежуток времени. На практи¬
ке это импульс с очень коротким временем нарастания и соответст¬
венно большой длительностью.
Рис. 7.11 Формы фронта (а) и вершины (б) на выходе усилителя
при единичном скачке на входе:
I — колебательная форма фронта; 2 — монотонная
Если бы усиление усилителя не зависело от частоты, то выходной
импульс имел бы ту же форму, что и входной. Однако, поскольку
каждый усилитель, даже широкополосный, имеет ограниченную по¬
лосу пропускания, следует ожидать, что входной импульс не будет
идеально воспроизведен на выходе усилителя, а отклик усилителя
будет зависеть от свойств схемы. Математический анализ усилителя
позволяет утверждать, что форма начальной части (фронта) выход¬
ного импульса зависит от свойств усилителя в диапазоне высоких
частот, тогда как форма средней части выходного импульса (верши¬
ны) зависит от свойств усилителя в диапазоне низких частот.
С точки зрения измерений широкополосных усилителей времен¬
ная характеристика является полезным мерилом качества усилите¬
ля, поскольку сразу же демонстрирует вносимые усилителем иска¬
жения.
На рис. /.11 показаны отклики усилителя на единичный ска¬
чок, единичные отклики в области фронта и вершины. Единичный
отклик в области фронта может быть колебательным или монотонным
6* 163
Для полного определения искажений фронта служат Трн параметра;
время нарастания тн, определяемое как время нарастания отклика
от 0,1 до 0,9 в установившемся состоянии; время задержки т3 опре¬
деляемое как время нарастания отклика от 0 до 0,5 в установившем¬
ся состоянии; амплитуда первого колебания (выброса) /.
Естественно, что последний параметр не относится к непрерыв¬
но нарастающему (монотонному) отклику.
Для определения вершины отклика за критерии ошибки прини¬
мается спад 2 в момент t = Т, Как уже упоминалось, временная ха¬
рактеристика строго зависит от частотных характеристик. И поэтому
максимально линейной фазовой характеристике, а также плавно
спадающей амплитудной характеристике соответствуют монотонный
характер фронта (/< 1%) и относительно большее время нараста¬
ния. В свою очередь максимально гладкой амплитудной характе¬
ристике, достаточно быстро спадающей за пределами полосы пропус¬
кания, соответствует отклик с небольшими амплитудами выбросов
и относительно малым временем нарастания. Спад отклика зависит
от нижней граничной частоты усилителя. Чем эта частота меньше,
тем меньше спад. В принципе не существует простых зависимостей
между частотными и импульсными параметрами усилителя. Однако
на практике можно пользоваться зависимостью, которая связывает
время нарастания тн и верхнюю граничную частоту /в. Оказывается,
что Произведение тн/в есть величина постоянная и примерно равная
0,4. Из этой зависимости следует, что время нарастания единичного
отклика тем меньше, чем выше верхняя граничная частота усилителя.
На чем основана компенсация усилителя?
Широкополосные резистивные усилители характеризуются та¬
кой амплитудной характеристикой в некотором диапазоне частот,
которого из-за коэффициента усиления усилителя в ряде применений
может оказаться недостаточно. Поэтому имеется необходимость в уве¬
личении площади усиления путем расширения его полосы. Этот ме¬
тод основан на компенсации падения коэффициента усиления в ди¬
апазоне высоких и низких частот с помощью соответственно вклю¬
ченных пассивных цепей. Благодаря этим цепям сопротивление на¬
грузки усилителя в диапазоне частот, в котором происходит умень¬
шение усиления, увеличивается, в связи с чем происходит выравни¬
вание усиления.
Каковы цепи компенсации усилителя
в диапазоне высоких частот?
Схемы компенсации усилителя в диапазоне высоких частот де¬
лятся на двух- и четырехполюсниковые схемы компенсации в зависи¬
мости от того, являются ли межкаскадные компенсирующие цепоч¬
ки двух- или четырехполюсниковыми.
Простейшая схема двухполюсниковой компенсации с помощью
параллельной индуктивности показана на рис. 7.12. Индуктивность
подобрана таким образом, что вместе с полной выходной емкостью
каскада образует параллельный резонансный контур на частоте,
при которой амплитудная характеристика начинает заметно спадать.
В зависимости от добротности резонансного контура получают плос¬
кую или возрастающую (приподнятую) в определенном диапазоне
164
частот амплитудную характеристику. На рис. 7.13 представлено се¬
мейство характеристик усилителя со схемой двухполюсниковой ком¬
пенсации для разных значений добротности Q. Можно показать, что
максимально плоская амплитудная характеристика получается при
Q — 0,414. Произведение коэффициента усиления на ширину поло¬
сы пропускания составляет при этом 1,73 значения аналогичного
I)
О- 1 ■ 1 » -о
Рис. 7.12. Ламповый (п) н транзисторный (С) усилители
с дпу хполюсинкопой компенсацией параллельной индук¬
тивное! ыо
°)
произведения для усилителя без компенсации. Это означает, что
при заданном усилении компенсация позволяет на 73% увеличить
ширину полосы пропускания усилителя. Теоретический предел воз¬
можности расширения полосы с помощью более сложных схем двух¬
полюсниковой компенсации равно 2. Временные характеристики
усилителя с двухполюсниковой компенсацией демонстрируют мень¬
шее время нарастания но начиная с Q — 0,25, появляются выбро-
Рис. 7.13. Амплитудные характери¬
стики усилителя с компенсацией
параллельной индуктивностью
сы (колебания), возрастающие
с увеличением добротности.
Четырехполюсниковая компен¬
сация состоит во включении меж¬
ду выходом данного усилительного каскада и входом последующего
соответствующим образом рассчитанного корректирующего четырех¬
полюсника. В схемах этого типа корректирующий четырехполюсник
отделяет выходную емкость данного каскада от входной емкости пос¬
ледующего, благодаря чему площадь усиления может быть больше,
чем в усилителях с двухполюсниковой коррекцией, поскольку ком¬
пенсация касается меньших емкостей. Теоретический предел роста
произведения GB для четырехполюсниковон компенсации по сравне¬
нию с произведением GB усилителя без компенсации составляет 4.
165
К недостаткам четырехполюсниковой компенсации относятся за*
висимость частотных и временных характеристик от соотношения
входной и выходной емкостей усилителя, а также худшие импульс¬
ные свойства в результате того, что предельный фазовый сдвиг боль¬
ше, чем в усилителях с двухполюсниковой компенсацией.
На рис. 7.14 представлена простейшая схема чстырехполюснико-
вой компенсации с помощью последовательной индуктивности. Ин¬
дуктивность разделяет емкости Са и Сс, в результате чего образуется
фильтр нижних частот, корректирующий характеристику.
Ламповый вариант схемы приведен сознательно, поскольку в
транзисторных схемах выходная емкость намного меньше входной и
разделение емкостей согласующим четырехполюсником на практике
не дает преимуществ. В ламповых схемах четыре.хполюсниковая ком¬
пенсация является эффективной, поскольку Са и Сс — обычно од¬
ного порядка (Са ~ 1/2 Сс).
Например, если отношение емкости Сс к полной Са + Сс со¬
ставляет 0,75, добротность Q — 0,67, то увеличение произведения
GB составляет 2, время нарастания т,, • - 1,1/? (С., } Сс), а
амплитуда первого выброса I = 8,1%.
Какова схема компенсации усилителя
в диапазоне низких частот?
Амплитудная характеристика в диапазоне низких частот может
быть расширена путем включения последовательно с нагрузкой ре¬
зистора Rx и конденсатора C.v (рис. 7.15). В диапазоне средних и
высоких частот реактивное сопротивление конденсатора Сх настоль¬
ко мало, что практически замыкает
резистор Rx на этих частотах и
приводит к тому, что эффективное
сопротивление нагрузки равно Rt.
В диапазоне низких частот шун¬
тирующим влиянием емкости Сх
можно пренебречь. В этом случае
эффективное сопротивление увели¬
чивается до /?х + Rx. Увеличение
сопротивления нагрузки вызывает
увеличение усиления каскада и,
следовательно, при соответственно
подобранных Rx и Сх компенсацию
падения усиления, вызванного влия¬
нием делителя, состоящего из кон¬
денсатора связи н входного сопро¬
тивления /?пх.
Временная характеристика скомпенсированного усилителя в
диапазоне низких частот имеет меньший спад, чем временная харак¬
теристика нескомпенсированного усилителя.
Рис. 7.15. Схема компенса¬
ции в диапазоне низких ча¬
стот
Что такое усилитель постоянного тока?
Усилителем постоянного тока называется усилитель, предназна¬
ченный для усиления медленно изменяющихся колебаний с постоян¬
ной составляющей. Амплитудная характеристика такого усилителя
в диапазоне низких частот охватывает также «частоту» / 0 Гц. Ог¬
166
раничение амплитудной характеристики в диапазоне высоких частот
происходит по тем же причинам, что и в усилителе с емкостной свя¬
зью.
Характерной чертой усилителей постоянного тока является от¬
сутствие в них каких-либо реактивных элементов связи (конденсато¬
ров, трансформаторов). Отдельные каскады связаны непосредствен¬
но: анод или коллектор данного каскада соединен с сеткой или базой
последующего каскада. Отсюда усилители постоянного тока часто
называются усилителями с непосредственной связью.
Проблемой, неразрывно связанной с этим типом усилителя, яв¬
ляется проблема устойчивости. Каждое изменение в результате не¬
стабильности рабочей точки ламп или транзисторов (дрейфа), фона,
вызванного неидеалыюй фильтрацией напряжения питания, или
эффекта старения элементов не может быть выделено из полезного
сигнала и появляется на выходе в виде сигнала помехи. В случае
транзисторов еще добавляется температурная чувствительность
транзистора. В связи с проблемой стабильности наиболее подходя¬
щими схемными решениями усилителей с непосредственной связью
являются те, в которых содержатся схемы компенсации, как следую¬
щие из самой конфигурации схемы, так и основанные на использова¬
нии в качестве компенсирующих элементов транзисторов и диодов.
Кроме того, непосредственная связь в усилителях постоянного
тока создает ряд трудностей, связанных с питанием отдельных кас¬
кадов.
Какова схема наиболее простого усилителя
постоянного тока?
Простейшая схема транзисторного усилителя постоянного тока
представлена на рис. 7.16, а. В первом каскаде используется обыч¬
ная цепь подачи смещения на базу. Цепями смещения каждого пос¬
ледующего каскада являются резистор нагрузки коллектора и
транзистор предыдущего каскада. Представленная схема является
несимметричной с присущим ей недостатком, заключающимся в
большом дрейфе тока. Стабилизация рабочих точек транзисторов
с помощью резисторов в цепях эмиттеров в этом случае не дает
результатов, поскольку отрицательная обратная связь одинаково
эффективно действует как на дрейф, так и на полезный сигнал,
и поэтому отношение сигнала к дрейфу не улучшается. В этой
ситуации проблема уменьшения дрейфа может быть решена либо
стабилизацией напряжения питания, либо применением компен¬
сирующих схем, состоящих из диодов, термисторов или транзис¬
торов с соответствующим образом подобранными электрическими и
температурными характеристиками. Этн схемы изменяют рабочую
точку таким способом, что происходит компенсация изменений вы¬
ходного сигнала. В качестве примера на рис. 7.16, б показан усили¬
тель постоянного тока со схемой компенсации дрейфа (Дх, $1, Rz.
R3), использующей полупроводниковый диод. Эта схема, как и лю¬
бая компенсационная схема, требует тщательного подбора элемен¬
тов и чувствительна ко всяким изменениям их параметров.
Непростой задачей (особенно при большом количестве каска¬
дов) является подбор соответствующих сопротивлений резисторов
в цепях коллектора и эмиттера в схеме на рис. 7.16, а, которые бы
устанавливали смещение базы, обеспечивающее работу схемы на ли¬
нейном участке характеристик транзисторов. Поэтому применяется
167
также схема с кремниевыми диодами, включенными в цепи эмиттера
транзисторов (рис. 7.16, <?). Резисторы, включенные между коллек¬
тором данного каскада и базой следующего, ограничивают ток базы.
а)
Рис. 7.16. Транзисторный усилитель постоянного тока с непосредст¬
венной связью (а), с диодной компенсацией дрейфа (б) и кремние¬
выми диодами в цепи питания транзисторов (в)
Что такое усилитель постоянного тока
с противоположной симметрией?
Противоположная симметрия, называемая также комплементар¬
ной, допускает каскадное соединение многих транзисторных каска¬
дов усилителей постоянного тока при использовании источника низ¬
кого напряжения. Понятие противоположной симметрии связано
исключительно с транзисторами и нс имеет аналога в ламповых схе¬
мах. Симметрия такого типа основана на использовании двух тран¬
зисторов, из которых первый являетеи типа р-п-р, а второй — ти¬
па п-р-п или наоборот.
Схема такого усилителя на транзисторах показана на рис. 7 17.
Транзистор Т1 типа п-р-п. Поскольку напряжение базы транзистора
168
Тх составляет 4 В, а напряжение эмиттера этого транзистора равно
3,3 В, база имеет по отношению к эмиттеру положительное смещение
0,7 В, т. е. такое, каким характеризуются кремниевые транзисторы
типа п-р-п. Коллектор с напряжением 12 В непосредственно связан
с базой транзистора Т2. Напря¬
жение эмиттера этого транзисто¬
ра составляет 12,7 В, что обес¬
печивает отрицательное смещение
базы относительно эмиттера в
кремниевом транзисторе Тг типа
р-п-р. Напряжение коллектора
этого транзистора составляет
1,8 В, т. е. является менее по¬
ложительным, чем напряжение
эмиттера, а это означает, что
коллектор смещен отрицательно
относительно эмиттера. Путем
соответствующего подбора сопро¬
тивлений резисторов можно по¬
лучить равенство постоянных
напряжений в выходной и вход¬
ной цепях.
Достоинством схемы, основывающимся на противоположности
характеристик обоих транзисторов, является малая чувствитель¬
ность к изменениям температуры и параметров транзисторов.
Что такое усилитель с преобразованием
и каков принцип его работы?
Как уже известно, в усилителях постоянного тока с непосред¬
ственной связью возникают трудности, связанные с дрейфом, неста¬
бильностью усиления и условиями питания. Дрейф усилителя начи¬
нает приобретать принципиальное значение при усилении малых сиг¬
налов.
Методом, позволяющим избежать указанных трудностей, явля¬
ется использование усилителя с преобразованием. Принцип дейст¬
вие. 7.17. Усилитель посто¬
янного тока на комплемен¬
тарных транзисторах
Рис. 7.18. Структурная схема усилителя с преобразованием
вия такого усилителя состоит в преобразовании входного сигнала
постоянного или медленно изменяющегося тока в переменный сиг¬
нал, усилении его в обычном усилителе переменного тока, а затем в
преобразовании его снова в сигнал постоянного или медленно меня¬
ющегося тока'.
Структурная схема усилителя с преобразованием представлена
на рис. 7.18.
Входной (модулятор) и выходной (демодулятор) преобразователи
поочередно выполняют преобразование постоянного напряжения в
переменное и переменное в постоянное. Входным преобразователем
169
обычно является механический вибратор, транзисторный ключ или
транзисторная схема, работающая в двух крайних состояниях про¬
пускания и нспропускания. Транзисторная ключевая схема обычно
возбуждается (управляется) от независимого источника переменного
тока, например мультивибратора, работающего с частотой 400 —
1000 Гц. Выходным преобразователем является детектирующая
схема.
Как работает усилитель с трансформаторной
связью?
Лампа или
транзистор
Выход
Усилитель с трансформаторной связью называется также транс¬
форматорным усилителем. Его схема показана на рис. 7.19. Усили¬
тельный элемент — лампа или транзистор, а трансформатор — эле¬
мент связи каскада усиления с последующим каскадом либо нагруз¬
кой. Первичная обмотка трансфор¬
матора включена между зажимом
источника питания и анодом или
коллектором. Вторичная обмотка
подает сигнал на сетку или базу сле¬
дующего каскада или прямо в на¬
грузку, например громкоговоритель.
0 ^ Трансформатор, как известно, не
-L пропускает постоянный ток из пер¬
вичной обмотки во вторичную, по¬
этому он выполняет функции эле¬
мента, разделяющего постоянные
напряжения, действующие на элект¬
родах ламп или транзисторов, вклю¬
ченных каскадно, аналогично кон¬
денсатору связи в резистивио-емкостном усилителе. Из-за того
что обмотки трансформатора имеют очень малое сопротивление,
постоянное напряжение на аноде или коллекторе практически
равно напряжению питания.
В трансформаторном усилителе переменный ток, протекающий в
первичной обмотке трансформатора, наводит ЭДС во вторичной об¬
мотке. Это напряжение служит для возбуждения последующего кас¬
када или нагрузки (чаще всего громкоговорителя).
Рис. 7.19. Принципиальная
схема трансформаторного
усилителя
Каковы достоинства трансформаторной связи?
Достоинствами трансформаторной связи являются: удобные ус¬
ловия питания и стабилизации рабочей точки из-за малого сопротив¬
ления обмоток для постоянной составляющей; возможность транс¬
формации сопротивления, в результате чего достигается увеличение
коэффициента усиления; возможность симметрирования несиммет¬
ричной схемы или наоборот.
Одним из основных параметров трансформатора является коэф¬
фициент передачи, определяемый как отношение числа витков вто¬
ричной обмотки п2 к числу витков первичной nt,
р = пг!пх.
В идеальном трансформаторе (рис. 7.20, а), в котором энергия пере¬
дается без потерь, коэффициент передачи напряжения равен коэффи¬
циенту трансформации
р = игшх.
170
Из закона сохранения энергии следует, что полная мощность в пер¬
вичном цепи должна Сыть равна полной мощности во вторичной, и
поэтому коэффициент передачи тока равен обратной величине коэф¬
фициента передачи напряжения
Р = /1//2.
На основе приведенных зависимостей можно легко показать, что ко¬
эффициент передачи сопротивлении равен квадрату коэффициента
трансформации (передачи)
ZJZX = р2.
или коэффициент трансформации равен корню квадратному из коэф¬
фициента передачи сопротивлении.
Последняя зависимость позволяет трактовать трансформатор
не только как устройство для трансформации напряжения и тока,
S)
h
Щ Uh
-О-»—1
но и как устройство для трансформации сопротивлений. Этим свой¬
ством трансформатора пользуются в том случае, когда необходимо
согласовать сопротивления нагрузки и источника для создания оп¬
тимальных условий передачи мощности в цепи. Если, например, ис¬
точник с внутренним сопротивлением 100 Ом должен передавать
мощность в нагрузку с сопротивлением 1G Ом, достаточно исполь¬
зовать понижающий трансформатор с коэффициентом передачи
р -- У16/100 - У176725 -= 1:2,5.
Трансформатор позволяет также перейти от несимметричной схе¬
мы к симметричной и наоборот. Несимметричной называется схема,
в которой один зажим генератора и нагрузки соединен с массой схе¬
мы, а второй имеет потенциал выше или ниже.
Все рассматриваемые до сих пор усилители были несимметрич¬
ными, поскольку из-за источника сигнала один конец нагрузки был
всегда соединен с массой.
Часто возникает необходимость создания симметричного источ¬
ника, т. с. разделенного иа две части, на которых действуют одина¬
ковые по значению относительно малые напряжения, но противопо¬
ложной полярности.
Симметричная относительно массы схема имеет три провода.
Средний (нулевой) провод имеет потенциал массы. Остальные два
провода имеют определенный потенциал относительно массы, причем
когда на одном из них действует положительный мгновенный потен¬
циал, то на другом — отрицательный.
Идеальным симметрирующим устройством является трансфор¬
матор (рис. 7.20, б). Для перехода на симметричную схему достаточ¬
но к несимметричному источнику подключить трансформатор со вто¬
ричной обмоткой, разделенной на две равные части. При соединении
с массой, выведенной наружу трансформатора средней точки обмот¬
ки, получаем симметричный источник.
а)
Рис. 7.20
форматор
тор как
схема (6)
Идеальный траис-
(а) и трачсформа-
симметрнрующп я
а
171
Какие недостатки у трансформаторной связи?
Недостатками трансформаторной связи являются: увеличение сто¬
имости и габаритных размеров схемы, ухудшение частотной характе¬
ристики, возможность возникновения дополнительных нелинейных
искажений из-за нелинейности самого трансформатора.
Первый недостаток не требует подробных комментариев. Транс¬
форматор, выполненный, как правило, на сердечнике из магнитного
материала и содержащий часто несколько сотен витков, является
устройством, занимающим значительно больший объем, чем объем
элементов, входящих, например, в состав транзисторного усилите¬
ля. Его стоимость значительно больше стоимости конденсатора свя¬
зи.
Вид частотной характеристики усилителя, в котором использу¬
ется трансформаторная связь, в основном зависит от частотной харяк-
Рис. 7.21. Амплитудная характе¬
ристика трансформатора:
/ — плоская; 2 — с выбросом
вблизи резонансной частоты
теристики трансформатора. Трансформатор можно рассматривать
как четырехполюсник, состоящий из нескольких индуктивностей
(индуктивности первичной обмотки и индуктивности рассеяния),
емкостей (емкости обмоток и межвитковые емкости) и сопротивле¬
ний (сопротивления обмоток). Вид частотной характеристики такого
четырехполюсника зависит от параметров составляющих его эле¬
ментов, а те в свою очередь от конструкций и исполнения транс¬
форматора. Не вникая в детали, можно утверждать, что в диапазоне
низких частот принципиальное значение имеет индуктивность пер¬
вичной обмотки. Чем меньше требуемая нижняя граничная частота,
тем большей она должна быть.
В трансформаторе, используемом в усилителе звуковых частот,
индуктивность часто превышает 100 Ги. В диапазоне высоких частот
верхняя граничная частота ограничивается индуктивностями рас¬
сеяния, которые должны быть как можно меньше. Они образуют по¬
следовательный резонансный контур, который при благоприятных
условиях (высокая добротность Q трансформатора) может вызвать
подъем амплитудной характеристики А вблизи резонансной частоты
(рис. 7.21). Если принять во внимание требование малых габарит¬
ных размеров трансформатора, то получение широкой и плоской ам¬
плитудной характеристики является не простым д лом.
Дополнительным затруднением в правильном изготовлении
трансформатора является тот фактор, что через его первичную об¬
мотку протекает постоянный ток (анода или коллектора), приводя¬
щий к насыщению сердечника. Трансформатор должен работать
вдали от точки насыщения. Если насыщение сердечника возникает до
появления пика усиливаемого сигнала, наложенного на постоянную
составляющую, появляются нелинейные искажения. Это очень су¬
щественная проблема, особенно в усилителях больших сигналов.
172
Когда используется трансформаторная связь?
Из-за высокой стоимости трансформатора и связанных с этим
недостатков трансформаторная связь используется редко. Чаще все¬
го этот вид связи применяют в выходных мощных каскадах как лам¬
повых, так и транзисторных, в которых используется возможность
согласования малого сопротивления, например, громкоговорителя
с оптимальным сопротивлением нагрузки активного элемента. Гром¬
коговоритель сознательно указан в качестве примера оконечной на¬
грузки усилителя, поскольку чаще всего трансформаторную связь
применяют в усилителях звуковых частот. Именно в этих усилите¬
лях трансформаторы также используют в качестве симметрирую¬
щих схем для возбуждения балансных (противотактных) усилителен
мощности. В промежуточных каскадах ламповых и транзисторных
усилителей трансформаторную связь применяют крайне редко, так
как выигрыш в усилении и согласовании не компенсирует недостат¬
ков трансформатора.
Иногда трансформаторная связь применяют в импульсных уси¬
лителях. Трансформатор с минимальными индуктивностями и ем¬
костями рассеяния в этом случае проектируют исходя из получения
оптимальных параметров без учета связанных с этим расходов.
Какими параметрами характеризуется усилитель
мощности?
Задачей усилителя мощности является подведение к приемнику
энергии (нагрузки) определенной мощности переменного тока. Глав¬
ными параметрами, определяющими энергетические свойства усили¬
теля мощности', являются: полезная выходная мощность РВЬ1Х и мак¬
симальная выходная мощность в условиях полного возбуждения
усилителя; энергетический КПД г), определяемый как отношение
полезной выходной мощности к мощности, подводимой от источника
питания; уровень нелинейных искажений, характеризуемый содер¬
жанием гармоник /Сг выходного сигнала при синусоидальном вход¬
ном сигнале; частотная характеристика, определяемая нижней и
верхней граничными частотами, а также формой характеристики
внутри полосы (неравномерность усиления).
Первые три параметра взаимосвязаны и зависят прежде всего от
типа лампы или транзистора, используемой схемы и режима работы
усилителя.
Рассмотренные до сих пор усилительные схемы работали в клас¬
се А, т. е. рабочая точка находилась посередине рабочей характерис¬
тики. Можно сказать, что класс А характеризуется постоянным про¬
теканием анодного или коллекторного тока в такт с управляющим
сигналом. Поскольку полный период синусоидального возбуждаю¬
щего сигнала соответствует углу 360°, то угол отсечки анодного или
коллекторного тока 2 0 также равен 360°.
В усилителях мощности применяют и другие классы работы.
Класс АВ — рабочая точка находится в нижней части рабо¬
чей характеристики; угол отсечки удовлетворяет условию 180° <
< 20 < 360 .
Класс В рабочая точка находится на начальном участке рабочей
характеристики вблизи границы отсечки тока (28 = 180°).
Класс С характеризуется углом 2 0 < 180°, однако он находит
применение только в резонансных усилителях высокой частоты.
173
Ниже будут рассмотрены усилители мощности, которые нашли
широкое применение. Усилители мощности переменного тока низкой
частоты работают в полосе от нескольких десятков герц до 10—20 кГц.
Приемником мощности в усилителях этого типа является громкого¬
воритель. Усилители мощности работают в классах Л, АВ я В, при¬
чем два последних класса требуют использования балансных или
двухтактных схем.
Что такое несимметричный усилитель
мощности класса А?
На рис. 7.22 представлены схемы такого усилителя в ламповом
и транзисторном вариантах. Представляется, что они идентичны
усилителям напряжения, однако между ними имеются различия.
Принципиальное различие заключается в использовании активного
элемента большей мощности. В случае лампового усилителя мощно¬
сти лампа характеризуется большим анодным током, около несколь¬
ких десятков миллиампер, при большом анодном напряжении 200—
300 В. Рассеиваемая на аноде мощность составляет несколько
a) D
ватт, поэтому анод мощной лампы должен быть соответственно боль¬
шим. Аналогично транзистор в усилителе мощности характеризуется
большим, около нескольких ампер, током, протекающим через пере¬
ход коллектор — база.
Однако большой ток вызывает значительный разогрев области
перехода, что в случае недостаточного охлаждения транзистора при¬
водит к выходу последнего из строя. Поэтому для мощных транзис¬
торов необходимо применение специальных устройств для отвода теп¬
ла, т. е. радиаторов. Следующее отличие по сравнению с усилителя¬
ми напряжения заключается в значительно меньшем сопротивлении
катодного или эмиттерного резистора в усилителе мощности, что
непосредственно вытекает из больших значений катодного и эмиттер¬
ного токов.
В представленных на рис. 7.22 схемах нагрузка усилителя через
трансформатор связана с анодом или коллектором. Трансформатор
согласует малое сопротивление нагрузки (около нескольких ом) с
оптимальным сопротивлением нагрузки для активного элемента.
В ламповых схемах выбор оптимального нагрузочного сопротивле¬
174,
ния диктуется стремлением получить как можно большую выходную
мощность при допустимых искажениях. При максимальной выход¬
ной мощности, достигаемой в усилителях класса А (теоретический
КПД составляет 50%), искажения относительно велики. Поэтому
на практике они не используются.
В триодных усилителях оптимальное с точки зрения мощности
нагрузочное сопротивление в 2 раза больше внутреннего сопротив¬
ления триода. При таком сопротивлении нагрузки КПД триодного
усилителя класса А далеко от максимального и на практике составля¬
ет примерно 15—25%. Если учитывать еще малый коэффициент уси¬
ления триода, то становится очевидным, что его энергетические
свойства не являются выгодными. В связи с этим применение трио¬
дов в усилителях мощности ограничивается схемами очень большой
мощности, в которых пентоды не могут быть использованы.
В пентодных усилителях оптимальное нагрузочное сопротивле¬
ние составляет от V4 до V8 внутреннего сопротивления и близко по
значению к нагрузочному сопротивлению, при котором имеет место
минимум нелинейных искажений. Коэффициент полезного действия
пентодного усилителя больше, чем триодного, и составляет обычно
30—40%.
В случае транзисторного усилителя проблема нелинейных ис¬
кажений более сложна, поскольку искажения зависят как от выход¬
ных, так и от входных характеристик транзистора. Существует оп¬
тимальное сопротивление источника, несколько меньшее среднего
выходного сопротивления транзистора в схеме с ОЭ, при котором
искажения минимальны. Нагрузочное сопротивление подбирают ис¬
ходя в основном из максимальной мощности. С учетом характерных
для мощных транзисторов малых напряжений и больших токов на¬
грузочные сопротивления малы, единицы или десятки ом, что обес¬
печивает выгодные условия совместной работы, например с громко¬
говорителем с малым сопротивлением.
На практике транзисторные усилители мощности класса А ис¬
пользуются не часто, несмотря на то, что их КПД близок к теоре¬
тическому и составляет 45—50%. Это следует из тенденции к макси¬
мальному использованию располагаемой мощности транзистора и
усилителя. Частотные характеристики трансформаторных усилите¬
лей мощности зависят главным образом от параметров трансформа¬
тора.
Как работает двухтактный усилитель?
Принципиальная схема двухтактного усилителя, называемого
также балансным усилителем, представлена на рис. 7.23. Для пра¬
вильной работы схемы напряжения, возбуждающие оба транзистора,
должны иметь одинаковые амплитуды и противоположные базы.
С учетом того что источники сигналов в общем несимметричны, име¬
ется необходимость в применении симметрирующей схемы. Простой
однако ие единственной цепью этого типа является трансформатор,
в котором вывод средней точки вторичной обмотки соединен с массой.
Благодаря такому соединению потенциал этой точки относительно
массы равен 0 В. Теперь, если мгновенная полярность сигнала на
верхнем зажиме вторичной обмотки положительна, на иижнем
зажиме она отрицательна и наоборот. В соответствии с этим, если
напряжение их положительно, смещение в проводящем направле¬
нии транзистора Тх уменьшается и убывает его коллекторный ток,
т. е. напряжение на коллекторе понижается. В этом же самое время
напряжение iu является отрицательным и увеличивает смещение в
проводящем направлении транзистора Т2, в результате чего его кол¬
лекторный ток увеличивается и напряжение на коллекторе также
возрастает. Кроме того, если мгновенное напряжение иа коллекторе
транзистора Тх минимально, то на коллекторе транзистора Т2 оно
максимально. Это также означает, что средний вывод выходного
трансформатора имеет отрицательный потенциал относительно кол¬
лектора транзистора Т3 и положительный по отношению к коллек¬
тору транзистора Тх. Поэтому напряжения, действующие на каж-
Рис. 7.23. Принципиальная схема двухтактного
усилителя
дой половине первичной обмотки выходного трансформатора, нахо¬
дятся в фазе, суммируются друг с другом и создают переменное на¬
пряжение, значение которого в 2 раза больше, чем в случае одного
транзистора.
В условиях правильного согласования схемы с нагрузкой мощ¬
ность, выделяемая в нагрузке, также в 2 раза больше.
Какие преимущества имеет двухтактный
усилитель?
Хотя усилитель, созданный из двух включенных параллельно
транзисторов, отдает в 2 раза большую мощность, чем усилитель на
одном транзисторе, он все же не обладает многими преимуществами
двухтактной схемы.
Одним из преимуществ, являющихся следствием распределения
токов, является уничтожение постоянных составляющих в выходном
трансформаторе. Это имеет важное практическое значение, посколь¬
ку отсутствие постоянной составляющей, насыщающей сердечник
трансформатора, в значительной степени упрощает его конструкцию,
а искажения, которые могли бы возникнуть в трансформаторе из-за
протекания постоянной составляющей, исключаются.
Из анализа нелинейных искажений, вносимых двухтактной схе¬
мой, следует, что четные гармоники (вторая, четвертая и следующие,
176
кратные частоте возбуждающего сигнала) вычитаются иа выходе, и,
следовательно, суммарные потери будут меньше. Отсюда следует,
что при том же самом возбуждении, что и в однотактном усилителе,
и при тех же самых заданных искажениях можно получить в 2 раза
большую мощность по сравнению с мощностью однотактиого усили¬
теля.
В цепи питания двухтактной схемы вычитаются основная сос¬
тавляющая и нечетные гармоники возбуждающего сигнала. Благо¬
даря этому в схеме не возникают паразитные обратные связи в цепи
питания, а, кроме того, пульсации из источника питания не прони¬
кают на выход усилителя.
Очень важным преимуществом двухтактных усилителей являет¬
ся возможность их работы не только в режиме класса А, но также и в
режиме класса В или АВ. В усилителе класса В транзистор Т2 (рис.
7.23) усиливает только первую половину периода входного напряже¬
ния и заперт во время длительности второго, положительного полу-
периода. Но именно в этот момент сигнал на базе транзистора 7\
отрицателен и усиливается транзистором. Оба усиленных колеба¬
ния суммируются в выходном трансформаторе, в результате чего
образуется колебание той же самой формы, что и на входе усили¬
теля. Из-за того что в двухтактных усилителях класса В рабочие точ¬
ки обоих транзисторов лежат вблизи области отсечки тока, мощ¬
ность питания, а также мощность, рассеиваемая в усилительных
элементах в отсутствие возбуждающего сигнала, являются очень
малыми. Принимая во внимание возможность полного использования
(возбуждения) транзистора, легко сделать вывод, что КПД усилителя
этого типа очень высок. Теоретически он составляет 78% , на практи¬
ке в транзисторных схемах достигает примерно 75% .
Может ли двухтактная схема работать без выходного
трансформатора?
Да, если выходное сопротивление близко к оптимальному. При
соответствующей конструкции схемы усилителя можно исключить
выходной трансформатор. Благодаря этому значительно снизятся
стоимость и габаритные размеры устройства, улучшится его частот¬
ная характеристика и уменьшатся нелинейные искажения.
Бестрансформаторные схемы чаще всего используют в транзис¬
торных усилителях, исходя из более выгодных условий совместной
работы транзисторов с малыми нагрузочными сопротивлениями. Бес¬
трансформаторные усилители на лампах труднее реализовать из-за
необходимости использования значительно больших сопротивлений
нагрузки (несколько сотен ом или даже килоом).
Сначала рассмотрим ламповую бестрансформаторную схему,
представленную иа рис. 7.24. Обе лампы, включенные последова¬
тельно, питаются анодным напряжением, в 2 раза большим, чем на¬
пряжение, требуемое для одной лампы. Нагрузка связана с лампа¬
ми посредством конденсатора связи С. Для обеспечения нужной ха¬
рактеристики усилителя в диапазоне низких частот его емкость вы¬
бирается большой. При симметричном возбуждении обеих ламп схе¬
ма работает, как двухтактный усилитель. Возбуждающие напряже¬
ния сдвинуты по фазе на 180°. Их можно получить, используя вход¬
ной трансформатор с симметричными, но изолированными друг от
друга вторичными обмотками. В обсуждаемой схеме для инверсии
(переворота) фазы входного сигнала используется нижняя лампа.
177
Сигнал на резисторе RK имеет противоположную фазу относитель¬
но входного сигнала, однако, благодаря соответствующему подбо¬
ру сопротивления, одинаковую амплитуду. Этот сигнал управляет
верхней лампой двухтактного усилителя.
Рис. 7.24. Бсстрансформатор-
ньп1 двухтактный ламповый
усилитель
Рис. 7.25. Бсстраисформатор-
ный двухтактный усилитель
при емкостной связи с на¬
грузкой
Бестрансформаторные транзисторные усилители чаще всего ра¬
ботают в режиме класса В. Из-за отсутствия выходного трансфор¬
матора напряжение на коллекторе непроводящего транзистора не
увеличивается, в связи с
пряжение. Это приводит
н==Ч
чем может быть увеличено питающее на-
к лучшему использованию транзисторов
по напряжению и в результате к боль¬
шей выходной мощности. Что касается
способа управления, то чаще всего при¬
меняют трансформаторную или непо¬
средственную связь.
Примером бестрансформаторного
(со стороны нагрузки) транзисторного
двухтактного усилителя с емкостной
связью с нагрузкой является схема,
представленная на рис. 7.25. Принцип
работы этой схемы очень похож на прин¬
цип работы ранее рассмотренной. Раз¬
ница заключается в использовании
входного трансформатора с двумя неза¬
висимыми обмотками, обеспечивающими
сдвинутые по фазе возбуждающие на¬
пряжения.
Значительное упрощение условий возбуждения достигается
при использовании в двухтактном усилителе мощности тран¬
зисторов р-п-р и п-р-п (рис. 7.26). В схеме такого типа симмет¬
ричное возбуждение является излишним из-за противоречивых
свойств транзисторов. Управляющий сигнал, поданный на базу од¬
173
Рис 7.26. Двухтактная схема
с комплементарными транзи¬
сторами
ного транзистора, возбуждает его таким образом, что он будет про*
водить в то время, когда другой транзистор будет заперт. Поэтому
работа в режиме класса В осуществляется без входного трансформа¬
тора. Недостатком схем этого типа является трудность получения
достаточно высокой степени симметрии дополнительных транзисто¬
ров, что может быть причиной появления больших нелинейных ис¬
кажений.
Что такое симметрирующий усилитель?
Как уже известно, для возбуждения двухтактного усилителя не¬
обходимы два симметричных напряжения, сдвинутых на 180° по фа¬
зе относительно друг друга. Схема, обеспечивающая такие напряже¬
ния, называется симметрирующей схемой, фазовращателем или ин¬
вертором фазы. Наиболее простым, однако достаточно дорогим спо¬
собом получения симметричного сигнала является применение
трансформатора с разделенной вторичной обмоткой. Имеются, одна¬
ко, симметрирующие усилители, которые выполняют роль симметри¬
ям. 7.27. Диухкаскадный симметрирующий транзисторный усилитель (а) и
симметрирующая схема с разделенной нагрузкой (б)
рующего трансформатора. В симметрирующих усилителях исполь¬
зуется свойство переворачивания фазы сигнала в катодной или
эмиттерной цепи усилительного каскада.
Простейшей симметрирующей схемой является двухкаскадный
усилитель (рис. 7.27, а). Оба транзистора работают по схеме с ОЭ.
Сигнал с коллектора транзистора Т1г передается на выход 1 и одно¬
временно через делитель напряжения, образованного сопротивлени¬
ем R и входным сопротивлением RBx транзистора Т2, на базу тран¬
зистора Т2. На коллекторе этого транзистора появляется усилен¬
ное напряжение обратной полярности, которое поступает иа
выход 2. Условием равенства напряжений на выходах 1 и 2 явля¬
ется такое деление выходного напряжения транзистора Т1г при ко¬
тором транзистор Г2 возбуждается частью напряжения, равной обрат¬
ной величине коэффициента передачи этого транзистора. Недостат¬
ком схемы обычно является отсутствие симметрии во всем полезном
диапазоне частот, поскольку линейные искажения второго каскада
приводят к тому, что амплитудные характеристики на обоих выходах
неодинаковы
Другой симметрирующей схемой является схема с разделенной
нагрузкой (рис. 7.27, б), в которой используются одновременно два
выхода: из цепей коллектора и эмиттера. Переменное напряжение
на коллекторе сдвинуто по фазе на 180° по отношению к входному, а
переменное напряжение на эмиттере находится в фазе с входным.
Поскольку коллекторный и эмиттерный токи равны или почти рав¬
ны друг другу, напряжения на обоих выходах будут симметричны,
если сопротивления в выходных цепях будут равны или почти рав¬
ны друг другу. Точная симметрия достигается подбором одного из
резисторов в цепи коллектора или эмиттера. Характерной особен¬
ностью схемы являются неодинаковые внутренние сопротивления
на обоих выходах: большее на выходе / и меньшее на выходе 2.
Каким образом можно получить большое
входное сопротивление усилителя?
Входное сопротивление усилителя является одним из важней¬
ших параметров усилителя. Очень часто оказывается важным, что¬
бы входное сопротивление было максимально большим (высоким).
Условием большого входного сопротивления является большое со¬
противление и малая входная емкость усилительного каскада, а
также малое влияние входных цепей питания активного элемента.
РцС. 7.28. Катодный (а)
и эмиттерный (6) пов -
торитсли
Для ламповых усилителей с заземленным катодом входное со¬
противление определяется максимально допустимым сопротивлением
утечки сетки (составляющего максимально несколько мегом). Вход¬
ная емкость зависит от емкости между сеткой и катодом Сс. 1С, а так¬
же емкости, вносимой за счет эффекта Миллера и равной Са.с (1
+ Ки)- На практике минимальная входная емкость составляет от
единиц до 10—20 пФ. В большинстве случаев такое значение входно¬
го сопротивления вполне достаточно. В отдельных случаях, когда
требуется значительно большее входное сопротивление, на входе
усилителя можно использовать каскад с заземленным анодом или
катодный повторитель (рис. 7.28, а). Характерными чертами-такой
схемы являются: усиление по напряжению меньше единицы, малое
выходное сопротивление, а также очень большое входное сопротив¬
ление и малая входная емкость. На практике получают входное со
противление около десятков мегом, а емкость — нескольких пико¬
фарад.
180
В транзисторных схемах, кроме схем на полевых транзисторах,
характеризующихся высоким входным сопротивлением, получить
большое входное сопротивление значительно Труднее. Входное со¬
противление усилителя, работающего по схеме с ОЭ, не превышает
нескольких десятков килоом. Поэтому для получения больших
входных сопротивлений приходится использовать специальные схе¬
мы. Одной из них является аналог лампового катодного повторите¬
ля — эмиттерный повторитель (рис. 7.28, б). Входное сопротивление
эмиттерного повторителя выражается формулой ZB\ ~ /121зЯэ ,
из которой следует, что оно равно сопротивлению в цепи эмиттера,
умноженному на коэффициент передачи по току транзистора. Это не
означает, что входное сопротивление может достигать произвольно
a) S)
Рис. 7.29. Эквивалентная схема (rt) и эмиттернып повторитель
(б) схемы «супср-альфа»
большого значения за счет увеличения значения RМаксимальное
входное сопротивление не может превышать .сопротивления база —
коллектор, равного 1/Й22Б. Кроме того, делитель в цепи смещения
базы, вносящий на вход сопротивление Rc~ R1R2KR1 + Дг)> также
уменьшает эффективное входное сопротивление повторителя.
Одним из эффективных методов увеличения входного сопротив¬
ления эмиттерного повторителя является увеличение коэффициента
передачи транзистора по току /121Э. В транзисторных схемах благода¬
ря токовому характеру возбуждения (управления) транзистора
это оказывается возможным в схеме «супер-альфа», называемой так¬
же схемой Дарлингтона. В этой схеме (рис. 7.29) ток эмиттера пер¬
вого транзистора управляет базой второго транзистора, в связи с чем
результирующий коэффициент передачи тока /121Э равен произве¬
дению /121Э/121Э отдельных -транзисторов: /г21 з = Л21 зЛ21 э. Для боль¬
шего числа транзисторов, работающих в схеме Дарлингтона, /121 э~
= li213/1213^213... На рис. 7.29 представлен эмиттерный повтори¬
тель, собранный по подобной схеме. В соответствии с предыдущими
рассуждениями его входное сопротивление выражается следующей
формулой:
^вх ~^213 ^2) Э 1 К-
181
Что такое дифференциальный усилитель?
Дифференциальный усилитель — это усилитель на двух тран¬
зисторах с эмиттерной связью, позволяющей использовать в любых
комбинациях несимметричные или симметричные вход и выход.
Принципиальная схема дифференциального усилителя, в кото¬
ром выходное напряжение равно разности двух входных сигналов,
показано на рис. 7.30. На базы обоих транзисторов несимметрич¬
но подаются два напряжения ип и ц12. Выходное напряжение и2
представляет собой разность потенциалов, действующих на коллек¬
торах транзисторов. Это напряжение симметрично. Дифференциаль-
а) 5)
Рис. 7.30. Дифференциальный усилитсяь с двумя входе ми и
симметричным выходом:
и припципиальим)! схеме; 0 — схемн с дополнительными ммнт-
терпычн ре.шсторамп R-л
ный усилитель используется для усиления только разности входных
напряжений, а не самих входных напряжений.
Коэффициент усиления схемы, определяемый как отношение на¬
пряжения и2 к разности м12 — t/u, выражается, при допущении
идентичности транзисторов, следующей формулой:
Ки ~
Путем использования дополнительных эмиттерных резисторов Rn
можно уменьшить чувствительность усиления к разбросу значений
к\ 1 б. В этом случае
Кц ~ • ^н^пбН"Ян~ — Ryl
причем последнее приближение справедливо, если R3 Лив. Следу¬
ет подчеркнуть, что усиление схемы полностью не зависит от сопро¬
тивления резистора RF. Однако, с другой стороны, чем больше со¬
противление, тем лучше коэффициент редукции суммарного сигнала
на выходе схемы. В противоположность дифференциальному (раз¬
ностному) сигналу суммарный сигнал является паразитным сигналом,
зависящим от общей составляющей входного напряжения. Теоре¬
182
тически эта составляющая не появляется на выходе. В действитель¬
ности из-за внутренней несимметрни схемы дифференциального
усилителя составляющая существует. Для увеличения коэффициента
редукции суммарного сигнала следовало бы увеличивать сопротив¬
ление резистора RF. В реальных условиях это не всегда возможно.
Поэтому вместо резистора RF можно использовать дополнительный
S)
Рис. 7.31. Дифференциальные
усилители с питанием от ис¬
точника тока (а), с одним
асимметричным входом и с
симметричным выходом (б) и
с двумя входами и асимметрич¬
ным выходом (з)
транзистор в схеме идеального генератора тока или источника с бес¬
конечно большим внутренним сопротивлением (рис. 7.31,а). В этом
случае практическое сопротивление резистора RF равно выходно¬
му сопротивлению транзистора в схеме с ОБ
Rf ~1/Л22б.
Дифференциальный усилитель может также работать и в других
схемах управления по входам и отбора сигнала на выходе. На
рис. 6.31, б представлена схема с одним несимметричным входом и
симметричным выходом. Схема такого типа может быть использова-
183
иа в качестве симметрирующей схемы. Еще одна схема (рис. 7.31,в)
служит для преобразования симметричного входного сигнала в не¬
симметричный выходной сигнал. Эта схема характеризуется наличи¬
ем двух входов и одного несимметричного выхода.
Где применяют дифференциальные усилители?
Дифференциальные усилители нашли применение в технике ин¬
тегральных микросхем при создании многокаскадных усилительных
схем. Техника интегральных микросхем позволяет получать тран¬
зисторы и резисторы с очень хорошей воспроизводимостью. Благо¬
даря этому сохраняется симметрия дифференциальных усилителей,
являющаяся основой автоматической компенсации дрейфа, заклю¬
чающейся в вычитании дрейфов двух симметричных трактов усиле¬
ния. В этом случае проблема дрейфа имеет принципиальное значе¬
ние, поскольку в интегральных микросхемах обычно применяется
непосредственная связь последовательных каскадов дифференциаль¬
ных усилителей. Этот вид связи устраняет проблему пропускания
низких частот, связанную с конденсаторами связи. Использование
конденсаторов с большой емкостью, а следовательно, и с большими
геометрическими размерами свело бы на нет все преимущества ма¬
лых габаритных размеров интегральных микросхем.
В интегральных микросхемах вместо резисторов RF в эмиттер-
нон цепи дифференциальных усилителей, которые показаны в схемах
на рис. 7.30 и 7.31,6 н в, обычно используется третий транзистор,
как показано на рис. 7.31, а.
Кроме интегральных микросхем дифференциальные усилители
иа дискретных элементах нашли применение в качестве усилителен
постоянного тока и симметрирующих усилителей. Их также широко
используют в измерительных приборах для получения сигнала, про¬
порционального разности двух входных напряжений. Примером это¬
го может служить использование дифференциальной схемы на входе
современного осциллографа.
Что такое каскод?
Это усилитель, состоящий из двух ступеней, из которых пер¬
вая работает в схеме с ОК или ОЭ, а вторая — в схеме с ОС или ОБ.
На рис. 7.32 показаны два варианта каскодной схемы. Ламповый
(триодный) вариант каскода часто использовался во входных кас¬
кадах широкополосных усилителей из-за своих полезных свойств.
Нагрузкой первой ступени служит малое входное сопротивление
ступени с общей сеткой, что благоприятно влияет на стабильность
первой ступени.
Анализируя усиление этой схемы, можно прийти к выводу, что
оно зависит только от параметров первой лампы и сопротивления
нагрузки второй лампы Ки = $Zn. В общем случае можно утверж¬
дать, что каскод обладает усилительными достоинствами и стабиль¬
ностью пентода и шумовыми свойствами триода. Малые шумы схе¬
мы являются следствием того, что иа входе находится триод, харак- ■
авизующийся малым эквивалентным шумовым сопротивлением.
При большом значении крутизны S эквивалентное шумовое сопро¬
тивление может быть немного меньше, чем шумовое сопротивление
пентода с такой же крутизной.
В транзисторной схеме большая часть усиления по току связа¬
на с первым каскадом, а шумы этого каскада превышают шумы кае-
184
нала с ОБ. В результате этого в транзисторной схеме не наблюдают¬
ся выходные шумовые свойства, которыми характеризуется лампо¬
вый каскад. Именно поэтому каскодные схемы на транзисторах ис¬
пользуются относительно редко.
Рис. 7.32. Ламповая (а) и транзисторная каскодные схемы (б)
На чем основана регулировка усиления
и где она применяется?
Регулировка усиления является процессом, обеспечивающим
постоянные условия работы отдельных каскадов усилителя. Если
сигнал от источника, управляющего усилителем, велик, то сущест¬
вует возможность насыщения усилителя, причем это насыщение на¬
ступает в каскаде, в котором управляющий сигнал превышает мак¬
симально допустимый уровень возбуждения.
Регулировку усиления можно осуществить двумя способами: ли¬
бо изменением крутизны S активного элемента, либо использова¬
нием делителя для управляющего сигнала. Для осуществления
первого способа необходимы лампы или транзисторы с особыми
характеристиками, крутизна которых зависит от выбора рабочей
точки. Подавая на сетку или базу разное постоянное напряжение,
можно изменить крутизну характеристики, а следовательно, и ко¬
эффициент усиления усилителя. Такой метод регулировки обычно ис¬
пользуется в усилителях высокой частоты. Регулирующее напряже¬
ние вырабатывается схемой автоматической регулировки усиления
(АРУ). В усилителях звуковых частот и широкополосных обычно
применяют второй способ регулировки, основанный на делении уп¬
равляющего сигнала. Такой способ регулировки осуществляют бла¬
годаря применению ступенчатого делителя напряжения или перемен¬
ного резистора, расположенного в тракте усиления. Из-за шумов вы¬
бирается такая точка тракта, в которой уровень сигнала уже доста¬
точно велнк. В усилителях звуковых частот такой точкой является
обычно выход предусилителя напряжения, который возбуждает вы¬
ходной мощный каскад.
На рис. 7.33 представлена схема, поясняющая принцип регули¬
ровки усилении с помощью переменного резистора. Напряжение
Вход
Выход
Рас. 7.33. Потенциометр
как регулятор усилсиня
между движком переменного резистора
и массой является возбуждающим; оно
подводится к усилителю. Если дви¬
жок находится в верхнем положении,
то на сетке или базе транзистора уси¬
лителя действует полное входное на¬
пряжение. В нижнем положении движ¬
ка происходит его «соединение» с массой
схемы, в результате усилитель не уси¬
ливает.
Что такое развязывающая схема?
Все активные элементы многокаскадного усилителя обычно пита¬
ются от одного источника постоянного напряжения. Этот источник
обладает некоторым внутренним сопротивлением RaСх, которое, как
видно из рис. 7.34, а, включено последовательно с нагрузочными
Рис. 7.34 Двухкаскадный ЯС-усилитель без развязы¬
вающих (а) и с развязывающими (б) цепями
186
резисторами отдельных каскадов усилители. В связи с этим часть
усиленного сигнала каждого каскада появляется на внутреннем со¬
противлении источника. Это создает возможность взаимосвязи кас¬
кадов с большим уровнем сигнала с начальными каскадами усили¬
тельного тракта, в которых уровень сигнала меньше. При этом уси¬
литель может оказаться в неустойчивом режиме работы и даже
возбудиться. Возникновению такой ситуации препятствуют развя¬
зывающие схемы.
Типичная развязывающая схема представлена на рис. 7.34,6.
Это /?С-схема, в которой резистор /?0 включен последовательно с
резистором нагрузки усилителя, а емкость конденсатора С0 — между
этими двумя резисторами и массой схемы. Развязывающие резисто¬
ры разделяют друг от друга нагрузочные резисторы, а конденсато¬
ры эффективно шунтируют не только резистор R0, но и сопротивле¬
ние источника питания. Сопротивление резистора R0 составляет
обычно 10% нагрузочного сопротивления усилителя, а реактивное
сопротивление конденсатора С0 равно 0,1 R0 на самой низкой час¬
тоте, пропускаемой усилителем.
ГЛАВА 8
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ
Что такое обратная связь?
В общем, это связь в физических, биологических, экономических
и других системах, основанная на обратном воздействии результата
определенного явления па его причину. Явление обратной связи (ОС)
наблюдается в природе повсеместно (например, регулировка темпера¬
туры тела, давление крови) и является предметом исследований ки¬
бернетики.
На чем основана ОС в электронных схемах?
Обратная связь в электронных схемах основана на особом спо¬
собе возбуждения, при котором выходной сигнал схемы оказывает
обратное воздействие на ее входной сигнал. Иначе говоря, часть
выходного сигнала, называемая сигналом обратной связи, поступа¬
ет на вход схемы и суммируется с входным сигналом, в результате
чего условия возбуждения схемы подвергаются изменению.
Рассмотрим структурную схему электронного усилителя без
ОС и с ОС (рис. 8.1, а и б). Усиление по напряжению усилителя без
ОС равно отношению выходного напряжения к входному
Коэффициент усиления Ки часто называют коэффициентом усиле¬
ния разомкнутой петли обратной связи, поскольку к усилителю не
подсоединена цепь ОС.
При подключенной цепи ОС (рис. 8.1, б) полное входное напря¬
жение состоит из начального сигнала {Д и части р выходного сигнала,
поданного обратно па вход. Сумма этих сигналов усиливается уеи-
187
лителем в Ки раз, так же как н в схеме на рис. 8.1, и, а на выходе
возникает выходное напряжение V2. Следует отметить, что выходные
напряжения U.2 и U2 в двух схемах различны, так как в схеме с
ОС изменился режим усиления. Напряжение, подведенное с выхо¬
да обратно на вход, составляет $fU2, и поэтому полное входное на¬
пряжение усилителя равно Ux + Pyt7'2. Входное напряжение, ум¬
ноженное на коэффициент усиления, равно выходному напряжению
или после раскрытия скобок
U’z^U^u+bjU'.Ku -
После преобразовании получим
U{Ka ■ U^-VfU^Ku U'„(l-$fKu)
Рис. 8.1. Структурные' схемы усилителей без обратной (а) н с обрат¬
ном (б) связями
Отношение U2/Ult обозначенное через Ки, представляет собой-
результирующий коэффициент усиления схемы с обратной связью,
называемый также коэффициентом усиления с замкнутой цепью ОС:
K'^uyu^Ku/V-foKu).
Полученная зависимость показывает, какому изменению подверга¬
ется коэффициент усиления схемы в результате применения ОС.
Далее увидим, что и другие свойства усилителя также изменяются
и аналогично коэффициенту усиления зависят от члена (I— $jKu),
называемого коэффициентом обратной связи 1
Что такое положительная обратная связь?
Обратная связь называется положительной, если фаза обрат¬
ного напряжения, поданного с выхода па вход схемы, совпадает с
фазой входного напряжения. При совпадении фаз обоих сигналов
на входе усилителя эффективный входной сигнал увеличивается.
Это означает, что коэффициент Ру, определяющий, какая часть вы¬
ходного напряжения подается снова па вход, положителен. В связи
с этим в соответствии с ранее выведенной зависимостью усиление
ред.
188
Произведение fitKu часто называют фактором обратной связи.— Прим.
схемы с положительной обратной связью (ПОС) выражается следую¬
щей формулой:
*« = *и/(1-Р/ *«).
Анализируя эту формулу, приходим к выводу, что увеличение коэф¬
фициента р/ вызывает рост коэффициента Если коэффициент
усиления усилителя без ОС равен 20, то при использовании ПОС
(Р/ = 0,025) коэффициент усиления при замкнутой цепи ОС составит
Як = 40. Если коэффициент Р/ увеличивается и произведение Р/Я!г
приближается к единице, то коэффициент усиления стремится к бес¬
конечности. Такой вывод следует из математической зависимости,
практически, однако, такой случай невозможен. В схеме возникает
генерация колебаний, а бесконечный коэффициент усиления означа¬
ет, что генератор сам «поставляет» на вход сигнал, поддерживающий
колебания. Положительная обратная связь является основой работы
генераторов, причем условия генерации можно выразить следующим
образом: схема работает как генератор, если ОС является положи¬
тельной и достаточно сильной (р/Яц = 1), чтобы поддерживать ко¬
лебания. Если Р/Яц < 1, то в схеме наблюдается только рост усиле¬
ния. Положительная связь такого типа, называемая иногда регене¬
рирующей связью, используется очень редко (в частности, из-за
увеличения искажений).
Что такое отрицательная обратная связь?
Отрицательная обратная связь (ООС) — это связь, при которой
фаза напряжения, подведенного с выхода на вход схемы, является
противоположной по сравнению с фазой входного напряжения.
Каково влияние ООС на усиление усилителя?
Отрицательная обратная связь вызывает уменьшение коэффици¬
ента усиления усилителя. Это следует из того, что в схеме с ООС по¬
данная на вход часть выходного напряжения имеет фазу, противопо¬
ложную фазе входного напряжения, и поэтому вычитается из него.
В результате на входе усилителя действует меньшее напряжение,
чем при отсутствии ООС. При этом выходное напряжение также име¬
ет меньшее значение. Поскольку источник сигнала не охвачен цепыо
ОС, то при том же самом напряжении источника получаем меньшее
выходное напряжение, т. е. усиление схемы уменьшается.
К аналогичному выводу приходим, анализируя основное выра¬
жение для коэффициента усиления схемы с ОС
“ 1 + Р/^Сц ‘
В случае ООС знак коэффициента р^ отрицателен. В связи с этим
формула для коэффициента усиления усилителя с ООС изменяется
и принимает следующий вид:
К.
А а
1 -f- ру Ки
1S9
Предположим, что имеется усилитель, коэффициент усиления кото*
рого без ОС составляет 100, и вводится ОС р/ = 0,1. Подставляя
эти значения в уравнение, получаем
К
и
100
1 +0,1-100
100
п
--9,09
и, следовательно, значительное уменьшение коэффициента усиле¬
ния.
Вызывает ли ООС расширение полосы
пропускания усилителя?
Да. Использование ООС в усилителе вызывает уменьшение ниж¬
ней граничной частоты /н и увеличение верхней граничной частоты
/в- Новые граничные частоты /н и/в зависят, как и коэффициент уси¬
ления, от выражения (I + fif Ku). Можно показать, что
/; = /н/0 + P/ /Си);
f;=Mi+p/ ки).
Если усилитель имеет коэффициент усиления 40 и верхнюю граничную
частоту 8 кГц, то после применения ООС с коэффициентом (5/ 0,05
получаем новый коэффициент усиления, равный 40/(1 Д-2) или 13,3, а
также граничную частоту, равную 8 (1 + 2), т. е. 24 кГц. Видно, что
коэффициент усиления усилителя снизился в 3 раза, но в такое же
число раз возросла ширина полосы. Отсюда следует важный вывод,
имеющий общий характер: произведение коэффициента усиления на
ширину полосы усилителя (т. е. произведение GB или /(А/) является
постоянной величиной.
Можно ли с помощью ООС формировать
амплитудную характеристику усилителя?
Да. Отрицательная обратная связь позволяет получить такие
амплитудные характеристики чоторые было бы трудно получить в
схемах без ОС. Например, если хотим, чтобы амплитудная характе¬
ристика возрастала с ростом частоты, достаточно использовать цепь
ОС, в которой коэффициент р^ убывает с частотой. Вместе с умень¬
шением коэффициента Р/ уменьшается ОС и в результате усиление
возрастает.
Примером реализации такой схемы может служить усилитель,,
в котором сигнал ОС снимается с конденсатора в резистивно-емкост¬
ном делителе.
Оказывает ли влияние ООС на нелинейные искажения,
помехи и шумы, вносимые усилителем?
Отрицательная обратная связь в принципе' не улучшает отно¬
шение сигнал/шум, поскольку шумы или помехи, возникшие на вхо¬
де схемы, уменьшаются в той же степени, что и полезный сигнал.
190
В то же время ООС уменьшает влияние паразитных сигналов, воз¬
никших внутри цепи ОС, в том числе гармоник. Влияние их умень¬
шается тем сильнее, чем ближе к выходу усилителя они появляются.
Содержание гармоник Л/ усилителя с ОС и КГ; — без ОС связа¬
ны зависимостью
К = Аг
г/ 1 + Р fKu
Кроме того, ООС вызывает линеаризацию динамической характе¬
ристики усилителя.
Какое влияние оказывает ООС
на стабильность усиления?
Отрицательная обратная связь уменьшает чувствительность
коэффициента усиления к изменению параметров элементов, входя¬
щих в состав усилителя, питающих напряжений и внешних факторов.
Эта чувствительность уменьшается в (1 + Р/АГи) раз. Иначе говоря,
стабильность коэффициента усиления улучшается в (1 + Р//Си)
раз по сравнению со стабильностью усилителя без ООС. В предель¬
ном случае сильной ООС, когда P//Cu > 1, коэффициент усиления
усилителя выражается простой зависимостью Ки = 1/Р/. Из этой за¬
висимости следует, что коэффициент усиления перестает зависеть
от активных элементов, используемых в усилительном тракте, и, сле¬
довательно, не зависит от изменений их характеристик, свойств эле¬
ментов (за исключением цепи ОС), а также колебаний напряжения
питания.
Результирующий коэффициент усиления усилителя определяет¬
ся лишь параметрами пассивных элементов цепи ОС. Если обеспечи¬
вается стабильность этих элементов, стабильность коэффициента
усиления может быть очень высокой.
Влияет ли ООС на входное и выходное
сопротивления усилителя?
Да, поскольку подключение к усилителю цепи ООС изменяет
условия работы усилителя по входу и выходу. Свойства схемы с ОС,
в том числе входное и выходное сопротивления, зависят от способа
снятия обратного сигнала с выхода схемы и его подачи на вход. При
рассмотрении схем с ОС увидим, как изменяются эти сопротивле¬
ния.
Может ли ОС охватывать более одного каскада?
Да. Хотя чаще всего используется так называемая локальная
связь, охватывающая один каскад. Во многих усилителях применя¬
ются цени ОС, в которых сигнал ОС, полученный в последнем каска¬
де, подастся на первый каскад. Структурная схема такого усидите-
191
ля показана на рис. 8.2. Пунктирной линией обозначены ответвле¬
ния цепи, поскольку ОС может охватывать также и другие выбран¬
ные каскады в усилительной цепочке.
Петля обратной
сдязи
Рис. 8.2. Обратная связь, охватывающая несколько каскадов
Устойчивы ли схемы с ООС?
В принципе да, одиако однозначно ответить на этот вопрос не¬
возможно. Правильнее было бы сказать, что хорошо сконструиро¬
ванный и изотовленный усилитель с ООС является устойчивым. Рас¬
сматривая схемы с ООС в общем, можно сказать, что в определенных
диапазонах частот существует возможность неустойчивости этих
схем. Это следует из того, что коэффициент усиления усилителя
является комплексным. Он характеризуется модулем (абсолютным
значением) и углом фазового сдвига. В сязи с этим нельзя говорить
об ООС во всем диапазоне частот, усиливаемых усилителем.
В результате фазовых сдвигов в некоторых диапазонах частот,
обычно на краях усиливаемой полосы, связь из отрицательной может
стать положительной, и тогда усиление схемы возрастает. Если ОС
является положительной и достаточно сильной, то усиление может
возрасти до бесконечности, и тогда усилитель превращается в гене¬
ратор, генерирующий собственные колебания. О таком усилителе го¬
ворят, что он нестабильный. Вероятность (опасность) нестабильнос¬
ти увеличивается с ростом ОС (большее произведение фактора обрат¬
ной связи РjKu) и фазовых сдвигов в цепи ОС. Поэтому вероятность
нестабильности больше в схемах с большим усилением и сильной
связью, охватывающей несколько каскадов.
Борьба с нестабильностью усилителей в ООС заключается в ог¬
раничении числа каскадов, охваченных цепью ОС, до трех, а так¬
же на соответствующем формировании частотных характеристик
усилителя. Главным принципом в этом случае является дополни¬
тельное уменьшение коэффициента усиления на границах- полосы
пропускания, т. е. на тех частотах, для которых в результате фазо¬
вых сдвигов ООС превращается в ПОС. Тогда при меньших коэффи¬
циентах усиления, несмотря на ПОС, паразитные колебания ие воз¬
никают, поскольку связь очень слабая.
1Каковы преимущества и недостатки ООС?
Отрицательная обратная связь позволяет улучшить свойства
схемы благодаря следующим преимуществам: уменьшение чувстви¬
тельности усиления к изменению параметров элементов, режимов
питания и внешних факторов; уменьшение нелинейных искажений;
192
возможность формирования частотных характеристик, возможность
изменения входного и выходного сопротивлений.
К недостаткам ООС относятся уменьшение коэффициента усиле¬
ния и возможность нестабильности схемы.
Как можно классифицировать цепи ООС?
Цепи ООС классифицируют исходя из способов снятия выходно¬
го сигнала и ого подачи на вход.
По способу снятия выходного сигнала различают связь по на¬
пряжению, в которой выходной сигнал пропорционален выходному
напряжению, и связь по току, характеризующуюся пропорциональ¬
ностью выходному току.
По способу подачи выходного сигнала на вход различают пос¬
ледовательную связь, при которой обратный сигнал подается пос¬
ледовательно со входным сигналом, и параллельную связь, при кото¬
рой выходной сигнал цепи ОС вводится параллельно с входным сиг¬
налом.
В связи с этим можно выделить четыре основные цепи ООС: по
напряжению, параллельного типа; по напряжению, последователь¬
ного типа; но току, последовательного типа; потоку, параллельного
типа.
Что такое усилитель с параллельной ООС
по напряжению?
Усилительный каскад с ООС по напряжению параллельного ти¬
па показан на рис. 8.3 Напряжение, возникающее на коллекторе, в
схеме с ОЭ сдвинуто на 180° по отношению к напряжению, действую¬
щему на базе, и с помощью ^/Су-
цепочки снова подастся на базу.
Конденсатор Cf разделяет лишь
постоянные потенциалы, дейст
вующис на коллекторе и базе.
Резистор Rf совместно с сопро¬
тивлением, включенным между
базой и массой, а следовательно,
учитывающий как резистор Ri и
сопротивление источника, так и
входное сопротивление транзисто¬
ра, образует делитель обратного
напряжения, который определяет
коэффициент Р/. Источники напря
жения ОС и входного сигнала, по
данного на Сазу через копдснса
тор С1( включены параллельно
Из такого способа возбуждения
и следует название цепи ОС: по
напряжению параллельного типа Для цепей этого типа харак¬
терно уменьшение входного и выходного сопротивлений.
Параллельная связь по напряжению часто используется б каче¬
стве многокаскадной связи, примеры которой представлены на рис.
8.4, а и б В схеме рис 8 4, а, состоящей из двух транзисторов, на¬
пряжение ОС снимается с вторичной обмотки трансформатора
7 Зак. 1606 193
Рис. 8.3. Усилитель с парал¬
лельной ООС по напряже¬
нию
с встречной навивкой обмоток, что обозначено соответствующим рас¬
положением точек). Таким образом обеспечивается соответствующая
полярность напряжения ОС.
В трехтранзисторной схеме (рис. 8.4, б) благодаря соответству¬
ющей фазе напряжения на выходе имеется возможность непосред¬
ственной подачи напряжения ОС (на вход схемы — прим, перев.).
9
Что такое усилитель
с последовательной ОС
по напряжению?
Типовая схема последова¬
тельной ОС по напряжению
представлена на рис. 8.5. Вы¬
ходное напряжение, поляр¬
ность которого противополож¬
на напряжению на управляю¬
щей сетке лампы, делится с
помощью делителя напряже¬
ния RiR2- Часть выходного на¬
пряжения, действующая на
резисторе R2, является напря-
Рис. 8.4. Мпогокаскадмыц усилители
с параллельной ООС по напряжению:
a — двухкаскадпын; б — трехкаскаднын
Рис. 8.5. Усилитель с после¬
довательной ООС по напря¬
жению
жением ОС. Это напряжение подводится к входной цепи благодаря
соединению средней точки делителя с нижним концом вторичной
обметки трансформатора, т. е. последовательно с входным напряже¬
нием. Сумма этих двух напряжений является входным напряже¬
нием усилителя.
Другие схемы с ООС рассматриваемого типа показаны на рис.
8.6. Во всех трех схемах напряжение ОС подается в цепь катода
синфазно с управляющим напряжением. Поскольку эффективное
входное напряжение усилителя является разностью переменных на¬
пряжений, действующих на сетке и катоде, условия питания анало¬
гичны тем, которые имеют место при последовательном соединении
двух источников переменного напряжения, из которых одно (соот¬
ветствующее переменному напряжению на катоде) имеет противопо¬
ложную полярность по отношению к другому.
Из рис. 8.6 следует, что в однокаскадном усилителе такой способ
введения напряжения ОС возможен только при использовании тран-
194
сформатора, переворачивающего (инвертирующего) фазу напряже*
ния, действующего па аноде лампы. Для резистивного усилителя
(рис. 8.6, б) необходимы два каскада.Если в схеме применяется тран¬
сформатор, то он не инвертирует фазу напряжения (рис. 8.С, в).
Рис. 8.6. Усилители с после¬
довательной ОС по напря¬
жению:
а — двухламповая схема; б —
двухламповая с трансформа¬
тором, не инвертирующим
фазу; в — одноламповая с
фазоинвертирующим транс¬
форматором
В транзисторных схемах число каскадов .резистивного усилите¬
ля, обеспечивающее соответствующую фазу обратного напряжения,
подводимого к резистору в цепи эмиттера, также должно быть чет¬
ным.
Усилители со связью по напряжению последовательного типа
характеризуются повышенным входным сопротивлением и пони¬
женным выходным.
Является ли эмиттерный
повторитель схемой с ООС?
Да, эмиттерный повторитель и его
ламповый аналог катодный повторитель
являются схемами с ООС по напряжению
последовательного типа. Это следует из
схемы (рис. 8.7). Выходное напряжение,
возникающее на резисторе Rэ в цепи
эмиттера, синфазно с входным напряже¬
нием. Все выходное напряжение вычитает¬
ся из напряжения, действующего на базе,
и в результате транзистор управляется
разностью обоих напряжений. Анализ
7*
Рис. 8.7. Эмиттерный
повторитель
195
эмиттериого повторителя клк схемы с ОС приводит к таким же ре¬
зультатам, которые получают при анализе схемы с ОК. Следова¬
тельно, усиление но напряжению повторителя меньше единицы;
входное сопротивление велико, а выходное мало
Что такое усилитель с последовательной ОС
по току?
Связь по току последовательного типа в схемном отношении
является наиболее простым видом ООС. Для получения такой связи
достаточно из усилителя удалить конденсатор, шунтирующий рези¬
стор в цепи эмиттера (рис. 8.8, а). Изменения тока коллектора, вы¬
зываемые переменным входным сигналом, создают па этом резисто¬
ре переменное напряжение, а поскольку этот резистор включен по¬
следовательно в цепь эмиттера, управляющее напряжение предстлв-
Рис. 8.8. ОднокяскадтлЛ (л) и трехкаскадныП (<') усилители с по
слсдователыюЛ ОС по току
Ляет собой разность между подводимым ко входу напряжением и
переменным напряжением, действующим па резисторе Достоинст¬
вом последовательной связи по току является увеличение входного
и выходного сопротивлений усилителя
Последовательную ООС по току часто применяют в качестве
местной связи. Однако иногда ее используют а многокаскадных уси¬
лителях, как, например, в усилителе, представленном на рис. 8 8, б.
Характерно, что в этой схеме помимо многокаскадной связи в пер¬
вом и третьем каскадах через резистор Rf действуют также местные
связи.
Что такое усилитель с параллельной ОС
по току?
Усилитель с параллельной ООС по току представлен на рис
8.9. Связь этого типа используется почти исключительно в транзис¬
торных схемах, поскольку сильная нагрузка, вносимая цепыо ОС
на вход усилителя, несущественна из-за малого входного сопротив¬
ления транзистора. Параллельная связь по току вызывает снижение
входного и повышение выходного сопротивления усилителя.
В рассматриваемой схеме изменения тока второго транзистора
вызывают изменение напряжения па резисторе в цепи эмиттера. Это
196
напряжение, фаза которого противо¬
положна фазе входного напряжения,
управляет первым транзистором
Коэффициент ОС определяет сопро¬
тивление резистора R}.
Какой усилитель называется
операционным?
Операционным усилителем на¬
зывается усилитель с очень большим
коэффициентом усиления, предназна¬
ченным для работы с внешней цепью
ООС, свойства которой и, определя¬
ют главным образом свойство всей
схемы в целом. Наличие ООС обеспечивает стабильность работы
усилителя, увеличивает его динамический диапазон по входу,
а также положительно влияет на линейность и ширину по¬
лосы.
С точки зрения схемотехники операционный усилитель тракту¬
ется как «черный ящик» с определенными входами и выходами. Не
вникая в детали устройства операционного усилителя, можно ска¬
зать, что он характеризуется однородной конструкцией и в настоя¬
щее время выпускается почти исключительно в виде интегральной
микросхемы.
Помимо несомненного преимущества, которым являются малые
габаритные размеры операционного усилителя, более существенно
то, что все его элементы изготовляются в идентичных условиях в
течение единого технологического процесса. Поскольку все элементы
выполнены на общей подложке, параметры всех сравнимых элемен¬
тов почти одинаковы, а из-за сильной тепловой связи создаются ус¬
ловия почти идеальной компенсации изменений параметров этих эле¬
ментов в зависимости от температуры.
В состав операционного усилителя входят: дифференциальный
усилитель, схема с высоким входным сопротивлением (например, вы¬
полненная на полевых транзисторах), схема Дарлингтона, эмиттер-
ный повторитель, выходная схема с повышенной выходной мощно¬
стью и т. п. Все эти схемы обеспечивают получение большого коэф¬
фициента усиления, высокое входное и низкое выходное сопротивле¬
ния и возможность симметричного входа. Операционные усилители
в полупроводниковом исполнении отличаются непосредственными
связями между каскадами, т. е. они являются усилителями постоян¬
ного тока.
Рис. 8.9. Усилитель с парал¬
лельной ОС по току
Как графически изображается операционный
усилитель?
Графическое изображение операционного усилителя показано на
рис. 8.10. Обычный операционный усилитель имеет два входных за¬
жима. Если зажим, обозначенный «+», заземлен, а входной сигнал
подводится к зажиму «—», то происходит инвертирование фазы меж¬
ду входом и выходом. Поэтому зажим, обозначенный «—», является
инвертирующим входом операционного усилителя. Наоборот, если
заземлен зажим «—», а сигнал подан на зажим «+», то инвертирова-
197
Мня фазы Между входом и выходом Me происходит. Поэтому зажим
«-L» называют также пенпвсртнрующим входом.
Реже встречаются операционные усилители с одним входом и с
симметричным выходом. Усилитель с одним входом можно тракто¬
вать как вариант усилителя с заземленным входом «+».
Поскольку в обычном операционном
усилителе есть два независимых входа, из
которых один инвертирующий, а другой
ненпвертирующий, имеется возможность
подведения к входным зажимам разност¬
ного сигнала. Если на оба входа будут
поданы два одинаковых сигнала, то сигнал
на выходе будет равен нулю, а входной
сигнал такого типа называется неразност¬
ным сигналом (общим). Большая бук¬
ва К, расположенная в графическом изображении операционного
усилителя, обозначает усиление ненагруженного усилителя с ра¬
зомкнутой цепью ОС.
Какими свойствами должен обладать идеальный
операционный усилитель?
Идеальный операционный усилитель должен иметь следующие
основные свойства: бесконечно большое усиление при разомкнутой
цепи обратной связи (К —оо); бесконечно широкую полосу; беско¬
нечно большое входное сопротивление (между входами, а также вхо¬
дами и массой); выходное сопротивление, равное пулю; выходное
напряжение, равное пулю при возбуждении нсразностным (общим)
сигналом; идеальное дифференциальное усиление, а следовательно,
бесконечно большое ослабление входного сигнала; независимость па¬
раметров от температуры.
Выпускают схемы с усилением 90 дБ, входным сопротивлением
1 МОм, затуханием паразитного сигнала 100 дБ, работающие в интер¬
вале температур от —55 до 125°С. Ширина полосы пропускания не
превосходит нескольких десятков мегагерц. Конечное значение
ширины полосы и работа с ООС могут стать (из-за неустраненного
фазового сдвига на высоких частотах) источником нестабильности
операционных усилителей. Поэтому для предотвращения возник¬
новения генерации применяется соответствующая частотная компен¬
сация, задачей которой является уменьшение усиления в тех диапа¬
зонах частот, где велики фазовые сдвиги. Компенсация осуществ¬
ляется с помощью /?С-элементов, подключенных к соответствую¬
щим внутренним точкам операционного усилителя, выведенным на¬
ружу из схемы в процессе производства.
На чем основана работа операционных усилителей
как усилительных схем?
На рис. 8.11 представлена простейшая схема операционных уси¬
лителей. Схема на рис. 8.11, а является усилителем, не инвертирую¬
щим фазу. Управляющее напряжение подводится к неинвертирующе¬
му входу, тогда как на инвертирующий вход подается часть выход¬
ного напряжения с помощью резистивного делителя RXR2. Коэф¬
фициент усиления схемы выражается следующим образом:
К = UJUX - (Ri -I- R2)IRi
Рис. 8.10. Условное гра¬
фическое обозначение
операционного усилителя
198
и зависит только отсопротивлсний резисторов в цепи СС. Эти сопро¬
тивления должны быть выбраны таким способом, чтобы сопротив¬
ление их параллельного соединения было равно сопротивлению ис¬
точника.
Используя в неинвентирующем усилителе Ri = оо, получаем
коэффициент усиления по напряжению, равный единице. При этом
схема работает, как повторитель напряжения (рис. 8.11, б). Из-за
максимального входного сопротивления усилитель называют иногда
сепаратором с единичным усилением.
Рис. 8.1!. Основные схемы с операционными усили¬
телями:
а — усилитель без изменения знака; б — повторитель
напряжения; в — усилитель с изменением знака; г —
разностный усилитель
На рис. 8.11, в представлен инвертирующий усилитель. Вход¬
ной сигнал через резистор Ri подается на инвертирующий вход. На
этот же вход через резистор R2 поступает с выхода напряжение
ООС. Неннвертирующий вход заземляется. Коэффициент усиления
схемы зависит от отношения сопротивлений резисторов Rt и R2
и может быть меньше или больше единицы. В особом случае, когда
R2 ~ Rlt схема имеет коэффициент усиления, равный единице, и
меняется лишь полярность выходного сигнала по сравнению с поляр¬
ностью входного. Поэтому схему называют иногда схемой из¬
менения знака.
Операционный усилитель может выполнять функцию разност¬
ного усилителя с ОС, служащего для вычитания или взаимной ком¬
пенсации двух напряжений. При обеспечении отношения R2!Ri=
— RjR3 выходное напряжение должно быть пропорционально раз¬
ности входных напряжений, подведенных от отдельных источников
К инвертирующему и неинвертирующему входам (рис. 8.11, г).
К = и2/иг = — R2/Rt
199
Может ли операционный усилитель выполнять
математические операции?
V,
Да, Помимо уже упомянутых функции изменения знака и вычи¬
тания операционный усилитель может простым способом осуществ¬
лять операции сложения, интегрирования и дифференцирования,
благодаря чему находит широкое,
применение в аналоговых вычис¬
лительных машинах.
Суммирующий усилитель
(рис. 8.12) является особым слу¬
чаем усилителя, инвертирующего
фазу. Подлежащие суммированию
напряжения подаются па три
входа, отдаленные от входа опе¬
рационного усилителя резистора¬
ми Rx — R3. Усиление этой схемы
для каждого из входов равно от¬
ношению сопротивления резисто-
pa Ri к сопротивлению соответ¬
ствующего входного резистора.
При подборе одинаковых сопротивлений = Д2 = Кз = R* на
выходе получают алгебраическую сумму напряжений. Примером
использования суммирующей схемы может быть схема, микширую¬
щая несколько акустических сигналов, например сигналы с трех
микрофонов, Которые должны усиливаться общим усилителем
мощности.
о
о-
* иы
о
Рис. 8.13. Интегрирующая
схема:
а — ЯС-цепочка; б —схема
с операционным усилителем
Рис. 8.14. Дифференцирую¬
щая схема:
а — RC-цепочка; б — схема
с операционным усилителем
Интегрирующая схема, или интегратор, представлена на рис.
8.13. Как известно, интегрирующей схемой называется ДС-фильтр
нижних частот (рис. 8.13, о), у которого выходное напряжение про¬
порционально интегралу входного напряжения. Аналогичный эф¬
фект, но с усилением, получаем при использовании конденсатора в
цепи ОС операционного усилителя (рис. 8.3, б),
200
Дифференцирующая схема изображена на рис. 8.14. Дифферен¬
цирующей схемой является /?С-фильтр верхних частот (рис. 8.14,а),
характеризующийся тем, что напряжение иа его выходе пропорцио¬
нально производной входного напряжения. В отличие от интегри¬
рующей в дифференцирующей схеме в петле ОС операционного
усилителя находится резистор, а не конденсатор.
Может ли операционный усилитель
работать как компаратор?
Да. Используя операционный усилитель без цепи ОС, можно по¬
лучить схему сравнения двух напряжений, или компаратор. В иде¬
альном усилителе при равенстве входных напряжений выходное на¬
пряжение равно кулю. Если подать иа один из входов некоторое
опорное напряжение, можно получить схему, сигнализирующую о
том, является ли измеряемое напряжение больше или меньше опор¬
ного. Если подведенное к другому входу напряжение превышает
опорное, то выходное напряжение имеет положительное значение,
если меньшее — отрицательное.
Каковы другие применения операционных
усилителей?
Операционные усилители находят применение в многочислен¬
ных устройствах. К числу известных схем, содержащих операцион¬
ные усилители, относятся активные /?С-фильтры, которые благода¬
ря соответствующим образом сформированной петле ОС обеспечи¬
вают селективное усиление определенной полосы частот, ограничите¬
ли напряжения, фазовращатели, генераторы прямоугольных н тре¬
угольных колебаний, преобразователи ток —- напряжение и т. п,
ГЛАВА 9
РЕЗОНАНСНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Какие усилители называются резонансными?
Резонансными усилителями называются усилители, предназна¬
ченные для усиления сигналов, спектр которых сосредоточен вблизи
средней частоты /0. На рис. 9.1 изображены амплитудные характерис¬
тики усилителей обоих типов. Амплитудная характеристика резо¬
нансного усилителя находится вблизи средней частоты/0. на которой
коэффициент усиления по напряжению Ки!Кио является максималь¬
ным. Поэтому резонансный усилитель обладает свойством избира¬
тельного усиления определенной полосы частот. Отсюда происходит
и аналогичное название резонансного усилителя — избиратель¬
ный усилитель. Термин резонансный усилитель основывается на том,
Что для получения рассматриваемой амплитудной характеристики ис¬
201
пользуется явление резонанса в контурах, состоящих из индуктивно¬
сти и емкости. Контуры этого типа требуют настройки на оп¬
ределенную частоту.
сО 8)
г
‘о
Рис. 9.1. Амплитудные характеристика усилителей:
а — персзонаисного; 6 — резонансного
Где применяют избирательные усилители?
Как уже упоминалось, они используются в тех случаях, когда
предназначенный для усиления сигнал обладает спектром, сосредо¬
точенным вблизи некоторой частоты. Такого рода сигналы чаще все¬
го получают при модуляции (см. гл. 11), заключающейся в «марки¬
ровке» колебания несущей частоты (сигнала высокой частоты /0)
полезным модулирующим сигналом, например звуковым или изоб¬
ражения. Наложение полезного сигнала на несущее колебание ис¬
пользуется в том случае, когда информация передается по кабельно¬
му или раднотракту на большие расстояния и для эффективной пере¬
дачи необходимо использование высокой частоты.
Модулированный сигнал высокой частоты, попадающий на
вход приемного устройства, обычно очень слабый, и в связи с этим его
необходимо усиливать. Поэтому в,каждом приемнике, радиовеща¬
тельном, телевизионном или радиолокационном, необходимо исполь¬
зовать резонансный усилитель, предназначенный для усиления не¬
сущего сигнала совместно со всем спектром частот, возникающих в
процессе модуляции.
Что понимается под избирательностью
резонансного усилителя?
Избирательность усилителя определяет его способность исклю¬
чать нежелательные сигналы. В общем требуется, чтобы усилитель
усиливал сигналы в определенной полосе частот, но в то же время
не пропускал сигналы, находящиеся вне этой полосы. Если речь идет
о максимальной избирательности, то идеальной была бы амплитуд¬
ная характеристика усилителя прямоугольной формы. Помимо не¬
возможности получить такую характеристику резкие спады харак¬
теристики не всегда приемлемы по другим причинам, в частности из-
за сопутствующих км фазовых искажении.
Характеристика избирательности изображена иа рис. 9.2. Ши¬
рину полосы пропускания В усилителя определяют точки по уровню
3 дБ спада усиления, отмечающие нижнюю и верхнюю граничные
292
Частоты, аналогично случак) нерезонансных усилителен. За этими
точками характеристика монотонно спадает. На рисунке показана
также идеальная прямоугольная характеристика избирательности.
Сторона прямоугольника, параллельная оси частот, обозначает по¬
лосу пропускания, в пределах
которой усиление не меняется.
Стороны, перпендикулярные оси
частот н отмечающие на этой оси
граничные частоты, являются
пределами, за которыми усиление
равно нулю.
За количественную меру из¬
бирательности, в особенности уз¬
кополосного усилителя, часто
принимается коэффициент прямо-
угольности р, определяемый от¬
ношением ширины полосы про¬
пускания при уменьшении коэф¬
фициента усиления на 3 дБ к ши¬
рине полосы при падении коэф¬
фициента усиления на 20 дБ. Часто избирательность определяется
затуханием на несущих частотах соседних каналов, которые могут
являться помехами усиливаемому сигналу.
Какой усилитель называется узкополосным,
а какой широкополосным?
Ширина полосы частот, занимаемая усиливаемым сигналом, за¬
висит от вида модуляции и полосы частот модулирующего сигнала.
С этой точки зрения узкополосным резонансным усилителем явля¬
ется усилитель сигнала с модуляцией звуковым сигналом, а широко¬
полосным — усилитель сигнала с модуляцией сигналом изображе¬
ния.
Из-за сложностей выполнения резонансного усилителя принци¬
пиальное значение при отнесении усилителями первой или второй
группе имеет отношение средней частоты /0 к ширине полосы В.
Когда это отношение достаточно велико (больше 10), усилитель счи¬
тается узкополосным, а противном случае (/0/3 < б) — широкопо¬
лосным. Более точно указать границу, разделяющую эти две группы
усилителей, затруднительно.
В соответствии с указанным определением усилитель, работаю¬
щий на средней частоте /0 = 600 МГц и имеющий полосу, соответ¬
ствующую модулирующему сигналу изображения {В = 6 МГц),
является узкополосным, а при /0= 20 МГц—широкополосным.—
Прим. ред.
Какими параметрами характеризуется
резонансный усилитель?
Основными параметрами резонансного усилителя являются
коэффициент усиления, форма частотных характеристик, избиратель¬
ность, а также устойчивость и постоянство работы (рабочих характе¬
ристик).
Для узкополосных усилителен обычно несущественна фазочас¬
тотная характеристика, в то же время принципиальное значение
203
Рис. 9.2. Характеристика избиратель¬
ности резонансного усилителя
имеют устойчивость й постоянство рабочих Характеристик, которые
обусловливают малое.влияние внешних и внутренних факторов на
коэффициент усиления и форму частотной характеристики.
В связи с этим площадь усиления используемых активных эле¬
ментов реализуется не полностью. Коэффициент усиления не может
быть очень высоким, исходя из возможности возникновения генера¬
ции либо уменьшения устойчивости схемы, вызванных наличием
внутренних ОС в усилительных элементах.
В широкополосных усилителях проблема устойчивости являет¬
ся менее критичной, так как при постоянной площади усиления
(произведения GB) коэффициент усиления ограничен большой поло¬
сой пропускания. В то же время принципиальное значение имеет
форма амплитудной и фазовой характеристик, определяющая свой¬
ства усилителя.
Избирательность в общем более важный параметр для узкопо¬
лосных усилителей, чем для широкополосных.
Какие активные элементы применяют
в резонансных усилителях?
Активными элементами в резонансных усилителях являются
лампы, транзисторы и интегральные микросхемы. Каждый из этих
элементов обладает определенными свойствами, которые сущест¬
венным образом влияют на схемное и конструктивное решение уси¬
лителя. Широко применявшиеся до недавнего времени электронные
лампы характеризовались достоинствами, непосредственно вытекаю¬
щими нз способа управления ими по напряжению. В диапазоне не
очень высоких частот, где входное сопротивление лампы не зависит от
времени пролета электронов и индуктивности выводов, лампа прак¬
тически не вносит затухания в резонансные контуры, поскольку ее
входное и выходное сопротивления велики. Свойства усилителя в
этом случае зависят лишь от нагрузки (резонансных контуров).
Проблема устойчивости ламповых усилителей менее остра из-за
меньшей «прозрачности» лампы вследствие небольших «обратных»
емкостей. В настоящее время лампы почти полностью вытеснены
транзисторами н используются только в мощных устройствах (на¬
пример, в передатчиках).
Применяемые в резонансных усилителях транзисторы характе-'
рнзуются высокой граничной частотой, большим значением крутиз¬
ны S н относительно малой «обратной» емкостью. Однако эта емкость
больше, чем у ламп, н поэтому транзисторные усилители, особенно
узкополосные, требуют тщательного анализа устойчивости, что ча¬
ще всего вызывает ограничение допустимого значения коэффициента
усиления.
Следует добавить, что высокая «прозрачность» усилителя может
быть источником неприятностей прн настройке схемы, поскольку от¬
дельные контуры и транзисторы могут влиять друг на друга. В отли¬
чие от ламп транзисторы вносят в резонансные контуры относитель¬
но большое затухание, являющееся результатом малого входного
сопротивления транзистора. В связи с этим резонансные контуры
помимо формирования частотной характеристики должны также
обеспечивать согласование для получения большого усиления. Не¬
обходимость выполнения этого условия влечет за собой специаль¬
ную разработку резонансных контуров.
204
У широкополосных транзисторных усилителей дополнительную
трудность при соответствующем выполнении усилителя создает тот
факт, что параметры транзистора нельзя считать постоянными в ши*
рокоп полосе частот. Возможные изменения параметров должны кор¬
ректироваться внешними цепями
В современных резонансных усилителях применяются и инте¬
гральные микросхемы. Интегральные микросхемы, выполняющие
функции усилителен высокой частоты, являются широкополосными
(примерно до 100 МГц) апериодическими (нерезопапсными) усилите¬
лями Их роль ограничивается усилением сигнала, прошедшего
через схему, состоящую из многих резонансных контуров и форми¬
рующую частотную характеристику.
Общей чертой активных элементов, применяемых в резонансных
усилителях малых сигналов, является их работа п режиме класса
А Нелинейные искажения усилителен малы, поскольку сигналы па
частотах гармоник, лежащих вис полосы пропускания, оказываются
подавленными.
Какие типы нагрузок применяют
в резонансных усилителях?
В резонансных усилителях, предназначенных для селективного
усиления сигналов, применяют самые различные LC-резонансныс
контуры, выполняющие роль фильтрующих цепей. Резонансные
фильтры могут быть типа двухполюсника (одиночный параллельный
резонансный контур) или четырехполюсника. Последние могут быть
одно-, двух- или многозвенными
В случае многокаскадных усилителей фильтры, являющиеся
нагрузкой отдельных каскадов, могут быть настроены на одну либо
на разные частоты. В первом случае усилитель называется синхрон¬
ным, во втором — асинхронным или мпогорсзоиапсным
Индуктивные элементы фильтров (катушки индуктивности), ра¬
ботающие D диапазоне от 100 кГц до 100 МГц, выполняют в виде кор¬
пусов с навивкой, снабженных магнитным (ферритовым) сердечни¬
ком, который служит для перестройки катушки. В диапазоне более
высоких частот (от нескольких сотен мегагерц) применяют резонанс¬
ные контуры с распределенными постоянными, такие как отрезки лн
ним передачи, т. е. отрезки двухпроводных линий и объемные резо¬
наторы.
Следует добавить, что в диапазоне частот ниже 100 кГц исполь¬
зуют избирательные RC-цепи в схемах с ОС, поскольку индуктивные
элементы, работающие d этом диапазоне частот, являются большими
по размерам и трудновыполнимыми
Как можно классифицировать резонансные
усилители?
Ответ на этот вопрос пе прост, так как существует очень много
критериев, согласно которым можно подразделить резонансные уси¬
лители. К ним относятся тип активного элемента, тип фильтрующей
цепи, рабочий диапазон частот, способ получения заданной частот¬
ной характеристики, форма частотных характеристик, назначение
усилителя и др. За главные критерии примем вид фильтрующей
цепи и способ получения заданной частотной характеристики. В свя-
205
эи с этим резонансные усилители будем подразделять на усилители
с одиночными резонансными контурами и двух- или многореэонаис-
иыми полосовыми фильтрами, а также синхронные и многорсзонанс-
ные усилители.
Какой резонансный усилитель наиболее
простой?
Наипрсетейшей схемой резонансного усилителя является схема
с одиночным резонансным контуром, включенным непосредственно в
выходную цепь активного элемента. На рис. 9.3 представлены лам¬
повый и транзисторный усилительные каскады, нагруженные парал¬
лельным резонансным контуром. По виду онн не отличаются от не¬
резонансного усилительного каскада. Единственное отличие заклю¬
чается в использовании резонансного контура в качестве нагрузки.
Так же как и для нерезонансного усилителя, коэффициент усиле-
Рис. 9.3. Ламповый (й) и транзисторный (б) усилительные каскады
с одиночным резонансным контуром
ния каскада зависит от крутизны характеристики активного элемен¬
та S и сопротивления нагрузки Z (Klt — 52). Поскольку крутизна
имеет постоянное значение, вид коэффициента усиления от частоты
определяется исключительно зависимостью сопротивления 2 от час¬
тоты.
На рис. 9.4 показана зависимость сопротивления контура 2,
а следовательно, и коэффициента усиления каскада от частоты. Из
рнсунка видно, что зависимость аналогична характеристике парал¬
лельного резонансного контура, состоящего из индуктивности L н
параллельно подключенной к ней емкости С. Эта емкость состоит кз
емкости конденсатора и суммы емкостей: выходной активного элемен¬
та, входной емкости следующего каскада, собственной емкости ка¬
тушки индуктивности и емкостей рассеяния.
Максимум усиления имеет место на резонансной частоте контура
{/а=\/(2лУЩ и составляет
где <i>0 = 2л/0 — резонансная круговая частота; Q3(j> — результи¬
рующая добротность контура. Знак минус обозначает инверсию фазы
выходного напряжения на 180° относительно входного.
/Си— 5q)q »
206
Из приведенной зависимости следует, что усиление прямо про¬
порционально результирующей добротности контура Qp€3. Резуль¬
тирующая добротность контура Qpe3 равна собственной добротно¬
сти резонансного контура, уменьшенной нз-за затухания, связанного
с выходным сопротивлением активного элемента, ц подключенного
дополнительного гасящего сопротивления.
От результирующей добротности Qpc3 зависит также избира¬
тельность усилителя. Из рис. 9.5 следует, что чем больше доброт¬
ность, тем «острее» резонансная кривая и тем усилитель более избк*
контура от частоты
Рис. 9.5. Амплитудная
характеристика усилите¬
ля с одиночным резо¬
нансным контуром при
разных значениях его
добротности Q
рателен. Шнрииа полосы пропускания усилителя В или 2Д/ соответ¬
ствующая снижению усилення на 3 дБ, обратно пропорциональна
добротности ф3ф:
2Д/= В = /o/Qpea*
Следовательно, чем больше добротность Qpe3, тем уже полоса про¬
пускания усилителя, но одновременно больше усиление.
Подключая параллельно резонансному контуру сопротивление
R, можно регулировать его добротность н тем самым влиять на шири¬
ну полосы пропускания усилителя. Прн этом не следует забывать,
что коэффициент усиления также подвергается изменению. В связи
с этим в случае широкополосных усилителей номинальное усиление
на каскад получается меньшим.
Можно ли усилитель с одиночным контуром
непосредственно сопрягать со следующим
каскадом?
Помимо сложностей, связанных с разделением постоянных на¬
пряжений, действующих во входной и выходной цепях, не всегда
можно подвести к следующему каскаду все переменное напряжение,
действующее на резонансном контуре. Для ламп это возможно. Ис¬
пользуя конденсатор связи с достаточно большой емкостью, такой,
чтобы его емкостное сопротивление было малым на рабочей частоте
усилителя, мы передаем все переменное напряжение, действующее
на резонансном контуре, на сетку следующего каскада (рнс. 9.6),
207
Входное сопротивление лампы достаточно велико, особенно в диапа¬
зоне частот до 30 МГц, и не влияет отрицательно на добротность
контура.
Для транзисторных усилителей ситуация совершенно иная.
Транзистор как элемент, управляемый током, характеризуется низ¬
ким входным сопротивлением *. Соединение коллектора с базой
транзистора следующего каскада с помощью конденсатора с пренеб¬
режимо малым реактивным сопротивлением вызвало бы значнтель-
<0
S)
Рис. 9.7 Три Способа со¬
гласования сопротивле¬
ния в транзисторных уси¬
лителях:
а — с емкостным делите¬
лем; б —с отводом от
катушки индуктивности;
в — трапсформаторпыЛ
ное затухание в резонансном контуре, уменьшение ого добротности
и в результате расширение полосы пропускания усилителя с одновре¬
менным уменьшением коэффициента усиления. Поэтому в транзис¬
торных усилителях необходимо согласовать высокое выходное сопро- 11 Речь идет о биполярных транзисторах. Полевые транзисторы имеют
большое входное сопротивление Прим ред.
208
типленне транзистора с низким входным сопротивлением последую¬
щего каскада. Задачу согласующих цепей выполняют модифициро¬
ванные резонансные контуры, которые не только устанавливают тре¬
буемую среднюю частоту /0 и соответствующую ширину полосы, но
также трансформируют сопротивление.
На рис. 9.7 представлены три способа согласования сопротивле¬
ния в транзисторных усилителях. В схеме на рис. 9.7, а использован
емкостный делитель. Результирующая емкость последовательного
соединения конденсаторов Сг и С2 является емкостью контура, при¬
чем в емкости конденсатора С2 следует учитывать входную емкость
последующего резонансного каскада. Отношение суммы емкостей
конденсаторов Сг н С2 к емкости конденсатора Q определяет коэф¬
фициент передачи, с которым входное сопротивление трансформиру¬
ется в цепь коллектора. Аналогично действуют и другие схемы с той
разностью, что в схеме рнс. 9,7, б коэффициент передачи определяет¬
ся положением вывода на катушке индуктивности, а в схеме рис. 9 7,
в — коэффициентом спязи между первичной и вторичной обмотками
Конденсаторы Со характеризуются большой емкостью н служат толь¬
ко для разделения постоянных напряжений, действующих на коллек¬
торе и базе следующего транзистора.
Как работает простейший резонансный
усилитель с двухзвенным фильтром?
Транзисторный усилительный каскад с двухзвенпым фильтром
представлен па рис. 9.8, а, От схемы на рис. 9.3 он отличается ис¬
пользованием вместо одиночного резонансного контура двухзвенно¬
го фильтра, состоящего из двух связанных резонансных контуров.
Связью контуров называется такое состояние контуров, при ко¬
тором возможна передача энергии из одного контура в другой.
В рассматриваемом случае энергия из первого контура переда¬
ется во второй посредством взаимной индуктивности М. Оба контура
настроены па среднюю частоту /<,. В результате взаимной связи меж¬
ду контурами каждый нз них воздействует на другой, перестраива¬
ет его и вносит затухание. Напряжение на выходе контура, являю¬
щееся одновременно выходным напряжением всего фильтра, за¬
висит не только от частоты, как в случае одиночного резонансного
контура, но также от степени связи контуров.
Количественной мерой связи контуров является коэффициент
связи, который для контуров, связанных взаимной индуктивностью
М, выражается зависимостью
х=м;УТТЦ,
где М — взаимная индуктивность; Lx — индуктивность первичного
контура, 1,о — индуктивность вторичного контура Если коэффи¬
циент связи мал, то амплитудная характеристика усилителя подобна
характеристике одиночного резонансного контура
С увеличением коэффициента связи вершина характеристики
становится все более плоской п при определенном значении коэффи¬
циента связи, называемом оптимальным, становится максимально
плоской Оптимальное значение коэффициента связи зависит от доб¬
ротности первого и второго контуров и для равных добротностей
209
Qi = С?2 — Q выражается формулой ч0пТ = 1 IQ. Увеличение связи
свыше оптимального значения вызывает уменьшение выходного на¬
пряжения на резонансной частоте /0 и возникновение выше и ниже
этой частоты локальных резонансов, называемых «горбами» характе¬
ристики.
На рис. 9.8, б показан вид частотных характеристик усилителя
с двухзвенным фильтром для случая одинаковых добротностей кон¬
туров н разных коэффициентов связи. При х/нопт— 1 кривая макси-
0 к*
Рис. 9.8. Схема (а) и амплитудные характеристики (б) резонансного
усилителя с двухзвенным фильтром
мально плоская н коэффициент усиления на частоте /0 наибольший.
Для значений ч/ч0Пт > 1 кривые становятся двугорбыми, причем
максимальное усиление, равное максимальному усилению прих0Пт«
соответствует горбам характеристики. Чем сильнее связь, тем больше
удаление горбов от резонансной частоты Д,. Напряжение, действую¬
щее на втором контуре фильтра, включенном как нагрузка транзис¬
торного усилителя (рис. 9.8, а), может быть подведено к следующе¬
му транзисторному каскаду. Однако, как и в случае одиночного ре¬
зонансного контура, следует использовать емкостный делитель, по¬
зволяющий согласовать низкое входное сопротивление транзистора
с сопротивлением контура.
2 iO
Какие преимущества у двухзвенного
фильтра?
Основным преимуществом двухзвенного фильтра по сравнению с
одиночным резонансным контуром является его большая избиратель¬
ность и форма частотной характеристики вблизи резонансной час¬
тоты. Одиночный резонансный контур не имеет плоской части харак¬
теристики, тогда как двухзвенный фильтр с оптимальной связью
вблизи резонансной частоты характеризуется постоянной амплитудой
напряжения на выходе. Поэтому двухзвенный фильтр в значи¬
тельно большей степени, чем одиночный резонансный контур, ап¬
проксимирует прямоугольную частотную характеристику.
Дополнительным преимуществом, не всегда используемым при
проектировании усилителя с двухзвенным фильтром, является боль¬
шая площадь усиления усилителя. Можно допустить, что коэффици¬
ент усиления усилителя с двухзвенным фильтром с оптимальной
связью при одинаковой ширине полосы в Д/2 раз больше, чем для уси¬
лителя с одиночным резонансным контуром. Следует добавить, что
при разных добротностях первого и второго контуров фильтра пло¬
щадь усиления может увеличиться в 2 раза, если > Qa или Qa >
> Q!• Важным сойством фильтров с несимметричными контурами
(Qi Ф 02) является то, что максимально плоская характеристика
при оптимальной связи хопт не соответствует максимальной ампли¬
туде выходного напряжения, имеющей место при критической связи
хпр < хопт. Для симметричных контуров (Qx = Q2) хкР — х0пт-
В узкополосных усилителях площадь усиления из-за стабиль¬
ности усилителя не имеет решающего значения, и поэтому в них ча¬
ще применяют симметричные контуры. Наоборот, в широкополос¬
ных усилителях, для которых очень важно значение площади усиле¬
ния, применяют также контуры с неодинаковыми добротностями,
отличающимися одна от другой в 2—5 раз.
Только ли с помощью взаимной индуктивности М
можно осуществить связь контуров в фильтре?
Нет. Связь с помощью взаимной индуктивности М является
лишь одним из методов связи контуров в фильтре. Эта связь может
быть заменена индуктивной или емкостной связью. На рис. 9.9 по¬
казаны схемы дзухзвенных фильтров с различными типами связи.
Рис. 9.9. Различные способы связи в двухзвениых фильтрах:
а, б — индуктивная; в, г — емкостная
211
Свойства всех этих схем аналогичны, если их коэффициенты связи
одинаковы Очевидно, что формулы, определяющие коэффициенты
связи, зависят от типа связи. Например, в схеме па рис 9,9, в ко¬
эффициент связи определяется как
X С12/ф/^1 ^2 •
Резисторы Rx и Я2 определяют добротности контуров, соответствен¬
но первого и второго
Выбор типа связи диктуется в первую очередь конструктивными
соображениями.
Применяют ли в резонансных усилителях
многозвенные фильтры?
Да. Помимо простейших двухзвенных фильтров применяют так¬
же более сложные трех- и четырехзвепмые фильтры. Они позволяют
получать более высокую избирательность усилителя и обеспечива-
Рис V W Многозвенные* фильтры
а трехтпсипый фильтр с емкосгпоП связью; 0 четирсхавонимА фильтр с
индуктивной связью
ют плоскую или равномерную частотную характеристику в относи¬
тельно большом диапазоне частот На рис 9 10 показан трехзвен
ный фильтр с емкостной связью и четырехзвеиный фильтр с индуктив¬
ной связью К недостаткам многозвенных фильтров следует отнести
сложную настройку
Как изменяется ширина полосы пропускания
усилителя в результате каскадного соединения
отдельных ступеней?
Для получения большого коэффициента усиления часто возни¬
кает необходимость каскадного соединения резонансных ступеней.
Как и в случае нерезоианеиых усилителен, каскадному соединению
усилительных ступеней сопутствует уменьшение общей ширины по¬
лосы пропускания усилителя. Это очевидно, поскольку частотные
характеристики отдельных ступеней подвергаются перемножению,
и если усиление на краях полосы одного каскада составляет 0,707
максимального (что соответствует падению усиления на 3 дБ), то в
случае двух одинаковых ступеней, включенных каскадно, усиление
на данной частоте составит лишь 0,707*0,707 = 0,5, т. е. падению
усиления до 0,707 соответствует меньшая частота.
212
Сужение полосы зависит от формы характеристик соединяемых
каскадно ступеней. Оно различно для усилителей с одиночными ре¬
зонансными контурами и усилителей с двухзвенными фильтрами.
Чем больше крутизна скатов частотной характеристики, тем мень¬
ше сужение полосы при каскадном включении. Если бы можно было
выполнить усилитель с идеально прямоугольной характеристикой,
то при каскадном соединении ступеней сужения полосы не наблюда¬
лось бы.
Какой усилитель называется синхронным
и каковы его свойства?
Синхронным усилителем называют многокаскадный усилитель,
полученный путем каскадного соединения нескольких ступеней.
Все контуры в нем настроены на одну частоту. В синхронных уси¬
лителях результирующее усиление является произведением коэффи¬
циентов усиления отдельных каскадов иа резонансной частоте /0,
а ширина полосы подвергается уменьшению в зависимости от вида
использованных контуров и числа ступеней. Так, у одиночных ре¬
зонансных контуров ширина полосы двухкаскадного усилителя со¬
ставляет 0,64 полосы одиночного каскада, а ширина полосы трехкас¬
кадного усилителя составляет лишь 0,51 полосы одиночного каска¬
да. Отсюда следует, что при заданной требуемой полной ширине по¬
лосы пропускания полоса каждого каскада должна быть соответст¬
венно больше.
Аналогично можно показать, что у двухзвенных фильтров с оди¬
наковыми добротностями контуров н оптимальной связью ширина
полосы пропускания двухкаскадного и трехкаскадного усилителей
составляет соответственно 0,80 и 0,71 полосы одиночного каскада.
И в этом случае при заданной требуемой полной ширине полосы про¬
пускания ширина полосы каждого каскада должна быть большей.
Из рассмотренных свойств синхронных усилителей следует, что
они могут быть применены в том случае, когда нет необходимости ис¬
пользовать полную площадь усиления каждого каскада. Поэтому
метод синхронной настройки применяется для узкополосных усили¬
телей.
Что такое асинхронный усилитель?
Асинхронным усилителем обычно называют многокаскадный
усилитель, в котором отдельные каскады не одинаковы, как у син¬
хронного усилителя, а отличаются друг от друга частотой настройки,
а иногда и шириной полосы. Усилители, настроенные асинхронно,
позволяют получить большее усиление и лучшую избирательность,
чем усилители, настроенные синхронно, и, кроме того, дают воз¬
можность формирования частотной характеристики другим спосо¬
бом. Последнее свойство имеет большое значение для широкополос¬
ных усилителей, которые в зависимости от применения могут
иметь частотные характеристики плоские, равномерно волнистые
или максимально соответствующие линейной фазе.
Метод асинхронной настройки применяют в сновном для широ¬
кополосных усилителей исходя из возможности получения большего
усиления при заданной ширине полосы, чем при использовании мето¬
да синхронной настройки.
213
Как работает асинхронный усилитель?
Рассмотрим простейший асинхронный усилитель, состоящий
из двух усилительных каскадов (рис. 9.11). Каждый каскад содер¬
жит резонансный контур, настроенный на разную частоту по принци¬
пу асинхронной настройки. Исходя из существования в асинхрон¬
ном усилителе по крайней мере двух резонансных частот усилители
этого типа называют ыногорезонаисными усилителями или усилите¬
лями с расстроенными контурами. На рис. 9.12 представлены амп¬
литудные характеристики отдельных каскадов и результирующая
характеристика всего усилителя. Каждый каскад усиливает сигнал
в определенной полосе частот относительно частоты настройки ре-
Рис. 9.12. Амплитудные харак¬
теристики асинхронного усили¬
теля с двумя расстроенными
контурами:
1,2 — отдельных каскадов; 3 —
результирующая
Рис. 9.13. Амплитудные ха¬
рактеристики асинхронного
усилителя с тремя расстро¬
енными контурами:
1, 2, -3 — отдельных каскадов;
4 — результирующая харак¬
теристика
зонансного контура. При соответствующем выборе ширины полос
контуров результирующая характеристика имеет плоскую вершину
и форму, соответствующую амплитудно-частотной характеристике
одного каскада с двухзвенным фильтром с оптимальной связью.
Аналогичным образом может быть выполнен трехкаскадный
усилитель. В этом случае результирующая характеристика
(рис. 9.13) образуется путем суммирования характеристик трех ре¬
зонансных контуров, один из которых с меньшей добротностью на¬
214
строен на среднюю частоту усилителя, а два других с большей доб¬
ротностью на частоты, лежащие симметрично ннже и выше этой
частоты. Результирующая характеристика соответствует ампли¬
тудно-частотной характеристике одного каскада с трехзвенным
фильтром. На основании рассмотренных случаев можно сделать
вывод, что в многорезонансном усилителе для получения симмет¬
ричной амплитудно-частотной характеристики отдельные каскады
должны быть сгруппированы в пары с одинаковой добротностью и
резонансными частотами, симметричными относительно средней час¬
тоты/3. При нечетном числе каскадов один кз них должен быть на¬
строе;! на среднюзо частоту/0.
В результате расстройки контуров в многокаскадном усилите¬
ле получают усилитель, полосовые свойства и форма частотной ха¬
рактеристики которого соответствуют каскадам с двух-, трех- и
я-звеннымн фильтрами. Что касается усиления, то оно больше, чем
усиление синхронной схемы, имеющей ту же самую ширину полосы
пропускания.
Как работает усилитель с расстроенными
двухзвенными фильтрами?
При каскадном включении усилительных каскадов с двухзвен*
ными фильтрами происходит, как известно, уменьшение результи¬
рующей ширины полосы пропускания усилителя, в связи с чем для
получения заданной ширины полосы каждый каскад должен иметь
соответственно большую полосу.
Это отрицательно влияет на об¬
щий коэффициент усиления Dccro
усилителя.
Для поддержания на макси¬
мальном уровне произведения ко¬
эффициента усиления на ширину
полосы пропускания применяют
метод различного формирования
характеристик отдельных каска¬
дов, так чтобы при их пересчете
результирующая характеристика
была максимально плоской. По
аналогии с многорезонансными
усилителями (с расстроенными
контурами) этот метод называют
методом расстройки полосовых
фильтров, хотя он основан не на
настройке отдельных фильтров
на разные частоты, а лишь в
обеспечении у них разного зату¬
хания.
Способ получения максималь¬
но плоской амплитудной харак¬
теристики из трех различных характеристик отдельных каскадов в
трехкаскадном усилителе с двухзвенными фильтрами показан на
рис, 9.14. Видно, что в одном из каскадов фильтр имеет оптимальную
связь, в другом — сильнее оптимальной, в третьем — более слабую,
чем оптимальная.
Рис. 9.14. Амплитудные харак¬
теристики с тремя двухзвенны¬
ми фильтрами при различной
спязи:
1 — х<Хопт: 2 —х=хопт; 3 —
х>Хонт; 4 — результирующая
характеристика
215
Что такое усилители высокой
и промежуточной частот?
Усилители высокой и промежуточной частот являются полосо¬
выми усилителями, применяемыми в приемных устройствах, напри¬
мер в радиоприемнике, телевизоре, радиолокационном приемнике
и т.п., которые работают иа принципе преобразования частоты
(см. гл. 11).
Усилитель высокой частоты служит для усиления слабых сиг¬
налов, принятых антенной, и поэтому должен иметь малые шумы.
Ширина полосы пропускания усилителя высокой частоты может
быть различной в зависимости от назначения приемника: от несколь¬
ких килогерц в радиовещательном приемнике сигналов с амплитуд¬
ной модуляцией до нескольких мегагерц в телевизионном приемни¬
ке. Усилители высокой частоты обычно являются настраиваемыми.
Усилители промежуточной частоты служат для усиления сигна¬
ла промежуточной частоты, полученной в результате преобразова¬
ния сигнала высокой частоты. Основными параметрами этого усили¬
теля являются коэффициент усиления и избирательность. Последняя
обеспечивается путем соответствующего подбора фильтров. Напри¬
мер, в телевизионном приемнике — это многозвенные фильтры или
расстроенные двухзвенные фильтры, которые являются нагрузкой
отдельных каскадов многокаскадного усилителя.
Что такое резонансный усилитель,
работающий в режиме класса С?
Резонансный усилитель класса С является высокочастотным уси¬
лителем мощности, предназначенным прежде всего для усиления
несущей частоты передатчиков. В зависимосости от типа передатчи¬
ка усилители класса С обеспечивают мощности от нескольких ватт
до нескольких сотен киловатт. Нагрузкой усилителя обычно служит
соответствующим образом согласованная передающая антенна.
Усилитель класса С может быть создан на транзисторе или на лам¬
пе, причем выбор одного из этих активных элементов зависит от
вида устройства и заданной выходной мощности. Самые мощные
усилители обычно выполняют на лампах.
Как работает усилитель класса С?
Схема усилителя мощности класса С похожа на схему резонанс¬
ного усилителя напряжения. Рассмотрим ламповую схему, представ¬
ленную на рис. 9.15. Анодное напряжение подводится через дроссель
высокой частоты, а резонансный контур развязан от анода конден¬
сатором. Передача мощности в нагрузку осуществляется обычно на
принципе использования индуктивной связи. Одновременно эта
связь служит для энергетического согласования нагрузки с лампой.
Принципиальная разница между усилителем напряжения и
усилителем мощности класса С состоит в том, что лампа в усилителе
мощности работает при большем отрицательном напряжении на сет¬
ке, чем напряжение отсечки анодного тока. В результате, если на
сетку подается переменное напряжение, анодный ток будет проте¬
кать в виде импульсов, длительность которых меньше половины пе¬
риода частоты напряжения, подведенного к сетке. Из-за того что
21.6
резонансный контур настроен па частоту возбуждающего усилитель
напряжения, усиливаться будет лишь основная составляющая
возбуждающего напряжения. Поскольку высшие гармоники этого
напряжения сильно подавляются резонансным контуром, напря¬
жение на контуре имеет сину¬
соидальную форму, а его ча¬
стота равна частоте возбуж¬
дающего напряжения.
Отрицательное постоянное
напряжение на сетке обычно
получают в схеме так называе¬
мого «динамического минуса»,
возникающего благодаря про¬
теканию сеточного тока, кото¬
рый заряжает конденсатор Сс.
Конденсатор Сс разряжается
через резистор Rc. Если по¬
стоянная времени RcCc велика
по сравнению с периодом уп¬
равляющего напряжения, постоянное отрицательное напряжение
на сетке почти равно амплитуде управляющего напряжения.
Какое основное преимущество
усилителя класса С?
Основным преимуществом усилителя класса С является его вы¬
сокий КПД, равный отношению выделенной в нагрузке мощности к
мощности, подводимой от источника питания.
Высокий КПД усилителя класса С является результатом того,
что анодный ток протекает импульсами в моменты, когда мгновенное
падение напряжения на лампе мало. Коэффициент полезного дейст¬
вия тем выше, чем меньше та часть периода, в течение которой проте¬
кает ток. Если время протекания тоже очень мало, КПД может приб¬
лижаться к 100%. Одновременно снижается отдаваемая выходная
мощность. Поэтому обычно выбирается компромисс между высоким
КПД и отдаваемой мощностью, в связи с чем получаемые на практи¬
ке значения КПД лежат в пределах 60—80%.
Высокий КПД усилителя класса С имеет существенное значение
при больших мощностях, когда КПД 1% может соответствовать ки¬
ловаттам подведенной к усилителю мощности.
Рис. 9.)5. Усилитель мощности
класса С
Что такое умножитель частоты?
Умножитель частоты — разновидность усилителя класса С, в
котором анодный резонансный контур настроен на другую частоту,
отличную от частоты возбуждающего напряжения. Поскольку им¬
пульсы анодного тока усилителя класса С содержат много гармоник,
путем соответствующей настройки анодного контура, например на
вторую или третью гармонику, можно получить на выходе усили¬
теля полезную мощность с удвоенной или утроенной частотой воз¬
буждающего напряжения.
Умножители частоты часто используются в измерительных ге¬
нераторах, устройствах радиосвязи и передатчиках.
217
ГЛАВА 10
ГЕНЕРАТОРЫ
Что такое генератор?
Генератор — это устройство, служащее для генерирования
переменных колебаний без подведения извне какого-либо возбуж¬
дающего сигнала. По существу генератор преобразует энергию
постоянного тока в энергию переменного тока1.
На какие основные группы можно
разделить генераторы?
Генераторы в зависимости от формы генерируемого колебания
могут быть разделены на две основные группы. Различают генерато¬
ры синусоидальных и несинусоидальных колебаний (например,
прямоугольных, треугольных колебаний и т. п.). Последние из¬
вестны под названием релаксационных генераторов.
Какими параметрами характеризуется
генератор?
К наиболее важным параметрам генератора относятся частота,
ее стабильность, форма генерируемого колебания, мощность колеба¬
нии. Иногда имеет значение диапазон перестройки генератора. Не
все параметры одинаково важны; значение каждого из них зависит
от применения генератора. Например, генератор, задающий несу¬
щую частоту радиопередатчика, является генератором малой мощ¬
ности, но с высокой стабильностью. В свою очередь генератор, пред¬
назначенный для нагрева, например, индуктивной или электриче¬
ской печи, обычно имеет большую мощность, около 10—20 кВт, но
требования к стабильности в этом случае невысокие.
Как можно разделить генераторы
синусоидальных колебаний?
Принципиальный критерий — вид электрического контура,
определяющего частоту колебаний. Существуют генераторы с- LC-
и /?С-элементами, а также электромеханические генераторы. В за¬
висимости от механизма возникновения колебаний и цепи ОС гене¬
раторы подразделяются на генераторы с внешней и внутренней ОС,
т. е. с использованием отрицательного сопротивления некоторых
активных элементов, например тетрода или туннельного диода.
Последние применяют относительно редко. В зависимости от ви¬
да используемого активного элемента генераторы делятся на лампо¬
вые и транзисторные.
1 В параметрических генераторах происходит преобразование энергии од-
not'» частоты в энергию колебаний другой частоты. — Прим. ред.
218
Как действует простейший генератор
на резонансном контуре?
Простейшим генератором является сам контур, состоящий из
индуктивности L и емкости С и не взаимодействующий непосредст¬
венно с активным элементом. В LC-контурах при соответствующих
условиях могут возникать свободные собственные колебания, осцил¬
ляции. Основой работы генератора такого типа является эффект
накопления энергии резонансным контуром.
Рассмотрим резонансный (колебательный) контур, представлен¬
ный на рис. 10.1, а. Предположим, что конденсатор С заряжен до
напряжения батареи Б. Допустим, что конденсатор разряжается
через катушку индуктивности после размыкания ключа Ki и замы-
Рис. 10.1. Колебательны:! контур (а) и форма затухающих колеба¬
ний (б)
калия ключа К2. При разряде конденсатора через катушку энергия
электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного
поля катушки. В результате явления самоиндукции в катушке воз¬
никает электродвижущая сила, которая поддерживает ток в конту¬
ре и перезаряжает конденсатор. В свою очередь конденсатор снова
разряжается через катушку, и процесс повторяется сначала. Если
бы контур был идеальным (без потерь), колебания в контуре имели
бы чисто синусоидальную форму и длились бы бесконечно долго.
В действительности катушка выполнена из провода и имеет не¬
которое сопротивление потерь R. Это сопротивление при протекании
тока вызывает потерю мощности. Иначе говоря, часть электрической
энергии контура преобразуется в резисторе в тепловую энергию
и не может быть использована другим способом. Поскольку в про¬
цессе каждой разрядки часть энергии теряется, конденсатор уже
не может зарядиться до первоначального напряжения. В результате
заряд, а отсюда и максимальное напряжение па конденсаторе умень¬
шаются с каждым периодом. Поэтому в контуре возникают колеба¬
ния в виде затухающей синусоиды (рис. 10.1, б). Когда вся подведен¬
ная к контуру энергия преобразуется в резисторе в тепловую энер¬
гию, колебания прекращаются.
219
Частота колебаний в контуре в первой приближении равна его
резонансной частоте / = 2 я~\/lC. Амплитуда колебаний зависит
от энергии, подведенной вначале к контуру, а скорость убывания
(затухания) — от сопротивления потерь в контуре.
Как действует LC-генератор с внешней ОС?
В LC-генераторах всегда используются свойства параллельного
резонансного контура, в котором при соответствующих условиях
могут возникнуть затухающие колебания. Явление затухания, вы¬
званное сопротивлением в контуре, возникают уже в первом периоде
работы, как только через катушку начинает протекать ток. Поэтому
амплитуда напряжения во втором периоде уже меньше, чем началь¬
ная амплитуда.
Для получения постоянной амплитуды колебаний (или поддер¬
жания незатухающих колебаний в контуре) необходимо в каждый
период пополнять энергию, теряемую в контуре, от внешнего источ¬
ника питания с помощью усилителя с ПОС.
Ко входу усилителя, взаимодействующего в составе генератора,
подводится часть сигнала, действующего в резонансном контуре.
Полярность этого сигнала должна быть подобрана таким образом,
чтобы выходной сигнал усилителя был в фазе с сигналом в резонанс¬
ном контуре. Усиленное напряжение подводится непосредственно
к резонансному контуру. Усилитель должен поставлять энергию
в контур только в течение небольшой части периода. Эту задачу
лучше всего выполняет усилитель класса С. Во время коротких пе¬
риодов проводимости активного элемента протекающий через уси¬
литель ток дает энергию, обеспечивающую требуемые условия рабо¬
ты контура. Легко видеть, что усилитель (транзистор) действует
как ключ, автоматически размыкаемый и замыкаемый генерируемым
напряжением.
Как уже указывалось в гл. 8, ПОС должна быть такой, чтобы
удовлетворялось условие баланса амплитуд. Следует добавить, что
переход к работе в классе С должен происходить автоматически
с помощью RC-цепи во входной цепи, для того чтобы было возможно
самовозбуждение колебаний.
Что такое генератор с индуктивной ОС?
Принципиальная схема генератора с индуктивной ОС показана
на рис. 10.2. Характерной особенностью этого генератора являются
две катушки, из которых одна совместно с подключенным параллель¬
но конденсатором образует колебательный контур. Конденсатор мо¬
жет быть подключен к катушке в цепи базы либо в цепи коллектора.
Вторая катушка является катушкой связи, се задача состоит в пере¬
даче части энергии с выхода на вход схемы. Обратная связь в схеме
должна быть положительной. Будет ли ОС положительной, зависит
от относительного направления навивки катушек. В общем можно
принять, что если катушки навиты в одном направлении, то одна
из них должна иметь обращенные концы. Степень ОС зависит от
взаимной индуктивности М между катушками. Рост М, а следова¬
тельно, и коэффициента связи % вызывает увеличение ОС.
При подведении к схеме напряжения питания начинает заряжать¬
ся конденсатор резонансного контура и в схеме возникают колеба-
220
ння После возбуждения колебаний схема автоматически переходит
в режим работы в классе С.
Работу в классе С обеспечивает схема динамического смещения
базы, содержащая резистор и конденсатор Ct Если амплитуда
колебаний возрастает, то увеличивается постоянное напряжение на
конденсаторе Ct и уменьшается п последующих периодах угол (вре¬
мя) протекания тока коллектора. Генератор работает в установив¬
шемся режиме, если потери в контуре уравновешиваются выходной
мощностью переменного тока в транзисторе. Потери в рассматривае¬
мом схеме включают в себя поте¬
ри в транзисторе, катушке в це¬
пи коллектора, резонансном кон¬
туре и ограничивающем сопротив¬
лении Последним является эмит¬
тер ный резистор, который огра¬
ничивает до безопасного значе¬
ния ток в первый момент после
включения схемы.
Схема дополнительного сме¬
щения базы стабилизирует выход¬
ное напряжение генератора. Ча¬
стота колебаний в генераторе с
индуктивной ОС близка к резо¬
нансной частоте контура и может
изменяться путем изменения ем¬
кости конденсатора.Процесс из¬
менения частоты колебаний пу¬
тем изменения значений элемен¬
тов контура называется перестройкой генератора. Выходное иапря
жепис генератора обычно снижается посредством конденсатора
связи, подключенного к коллектору транзистора, либо третьей
обмотки трансформатора
Рис 10.2 Принципиальная схе¬
ма генератора с нндуктшшоП
ОС
Каковы схемные варианты генератора
с индуктивной ОС?
Существует много схемных разновидностей генератора с индук¬
тивной ОС, отличающихся размещением резонансного контура, спо¬
собом питания, схемой работы активного элемента, самим активным
элементом и т. п
На рис. 10 3 изображено несколько вариантов схем. Особого
внимания заслуживает схема на рис 10 3, а, в которой база тран¬
зистора питается переменным напряжением с части обмотки катушки
резонансного контура. Такое включение предотвращает демпфиро¬
вание резонансного контура транзистором.
Некоторые из представленных схем запитываются последова¬
тельно, другие параллельно В схеме с последовательным питанием
постоянная составляющая тока коллектора протекает через одну из
катушек генератора При параллельном питании постоянная состав¬
ляющая тока коллектора не протекает через катушки, так как она
отделена с помощью шунтирующего конденсатора Сш. Последова¬
тельно с коллектором включен высокочастотен дроссель, который
обеспечивает большое сопротивление между коллектором и массой
В схеме на рис. 10.3, б подстроечный конденсатор находится
в цепи коллектора. Недостатком такого решения является высокий
221
потенциал конденсатора относительно массы. В этом случае подст*
роечный конденсатор и его ось должны быть изолированы от мон¬
тажной платы (шасси).
Ч)
г)
Рис. 10.3. Схемы гсиератороп
с индуктивной ОС:
а — с контуром в цепи базы
транзистора; ц — с перестраи¬
ваемым контуром п цепи кол¬
лектора и последовательным
питанием; в — схема с парал¬
лельным питанием; г — генера¬
тор по схеме с ОБ; О — лам¬
повый генератор с параллель¬
ным питанием
Что такое трехточечный генератор
с индуктивной ОС?
Схема подобного генератора изображена на рис. 10.4, а. Это од¬
на из наиболее часто используемых схем. Трехточечный генератор
с индуктивной ОС характеризуется использованием в настраивае¬
мом контуре разделенной катушки L. Отсюда происходит и другое
222
название трехточечного генератора ■— генератор с разделенной ин¬
дуктивностью. Из эквивалентной схемы (рис. 10.4, б) следует, что
одна часть катушки (L2 + М) включена между базой и массой,
а другая (Lt -f М) — между коллектором и массой. Следовательно,
обе части катушки L совместно с конденсатором С образуют четы¬
рехполюсник, соединяющий коллектор с базой. Можно показать,
что сдвиг фазы между напряжением на коллекторе и напряжением
на базе или между входом и выходом четырехполюсника составляет
180° *, что необходимо для поддержания колебаний. Усиление в схе¬
ма включения контура
ме зависит от коэффициента передачи по току транзистора. Обычно
отвод выполняется на V10 длины всей катушки. Остальные элементы
схемы на рис. 10.4 выполняют те же функции, что и генератор
с индуктивной ОС. Резисторы Rlt R3 и конденсатор Ct образуют
цепь смещения. Конденсатор С2 заземляет по переменному току
отвод катушки, а резистор /?э цепи эмиттера ограничивает ток кол¬
лектора до безопасного максимального начального значения. Не¬
смотря на последовательное питание, в схеме имеется высокочастот¬
ный дроссель, который разделяет резонансный контур и положи¬
тельный зажим источника напряжения питания.
При сохранении высокой добротности катушки частота генера¬
тора выражается формулой /0 = М(22Ь~\/ЬС) и, следовательно, не
зависит от расположения вывода на катушке индуктивности.
Другие варианты трехточечного генератора с индуктивной ОС
показаны на рис. 10.5. Схема на рис. 10.5, а также питается последо¬
вательно, однако перестраиваемый конденсатор заземлен, поэтому
в отличие от предыдущей схемы нет необходимости в его полной
изоляции от массы.
* В этом случае выполняется условие баланса фаз. — Прим. ред.
223
В схеме на рис. Ю.5,*б используется дополнительный отвод на
катушке, чтобы препятствовать демпфирующему действию транзи¬
стора и, следовательно, получить большую добротность. Трехто¬
чечные генераторы с индуктивной ОС на полевом транзисторе н
электронной лампе представлены соответственно на рис. i0.5, в, г
Рис. 10.5. Трехточечные схемы генераторов с индуктивной ОС:
а — с последовательным питанием п заземленным перестраи¬
ваемым конденсатором; б — с дополнительным выводом ка
тушки; в ~ па полевом транзисторе; г — па электронной
лампе
Что такое трехточечный генератор
с емкостной ОС?
Емкостная трехточечная схема генератора (рнс 10.6, а) не¬
сколько отличается от индуктивной. Разница заключается в том,
что в емкостной трехточечной схеме в качестве делителя исполь¬
зуется конденсатор, а не катушка индуктивности. Подобный гене¬
ратор также называют генератором с разделенной емкостью. На
практике разделение конденсатора сводится к использованию двух
последовательно включенных конденсаторов Из эквивалентной
схемы (рнс. 10 6, б) следует, что четырехполюсник, включенный
между коллекторов и базой и инвертирующий фазу выходного на¬
пряжения, состоит из индуктивности L и конденсаторов и С2
Действующее на конденсаторе Сг напряжение подводится к базе н
после усиления предназначено для поддержания колебаний в схеме.
224
Емкость конденсатора С4 обычно равна емкости конденсатора С2.
Частота колебании зависит от индуктивности н эквивалентной ем¬
кости СЭ,(Ц — CiCV (Ci -г С2) согласно формуле /0 = 1/(2л"1/1СЭкВ).
Перестройка генератора возможна путем одновременного изменения
емкости обоих конденсаторов, поскольку отношение этих емкостей
S)
К дозе i Н коллектору
Рис 10.(1 Трехточечнмй генератор с емкостной ОС:
а электрическая схема; 6 — эквивалентная схема
включения контура
Рис. 10 7 Трехточечиые схемы генераторов с емкостной ОС:
а — с одиночным перестраиваемым контуром; б — на полевом
транзисторе; в — па электронной лампе
8 Зак. 1606
225
должно поддерживаться постоянным. Существуют также схемы
с одиночным подстроечным конденсатором.
Другие варианты трехточечного генератора с емкостной ОС
изображены на рис. 10.7. Схема на рис. 10.7, а содержит одиночный
подстроечный конденсатор. Конденсаторы Ct и С2 обеспечивают
соответствующий делитель напряжения. Схема с параллельным пи¬
танием представлена на рис 10.7, б. Конденсатор Ct в этой схеме
используется учитывая механическую симметрию схемы.
В чем разница между генератором по схеме
Клаппа и трехточечным генератором с емкостной
связью?
Разница между этими генераторами минимальна. Генератор
Клаппа (рис. 10.8) является модификацией трехточечного генератора
с емкостной ОС, заключающийся в использовании подстроечного
конденсатора Сэ, включенного последовательно с катушкой индук¬
тивности контура. Конденсаторы Сг и С2 образуют емкостный дели¬
тель напряжения, как в генераторе по трехточечной емкостной
схеме.
Что таксе генератор с резонансными
контурами на входе и выходе?
Схема такого генератора показана на рис. 10.9. Он содержит
два резонгксных контура: один в цепн базы транзистора, другой —
в цепн коллектора. Связь между контурами устанавливает резуль¬
тирующая емкость между коллектором и базой. Эта емкость состоит
из обратной емкости транзистора и дополнительной внешней емкос¬
ти. Колебание в схеме возникает в том случае, когда оба резонансных
контура будут иметь сопротивление индуктивного характера. Это
означает, что резонансные частоты контуров несколько выше, чем
ре зона исная частота колебаний схемы. С учетом этого свойства схему
можно свести к схеме трехточечного генертатора с индуктивной
связью.
Рис. 10.8. Генератор Клаппа
Рис. 10.9. Генератор с резонансным
контуром на Еходе и выходе
226
Какие факторы вызывают нестабильность
частоты?
На нестабильность частоты генераторов влияют много факторов,
Иаиважнейшими из которых являются температура, влажность,
напряжение питания, недостаточная добротность контура и механи¬
ческие воздействия. Изменения температуры вызывают механиче¬
ские напряжения и деформации в катушке индуктивности и конден¬
саторе, которые имеют непосредственное влияние на параметры этчх
элементов. Аналогично влажность, влияя в основном на диэлектри¬
ческую проницаемость диэлектрика конденсатора, вызывает изме¬
нение его емкости.
Колебания напряжения питания вызывают изменения частоты,
связанные с изменением параметров транзисторов, ламп и других
активных элементов, а также изменение амплитуды колебании и свя¬
занную с этим возможность появления нелинейных эффектов. Мож¬
но показать, что стабильность частоты генератора в большой мере
зависит от добротности Q резонансного контура. Если добротность
контура слишком мала из-за неправильного конструирования ка¬
тушки индуктивности либо уменьшилась из-за нагрузки генератора
слишком малым сопротивлением, то при этом увеличивается нес¬
табильность частоты.
Изменения частоты генератора могут происходить также под
влиянием внешних механических сил, например ударов или вибра¬
ций. Вибрации могут вызывать модуляцию частоты генератора.
Как можно повысить стабильность частоты
генератора?
Стабильность частоты генератора можно повысить путем устра¬
нения или уменьшения факторов, вызывающих нестабильность.
В связи с этим следует использовать стабилизацию напряжения
питания, обеспечить высокую добротность колебательного контура,
изменив каскад, развязывающий нагрузку от генератора, и защитить
схему от механических воздействий, используя, например, антивиб¬
рационную подвеску некоторых элементов. Кроме того, можно обес¬
печить температурную компенсацию, заключающуюся в использо¬
вании элементов контуров с такими зависимостями параметров от
температуры, что изменение одного компенсируется изменением
другого. Иногда достаточно использовать элементы с малыми тем¬
пературными коэффициентами. LC-генератор, выполненный без
специальных мер повышения стабильности частоты, имеет стабиль¬
ность около Ю"3 — 10-4. При тщательном исполнении можно полу¬
чить стабильность порядка 10~5.
На чем основана автоматическая регулировка
амплитуды колебаний?
Амплитуда колебаний генератора, особенно перестраиваемого,
ие является постоянной, а подвержена колебаниям в зависимости
от питающего напряжения, диапазона перестройки и т. п. Для под¬
держания постоянной амплитуды иа выходе генератора применяют
специальные схемы, обычно называемые схемами автоматической
регулировки амплитуды (АРА).
8*
227
Принцип работы схемы АРА представлен на рис 10 Ю Сигнал
Генератора усиливается с помощью усилителя, а затем детектирует¬
ся. Полученное напряжение используется для изменения рабочей
точки генератора путем изменения тока эмиттера, а следовательно,
и крутизны характеристики транзистора Из-за наличия регули¬
рующего напряжения, зависящего от выходного сигнала, можно
обеспечить такие условия работы генератора, при которых каждое
изменение уровня выходного сигнала за счет ООС будет автомати¬
чески вызывать изменение в противоположном направлении и под¬
держивать тем самым выходной уровень как можно более постоян¬
ным.
Рис. 10.10, Структурная схема аптомятичсскоЛ регулировки
амплитуды
Постоянная времени цепи регулировки определяется фильтр.ом
нижних частот, включенным между детектором и генератором.
Следует добавить, что генератор, работающий по схеме с АРА,
является генератором, модулируемым сигналом ошибки
Что такое кварцевый генератор?
Кварцевый генератор является генератором синусоидальных
колебаний, относящимся к группе электромеханических генерато¬
ров. В генераторах этого типа частота определяется кварцем, свя¬
занным с электрической схемой генератора
Для кварцевого генератора резонатором является пластинка,
вырезанная соответствующим образом из кристалла кварца. Кварц
относится к кристаллическим материалам, обладающим пьезоэлект¬
рическими свойствами Пьезоэлектрический эффект состоит в том,
что механические напряжения, вызванные воздействием внешних
сил, приводят к появлению на пластинке, выполненной из кварца,
электродвижущей силы Наблюдается также обратное явление,
основанное на том, что подводимое напряжение создает механиче¬
ские напряжения Если в посеребренной с двух сторон и располо¬
женной в соответствующей оправе кварцевой пластинке посредством
электрического импульса вызвать механические колебания, то на
се обкладках возникает переменное электрическое напряжение
Частота изменений этого напряжения равна частоте собственных
колебаний пластинки Пластинка ведет себя аналогично резонанс¬
ному контуру Добротность Q этого резонансного контура очень
велика — десятки тысяч. Благодаря высокой добротности кварце¬
вого резонатора стабильность частоты кварцевых генераторов очень
высока
228
На рис; 10.11 изображена простая схема кварцевого генератора.
Эта схема очень похожа на схему генератора с резонансными конту¬
рами на входе и выходе с той разницей, что входной резонансный
контур заменен кварцем.
Механизм возникновения колебаний в схеме таков: произволь¬
ная электрическая флуктуация (результат включения питающих
напряжений) вызывает возникновение колебаний в резонансном
контуре и передачу их через емкость Сг на кварц. Возбуждаемая
таким образом кварцевая пластина управляет (посредством возни¬
кающего на ее зажимах переменного напряжения) напряжением на
базе транзистора. Это напряжение после его усиления поддержи¬
вает колебания в цепи коллектора.
От чего зависят свойства кварцевого
резонансного контура?
Свойства кварцевого резонансного контура зависят прежде
всего от типа среза, размеров и условий работы.
Кристалл кварца (кристаллическая модификация кремнезема —
Si02) имеет вид шестигранной пирамиды (рис. 10.11). Из его сере¬
дины вырезают пластины кварца. Различают различные типы срезов
кристалла в зависимости от того, как ориентирована пластинка от¬
носительно осей кристалла. Как видно из рис. 10.12, существуют
три главные взаимно перпендикулярные оси, обозначаемые буква¬
ми X, Y и Z. Ось Z называется оптической осью кристалла. Трн осн
X, проходящие через каждую пару противолежащих вершин шести¬
угольника, — электрические оси, а три оси Y, проходящие через
каждую пару противоположных граней, — механические. Если
пластинка кварца вырезана таким образом, что ее наибольшая
поверхность перпендикулярна оси X, это означает, что использован
срез X. Соответственно существует срез Y. Срезы под углом к оси
Z обозначаются двумя буквами, например АТ, ВТ и др. От типа
Z
К
Рис. 10.11. Кварцевый
генератор с кварцем
в цепи базы
Рис. 10. !2. Кристалл
кварца
229
Среза зависит пригодность кварца для работы в различных диапа¬
зонах частот, температурный коэффициент частоты, возможность
использования в фильтрах и т. п. Например, пластины кварца,
полученные из среза X, обладают отрицательным температурным
коэффициентом. Это означает, что если температура окружающей
среды возрастает, частота генератора убывает. Пластины кварца,
полученные из срезов под углом к оси Z, в некотором интервале из¬
менений температуры имеют нулевой температурный коэффициент.
Если требования к стабильности частоты генератора велики, то
кварц должен быть помещен в термостат, внутри которого поддер¬
живается постоянная температура. При этом можно получить ста¬
бильность лучше, чем 10~8 (даже 10~8). На основе таких генерато¬
ров создаются эталоны (стандарты) частоты и кварцевые часы.
Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура (а) и со¬
ответствующее ей изменение реактивной проводимости (.0)
Кварцевая пластина может быть представлена в виде эквива¬
лентной схемы (рис. 10.13, а). Это схема, в которой механические
параметры кварца заменяются электрическими эквивалентами.
Так, индуктивность Lm — электрический эквивалент массы, ем¬
кость Ст — гибкости (упругости); сопротивление Rm представ¬
ляет противодействие перемещению, вызываемому трением в кри¬
сталле. Емкость С0 является емкостью между проводящими пласти¬
ками, присоединенными к кварцу. В схеме имеются два резонанса:
последовательный н параллельный (рис. 10.13, б). Резонансные час¬
тоты кварца обратно пропорциональны его размерам и толщине.
Размеры типового кварца на частоту 428 кГц — 2,75 X 3,33 X
X 0,636 см. Параметры элементов эквивалентной схемы составляют:
С0 = 5,8. пФ; Ст = 0,042 пФ, Lm = 3,3 Гн; Q = 23 000.
Кварцевые пластины (кварцевые резонаторы) изготавливаются
на частоты от 2 кГц примерно до 35 МГц. Возможно также изготов¬
ление кварцев, работающих на более высоких частотах, даже до
150 МГц. Однако в этом случае генераторы работают на так называе¬
мых «обертонах», т. е. на частотах колебаний, почти в точности рав¬
ных гармоническим частотам основной частоты.
Что такое кварцевый генератор Пирса?
Схема генератора Пирса представлена на рис. 10.14. Генератор
Пирса является разновидностью генератора с емкостной связью.
Кварцевый резонатор работает на частоте, близкой к частоте парал¬
лельного резонанса, и имеет индуктивное реактивное сопротивле¬
ние Два конденсатор; Сг и С2 образуют емкостный делитель.
230
Генератор Пирса очень удобен для применения D многоканаль¬
ных передатчиках, стабилизированных кварцем, поскольку не тре¬
бует подстройки контура при смене кварца.
Что такое ЯС-генератор?
Это генератор, в котором не содержатся резонансные контуры
LC, а цепь, определяющая генерируемую частоту, состоит только из
элементов RC. Различают /?С-генераторы с фазосдвигающими и
мостовыми схемами. Обычно /?С-генераторы используются для по¬
лучения синусоидальных колебаний с частотами от долей герц
(например, 0,01 Гц) до нескольких десятков килогерц. Обычно верх¬
ний предел частоты не превышает 300 кГц. ЯС-генераторы характе¬
ризуются хорошей стабильностью, легко перестраиваются и позво¬
ляют получать колебания с очень низкими частотами. Реализация
LC-генератора, генерирующего колебания очень низкой частоты,
является не простым делом из-за трудностей, связанных с изготов¬
лением катушки с очень большой индуктивностью.
Что такое /?С-генератор с фазосдвигающей
цепью?
Схема генератора показана на рис. 10.15. В состав генерато¬
ра входит резистивный усилительный каскад, а также трехсекцион-
иая лестничная /?С-цепочка, включенная между выходом и входом
усилителя. Эта цепочка, находящаяся в петле ОС, вносит фазовый
сдвиг между выходным и входным напряжениями. Одним из услоЕнй
Рис. 10.14. Генератор Пирса
Рис. 10.13. RC-генератор с фазо-
сдвигающей цепыо
возникновения колебаний в схеме является фазовый сдвиг между этими
напряжениями, составляющий ISO °С. В рассматриваемой цепи по¬
добная ситуация может возникнуть только на одной частоте. Дей¬
ствие цепи легко можно понять, если принять во внимание, что каж¬
дая /?С-секция является простым фазовращателем, вносящим в пер¬
231
вом приближении сдвиг фазы 60° на рабочей частоте схемы. Трн
такие секции вносят, следовательно, требуемый сдвиг фазы 180°.
Поэтому ПОС является избирательной, и в связи с этим колебания
имеют синусоидальную форму.
Фазосдвигающая цепь вносит достаточно заметное затухание,
и поэтому коэффициент усиления транзистора должен быть соответ¬
ственно большим. Для /?С-цепи, состоящей из трех секций, коэф¬
фициент усиления должен составлять не менее 29. Тогда будет вы¬
полнено также второе условие возникновения колебаний — усло¬
вие баланса амплитуд.
При одинаковых сопротивлениях резисторов R и емкостей кон¬
денсаторов С частота колебаний генератора рассчитывается по фор¬
муле /= 1/(2я"1/б RC). Для изменения частоты колебаний достаточно
изменить сопротивление или емкость в фазосдвигающей цепи.
Что такое /?С-генератор с мостом Вина?
Общая структурная схема генератора мостового типа представ¬
лена на рис. 10.16. При соответствующем выборе параметров эле¬
ментов моста (#! = R2; Ri<iR3) напряжение на диагонали АВ
моста находится в фазе с напряжением на диагонали СО. Напряже¬
ние UAB управляет двухкаскадным усилителем без инверсии фазы
(фазовый сдвиг 360°), выход которого является источником сигнала,
подключаемого к одной диагонали моста.
Ц8ух каскадный
усилитель,
поворачивающий
сразу ка 350°
i
Рис. 10.16. Структурная схе¬
ма генератора мостового ти¬
па
Если коэффициент усиления достаточен, то в схеме выполняются
условия, необходимые для возникновения колебаний. Поскольку
схема является широкополосной и не выделяет какой-либо частоты,
генерируемое напряжение не имеет синусоидальной формы.
Если схема должна генерировать напряжение некоторой опре¬
деленной частоты, то ветвь моста с резисторами Rt и R2 должна
быть заменена избирательной схемой. Схема такого типа, образую¬
щей совместно с резисторами R3 и R* мост Вина-, представлена на
рис. 10.17, а. Резистор Rt заменен последовательной ЯС-цепочкой,
а резистор R2 — параллельной /?С-цепочкой. Условие соответствую¬
щей фазы напр-яжения, возбуждающего усилитель, выполняется
только на одной частоте / = 1/(2лрС). На других частотах имеет
место меньшее напряжение UАв, а его фаза отличается от желае¬
мой.
Схема генератора с мостом Вина изображена на рис. 10.17, б.
Резистор Rt в мостике заменен лампой накаливания с вольфрамо¬
вой нитью. Благодаря нелинейной вольт-амперной характеристике
232
лампы накаливания достигается автоматическая регулировка уси¬
ления и в результате — постоянная амплитуда колебаний.
Генератор с мостом Вина можно легко перестраивать с помощью
сдвоенного конденсатора переменной емкости, включенного в схему
вместо постоянных конденсаторов с емкостью С.
Рис. 10.17. Мост Вина (а) н схема генератора с мостом Вина (б)
Как получают несинусоидальные колебания?
Несинусоидальными колебаниями обычно называют колеба-
ния, форма которых отличается (сильнее или слабее) от синусоидаль¬
ной. Однако в импульсной технике название «несинусондальные»
относится к колебаниям, принципиальным образом отличающимся
от синусоидальных, например к прямоугольным или треугольным.
Существуют два способа получения несинусоидальных колеба¬
ний. Рассмотрим первый способ. Синусоидальное колебание сначала
подвергается ограничению (иногда многократному), обычно сопро¬
вождаемому усилением. В результате получается колебание, более
или менее близкое к прямоугольному, которое затем подвергают
линейному формированию в дифференцирующих или интегрирую¬
щих цепях. Таким способом, повторяя некоторые процессы формиро¬
вания и придавая им разную последовательность, можно получить
колебания различной формы (рис. 10.18): прямоугольные, пило¬
образные, трапецеидальные, импульсные и т. п.
Второй способ состоит в непосредственном генерировании неси-
иусоидальных колебаний. Общий принцип генерирования несину¬
соидальных колебаний, упрощенно представлен на рис. 10.19. Кон¬
денсатор С заряжается через сопротивление от источника постоян¬
ного напряжения при разомкнутом ключе К и разряжается через
ключ К, когда последний замыкают. Ключом может быть, например,
лампа нли транзистор. Размыкание ключа соответствует закрытому
состоянию, замыкание — открытому. Перевод лампы или транзи¬
стора в эти состояния осуществляется с помощью импульсов, под¬
веденных иэвие, либо в результате процессов, происходящих в схеме
самого генератора. Полученное таким образом пилообразное колеба¬
ние напряжения может быть использовано для получения других
колебаний в зависимости от схемы и ее параметров. Например,
233
в релаксационных генераторах изменение напряжения на заряжен¬
ном и разряженном конденсаторе может быть использовано для
получения на выходе прямоугольного колебания.
пл
п_л
Рис. 10.19. Общий принцип ге¬
нерирования нссинусопдальных
колебаний
Рис. 10.18. Формы колебаний,
полученные из синусоидальных
колебаний с использованием
линейных и нелинейных цепей
Линейность изменения напряжения на конденсаторе зависит
от постоянной времени цепи заряда и уровня напряжения, до кото¬
рого заряжается конденсатор. В общем можно сказать, что такое
изменение носит экспоненциальный характер.
Что такое релаксационные генераторы?
Это генераторы, создающие колебание с высоким содержанием
гармоник на принципе ПОС, действующей п широкой полосе час¬
тот. В генераторах синусоидальных колебаний ОС имеет избира¬
тельный характер, зависящий от резонансного контура. Чем больше
добротность контура (т. е. чем уже его полоса), тем форма синусои¬
дального колебания ближе к идеальной (содержит меньше гармоник).
Резонансная частота контура (обычно типа LC) определяет частоту
колебаний синусоидального генератора. В релаксационных генера¬
торах, работающих далеко от границы возникновения колебаний
в контуре, частота определяется временем заряда и разряда конден¬
сатора в PC-цепи. Самым простым типом релаксационного генера¬
тора является блокинг-генератор.
Как работает блокинг-генератор?
Блокинг-генератор «происходит» от генератора с индуктивной
ОС. Сильная ПОС между входом и выходом в одпокаскадной схеме
осуществляется путем применения трансформатора, переворачиваю¬
щего фазу на 1806.
На рис. 10.20 представлена ламповая схема блокннг-генера-
тора. Схема работает следующим образом. После подачи напряже-
234
иия питания начинает протекать анодный ток. Скачок напряжения
в момент включения передается во вторичную обмотку и вызывает
«возбуждение» сетки в направлении открывания. Это вызывает
дальнейший рост анодного тока до того момента, пока не появится
сеточный ток. После этого происходит падение анодного тока н
вызванное этим падение напряжения на сетке, приводящее к запи¬
ранию лампы. Во время протекания сеточного тока происходит за¬
рядка конденсатора С, который затем разряжается через R до уров¬
ня, соответствующего напряжению открывания лампы, при котором
Рис. 10.20. Схемы блокипт-геператора на лампе (а) и траигшеторе (б)
лампа снова начинает пропускать анодный ток, и процесс повто¬
ряется снова. Изменение напряжения на аноде и сетке лампы пред¬
ставлено на рис. 10.20, а.
Тр анзисториая схема блокинг-генератора показана на
рнс. 10.20, б. Работа схемы происходит почти так же, как и в лам¬
повом варианте. Большой ток базы вызывает зарядку конденсатора
С, разряжающегося затем в период запирания транзистора до уров¬
ня, при котором транзистор начинает снова проводить. Время от¬
крытого состояния транзистора зависит главным образом от транс¬
форматора. Время запирания ■— от постоянной времени /?С-цепи
базы. Следовательно, в данном генераторе частота повторения им¬
пульсов определяется постоянной времени RCt которую можно
регулировать, например, с помощью потенциометра.
Какую схему называют нестабильным
генератором?
Нестабильным генератором является любой генератор, не имею¬
щий устойчивого состояния. После каждого переброса в генераторе
возникают самопроизвольно (без внешнего воздействия) такие изме¬
нения, которые вызывают новый переброс, в свою очередь вызываю¬
щий следующий переброс, и т. д. Нестабильный генератор часто на¬
зывают автогенератором. Таким нестабильным генератором являет¬
ся рассмотренный выше блокинг-генератор. Существуют также и
другие типы нестабильных генераторов.
235
Чго такое автоколебательный
мультивибратор?
Мультивибратор — это релаксационный генератор, состоящий
из двух каскадов ftC-усилителей. Второй каскад переворачивает
фазу колебания, подводимого снова к первому каскаду. Таким обра¬
зом создается ПОС без использования трансформатора, как это имеет
место в случае блокинг-генератора.
На рнс. 10.21 изображен автоколебательный мультивибратор по
крестообразной схеме, т. е. анод первого каскада связан с сеткой вто¬
рого каскада, а анод второго каскада — с сеткой первого каскада.
Вторая связь является ПОС. Поскольку «идеальной» симметрии
Рис. 10.21. Схема лампового мультивибратора и формы напряже¬
ния на электродах
обоих плеч цепи не бывает, положим, что в начальный момент лам¬
па Лх закрыта и на конденсаторе Сх имеется большой отрицательный
заряд. На ее аноде действует в этом случае полное напряжение пи¬
тания. В это время лампа Лг отперта. Такое состояние не может со¬
храняться долго, так как конденсатор Сх разряжается через /?С1, в
результате лампа Лх начинает проводить. При этом напряжение на
аноде лампы Л! уменьшается, возникает увеличение отрицательного
напряжения на сетке лампы Л2 и рост напряжения на аноде лампы
Л2 и в результате увеличение напряжения на сетке лампы Л у. Поэ¬
тому ток лампы Лх еще больше возрастает, а ток лампы Л2 убывает.
В конце концов лампа Л2 запирается. С этого момента напряжение
на сетке лампы Лх быстро убывает, а на сетке лампы Л2 увеличи¬
вается. Когда оно достигает напряжения отсечки, лампа Л2 отпи¬
рается, а лампа Лх переходит в состояние запирания, и весь процесс
повторяется снова.
236
Автоколебательный муЛь'гивибратор иа транзисторе по схеме
со связью «крест-накрест» изображен на рнс 10.22. Схема работает
таким же образом, как и с лампами Однако следует подчеркнуть,
что из-за явлений, происходящих в полупроводнике, и их инерцион¬
ности форма получаемых колебаний несколько отличается от формы
колебаний в ламповой схеме В рассматриваемой схеме транзистор
работает в режиме переключения из состояния непроводимости в сос¬
тояние насыщения либо наоборот. Подобная работа транзистора
обсуждалась в гл. 4.
Как работает автоколебательный мультивибратор
в схеме с катодной (эмиттерной) связью?
На рис. 10.23 изображена схема мультивибратора на лампах
с катодной связью. Связь между анодом лампы Лх и сеткой лампы
Л2 такая же, как у мультивибратора со связью «крест-накрест».
Однако ПОС с лампы Л2 на Лх осуществляется с помощью общего
катодного резистора RK. Он одновременно устанавливает смещение
на сетках обеих ламп.
Работа схемы происходит следующим образом. Предположим,
что в момент включения (начальный момент) проводит лампа Л2.
Через некоторое время начинает отпираться лампа Лх. Напряжение
на ее аноде убывает, что вызывает падение напряжения на сетке
лампы Л2, которая запирается. В дальнейшем проводит лампа Л.\
Когда конденсатор связи разрядится настолько, что напряжение
на сетке лампы Лг возрастет выше напряжения отсечки (напряже¬
ния запирания), лампа Л2 начинает проводить ток. При этом уве¬
личиваются протекающий через резистор RH ток и падение напряже¬
ния иа этом резисторе, увеличивается отрицательное напряжение
на сетке лампы Лх и уменьшается ток лампы. Это приводит к увели¬
чению напряжения на аноде лампы Лг, передаваемого через конден¬
сатор на сетку лампы Л2. В результате возрастает анодный ток лам¬
пы, что приводит лампу Л± в состояние запирания. Таким образом,
произошел возврат к начальному Состоянию, после чего весь про¬
цесс повторяется снова.
Рис. 10.22. Схема транзи¬
сторного мультивибратора
Рис. 10.23. Схема мультиви¬
братора с катодной связью
237
В транзисторной схеме ПОС осуществляется с помощью общего
резистора, находящегося в эмиттериых цепях. Это схема мульти¬
вибратора с эмиттернон связью. Подобная схема дает возможность
легко осуществлять работу транзисторов без захода в область насы¬
щения (например, путем соответствующего подбора резисторов),
благодаря чему можно получить лучшие времена переключения,
чем при работе с насыщением.
Как регулируется частота колебаний
в автоколебательном мультивибраторе?
Частота колебаний в мультивибраторе зависит от времени, про¬
ходящего с момента возникновения максимального отрицательного
напряжения на сетке до момента, когда это напряжение достигает
значения, при котором через лампу может протекать ток, т. е. зна¬
чения, приближенно равного напряжению отсечки. Этот период
времени зависит от постоянных напряжений в схеме, а также от
постоянных времени сеточных цепей, определяющих скорость изме¬
нения напряжения на конденсаторах. Постоянная времени сеточной
цепи одной лампы определяет запертое состояние другой и наоборот.
Полный период колебаний мультивибратора зависит от обеих по¬
стоянных времени. Поэтому изменение периода колебаний мульти¬
вибратора, а также изменение отношения времени отпирания н
времени запирания можно осуществлять с помощью регулировки
постоянных времени. Обычно это делают с помощью переменных
резисторов, изменяющих значения постоянной времени RC.
Если в схеме обеспечивается идентичность соответствующих
друг другу элементов, изменений напряжений и токов, а также ра¬
венство времен запирания обеих ламп (транзисторов), то схема муль¬
тивибратора называется симметричной. При этом колебание на
выходе имеет форму, называемую меандром. В несимметричном
мультивибраторе постоянные времени должны быть различными и
при этом получают прямоугольное колебание, у которого длитель¬
ность импульса отличается от длительности паузы между импуль¬
сами.
Что такое одиостабилькые (ждущие)
генераторы?
Это генератор с двумя состояниями, причем лишь одно пассив¬
ное (состояние ожидания) является устойчивым состоянием, в ко¬
тором генератор может находиться неограниченно долго. Под влия¬
нием запускающего импульса, подведенного к генератору извне,
может наступить скачкообразное изменение состояния, которое
вызывает в генераторе процессы, приводящие к полному противо¬
положному перебросу, после чего наступает возврат в исходное
(устойчивое) состояние до следующего запускающего импульса, под
влиянием которого схема может выполнить снова один цикл коле¬
баний.
Работу в ж д у щ е м режиме можно получить путем модифика¬
ции мультивибратора, подавая на сетку одной из ламп или базу
одного из транзисторов напряжение смещения, ие позволяющее
протекать току при работе без подводимых извне импульсов, т. е.
путем запирании (блокировки) одной из ламп или транзистора.
238
Что такое одновибратор и как он работает?
Одновибратором называют одиостабильный или ждущий муль¬
тивибратор. Схема такого одновибратора очень близка к схеме
мультивибратора. Существуют две принципиальные разновидности
схем (рис. 10.24) — со связью «крест-накрест» и со связью через
общин эмиттерный резистор; кроме того, разработан ряд вариантов
этих схем. Некоторые различия связаны, в частности, с подачей
запускающего импульса и запиранием (блокировкой) одного кас¬
када.
Переключение может быть выполнено подачей отрицательного
импульса на базу запертого транзистора либо положительного
импульса иа базу проводящего транзистора. Второй способ позво-
Рис. 10.24. Схемы ждущего мультивибратора [одновибратора):
с —со связью «крест-накрест»; б — с эмиттер ной связью
ляет использовать импульс меньшей амплитуды, поскольку он до¬
полнительно усиливается. Применение параллельной /?С-цепи в вет¬
ви ОС вместо одной емкости С дает увеличение связи для составляю¬
щих с более высокими частотами по сравнению со связью для сос¬
тавляющих с меньшими частотами. Благодаря этому достигается
ускорение отклика транзистора на запускающий импульс, а кон¬
денсатор С называют ускоряющим.
Одновибратор используется часто и качестве схемы задержки.
При этом на него подается входной импульс и под его влиянием вы¬
полняется одни рабочий цикл. С выхода снимается импульс, задер¬
жанный на время, соответствующее одному рабочему циклу. Это
время может регулироваться путем изменения постоянной времени,
определяющей время запирания одного из каскадов.
Что такое генераторы с двумя устойчивыми
состояниями?
Это генераторы с двумя устойчивыми состояниями равновесия,
причем с помощью внешнего импульса можно вызвать переброс
схемы нз одного состояния в другое. При этом в каждом из состояний
схема находится до момента появления следующего импульса. Схе¬
ма подобного генератора может соответствовать схеме мультизиб-
23 Э
ратора в том смысле, что она представляет собой двухкаскадный
усилитель с ПОС с той разницей, что на лампы или транзисторы обоих
каскадов подано запирающее напряжение смещения. При вклю¬
чении схемы один элемент, например первый, отперт, а второй за¬
блокирован (заперт) или наоборот
Переброс схемы из одного устойчивого состояния в другое
может происходить при подаче отрицательного импульса на базу
непроводящего транзистора, положительного импульса на базу
проводящего транзистора, отрн-
£к нательного импульса на общин
эмиттер транзисторов.
Подача импульса осуществ¬
ляется обычно через емкости на
коллекторы обоих транзисторов,
через емкости на общин эмиттер
нын резистор и через диоды на
коллекторы или базы обоих трап
зисторов.
Пример решения схемы с
двумя устойчивыми состояниями
в транзисторном варианте показан
на рис. 10.25. В нем использована
связь как между эмиттерами, так
и «крест-накрест». В последней
действуют /?С-цепн. Иногда ис¬
пользуется связь «крест-накрест*
через сопротивления R, однако, как уже упоминалось d гл. 10,
ftC-цепь улучшает свойства выходных колебаний. Благодаря нали¬
чию двух устойчивых состоянии подобные схемы широко исполь¬
зуются в цифровых схемах, работающих в двоичной системе
(см. гл. 12). Они часто служат для счета импульсов в качестве счет¬
чиков, например в цифровых вольтметрах. Чем больше скорость
переключения этих схем, тем шире диапазон частот.
Рис. 10.25. Генератор с
устойчивыми состояниями
двум я
Что такое триггеры?
Триггерами обычно называют схемы с двумя устойчивыми со¬
стояниями. Однако часто название «триггер» относят к нестабильным
и одностабильиым схемам. Во втором случае во избежание недора¬
зумения говорят «мультивибратор» или «одновибратор». Если более
точное определение отсутствует, то название «триггер» относится
к схеме с двумя устойчивыми состояниями.
Что такое спусковые схемы?
Названием «спусковые схемы» определяются схемы, запускае¬
мые внешним импульсом, т е. в общем случае схемы с одним пли
двумя устойчивыми состояниями
Что такое триггер Шмитта?
Триггером Шмитта называется схема (рис. 10.26), в которой оба
каскада соединены ветвью, в которой происходят суммирование сиг¬
налов из двух каскадов и обратная подача этих сигналов на выходы
240
Такое решение используется в мультивибраторах с общим эмиттер-
ным резистором. Для каждого из каскадов на этом резисторе возни¬
кает ООС, одновременно образуется ПОС, так как часть выходного
напряжения второго каскада через этот резистор подводится к пер¬
вому аехаду. Отрицательная обратная связь стабилизирует рабо¬
чую точку, а, кроме того, при соответствующем подборе элементов
цепи (например, при большом сопротивлении эмиттерпого резистора)
может не допускать возникновения «перевозбуждения» в схеме
При этом схема работает без захода в область насыщения, благодаря
чему получают импульсы с крутыми фронтами и малой временной
задержкой, называемой гистерезисом по отношению к запускающие
Рис 10.26. Схема триггера Шмитта (я) и формы управляющего и вьг
ходпого напряжений (б)
импульсам. Связь с выхода первого каскада на вход второго осу¬
ществляет резистор или диод. Это связь по постоянному току. Триг¬
геры Шмитта применяют в качестве схем с одним или двумя устой¬
чивыми состояниями, а также для формирования прямоугольных
колебаний.
Достоинство схемы заключается, в частности, в том, что вход
схемы по охвачен петлей ОС и поэтому иа входе отсутствуют сигналы,
генерируемые схемой. Кроме того, выход схемы хорошо развязан
от входа.
Как работает триггер Шмитта?
Схема триггера Шмитта показана на рис. 10 26. Работа схемы
протекает следующим образом Если напряжение па входе (управ¬
ляющее напряжение) равно нулю, транзистор Тг заперт. В это время
проводит транзистор Ts, так как на него поступает соответствующее
смещение с делителя Rlit Ru R». Делитель, смещающий транзистор
Т2 (в основном Ru), подобран таким образом, чтобы транзистор Тй
не работал в режиме насыщения Протекающий через транзистор
Т2 ток создает падение напряжения на эмнттерном резисторе RD,
а это в свою очередь вызывает еще более глубокое запирание тран¬
зистора Tt Увеличение входного напряжения выше определенного
241
уровня вызывает отпирание транзистора Т± и быстрый переход схе¬
мы в другое состояние. В этом состоянии напряжение на коллекторе
транзистора Тг убывает и, следовательно, уменьшается напряжение
иа базе транзистора Г8, н он закрывается. Триггер остается в этом
состоянии до тех пор, пока входной сигнал выше порогового уровня.
Выходное напряжение в этом состоянии достигает своего максималь¬
ного значения. Если управляющее транзистором Тг напряжение
уменьшается ниже порогового уровня, наступает рост напряжения
на коллекторе транзистора 7\, а следовательно, увеличение напря¬
жения на базе транзистора Т2, так что транзистор Т2 начинает про¬
водить ток и происходит переброс схемы в первое состояние.
Из приведенного описания вытекает одно из типичных приме¬
нений триггера Шмитта — использование его в качестве генератора
прямоугольных колебаний. Триггер Шмитта применяется также
в качестве амплитудного дискриминатора нли порогового детектора.
Существуют многочисленные схемные модификации триггера
Шмитта.
Что такое генератор Миллера?
Это схема, генерирующая напряжение линейной формы (пило¬
образное — прим, перев.), в которой для повышения линейности
этого колебания используется ОС. Схема такого интегратора изоб¬
ражена на рис. 10.27. Транзистор работает по схеме усилителя
Рис. 10.27. Схема гене- Рис. 10.28. Схема генератора
ратора (интегратора) пилообразного напряжения
Миллера с ООС
с ОЭ с высоким усилением и инверсией фазы. В этой схеме емкость
С цепи с ОС, включенная между коллектором и базой, может быть
пересчитана на входные зажимы как емкость С', умноженная на
коэффициент усиления каскада по напряжению. Конденсатор С' за¬
ряжается от источника напряжения постоянным током через рези¬
стор /<; напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Если замк¬
нуть ключ /С, то конденсатор разряжается, а транзистор проводит
ток. На выходе схемы получают колебание пилообразной формы.
Прямоугольное колебание, подведенное к базе транзистора непосред¬
ственно или через дополнительный ключевой каскад, обеспечивает
их работу в качестве ключей. Схема преобразует управляющее
242
прямоугольное колебание в выходное пилообразное колебание по¬
добно тому, как это делает интегрирующая цепь, отсюда часто встре¬
чаемое название интегратор Миллера.
Что такое генератор пилообразного напряжения
с ООС?
Это генератор линейного пилообразного напряжения с ООС,
которая предназначена для улучшения линейности колебания.
Схема такого генератора представлена на рис. 10.28. Транзистор
Тх нормально находится в отпертом состоянии; напряжение на кон¬
денсаторе С в это время близко к нулю. Если бы в схеме не было тран¬
зистора Т2, то при отрицательном импульсе на базе транзистора Тх
происходил бы заряд конденсатора. В схеме с транзистором Т2,
используемым в качестве эмиттериого повторителя при запертом
транзисторе Т2, возрастающее напряжение на заряжаемом конден¬
саторе С через повторитель подается в точку соединения резисторов
Ri н R2. При возрастании напряжения на конденсаторе потенциал
в этой точке увеличивается и протекающий через резистор R2 ток
остается почти постоянным. Это означает, что конденсатор заряжает¬
ся постоянным током к, следовательно, напряжение на конденсаторе
будет изменяться по линейному закону.
Каково применение релаксационных
генераторов?
Применений очень много. Типичным является использование
генераторов в качестве источников сигналов. Одновибраторы позво¬
ляют получать выходные сигналы с длительностью большей, чем
длительность запускающего импульса. Мультивибраторы исполь¬
зуются, например, как генераторы, «навязывающие» свою частоту
повторения другим схемам, в качестве центрального генератора
тактовой частоты в цифровых схемах и т. п.
Нестабильные схемы или схемы с одним устойчивым состоя¬
нием также применяют для деления частоты — процесса, в котором
каждый /г-й импульс данной последовательности импульсов, подан¬
ной на мультивибратор, вызывает генерацию новой серии импульсов
с частотой повторения, в k раз меньшей. Триггеры используются,
в частности, в схемах счетчиков (счетных схем), предназначенных
для счета электрических импульсов.
На чем основана синхронизация
генераторов?
Это процесс, который состоит в том, чтобы сделать частоту
колебаний генератора зависящей от частоты подведенного извне сиг¬
нала. В этом случае генератор, который в режиме свободных коле¬
баний (несинхронизированиом режиме) работает на собственной час¬
тоте, начинает работать на вынужденной, синхронизируемой час¬
тоте.
Процесс синхронизации проследим на рис. 10.29. Колебание
(рис. 10.29, а) соответствует изменению напряжении на базе тран¬
зистора в песинхронизироваином состоянии. К генератору подво¬
дится синхронизирующее колебание (рис. 10.29, б). Оно добавляется
243
к колебанию генератора в момент достигающему при этом уровня,
при котором происходит переброс в схеме. В связи с этим получают
выходное колебание (рис. 10.29, в). Аналогичная ситуация наступает
в моменты t", Iй' и т. д., когда каждый из подводимых синхронизи¬
рующих импульсов переводит схему генератора из состояния запи¬
рания в состояние проводимости. В конечном результате получаем
колебание с большей частотой, чем частота собственных песинхро-
иизированных колебаний, и в точности равной частоте синхронизи¬
рующего колебания. При этом легко заметить, что для правильной
синхронизации требуется соответствующая амплитуда импульсов,
подводимых извне. Если это условие не выполняется, то сумма на¬
пряжений на генераторе может оказаться недостаточной для дости¬
жения уровня, при котором наступает переброс схемы. Синхрони¬
зирующее колебание может быть синусоидальным, прямоугольным
и любым другим.
Приведенное описание процесса синхронизации относится к не¬
стабильным генераторам. Для генераторов с одним или двумя устой¬
чивыми состояниями непрерывные колебания возникают только под
влиянием запускающих импульсов. Без этих импульсов непрерыв¬
ные колебания не возникают.
Что такое схема делителя частоты на триггерах?
Для уменьшения частоты повторения импульсов можно ис¬
пользовать триггеры. Триггер, возбуждаемый последовательностью
импульсов, дает на выходе прямоугольное колебание, частота кото¬
рого в 2 раза меньше частоты повторения импульсов. Это соответст¬
вует делению частоты на 2. Если выходное колебание такого триг¬
гера подать на следующий, то суммарно два триггера обеспечивают
деление в отношении 2 • 2 • 2 ; 1 и т. д.
Какое применение находят операционные усилители
в генерировании несинусоидальных колебаний?
Операционные усилители (см. гл. 7) могут применяться как
для генерирования несинусоидальпых колебаний, так и для их фор¬
мирования. Для этого используются операционные усилители в виде
интегральных микросхем. Имеются, однако, интегральные микро¬
схемы, содержащие триггеры и другие схемы, используемые в циф¬
ровой технике и допускающие более простую реализацию сложных
схем.
а— пссннхронизнроваииое коле¬
бание; б — синхронизирующее
колебание; в — вынужденное
(синхронизированное) колебание
Рис. 10.29. Синхронизация муль¬
тивибратора:
1 I к_1_ }
V t' “
244
ГЛАВА 11
МОДУЛЯЦИЯ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ
Что такое модуляция?
Мод-уляция — это процесс изменения во Времени выбранной
характеристической величины одного переменного электрического
колебания, называемого модулируемым, под влиянием второго коле¬
бания, называемого модулирующим.
Когда применяется модуляция?
Непосредственная передача информации, например по проводам,
не всегда возможна и рациональна. Передача информации с по¬
мощью электромагнитных волн возможна только в диапазоне высо¬
ких частот, в котором энергия может излучаться с большей эффек¬
тивностью. Для устранения взаимных помех при передаче на рас¬
стояние по радио илн по проводам большого объема информации,
в частности телефонной, существует необходимость переноса ее из
занимаемого низкочастотного диапазона частот (звуковых) в диа¬
пазон высоких частот.
Модуляция предназначена для переноса информации, содержа¬
щейся в некотором диапазоне частот, в другой частотный диапазон
и в связи с этим является основным процессом в области передачи
сигналов, особенно с помощью электромагнитных волн.
Колебание, с помощью которого передается сигнал, носит
название несущего колебания или несущей
частоты. В процессе модуляции на несущую накладывается
модулирующее колебание, содержащее передаваемую информацию.
Какие существуют виды модуляции?
Существует несколько основных видов модуляции. Перед тем
как их определить, следует обратить внимание на то, что несущее
колебание, подвергаемое процессу модуляции, является синусои¬
дальным колебанием, которое можно записать в следующем виде:
и — A cos ((ot + 0),
где А — амплитуда несущего колебания; « = 2 nft — круговая
частота несущего колебания; 0 ,— фазовый угол.
Модулирующий сигнал, содержащий информацию, может из¬
менять каждую из этих величии таким способом, который отражает
его мгновенное значение. В том случае, когда амплитуда несущего
колебания изменяется пропорционально модулирующему сигналу,
имеем дело с амплитудной модуляцией. Если пропорционально
сигналу изменяется частота f несущего колебания, то говорят о час¬
тотной модуляции. И, наконец, если пропорционально сигналу из¬
меняется фазовый угол 0 несущего колебания, имеет место фазовая
модуляция. Два последних вида модуляции (частотную и фазовую)
определяют иногда общим названием — угловая модуляция.
Все указанные виды модуляции относятся к непрерывной моду¬
ляции. Кроме того, существует возможность дискретизации модули¬
рующего сигнала путем создания импульсов, которые содержат ин-
245
форматно. соответствующую модулирующему сигналу* Этим им*
пульсом можно модулировать величины А или со несущего колеба¬
ния. При этом будем иметь дело со многими системами импульсной
модуляции.
Следует еще упомянуть, что для каждого вида модуляции всегда
очень важным вопросом с практической точки зрения является сох¬
ранение лишь одного вида модуляции. Если несущее колебание
одновременно модулируется по амплитуде и фазе, то один из этих
видов модуляции рассматривается как паразитный.
Каковы основные свойства амплитудной
модуляции?
При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания
А изменяется пропорционально модулирующему сигналу. На
рис. 11.1 показаны три колебания — несущее, модулирующее и
модулированное. Видно, что в модулированном колебании огибаю¬
щая выходного сигнала идентич¬
на модулирующему сигналу. Ха¬
рактерно то, что, когда огибаю¬
щая увеличивается в положитель¬
ном направлении, одновременно
она увеличивается и в отрица¬
тельном. Амплитуда огибающей
является долей амплитуды несу¬
щего колебания. Эта доля, обоз¬
начаемая буквой т, обычно вы¬
ражена в процентах и называется
коэффициентом глубины модуля¬
ции или просто глубиной модуля¬
ции. Глубина модуляции может
изменяться от 0 до 100%. Если
т больше 100%, то модулирован¬
ное колебание сильно искажено.
Если несущее колебание про¬
модул нровапо косинусоидальным
сигналом, мгновенное значение
модулированного колебания мож¬
но записать в следующем виде:
и
Рис. 11.1. Амплитудная модуля¬
ция:
а — «смодулированное несущее
колебание; б — модулирующий
сигнал; в — амплитудно-модули-
рованное колебание
(1 -|- т cos Qt) A cos со/,
в котором m — глубина модуля¬
ции; А — амплитуда несущего
колебания; Q — круговая частота модулирующего сигнала; со —
круговая частота несущего колебания.
Преобразуем это уравнение
и = A cos со/ -f
т.А
cos (co-ffi) /
тА
cos (со — £2) /.
Три полученные составляющие определяют спектр модулирован¬
ного сигнала.
Первая составляющая является несущим колебанием с частотой
со, вторая составляющая с амплитудой тА!2 и частотой со -j- Q —
верхняя боковая полоса, а третья составляющая с амплитудой
246
trt A!2 к частотой со — Я — нижняя боковая полоса. Если, напри¬
мер, частота несущего колебания составляет 200, а частота модули¬
рующего сигнала 1 кГц, то спектр модулированного сигнала состоит
из трех частот: 200 кГц, 200—1 = 199 кГц и 200 + 1 = 201 кГц.
Из рис. 11.2 видно, что модулирующий сигнал с частотой
1 кГц перенесен в полосу несущей 200 кГц и информация в модули¬
рованном сигнале содержится в двух боковых полосах, располо¬
женных симметрично относительно несущего колебания. Одновре¬
менно можно сделать вывод, что ширина полосы, занимаемой амплн-
тудно-модулнрованным сигналом, равна удвоенной частоте модули¬
рующего сигнала. Следует подчеркнуть, что существование боковых
полос не является результатом математического анализа, вытекаю-
Рчс. 11.2. Частотный спектр амплитудномодулированного
сигнала:
/ — несущая частота; 2 — нижняя бскоаап; 3 — верхняя бо¬
ковая частота
щего из преобразования выражения для модулированного сигнала,
а имеет реальную физическую интерпретацию. С помощью соответ¬
ствующих фильтров можно выделить отдельные составляющие
спектра, так же как, располагая такими составляющими, можно
составить колебание, соответствующее модулированному коле¬
банию.
На практике модулирующий сигнал не является простейшим
синусоидальным сигналом, а занимает некоторую полосу частот,
например звуковых или изображения. В связи с этим боковые поло¬
сы выглядят не одиночными линиями, а полосами, расположенными
симметрично относительно несущего колебания.
Из анализа спектра амплитудно-модулнропаниого сигнала выте¬
кает, что полезная информация содержится только в боковых поло¬
сах (частотах). Сравнивая амплитуды отдельных спектральных
линий, приходим к выводу, что они находятся в соотношении
т т
1: 2 : 2' Поскольку мощность пропорциональна квадрату напря¬
жения, отношение мощностей, переносимых боковыми частотами,'
т2 т2
имеет вид; 1:-^- : Например, если мощность несущего колебания
составляет 500 Вт, то при т = 1 мощность каждой из боковых сос¬
тавляет 125 Вт и, следовательно, соответствует только 25% мощности
несущего колебания. При меньших глубинах модуляции доля бо¬
ковых частот в общей мощности еще меньше. Изменению не подвер¬
гается только мощность несущего колебания — переносчик энергии.
247
Далее увидим, что существует возможность передачи информации
без несущего колебания, а также без несущей-и одной боковой поло¬
сы в системах однополосной модуляции.
На каком принципе работают амплитудные
модуляторы?
Основное требование, предъявляемое к амплитудному модуля¬
тору, — это то, чтобы он был нелинейным устройством. При под¬
ведении к нелинейному устройству двух сигналов с разными часто-
тамн создаются условия взаимодействия этих сигналов. Рассмотрим
простейший диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3.
Во входную цепь диода вклю¬
чены два источника сигналов, из
которых один является несущим
сигналом с частотой /, значитель¬
но большей, чем частота F дру¬
гого сигнала, являющегося моду¬
лирующим. Напряжение, возни¬
кающее на нагрузочном сопро¬
тивлении диода, управляет бу¬
ферным усилителем, нагруженным
резонансным контуром, настроен¬
ным на частоту несущего сигна¬
ла. Из-за нелинейности характе¬
ристики диода в его выходной цепи возникают сигналы основ¬
ной частоты и комбинированных частот типа f + F; / -j- 2F\
f — F; f — 2F\ 2/ -f- F и т. д. Подбирая соответственно ши¬
рину полосы резонансного контура, можно выделить на выходе
сигналы с частотами f\ f — f и / -f F, соответствующие несущему
колебанию, а также нижней и верхней боковым частотам. Как уже
известно, сумма этих сигналов является ампл-итудно-модулирован-
ным колебанием.
Какие существуют схемы амплитудных
модуляторов?
Диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3,на практике
почти не применяется, поскольку не позволяет получать большие
глубины модуляции без значительных искажений.
Чаще всего амплитудная модуляция осуществляется в одном из
каскадов высокочастотных усилителей мощности, работающих
в классе С, так как только при этом можно получить достаточную
линейность модулированного колебания. Модуляцию можно осу¬
ществлять как на низком, так и на высоком уровне мощности. В пер¬
вом случае амплитудно-модулироваиное колебание усиливается
в линейном усилителе класса В до требуемого выходного уровня.
Пр инцип работы модуляторов класса С основывается на увеличении
коэффициента усиления усилителя высокой частоты в положитель¬
ный полупериод модулирующего сигнала и уменьшении его в отри¬
цательный полупсриод. Этот принцип осуществляется подачей мо¬
дулирующего сигнала на сетку, анод или катод триода. В пентоде
модулирующий сигнал может быть подан на экранную нли защит¬
ную сетку. Обычно уже в названии схемы модулятора указывается,
248
Рис. 11.4. Основные схемы модуляторов:
а — анодный; 6 — сеточный; в — катодный
249
на какой из электродов усилительной лампы подается модулирую¬
щий сигнал. В передатчиках малой мощности в модуляторах рабо¬
тают транзисторы, при этом модулирующий сигнал подводится к кол¬
лектору, эмиттеру либо базе.
На рис. 11.4 изображены основные схемы модуляторов. При
анодной модуляции напряжение, питающее аиод лампы усилителя
высокой частоты, изменяется d такт с модулирующей частотой
благодаря включению в цепь питания трансформатора. В сеточном
модуляторе модуляционный трансформатор включен последова¬
тельно с источником отрицательного сеточного напряжения. До¬
стоинством сеточного модулятора является то, что он требует отно¬
сительно малой мощности модулирующего сигнала. Обычно этот
вид модулятора применяется в телевизионных передатчиках боль¬
шой мощности, поскольку анодный модулятор был бы более слож-
ным устройством нз-за широкой полосы частот, требуемой для пере¬
дачи телевизионного сигнала. Катодный модулятор действует ана¬
логично сеточному модулятору (рис. 11.4, в).
Что такое однополосная модуляция
и как ее получают?
Из анализа спектра амплитудио-модулированного сигнала еле'
дуст, что несущее колебание не принимает активного участия в пе*
рсносе информации, несмотря на то, что оно поглощает большую
часть энергии передатчика. Кроме того, известно, что одна боковая
полоса содержит все необходимые данные о модулирующем сигнале,
а вторая лишь удваивает информацию, содержащуюся в первой
боковой полосе. На основании этого были разработаны два новых
вида амплитудной модуляции.
Рис. 11.5. Электрическая схема (а) н форма выходного сигнала (б) кольце¬
вого модулятора
Если несущее колебание подавляется, а передаются только бо¬
ковые полосы, то такой вид модуляции называется двухполосион.
модуляцией с подавляемой несущей. Несущее колебание можно ис¬
ключить путем использования балансного модулятора, примером
которого служит кольцевой модулятор, состоящий из четырех дио¬
дов (рис. 11.5). Четыре диода в этой схеме идентичны, а точ;ги
р и р' являются средними точками обмоток. Между точками р и р’
включается источник модулирующего колебания, а к трансформатору
Tpt подводится модулируемый’сигнал. Поскольку схема симметрич¬
на, па выходе отсутствуют модулирующий сигнал и сигнал несущего
250
колебания. При наличии модулирующего сигнала высокочастотное
напряжение на выходе схемы пропорционально мгновенному зна¬
чению модулирующего сигнала. Анализируя такой сигнал, можно
прийти к выводу, что он содержит только модуляционные боковые
частоты / + F и / + F без несущей.
В приемнике амплитудно-модулировянных сигналов с подав¬
ленной несущей эту несущую следует восстановить для того, чтобы
можно было осуществить процесс обратный модуляции, т. е. д е -
тектирование. Для того чтобы упростить восстановление
несущей в приемнике, ее устраняют из передаваемого сигнала ие
полностью, а частично. Поэтому такая система носит название
«с подавляемой несущей».
°) D
Рис. 11.6. Спектры амплнтудно-модулированиых сигналов при двухполоской
(а) и однополосной (б) модуляции
Другая схема модуляции — это схема однополосной модуляции,
в которой кроме частичного подавления несущей используется пол-
мое исключение нижней боковой полосы (рис. 11.6). Однополосная
нодуляция помимо большой энергетической эффективности, являю¬
щейся следствием подавления несущей, дает еще экономию полосы
пропускания, используемой для передачи сигнала, поскольку сни¬
жает в 2 раза необходимую ширину полосы. Исключение боковой
полосы осуществляется с помощью соответствующих фильтрующих
схем либо более сложных схем с фазовращателями.
Схему однополосной модуляции применяют в проводной связи
и радиосвязи.
Что такое детектирование?
Детектирование или демодуляция — это xiponecc, обратный
модуляции, в результате которого из модулированного колебания
получают модулирующий сигнал. Очевидно, что для каждого вида
модуляции существует соответствующий ему вид демодуляции,
например амплитудная демодуляция, частотная и т. п.
Процесс демодуляции используется в радиоприемниках и теле¬
визорах, предназначенных для приема модулированных сигналов.
В результате получают полезный сигнал, идентичный модулирую¬
щему сигналу в передатчике.
Каков принцип работы амплитудного детектора?
Задачей амплитудного детектора является перенос спектра
модулирующего сигнала, расположенного около несущей частоты
(в виде боковых полос), в полосу частот, первоначально занимае-
ГС »
i
мую этим сигналом. Так же как и при модуляции, процесс детектиро¬
вания требует использования устройства с нелинейной характеристи¬
кой. Разница по сравнению с модулятором заключается в том, что
в детекторе сигнал с несущей частотой не подводится от отдельного
источника, а содержится в самом сигнале. Если в сигнале несущая
подавлена, как это происходит при однополосном сигнале, то она
должна быть восстановлена в приемнике и добавлена к сигналу,
подвергаемому детектированию.
Требуемую нелинейность характеристики детектора получают
путем соответствующего выбора рабочей точки транзистора, лампы
или диода. Принцип работы нелинейного (квадратичного) детектора
на транзисторе можно пояснить с помощью схемы, представленной
на рис, 11.7. Детектирование происходит после подачи модулиро¬
ванного колебания на базу транзистора.Из-за нелинейности входной
характеристики в выходном колебании появляется составляющая,
которая изменяется в такт с модулирующей частотой. Имеющийся
сигнал высокой частоты устраняется с помощью /?С-цепочки, об¬
разующей фильтр нижних частот. Из более подробного анализа вы¬
ходного колебания следует, что помимо основной составляющей
в нем действует составляющая с частотой второй гармоники моду¬
лирующего сигнала, пропорциональная глубине модуляции. Поэ¬
тому в результате детектирования возникают искажения полезного
сигнала, которые оправдывают название этого типа детектирования
(нелинейное детектирование), но одновременно ограничивают при¬
менение рассматриваемой схемы.
Как действует линейный диодный детектор?
Схема диодного детектора представлена рис. 11.8. Диод в этой
схеме работает как выпрямитель напряжения высокой частоты.
Входной амплитудно-модулированный сигнал подводится от резо¬
нансного контура, настроенного на несущую частоту и имеющего
достаточную ширину полосы для выделения амплитудно-модули-
рованпого колебания. Диод как элемент с однонаправленным дей¬
ствием выпрямляет модулированное колебание, поэтому в нагрузку
проходит только положительная полуволна сигнала. Если бы диод
был включен в обратном направлении (катодом к резонансному
контуру), то выпрямлялась бы отрицательная полуволна сигнала.
Если сопротивление диода гд мало по сравнению с сопротивлением
резистора R, на выходе возникает напряжение, равное амплитуде
входного сигнала. Постоянная времени RC подбирается таким обра¬
252
зом, что высокочастотная составляющая отфильтровывается и на
выходных зажимах действуют только постоянная составляющая
и модулирующий сигнал. Постоянную составляющую можно
устранить с помощью конденсатора, включенного последовательно
с дальнейшей частью тракта, предназначенного для усиления сиг¬
нала, полученного в результате детектирования. На рис. 11.9 пред-
1}
*«
ЛЛЛЛЛ
г)
ки
WV\A
Рис. И.9. Формы колебаний при диодном детектировании:
а — амплитудно-модулированное на входе; 6 — после однополупернодиого вы¬
прямителя; в — па нагрузке; г~ выходное колебание без постоянной состав¬
ляющей
ставлены последовательные этапы получения напряжения, соответ¬
ствующего огибающей модулированного сигнала.
Пояснения требует определение диодного детектора как линей¬
ного. Название происходит от динамической характеристики диода,
представленной на рис.
11.10*. Эта характеристика
является отрезком прямой
линии, поэтому выпрямлен¬
ное детектором напряжение
линейно зависит от напря¬
жения, подвергаемого про¬
цессу детектирования. Ли¬
нейная зависимость обоих
напряжений имеет место
только при больших ампли¬
тудах, примерно более по-
лувол ьта.
При малых амплиту¬
дах детектор ведет себя,
как описанный выше нели¬
нейный детектор. Следует
добавить, что линейный диодный детектор во всем остальном оста¬
ется нелинейным устройством, поскольку начальная рабочая точка
Рис II.Ю. Динамическая характеристи¬
ка линейного детектора
* Детектор называется линейным, если характеристика детектирования,
устанавливающая связь между постоянной составляющей токз, диода и ам¬
плитудой входного сигнала, линейна.— Прим, ред.
253
схемы находится в месте Излома динамической характеристики ди¬
ода. Именно эта нелинейность в начале системы координат (при
отрицательных управляющих напряжениях ток через диод не
протекает) и является фактором, способствующим детектированию
Какие критерии выбора постоянной
составляющей /?С-цепи в диодном детекторе?
Резистор R и конденсатор С в детекторе образуют двухполюсник)
характеризующийся определенной постоянной времени RC, за¬
висящей от нескольких факторов. Прежде всего, с точки зрения
обеспечения высокого КПД детектирования, определяемого отно¬
шением выпрямленного напряжения к амплитуде сигнала высокой
частоты, сопротивление резистора R должно быть как можно больше.
По этой же причине как можно больше должна быть емкость кон¬
денсатора С (падение напряжения высокой частоты на емкостном
сопротивлении будет малым). Однако, с другой стороны, излишне
большая емкость конденсатора С приводит к тому, что изменения
выпрямленного напряжения не успевают за изменениями модули¬
рующего сигнала, что является источником искажений. В связи
с этим принимаются компромиссные значения этих элементов в со¬
ответствии с соотношением
10
QC
<R<
о>С
или
10
(О
где о> — несущая частота; П — наивысшая модулирующая частота.
В детекторе радиовещательного сигнала сопротивление рези¬
стора R обычно лежит в пределах 0,5—1 МОм, а емкость конденса¬
тора С составляет около 100 пФ, тогда как в широкополосном теле¬
визионном детекторе сопротивление R около 2—4 кОм при шунти¬
рующей емкости около 10 пФ. Очевидно, что во втором случае КПД
детектирования меньше.
Может ли полевой транзистор работать
как амплитудный детектор?
Да. Полевой транзистор в схеме па рис. 11.11, а работает в ка¬
честве амплитудного детектора, если сопротивление резистора
Rn около 100 кОм и даже 1 МОм. Столь высокое сопротивление при¬
водит к тому, что рабочая точка лежит достаточно близко к точке
отсечки тока стока. Если на затзор транзистора подать амплитудно-
модулированный сигнал, то ток стока будет протекать в виде им¬
пульсов, амплитуда которых определяется огибающей модуляции
(рис. П.11,б). Средний ток стока будет изменяться в соответствии
с изменением модулирующего сигнала.
При больших амплитудах модулированного ВЧ сигнала усло¬
вия работы детектора приближаются к условиям работы линейного
диодного детектора. Дополнительным преимуществом является
усиление демодулированного сигнала.
9л4
Детектор на нолевом транзисторе является эквивалентом лампо¬
вого детектора, работающего в схеме сеточного детектирования,
принцип которого идентичен принципу описанного выше детектора.
Рис. 11.11. Схема (а) и фор¬
мы колебаний (б) в ампли¬
тудном детекторе на полевом
транзисторе
Как работает сеточный детектор
Схема сеточного детектора представлена на рис. 11.12. В детек¬
торе этого типа выпрямление происходит в цепи сетки, причем сетка
и катод действуют в качестве диодного детектора, сопротивлением
нагрузки которого является цепочка RcCc. Постоянная времени
Рис. 11.12. Схема сеточного детектора
RcCс подобрана таким образом, что напряжение смещения лампы,
возникающее в результате протекания тока сетки, изменяется в со¬
ответствии с изменением огибающей модуляции.
Полученное в результате детектирования напряжение с час¬
тотой модулирующего сигнала усиливается в анодной цепи лампы,
поэтому сеточное детектирование характеризуется высокой чувстви¬
тельностью.
255
Каковы основные черты частотной модуляции?
При частотной модуляции модулирующий сигнал не изменяет
амплитуды несущего колебания, а вызывает лишь изменение его
мгновенной частоты (рис И 13). Мгновенное значение несущей час¬
тоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала, тогда как
скорость, с которой происходят изменения несущей частоты, опреде¬
ляется частотой модулирующего сигнала. Предположим, что несу¬
щая частота составляет 50 МГц, а амплитуда синусоидального моду¬
лирующего сигнала равна 1 3. Допустим далее, что под влиянием
положительного модулирующего напряжения частота возрастает
максимально до 50,1 МГц, а под
влиянием максимального отрица¬
тельного — убывает до 49,9 МГц.
В каждом периоде модулирую¬
щего сигнала мгновенное значе¬
ние частоты изменяется D преде¬
лах 49,9—50,1 МГц такое коли¬
чество раз в секунду, какова
частота модулирующего колеба¬
ния. Если бы амплитуда моду¬
лирующего напряжения состав¬
ляла 2 В, частота несущего ко¬
лебания изменялась бы в преде¬
лах 49,8—50,2 МГц.
Приведенный пример являет¬
ся иллюстрацией общего принци¬
па частотной модуляции, из которого следует, что амплитуда модули¬
рующего напряжения определяет отклонение несущей частоты
в одном направлении, или девиацию частоты, До. Из этого прин¬
ципа также следует, что девиация частоты Д w содержит информацию
об амплитуде или уровне модулирующего сигнала Характерным
для частотной модуляции понятием является индекс модуляции,
определяемый как отношение девиации До к модулирующей час¬
тоте Й;
М ij Д со/ й.
Рис II 13 Формы колебаний при
частотной модуляции:
а — модулирующее; б —частотно*
модулированное
Индекс модуляции принимает разные значения. Принятый стандарт
частотной модуляции характеризуется индексом модуляции, опре¬
деляемым отношением максимально допустимой девиации До>тах
к максимальной модулирующей частоте,
^Чтах= ^ютах/^тах •
Например, в принятом в ПНР телевизионном стандарте мак¬
симальная девиация несущей частоты звукового сопровождения
составляет 50, а максимальная по модулирующей частоте 15 кГц.
Отсюда Ми = 50/15 = 3,33.
max
Каков спектр у частотно-модулированного
сигнала?
Спектр частотно-модулированного сигнала принципиально
отличен от спектра амплитудно-модулированиого сигнала. Он также
имеет линейный характер, однако число линии значительно больше.
256
При амплитудной модуляции наблюдались только две боковые час¬
тоты, отстоящие от несущей иа значение модулирующей частоты.
Из математического анализа частотно-модулироваииого сигнала сле¬
дует, что при частотной модуляции возникают пары боковых частот.
Существуют верхняя и иижияя боковая частоты, соответствующие
частоте модулирующего сигнала, и пары боковых частот, соответст¬
вующие второй, третьей и последующим гармоникам сигнала.
Имеется также составляющая несущей частоты. Распределение амп¬
литуд отдельных спектральных линий зависит от индекса модуляции
М ц, а их число теоретически
бесконечно велико. На практи¬
ке спектральные линии выс¬
ших порядков (соответствую¬
щие высшим гармоникам мо¬
дулирующего сигнала) ие
принимаются во виимаиие,
поскольку их амплитуды очень
малы. Для примера на рис.
11.14 представлен спектр сиг¬
нала, промодулированиого по
частоте низкочастотным сиг¬
налом 7,5 с девиацией 75 кГц
(Мч - 10).
.ill
о>ч
1.113
А
jul
iiixi
-tz -в -ч £
Ч 8 J2
Рис. П.14. Спектр при частотной
модуляции (А1ц=10)
Для практических целей ширину спектра при частотной моду¬
ляции рассчитывают по формуле
2До> = В = 2 Дмтах + 2Йтах + 2 у Йтвх До>л
В стандарте, в котором Дсотах =2 я • 50 кГц, а Йтах = 2 ях
X 15 кГц, ширина спектра В = 185 кГц.
Ширина спектра частотио-модулироваиного сигнала достаточно
велика. Именно по этой причине частотная модуляция применяется
в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от 50 МГц,
Каковы преимущества частотной модуляции?
Главным преимуществом частотной модуляции является зна¬
чительное уменьшение чувствительности сигнала к помехам. Ис¬
ходя из того, что большинство помех амплитудного характера добав¬
ляется к сигналу, который, по определению, имеет постоянную
амплитуду, появляются условия для их эффективного устранения,
например, методом ограничения амплитуды.
Кроме того, поскольку амплитуда частотио-модулированиого
сигнала постоянна, а девиация частоты пропорциональна амплиту¬
де модулирующего сигнала, можно передавать полную динамику
сигнала, т. е. как наименьшие, так и наибольшие значения. При
амплитудной модуляции этого не могло быть, поскольку глубина
модуляции не могла быть ни слишком малой, ни слишком большой,
если учитывать шумы и помехи в первом случае, а во втором —
возможность перемодуляции передатчика.
Весьма существен и тот факт, что в результате постоянной
амплитуды частотно-модулнроваиного сигнала выходная мощность
передатчика остается все время одной и той же. Это создает возмож¬
ности экономичного решения и экономичной работы передатчика.
9 зак. 1606
257
Напомним, что передатчик амплитудно-модулированиого сиг¬
нала с номинальной мощностью около 10 кВт должен быть приспо¬
соблен отдавать при 100%-ной модуляции среднюю мощность 15 и
пиковую 40 кВт.
Система с частотной модуляцией является высококачественной
и предназначена главным образом для верной передачи звуковых
сигналов. Отсюда ее широкое распространение в моно- и стереофо¬
ническом радиовещании иа ультракоротких волнах.
В чем состоит принципиальное различие
между фазовой и частотной модуляцией?
При фазовой модуляции не частота, а фаза несущего колебания
линейно зависит от мгновенного значения модулирующего колеба¬
ния. Девиация фазы при этом не зависит от частоты модуляции.
Однако из-за того что между изменением фазы и частоты суще¬
ствует непосредственная зависимость, девиации фазы при фазовой
модуляции сопутствует девиация частоты, которая пропорциональ¬
на модулирующей частоте. Напомним, что при частотной модуляции
девиация частоты не зависит от модулирующей частоты. Несмотря
иа эти отличия, ясно, что фазовая и частотная модуляции действуют
одновременно, так как связаны между собой. Можно также пока¬
зать, что индекс модуляции идентичен с индексом девиацией фазы.
В связи с этим спектральное распределение в частотной и фазовой
модуляции одно и то же, хотя расположение спектральных линий
отличается. Исходя из взаимного подобия можно легко переходить
с одного вида модуляции на другой. Обычно фазовую модуляцию
используют только на переходном этапе до получения «чистой» час¬
тотной модуляции.
Как получают частотную модуляцию?
Существует несколько методов получения частотно-модулиро-
ваииых сигналов. Непосредственный метод заключается в изменении
емкости или индуктивности резонансного контура генератора в такт
с изменениями модулирующего сигнала. Примером, иллюстрирую¬
щим этот метод, служит емкостный микрофон, включенный в резонан¬
сный контур генератора. Наиболее удобная форма реализации
этого метода заключается в подключении параллельно резонансному
контуру реактивной схемы, реактивное сопротивление которой из¬
меняется при изменении модулирующего сигнала. Реактивной
схемой может быть лампа или транзистор, работающие по специаль¬
ной схеме включения, или емкостный диод.
Примером реактивного транзистора является схема, изображен¬
ная на рис. 11.15. Для упрощения в ней опущены все блокировочные
конденсаторы и цепи смещения. Характерным для этой схемы яв¬
ляется делитель, состоящий из конденсатора С и резистора R, по¬
добранный таким образом, чтобы выполнялось условие Хс > R.
Схема усилителя, работающего совместно с этим делителем, отли¬
чается тем, что переменное напряжение вводится извне (от генера¬
тора) в цепь коллектора и оценивается влияние этой схемы иа фазе
тока, протекающего под воздействием приложенного напряжения.
Оказывается, что в результате фазового сдвига, вносимого конден¬
сатором С, ток коллектора на 90° опережает напряжение на коллек¬
258
торе. Подобная зависимость между напряжением и током характерна
для емкости, т. е. схема ведет себя как конденсатор. Эквивалентная
емкость выражается формулой Сэкв = RClhllBn, следовательно,
обратно пропорциональна й3 1Б. Если Л3 3 Б изменяется под влиянием
приложенного к базе транзистора модулирующего напряжения, то
изменяется и эквивалентная емкость реактивного транзистора, под¬
ключенного параллельно к резонансному контуру генератора, т. е.
происходит модуляция частоты.
Аналогично действует схема с емкостным диодом (рис, 11.16).
Емкость диода меняется при изменениях обратного напряжения сме¬
щения диода. Начальное обратное напряжение подводится к диоду
от делителя R1R9, шунтированного конденсатором Q. Резистор
R% развязывает схему питания от резонансного контура генератора.
Мгновенное значение напряжения иа емкостном диоде является сум¬
мой напряжения смещения и напряжения низкой частоты, подведен¬
ного с помощью трансформатора. 3 результате к LC-коитуру ге¬
нератора параллельно подключается переменная емкость. Из-за
того что приращение емкости ДС емкостного диода изменяется вмес¬
те с изменением модулирующего сигнала, частота колебаний гене¬
ратора подвергается изменению, пропорциональному амплитуде
сигнала.
Помимо представленных методов непосредственной модуляции
применяется метод косвенной частотной модуляции, позволяющий
поддерживать соответствующее постоянство несущей частоты при
отсутствии модуляции. Для осуществления такого метода исполь¬
зуются модулятор Армстронга (косвенный частотный модулятор —
прим, перев.), снабженный кварцевым генератором, и схемой фазовой
модуляции, вырабатываемой путем суммирования сдвинутых на
90° боковых полос амплитудной модуляции с несущей. В результате
использования схемы, позволяющей перейти от фазовой модуляции
к частотной, и ограничения амплитуды выходного сигнала получают
сигнал с чистой частотной модуляцией.
На каком принципе работают
частотные демодуляторы?
Большинство используемых частотных демодуляторов, служа¬
щих для получения модулирующего сигнала из частотно-модулиро-
Рис. 11.15. Схема реак¬
тивного транзистора
Рис. И.id. Частотный модуля¬
тор с емкостным диодом
9*
259
ваныого, работает иа принципе преобразования изменений частоты
в изменения амплитуды и последующего детектирования сигнала
с амплитудной модуляцией с применением обычных методов. Из¬
вестны также частотные демодуляторы, работающие иа принципе
счета импульсов, а также более сложные демодуляторы, выполняе¬
мые в виде интегральных микросхем.
Характерным для техники частотной демодуляции является
то, что собственно демодулятору, как правило, предшествует огра¬
ничитель амплитуды. Задачей ограничителя является исключение
изменений сигнала, вызванных мешающими сигналами, для эф¬
фективного подавления иа выходе демодулятора.
Как действует ограничитель амплитуды?
Простым ограничителем служит усилитель, управляемый сигна¬
лом, превышающим уровень максимального (без искажений) воз¬
буждения транзистора между отсечкой и насыщением. Транзистор,
работающий в схеме ограничителя, представлен на рис. 11.17, б и в.
Рис. 11.17. Транзисторный ограничитель:
а — электрическая схема; б — рабочий диапазон иа плоскости
коллекторных характеристик; в — характеристика ограничения
В рабочей точке А ограничителя применяется относительно низкое
напряжение, питающее коллектор. Если входной сигнал превышает
пределы В и С, дальнейшее увеличение уровня выходного сигнала
за этими пределами невозможно. Наименьший входной сигнал, кото¬
рый вызывает ограничительное действие ограничителя, называется
порогом ограничении. Сигналы больше порогового, т. е. выше точки
D, срезаются (ограничиваются) сверху и снизу. Резонансный кон¬
тур, включенный в цепь коллектора, возвращает им синусоидаль¬
ную форму.
260
Какая схема у простого частотного
детектора?
Наиболее простым частотным детектором является детектор, ра¬
ботающий на скате амплитудной характеристики резонансного кон¬
тура. Принцип работы такого детектора изображен на рис. 11.18.
Резонансный контур отстроен от несущей частоты подведенного
частотно-модулированного сигнала. Если частота этого сигнала ме¬
няется по синусоидальному за¬
кону в соответствии с измене¬
нием модулирующего сигнала, то
ток в контуре также меняется си¬
нусоидально, возрастая при при¬
ближении частоты сигнала к резо¬
нансной частоте контура и убы¬
вая при удалении частоты сигна¬
ла от значения, соответствующе¬
го резонансу. При таком реше¬
нии выходной сигнал являетси
амплитудио-модулированным. На
выходе схемы амплитудного де¬
тектирования .получаем модули¬
рующий сигнал.
Из-за нелинейности ската амплитудной характеристики резонан¬
сного контура и связанных с ней искажений демодулированного
сигнала, а также большой чувствительности схемы к амплитуде
входного сигнала эта простая схема детектора не используется.
Как действует частотный дискриминатор?
Частотный дискриминатор явлиется одной из наиболее часто ис¬
пользуемых схем частотной демодуляции. Схема такого дискрими¬
натора представлена на рис. 11.19. Сигнал постоянного уровня по-
Рис. 11.18. Принцип работы ча¬
стотного детектора, работающе¬
го иа скате резонансной кривой
От ограни-
Рис. 11.19. Частотный дискриминатор
дается с ограничителя на связанные резонансные контуры, настроен¬
ные на одну и ту же резонансную частоту, равную несущей частоте
модулированного колебания. Работа дискриминатора основываетси
на сдвиге фазы напряжений иа первом и втором контурах полосово¬
го двузвенного фильтра. Разность фаз этих напряжений составляет
90° на резонансной частоте контуров,а за резонансом изменяется вмес-
261
te с изменением частоты. Благодаря двойной связи между контура¬
ми, индуктивной и непосредственной через конденсатор Сэ с боль¬
шой емкостью, первичное и вторичное напряжения суммируются
особым способом и подаются на встречно работающие амплитудные
детекторы. Высокочастотный дроссель замыкает цепь для постоян¬
ного тока.
Переменное напряжение, подведенное к верхнему днсду Дъ
является векторной суммой первичного напряжения АВ н половины
вторичного напряжения DE, изображенной вектором М (рис. 11.20).
Рис. 11.20. Принцип действия фазового дискриминатора;
а —векторная диаграмма при /=-)0; 6 — векторная диа¬
грамма при f > fo; в — векторная диаграмма при f<f0;
г — характеристика дискриминатора
Соответственно переменное напряжение, подведенное к нижнему
диоду Дъ, является векторной суммой первичного напряжения А В
и второй половины вторичного напряжения DC, образующей вектор
N. Нагрузочные сопротивления детекторов Яг и Я2 одинаковы. На
резонансной частоте (рис. 11.19, 11.20) переменные напряжения
М и N равны друг другу, а следовательно, равны и выходные по¬
стоянные напряжения на резисторах Яг и Я2. С учетом встречного
включения диодов эти напряжения имеют, однако, противополож¬
ный знак, в связи с чем результирующее напряжение на всей на¬
грузке равно нулю. Это значение представляется точкой О на
рис. 11.20, г.
Если частота входного сигнала больше резонансной, напряже¬
ния АВ н СЕ благодаря действию ограничителя остаются неизмен¬
ными, однако изменяется разность фаз между ними. Напряжение
М (рис. 11.20, б), подведенное к верхнему диоду, больше, чем на¬
пряжение N, подведенное к нижнему диоду. В итоге результирующее
напряжение на резисторах Яг и Я2 положительно, что соответствует
точке у на рис. 11.20, г.
262
Если частота входного сигнала меньше резонансной, то фазовые
соотношения между напряжениями таковы, как на рис. 11.20, в,
и результирующее напряжение на резисторах и R2 отрицательно
(точка х на рис. 11.20, г). Характеристика дискриминатора пред¬
ставлена во всем интервале изменения частоты около резонансного
значения. В большом интервале изменений частоты характеристика
линейна, т. е. существует пропорциональность между частотой и
выходным напряжением. Прямолинейный участок является рабочим
участком характеристики дискриминатора. Вне его характеристика
нелинейна. Если изменения частоты выходят за пределы, определяе¬
мые точками тип, работа происходит уже за пределами полосы
пропускания связанных контуров и выходное напряжение убывает
до нуля. Вся характеристика по форме близка к латинской букве S.
Что такое детектор отношений?
Схема детектора отношений представлена на рис. 11.21. Она по¬
хожа на схему фазового дискриминатора. Разница заключается
в последовательном соединении диодов, использовании электроли¬
тического конденсатора, включенного параллельно нагрузочным
резисторам, и сложении первичного напряжения со вторичным по¬
средством третьей катушки £3.
Если изменение входного сигнала меньше, чем напряжение,
действующее на электролитическом конденсаторе, диоды не могут
проводить и на нагрузке не возникает напряжения сигнала. В любом
случае напряжение на нагрузке не может быть больше, чем напря¬
жение на конденсаторе, следовательно, схема детектора отношений
действует так же, как ограничитель напряжения.
В условиях работы с ограничением сумма напряжений на кон¬
денсаторах Ct и С2 равна напряжению на электролитическом конден¬
саторе. Напряжение Ucl равно амплитуде напряжения, подведен¬
ного к диоду Д1, а напряжение UС2 — соответственно амплитуде
напряжения, подведенного к диоду Дг.
На резонансной частоте напряжения UС1 и UС2 равны и вы¬
ходное напряжение, снимаемое между точками А и В, равно нулю.
Если частота сигнала больше резонансной, то переменное напряже¬
263
ние на диоде Дг больше, чем на диоде Д2, и выходное напряжение
положительно. При частоте меньше резонансной это напряжение
отрицательно. Сумма напряжений UCl и UC2 постоянна, поэтому
изменения напряжений Ucl и VС2 делятся пропорционально,
отсюда и название схемы — детектор отношений.
Статическая характеристика детектора отношений, как и у фа¬
зового дискриминатора, является S-образной кривой.
Что такое преобразование частоты?
Преобразование частоты, называемое также транспонированием
спектра, является процессом, переносящим сигнал данной частоты
(линейного или занимающего некоторый спектр) в диапазон других,
обычно более низких частот.
Прежде всего преобразование частоты используется для упро¬
щения процесса усиления сигнала. Известно, что технические труд¬
ности в создании многокаскадного усилителя с высокой избиратель¬
ностью возрастают с ростом частоты. Они являются еще большими,
если усилитель должен быть перестраиваемым. Поэтому целесо¬
образны перенос интересующего нас сигнала, например от радио*
или телевизионной станции, в диапазон более низких частот и
построение усилителя, работающего именно в этом диапазоне
частот.
На чем основывается преобразование частоты?
Преобразование частоты основано на взаимодействии в цепи
нелинейного элемента (рис. 11.22) двух сигналов: сигнала, подвер¬
гаемого преобразованию, /с и сигнала /гет, подводимого от местного
генератора (гетеродина). В резуль¬
тате возникают сигналы с частотами
2 /с» 2 /гет» /гет ~Ь’/с» /гет /с- По¬
явилась также составляющая с ча¬
стотой, являющейся разностью ча¬
стот обоих смешиваемых сигналов.
Эту составляющую можно легко
выделить с помощью контура, на¬
строенного на частоту /гет — /с-
Если/С — модулированный сигнал,
занимающий определенный частот-
Рис. 11.22. Преобразование
частоты в цепи с диодом
Рис. 11.23. Спектры колебаний в преобразователе частоты
ный спектр, то в результате преобразования весь спектр сигнала
будет перенесен в диапазон более низких частот. Это наглядно
представлено иа рис. 11.23.
264
Разностная Ч&сТоТа /гет — /с (частота биений обоих сНТналов)
чаще называется промежуточной частотой /пч. Таким образом,
в результате преобразования двух сигналов с разными частотами
получаем сигнал промежуточной частоты.
Как работает супергетеродинный приемник?
Супергетеродинный приемник — это приемник, в котором ис¬
пользуется процесс преобразовании частоты. На основе уже извест¬
ных процессов усиления сигнала, генерирования напряжения высо¬
кой частоты, преобразования и детектирования можно понять дей¬
ствие приемника сигналов высокой частоты, такого как, например,
радиоприемник и телевизор.
Структурная схема супергетеродинного радиоприемника пред¬
ставлена на рис. 11.24.
Антенна
Рис. 11.24. Структурная схема супергетеродиииого радиоприемника
Принятые антенной сигналы высокой частоты поступают во
входные контуры приемника, где происходит выбор желаемой стан¬
ции. Выбранный сигнал после усиления в усилителе высокой час¬
тоты поступает в смеситель. Следует добавить, что усилитель высо¬
кой частоты является резонансным усилителем и совместно с вход¬
ными контурами, так же настраиваемыми, обеспечивает предвари¬
тельную избирательность приемника. Кроме того, он создает необ¬
ходимое усиление сигнала перед процессом преобразования, что
положительно влияет на отношение сигнал/шум на выходе прием¬
ника.
В более простых схемах приемников усилитель высокой час¬
тоты не применяется, и тогда сигнал поступает в смесйтель непо¬
средственно из входных контуров.
Одновременно к смесителю подводится напряжение высокой
частоты от гетеродина. Гетеродин создает напряжение, частота кото¬
рого больше частоты принимаемого сигнала на значение промежу¬
точной частоты. Гетеродин перестраивается совместно с входными
контурами и усилителем высокой частоты, поэтому его частота всег¬
да больше частоты выбранного сигнала. В результате смещения
обоих сигналов в смесителе присутствует сигнал с промежуточной
частотой /пч, определяемый зависимостью /с — /гет = /пч*
Сигнал промежуточной частоты усиливается в усилителе про¬
межуточной частоты. Это перестраиваемый усилитель, работающий
иа постоянной частоте, с большим коэффициентом усиления и высо¬
кой избирательностью. Последний каскад усилителя промежуточной
частоты управляет детектором. В результате детектирования полу¬
чается низкочастотный сигнал, который после усиления в усилителе
напряжения и усилителе мощности подается на громкоговоритель.
265
Рассмотренная структурная схема супергетеродинного радио*
приемника является обобщенной схемой, относящейся к приемнику
как амплитудно-модулированных, так и частотно-модулированных
сигналов. В зависимости от типа приемника подвергаются измене¬
нию рабочий диапазон частот, схемное решение отдельных блоков,
тип детектора и т. п.
Как осуществляется преобразование частоты?
Преобразование частоты осуществляется с помощью нелиней¬
ного элемента, например диода, электронной лампы, транзистора
и т. п., а также вспомогательного сигнала высокой частоты с отно¬
сительно большой амплитудой, подводимого от местного генера¬
тора.
Существует множество схемных решений, которые можно раз¬
делить на две группы. Если смесительный элемент и гетеродин пред¬
ставляют собой независимые схемы, то первая из них называется
Рис. 11.25. Транзисторная схема преобразования ча¬
стоты
смесителем. Если одна лампа, обычно многосеточная, или транзи¬
стор выполняют одновременно функции гетеродина и смесительного
элемента, то схема называется автодинным каскадом преобразова¬
ния или смесителем.
Примером преобразовательного каскада служит транзисторная
схема на рнс. 11.25, которая генерирует колебания с частотой /гат
(элементы генератора: Lt, L2, С2). В цепь базы подводится сигнал
с частотой /с. Из-за процесса преобразования, происходящего в цепи
базы, возникает сигнал промежуточной частоты /гет — Д> Схема
одновременно является предварительным усилителем сигнала про¬
межуточной частоты, поскольку контуры L3 и настроены именно
на эту частоту. При таком подходе усиление схемы называется
усилением преобразования.
Что такое автоматическая регулировка частоты?
Автоматическая регулировка частоты (АРЧ) является одним
из методов стабилизации частоты генераторов. Схемы АРЧ приме¬
няются в радиоприемниках или телевизорах высшего класса для
стабилизации частоты гетеродина. Благодаря этим схемам происхо-
266
Дит автоматическое поддержание правильной настройки приемйика
на несущую частоту принимаемого сигнала.
Структурная схема АРЧ представлена на рис. 11.26. Из-за
колебаний напряжения питания, изменений температуры и т. п.
частота генератора не постоянна, а подвергается некоторым измене¬
ниям, что проявляется в виде частотно-модулированного сигнала,
а следовательно, и в сигнале промежуточной частоты, полученного
в результате преобразования. На выходе усилителя промежуточной
частоты (перед детекторным каскадом) помещают узкополосный ре¬
зонансный контур, настроенный иа промежуточную частоту. Шири¬
на полосы контура достаточна для пропускания изменений частоты
Рис. 11.26. Структурная схема цепи автоматической регулировки
частоты
гетеродина. Выходное напряжение контура управляет дискримина¬
тором ошибки. Если частота генератора имеет соответствующее но¬
минальное значение, то выходное напряжение дискриминатора рав¬
но нулю. Если генератор отстроится от номинальной частоты, на
нагрузке дискриминатора появится напряжение. Это напряжение
будет положительным или отрицательным в зависимости от направ¬
ления изменения частоты генератора. После тщательной отфильтров-
ки выходное напряжение дискриминатора добавляется или вычитает¬
ся из напряжения смещения реактивного контура (например, на
емкостном диоде). Изменение напряжения смещения на реактивном
контуре вызывает изменение вносимой емкости и в результате,
поскольку реактивный контур подключен параллельно контуру ге¬
нератора, подстройку частоты генератора в направлении ее номи¬
нального значения.
Каковы основные черты импульсной модуляции?
В системах с импульсной модуляцией используется тот факт,
что для передачи информации не обязательно передавать ее непре¬
рывно.
Первым процессом в системах с импульсной модуляцией являет¬
ся генерация несущего колебания в виде последовательности перио¬
дически повторяющихся импульсов. Частота, с которой повторяют¬
ся импульсы, называемая частотой дискретизации, должна быть дос¬
таточно высокой и зависеть от полосы передаваемого информацион¬
ного сигнала. Обычно она в 2 раза больше наибольшей частотной
составляющей информации. Полученная импульсная последователь-
267
йосТь Используется дЛя создания импульсов, на которые наложена
передаваемая информация. Наложение информации на импульсною
последовательность производится в схемах модуляции.
Самой важной чертой импульсной модуляции является времен¬
ная дискретизация (временное квантование), заключающаяся в за¬
мене непрерывного временного колебания, например акустического,
последовательностью дискретных значений (отсчетов) этого колеба¬
ния, действующих в определенные отрезки времени. При передаче
сигнала с импульсной модуляцией по радиоканалу импульсы, содер¬
жащие информацию о модулирующем сигнале, модулируют передат¬
чик высокой частоты по амплитуде или частоте. В результате имеет
место двухтактная модуляция.
D
П_П П П ПО И ИI
Какие существуют виды импульсной модуляции?
Импульсы характеризуются многими параметрами: амплитудой,
временным положением, длительностью, частотой и т. п. Благодаря
этому имеется возможность применения многих видов импульсной
модуляции. К наиболее часто встречаемым относится модуляция
амплитуды, длительности или
ширины импульсов, модуля¬
ция положения импульсов и
импульсно-кодовая модуля¬
ция.
На рис. 11.27 представле¬
ны колебания, соответствую¬
щие различным видам им¬
пульсной модуляции.
При амплитудно-импульс¬
ной модуляции в каждый мо¬
мент дискретизации амплиту¬
да импульса пропорциональна
мгновенной амплитуде моду¬
лирующего сигнала.
При широтно-импульсной
модуляции импульсы имеют
постоянную амплитуду, но их
ширина (длительность) пропор¬
циональна амплитуде модули¬
рующего сигнала в момент дис¬
кретизации. Для получения
изменения ширины импульсов
можно сдвигать во времени
передний или задний фронт
либо оба фронта одновремен¬
но. Если средняя ширина им¬
пульса составляет 5 мкс, то в
процессе модуляции она мо¬
жет меняться от 1 до 9 мкс.
При модуляции положения импульсов их положение изменяет¬
ся вблизи среднего значения. Сдвиг соответствует амплитуде сиг¬
нала в момент дискретизации. Два последних вида модуляции отно¬
сятся к системе временной модуляции импульсов.
Импульсно-кодовая модуляция имеет наилучшие показатели.
Эта модуляция основывается на одновременном использовании прин-
268
2)
01
л
ГЖТТТ
Рис. 11.27. Методы импульсной модуля¬
ции:
а — модулирующий сигнал; б — моду¬
ляция амплитуды импульса; в — моду¬
ляция ширины импульса; г —модуля¬
ция положения импульса; д — кодовая
модуляция
ципа дискретизации, временного квантования и кодирования. Кван¬
тование — это процесс, в котором модулирующий сигнал с непрерыв¬
но меняющейся амплитудой заменяется дискретным — ступенча¬
тым сигналом с заранее заданным числом уровней. Это означает, что
импульсам, амплитуда которых лежит в определенном интервале,
называемом шагом квантования, соответствует один общий уровень.
Кодирование заключается в том, что отдельным уровням квантован¬
ного сигнала приписывается соответствующий кодовый символ. На
практике кодовая модуляция осуществляется с помощью цифровых
кодов, чаще всего двоичных. Например, четырехбитовый (разрядный)
двоичный код позволяет принять 24, т. е. 16, амплитудных уровней
от 0 до 15.
Если группы импульсов, полученные в результате импульсно¬
кодовой модуляции, снова преобразовать в сигнал, то возникает
некоторое расхождение между воспроизведенным сигналом и перво¬
начальным. Это расхождение, называемое шумами квантования,
уменьшается с ростом числа уровней квантования.
Из упомянутых видов импульсной модуляции реже всего ис¬
пользуется амплитудно-импульсная из-за невыгодных шумовых
свойств. Наибольшее значение в связи с развитием цифровой техни¬
ки имеет импульсно-кодовая модуляция.
На чем основана система группообразования каналов?
Система группообразования (объединения и разделения) осно¬
вана на одновременной передаче более чем одного сообщения на
общей несущей частоте. Известны два метода группообразования—
частотный и временной.
При частотном группообразовании каждому частотному каналу
приписывается другая поднесущая частота. Каждое сообщение мо¬
дулирует поднесущую. Модулированные поднесущие, суммирован¬
ные соответствующим способом, модулируют затем высокочастот¬
ную несущую.
При временном группообразовании используется тот факт, что
в системах с импульсной модуляцией длительность импульсов очень
мала по сравнению с периодом дискретизации, т. е. имеется возмож¬
ность размещения между импульсами, соответствующими одному
сообщению, импульсов других сообщений. Это требует примене¬
ния соответствующих коммутационных устройств. Последователь¬
ностью импульсов, представляющей много информационных кана¬
лов, модулируется затем высокочастотный передатчик.
ГЛАВА 12
ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА
Что такое цифровая техника?
Это отрасль техники (электроники), в которой сигналы, дейст¬
вующие в схемха, могут, как правило, иметь лишь два крайних
(дискретных) уровня; высокий и низкий в отличие от аналоговых
сигналов, которые имеют произвольные уровни и изменяютси не¬
прерывно (рис. 12.1). Элементы схем (лампы, транзисторы, диоды)
269
работают как электронные ключи и находятся в одном из двух край¬
них состояний: пропускания (включения) или запирания (выключе¬
ния).
Главные достоинства цифровой техники: высокая надежность и
очень высокая помехоустойчивость. Кроме того, «двухуровен-
ность» сигналов часто исключает ошибки при передаче и воспроиз¬
ведении информации, содержащейся в цифровом сигнале, поскольку
распознавание двух крайних уровней сигнала является надежным
даже при наличии больших искажений и помех.
Цифровая техника находит широкое применение в измеритель¬
ных, устройствах, математических и вычислительных машинах, раз¬
личных профессиональных электронных устройствах и все более
Рис. 12.1. Пример цифрового (а) и аналогового (б) сигналов:
/ — высокий уровень; 2 — низкий уровень
широко в бытовой аппаратуре повседневного использования. Во
многих случаях введение цифровой техники вместо аналоговой уве¬
личивает надежность работы и точность (в частности, устраняется
погрешность отсчета), упрощает конструкцию, уменьшает габарит¬
ные размеры и массу устройств, упрощает программирование, дает
возможность регистрации информации. Используемые в цифровой
технике схемы имеют также ряд преимуществ: их можно изготавли¬
вать в виде полупроводниковых интегральных микросхем.
Какая система счисления является основой
цифровой техники и почему?
Основу цифровой техники образует двоичная система выраже¬
ния цифр, называемая также бинарной системой, и связанный с ней
математический аппарат, называемый булевой алгеброй.
В двоичной системе счисления любое число удается записать
с помощью 1 или 0, например двоичное число Ш01011 соответствует
десятичному числу 235. Каждая позиция числа, записанного в двоич¬
ной системе счисления, представляет одно из двух состояний (1
или 0). В электронике имеются элементы (транзистор, лампа, диод),
которые могут работать в двух состояниях: пропускания (включе¬
но) и непропускания (выключено). Например, цепь тока — состоя¬
ние включения и состояние выключения, реле — состояние замыка¬
ния и состояние размыкания.
Относительно электрических сигналов двоичная система счис¬
ления также соответствует двум состояниям или двум уровням:
высокому (более положительному) и низкому (менее положительно¬
му, нулевому нли даже отрицательному). Если высокое состояние
рассматривать как «1», а низкое как «0», то имеем так называемую
положительную логику. При таком условии каждое из двух возмож¬
ных состояний элемента или схемы условно обозначается следующим
способом (рис. 12.2): состояние Н (от англ, high—высокий) или 1 —
270
да — элемент активный; состояние L (от англ, low — низкий) или
О — нет — элемент пассивный.
В случае отрицательной логики высоким уровням присваивает¬
ся 0, а низким 1. В дальнейшем примем только положительную ло¬
гику.
На практике невозможно осуществить такое условие, при кото¬
ром все цифровые сигналы точно соответствуют одному из двух при-
Т
Рис. 12.2. Интерпретация уровней цифрового сиг¬
нала в положительной логике
—н—
•L
нятых уровней, и разрешаются некоторые допуски, так что следо¬
вало бы скорее говорить о двух интервалах, в которых находятся
сигналы.
Что такое двоичная система записи числа?
Объяснение двоичной системы проще всего провести сравнени¬
ем с широко используемой в других областях десятичной системой.
Как известно, в десятичной системе для записи чисел используются
десять цифр: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Позиция (положение) каждой
цифры в числе, записанном в десятичной системе, определяет ее
значение, например цифра 3 в числе 235 определяет три десятка,
т. е. 30, а цифра 3 в числе 2350 определяет три сотни, т. е. 300.
Для этих примеров можно записать:
235 = 2 -102 + 3-104 + 5-10°;
2350 = 2-103 + 3- 10я + 5-101 + 0-10°.
Как легко заметить, в десятичной системе каждое число запи¬
сывается как последовательность коэффициентов при последова¬
тельных степенях основания этой системы.
В двоичной системе основание равно двум и имеются только
две цифры 1 и 0. Последовательность цифр в двоичной записи числа
представляет собой коэффициенты при соответствующих степенях
двойки.
Например, имеем:
0 = 0-23 + 0*22 + 0-21 + 0-2°, т. е. 0000;
1 = 0 - 23 + 0-22 + 0-21 + 1-2°, т. е. 0001;
2 = 0-23 + 0-22 + I-21 + 0-2°, т. е. 0010;
3 = 0-23 + 0-22 + 1 • 21 + 1-2°, т. е. ООП;
4 = 0-23 -f- 1 • 22 + 0-21 + 0-2°, т. е. 0100;
15 = 1-23 + 1а22 + 1-21 + 1-2°, т. е. 1111;
235 = 1 • 27 -f- 1-26 + 1-2в + 0-24 + Ь23 + 0-22 + 1-21 + 1 X
X 2° = (128 + 64 + 32 +0 + 8 + 0+ 2 + 1), т. е. 11101011.
Что такое двоично-десятичная система
счисления? ’
Как видно из приведенных выше примеров, двоичная запись,
образованная из четырех цифр, это четырехбитовая запись. Она
позволяет записать лишь числа от 0 до 15 (23 + 22 + 21 + 2° =
271
= 8 +4 + 2 + 1л), и на этом ее емкость исчерпывается. В связи
с этим в цифровой технике часто пользуются и другими двоичными
системами, представляющими модификацию «чистой» системы, т. е.
двоичной системы, обозначаемой обычно как 8421.
Часто применяется двоично-десятичный код. Он основан на том,
что каждую цифру числа, записанного в десятичной системе, записы¬
вают отдельно с помощью четырех битов. Поясним это на примере
числа 235 (табл. 12.1).
Таблица 12.1
2
3
5
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
800
400
200
100
80
40
20
10
8
4
2
1
Достоинством двоично-десятичиой системы является упрощение
замены чисел, записанных в десятичной системе, числами, записан¬
ными в двоичной системе, и наоборот.
Какие основные действия над двоичными
числами?
Очевидно, что действия с двоичными числами отличны от опе¬
раций, которые выполняют с числами, записанными в десятичной си¬
стеме. Они очень просты и легки для запоминания.
Сложение чисел, записанных в двоичной системе, выполняется
в соответствии со следующим правилом (или иначе алгоритмом):
0 + 0 = 0;
0+1=1;
1 + 0=1;
1 + 1 = 0 с переносом единицы на
следующую позицию влево.
Последний алгоритм имеет сходство со сложением в десятичной
системе, когда результат сложения больше или равен 10.
Вычитание осуществляется согласно следующему алгоритму:
0 — 0=0;
0 — 1=1 и затем со следующей позиции
(похоже на ситуацию в десятичной системе);
1-1=1;
1 — 1 = 0.
Умножение чисел в двоичной системе производится очень .про¬
сто. Вместо большой таблицы умножения в десятичной системе в
двоичной имеем маленькую и легкую для запоминания таблицу
0-0 = 0;
1-0 = 0;
0-1=0;
1-1= 1.
272
Деление двоичных чисел обычно заменяется умножением, н при
этом используются приведенные выше алгоритмы.
Что такое логические элементы?
Логическим элементом, или функтором, называется элемент,
принимающий значения 0 и 1. В нем существует определенная ло¬
гическая связь между входным и выходным сигналами. Связь между
сигналами определяется логической функцией. Для математиче¬
ского описания логической функции используется булева алгебра.
Основными логическими операциями этой алгебры являются: от¬
рицание, логическое умножение (конъюнкция), логическое сложение
(дизъюнкция). Существуют и другие логические операции.
Что такое операция логического умножения?
Обозначим через х некоторое утверждение или состояние И
примем, что если х истинно, то можно записать х = 1, а если х
ложно, то х = 0. Введем еще одно утверждение или состояние у
и также примем, что у = 1, если у истинно, и у — 0, если у ложно.
Основой логического умножения
г = х-у,
где z — логическое произведение, причем «-» означает именно ло¬
гическую операцию, а не арифметическое действие, является ана¬
лиз утверждения, что х и у истинны.
Рассмотрим четыре возможных случая:
Случай 1. Примем: х — 1; у = !. Это означает, что х истинно,
у истинно. Очевидно, утверждение «х и у истинны» также является
истинным, что записываем следующим образом: г — х-у — 1.
Резюмируем, для х—\цу=\г— х-у — 1.
Случай 2. Примем: х = 1; у = 0. В этом случае сделанное ут¬
верждение 2 = Х'У ЛОЖНО, Т. в. 2 — Х'У — 0.
Резюмируем: для х=1иу=0г= х*у — 0.
Случай 3. Примем: х = 0; у — 1. В этом случае утверждение
г = х-у ложно, как в случае 2, и можем записать для х=0 и у — 1
г — х-у = 0.
Случай 4. Примем: х = 0; у = 0, и тогда г = х-у = 0,
Рассмотренные случаи можем (ввести в табл. 12.2
Т а б лица 12.2
X
У
г—х-у
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
Как легко заметить, приведенная таблица идентична «таблице
умножения», обязательной з двоичной системе и приведенной.выше.
Ifr Зчк. 1609 273
Как осуществить функцию логического
умножения?
Функция логического умножения, называемая также конъюнк¬
цией, реализуется логическим элементом (функтором) И, элементом
типа И и осуществляется в виде схемы, которая дает на выходе
единицу тогда и только тогда, когда сигналы на обоих входах логи¬
ческого элемента имеют значение, соответствующее единице. Это
совпадает с табл. 12.2. Самым простым способом такую функцию
можно реализовать с помощью схемы, состоящей из двух реле,
включенных последовательно (рис. 12.3). При этом можно получить
f-
-*-о
Вых
—и
(7 -о=о
1 0-1 = 0 \
ЩЕП
Рис. W.3. Пример простого осуществления функции И (о) и графическое
обозначение элемента И (б)
четыре случая, описанных правилами логического умножения, при¬
чем один из них вызывает появление выходного сигнала. На рисун¬
ке приведено функциональное обозначение элемента типа И, встре¬
чающееся в литературе и используемое для обозначений на электри¬
ческих схемах. Чаще всего применяется функциональное обозна¬
чение.
Очевидно, что функцию И можно реализовать и другим спосо¬
бом — чисто электронным путем. Это будет рассмотрено ниже.
Что такое операция логического сложения?
Как в случае логического умножения исходим из некоторого
сделанного утверждения. Для операции логического сложения —
это утверждение, что х или у истинны. Запишем это следующим спо-
робом: z = х -f- у, причем знак «+* означает, как и ранее, знак
«•», .только логическую
операцию, а не арифмети¬
ческое действие. Такое
утверждение является дей¬
ствительно истинным тогда,
когда по крайней мере
только х илн только у ис¬
тинны, а также н в случае,
когда х и у одновремен¬
но истинны. Возможны че¬
тыре случая» сведенные в
табл. 12.3:
Таблица 12.3
X
У
г=х+е
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
274
Как осуществить функцию логического
сложения?
Функция логического сложения, называемая также дизъюнк¬
цией, реализуется логическим элементом типа ИЛИ в виде схемы,
которая дает на выходе единицу, если это значение имеет по крайней
мере один из входных сигналов. Это соответствует табл. 12.3. Са¬
мым простом способом такую функции можно реализовать с помощью
схемы, образованной двумя реле, включенными параллельно, как
°)
0
► (
х+у- 0
0 + 0-0
У
У
У
5)
И
*г
Z=Xf + X2
Рис. 12.4. Пример осуществления функции ИЛИ
(о) и условное графическое ofio:uiaчсинс элемента
ИЛИ \<5)
показано на рис. 12.4. На этом же рисунке указано таКже графиче¬
ское обозначение элемента типа ИЛИ.
Другие функциональные схемы, реали¬
зующие функцию ИЛИ, приводятся ниже. Таблица 12.4
Что такое операция отрицания?
Исходим из утверждения, что х ложно,
выражаемого также сокращенно «не х» н
записываемого следующим образом: г — х-
Это утверждение правильно только тогда,
когда х — 0. Следовательно, имеются два
случая (табл. 12.4).
X
Z — X
0
1
1
0
Как реализовать операцию отрицания?
Операция отрицания или инверсии, называемая также функци¬
ей НЕ или элементом типа НЕ, осуществляется в виде схемы, изме¬
няющей логическое значение входного сигнала на противоположное,
например схемы, дающей на выходе сигнал 1, когда на входе 0, и
наоборот. Такую функцию можно реализовать, например, с помощью
10* 275
усилителя, инвертирующего фазу сигнала. Графическое изображе¬
ние элемента типа НЕ представлено на рис. 12.5.
Рис. 12.5. Условное графическое обозначе¬
ние элемента НЕ
X
Что такое элемент типа ИЛИ — НЕ?
Это логический элемент1, реализующий отрицание логическо¬
го сложения (iфункция Пирса) ил
Таблица 12.5
X
У
Z = x + U
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
, что в конечном результате равно¬
значно, реализующий произведе¬
ние отрицаний; запишем это сле¬
дующим образом;
Z = X + У ИЛИ Z = Х'У.
Следовательно, это элемент, пред-
станляющий собой соединение
двух функций, отсюда название
ИЛИ—НЕ. Элемент ИЛИ—НЕ
дает на выходе единицу тогда и
Только тогда, когда на обоих вхо¬
дах присутствует сигнал 0. Это
можно представить в виде табл.
12.5.
Графическое изображение элемента типа ИЛИ—НЕ показано
на рис. 12.6. Как следует из записи функции, элемент ИЛИ—НЕ
можно реализовать соединением элементов ИЛИ и НЕ либо соеди¬
нением двух элементов НЕ с элементом И (рис. 12.7). Более того,
можно показать, что при использовании элементов ИЛИ—НЕ уда-
Рис. 12.6. Условное графиче¬
ское обозначение элемента
ИЛИ - НЕ
m-Cb
Рис. 12.7. Функция И при исполь¬
зовании элементов типа ИЛИ — НЕ
етей реализовать любую переключающую функцию. Примеры
практических решений элементов типа ИЛИ—НЕ приведены на
рис. 12.10, в, 12.11.
1 Логические элементы, рсплизукнцне функции И, ИЛИ, ME. И — НЕ,
ИЛИ —НЕ, относятся к одноступенчатой логике, — Прим. рсд.
276
Что такое элемент И — НЕ^
Это элемент, реализующий отрицание Логического умножения
(функцию Шеффера) или, что равнозначно в конечном результате,
сумме отрицаний. Запишем эту
функцию следующим образом:
2 = х у или z =■ х -т у.
Следовательно, это логичес¬
кий элемент, представляющий со¬
бой соединение двух функций, от¬
сюда название И—НЕ. Из выра¬
жения следует, что элемент И—
НЕ имеет на выходе сигнал 0 тог¬
да и только тогда, когда оба вход¬
ных сигнала имеют значения 1.
Это можно свести в табл. 12.6.
Графическое изображение элемента И—НЕ представлено .на
рис. 12.8. Как следует из запийи функции, элемент И—НЕ можно
реализовать, соединив элемент И с элементом НЕ или два элемента
Таблица 12.6
X
У
г = х-у
0
0
1
0
1
I
1
0
1
1
1
0
Рис. /2.8. Условное графическое обозначение эле¬
мента И — НЕ
X
У
&
НЕ с элементом ИЛИ. Применение элементов И—НЕ позволяет реа¬
лизовать любые переключающие функции. Пример практического
решения элемента И—НЕ приведен на рис. 12.10,6.
Каково применение логических элементов
в цифровой технике?
Простейшие логические элементы представляют собой основные
схемы, входящие в сложные функциональные логические схемы,
реализующие часто очень сложные функции. Такие схемы называют¬
ся комбинационными логическими схемами. Реализация схемы, вы¬
полняющей определенное задание, т. е. определенную логическую
функцию, обычно возможна в различных вариантах, отличающихся
числом и типом используемых логических элементов. Например, как
уже указывалось выше, даже реализация элементов ИЛИ—НЕ воз¬
можна в двух вариантах. Очевидно, что следует стремиться к тому,
чтобы техническая реализация была проще и требовала наименьшего
количества логических элементов. Такой процесс, включающий, в
частности, упрощение алгебраической записи реализуемой логиче¬
ской функции и называемый процессом минимизации, проводится на
этапе проектирования сборки с использованием прежде всего пре¬
образований, следующих из булевой алгебры, например таких, как
х + у = х-у — (сравните элемент ИЛИ—НЕ);
х-у = х + у — (сравните элемент И—НЕ);
х-у + х-г — х (у + г).
277
В процессе преобразования и упрощения логических функций
часто пользуются законами коммутативности, ассоциативности и ди¬
стрибутивности, которые обязательны также и в булевой алгебре
Кроме того, при реализации сложных функций часто удобнее
пользоваться так называемыми картами Карно, являющимися гра¬
фическим представлением произведений всех комбинаций имеющих¬
ся переменных. В частности, логические элементы используются для
создания матричных схем, служащих для преобразования кодов,
триггеров и разных схем, выполняющих сложные функции, напри¬
мер таких, как калькуляторы, цифровые машины, генераторы раз¬
личных сигналов, электромузыкальные инструменты, электронные
часы, измерительные приборы.
Что называется логическим вентилем?
Определение «вентиль» или «логический вентиль» в принципе
относится к элементу И. Часто это название используется совсем
для других логических элементов и схем, работающих в двоичной
системе с двумя определенными уровнями сигналов. Иногда венти¬
лем называют схему, в которой сигнал появляется на выходе только
при подаче запускающего импульса. В общем случае схема вентиля
может иметь больше двух входов.
Как реализуются логические схемы?
Существует много возможностей, зависящих от типа логической
схемы и электронных элементов, которые выбраны для применения.
В простейшем случае используются диодные логические схемы, со¬
кращенно обозначаемые ДЛ. Используются также диодно-транзис¬
торные схемы (ДТЛ), транзисторно-транзисторные (ТТЛ), резнстив-
но-транзисториые (РТЛ) и др.
От используемой технологии зависят переключающие свойства
логической схемы, ее стоимость, надежность. Логические схемы
чаще всего выполняют в виде интегральных микросхем, содержащих
на одном кристалле по меньшей мере несколько логических элемен¬
тов. Цифровые интегральные микросхемы, выпускаемые в ПНР и со¬
держащие различные комплекты вентилей, обозначаются как UCY,
например UCY7400, UCY74-A10N*
Как уже подчеркивалось, полупроводниковые элементы, ис¬
пользуемые в логических схемах, работают в двух состояниях: вклю¬
чено либо выключено. Состояние «Включено» обычно соответствует
области насыщения полупроводникового элемента, а состояние «Вы¬
ключено» — области отсечки. Изменение состояний, (переключение)
происходит скачком под воздействием внешних сигналов, представ¬
ляющих уровень, соответствующий 1 или 0. Преимуществом полу¬
проводникового элемента как переключающего элемента является
очень малое внутреннее сопротивление, недостатком — инерцион¬
ность, вызывающая задержки в отклике на быстрое изменение уров¬
ня в подводимом сигнале, связанное с происходящими в полупро¬
воднике процессами.
* Классификацию интегральных микросхем н их обозначение можно найти
н книге «Аналоговые и цифровые ИС* под ред. С. "В Якубовского Иэд во
«Сов. радио». 1978 г. Прим, ред
278
Что такое диодные логические схемы?
Диодные логические схемы отличаются большой простотой. На
рис. 12.9, а представлена схема элемента И. Если хотя бы на одном
из входов имеется сигнал 0, то соответствующий диод смещается
в прямом направлении. Через резистор протекает ток и выходное
напряжение имеет низкий уровень, близкий к 0. Аналогично и в
случае, когда оба входных сигнала являются нулями. Если на обо¬
их входах присутствует сигнал 1, оба диода заперты н выходной уро¬
вень становится высоким, т. е. случай сигнала логической I.
Я)
Вх д,
—
^ о-43^--
+
5) Вх
х °—01—
R 2 = ХУ
—ОН—
12=Х + у+ У
ВЫХ
Вых
и—01—
о Z
—°z
—о
С 1
L
Рас. 12.9. Диодные логические схемы И — HF (а) и ИЛИ (б)
На рис. 12.9, 6 представлена схема элемента типа ИЛИ с тре¬
мя входами. Выходной сигнал, соответствующий логической 1, по¬
лучается в том случае, когда по крайней мере один из входных сиг¬
налов х, у, г имеет значение 1. В других случаях через сопротивле¬
ние не протекает ток и падение напряжения равно 0, а следователь¬
но, чвыходной сигнал элемента ИЛИ соответствует логическому 0.
Что такое транзисторные логические
схемы?
На рис. 12.10, а представлена транзисторная схема с непосред¬
ственной связью (гальванической), выполняющая функцию элемента
типа НЕ. Транзистор работает по схеме ОЭ, инвертирующей фазу
сигнала на 180°, благодаря чему г = х.
На рис. 12.10, б показана транзисторная схема, выполняющая
функцию И—НЕ, на рис. 12.10, в — схема, выполняющая функцию
ИЛИ—НЕ. Принцип работы обеих схем очень простой и не требует
объяснения.
Достоинствами ТЛ-схем являются большая простота, высо¬
кое быстродействие, малое количество элементов. Недостатком —
прежде всего необходимость подбора транзисторов с малым разбро¬
сом параметров, а также большее время выключения, особенно вре¬
мя ts.
Что такое диодно-транзисторные логические
схемы?
В диодно-транзисторных решениях схемы элементов типа И,
ИЛИ реализуются как диодные, схемы элементов типа НЕ — как
транзисторные н лишь схемы элементов И—НЕ и ИЛИ—НЕ — как
состоящие из диодов и транзисторов,.
279
Что такое резисторно-транзисторные логические
схемы?
На рис. 12.11 представлен элемент ИЛИ—НЕ в резнсторно-
транзисторном (РТЛ) схемном решении. Как легко заметить, он
является модификацией элемента НЕ (см. рис. 12.10 а). Если на
*)
ВЫК
—°z
о-
■о
Рис. 12.10. Транзисторные
логические схемы, выполня¬
ющие функции НЕ (а).
И-НЕ (б) и ИЛИ-HE (в)
любом из входов-имеется 1, то транзистор находится в состоянии
насыщения н на выходе элемента появится сигнал логического 0.
К недостаткам РТЛ-схем относятся: медленное переключение, низкая
Рис. 12.11. Логическая схема РТЛ,
выполняющая функции ИЛИ — НЕ
граничная частота, а также ограничение возможности интеграции
из-за наличия резисторов и конденсаторов, включенных параллельно
резисторам У? для увеличения скорости переключения.
280
Что такое транзисторно-транзисторные
логические схемы?
На рис. 12.12 представлен пример построения схемы ТТЛ, вы*
полняющей функции И—НЕ. Это решение соответствует интеграль¬
ной схеме типа UCY7400 и 134ЛБ1, содержащей четыре вентиля.
Схема работает следующим образом. Транзистор Тг с двумя эмит¬
терами осуществляет логичес¬
кое произведение (элемент И),
а остальные транзисторы об¬
разуют выходной противотакт-
ный усилител'ь, осуществляю¬
щий функцию отрицания (эле¬
мент НЕ). Если хотя бы на
одном из входов имеется сиг¬
нал логического 0 (ниже
+ 0,4 В), то транзистор Тг
находится в состоянии насы¬
щения, а транзистор Т& —в со¬
стоянии запирания. В этом
случае резистор R3 соединяет
базу транзистора Тг с массой,
что вызывает его запирание.
Транзистор Тз в этих услови¬
ях работает как эмиттерный
повторитель, поскольку на¬
грузочное сопротивление схе¬
мы и сопротивление транзисто¬
ра Т\ в состоянии запирания значительно больше, чем сопротивление
Rit Выходной сигнал повторителя соответствует! (более -}-2,4В).
При подаче сигнала, соответствующего 1, на оба входа вентиля
эмиттерные переходы входного транзистора Т* будут смещены в
Рис. 12.12. Логическая ТГЛ-схе-
ма, выполняющая функция
И — НБ на интегральных ми¬
кросхемах типа UCY7400 или
134 ЛБ
Рис. 12:13. Соединения в интегральной микросхеме
типа UCY7400
обратном направлении и ток базы этого транзистора будет проте¬
кать через коллекторный переход транзистора Т2, который находит¬
ся в состоянии насыщения. В режим насыщения перейдет также
транзистор ТА и запрется транзистор Т3. На выходе будет сигнал 0.
v 281
Соединения в корпусе интегральной микросхемы UCY7400 по
казаны на рис. 12.13.
Техника ТТЛ-схем отличается высоким быстродействием, про¬
стотой реализации, малым потреблением мощности и большой на¬
грузочной способностью. Благодаря этим достоинствам схемы ТТЛ
являются наиболее распространенными логическими схемами.
Что такое матричные логические схемы?
Это специальные коммутационные схемы со многими входами
и выходами, причем на входах могут возникать все комбинации со¬
стояний, ио только на одном из выходов может появиться сигнал,
являющийся откликом иа заранее Определенную комбинацию вход¬
ных состояний. Часто применяются диодные матричные схемы, ко¬
торые используются в качестве декодеров или иначе дешифраторов
например для преобразования информации из одного кода (двоично¬
го) в другой (десятичный).
Принцип действия матричной схемы состоит в том, что состояние
на отдельных входах влияет на смещение диодов, подключенных
в матричной схеме к этим входам. В зависимости от этого смещения
отдельные диоды открыты либо закрыты, что непосредственно влия¬
ет на выходные сигналы на отдельных выходах. Рассмотрим это на
примере матричной схемы, изображенной на рис. 12.14.
Диоды управляются триггерами, которые на одном выходе да¬
ют напряжение, позволяющее открываться диодам, подключенным
к этому выходу, а на другом выходе — напряжение, запирающее ди-
оол
4,0*,
оды, соединенные со вторым выходом. Если принять, что открыты ди¬
оды Да и Д4, соединенные с выходом 2 триггера /, и диоды Д7 и Д8,
соединенные с выходом 4 триггера II, то закрыты диоды Д1 и Д2,
соединенные с выходом 1 триггера /, а также диоды Дъ и Д6, соеди¬
ненные с выходом 3 триггера II. Проводящие открытые диоды вызы¬
вают закорачивание выходных резисторов, соединенных с этими ди¬
одами, т. е. в рассматриваемом случае закорачивание резисторов
Rz, Ra. Rt‘ Следовательно, выходной сигнал появляется лишь на
резисторе Rit не имеющем соединения ни с одним из открытых дио¬
дов. Когда состояние триггеров таково, что смещение в направлении
пропускания действует в точках 1 и 4, а смещение в направлении
запирания—в точках 2 н 3, то выходной сигнал матричной схемы
появляется только на резисторе Rz.
Возможны еще случаи, когда выходной сигнал появляется толь¬
ко на резисторе R3 или /?4. Таким образом, каждой из возможных
комбинаций входных сигналов соответствует лишь один выходной
сигнал, появляющийся на другом выходе. На этом принципе, ис¬
пользуя, например, на входе матричной схемы четыре триггера, со¬
стояние которых представляют двоичные цифры, можно получить
сигналы, пригодные для управления индикаторами, представляю¬
щими данное двоичное число в десятичной форме.
Что такое комбинационные логические схемы
и схемы последовательного действия?
Комбинационными логическими схемами называются схемы,
в которых выходной сигнал зависит только от входных сигналов,
существующих в данный момент, т. е. схемы без «памяти». К комби¬
национным схемам относятся логические элементы И, НЕ, И—НЕ,
ИЛИ—НЕ и др. Это схемы, работающие без ПОС. Отсюда вытекает
их другое название: переключающие схемы без ОС или нерегенера¬
тивные схемы.
Схемами последовательного действия, или регенеративными,
называются схемы, выходной сигнал которых зависит ие только от
входных сигналов, имеющихся в данный момент, но и от предыдущих
входных сигналов. К этой группе схем относятся, в частности, триг¬
геры, которые работают на принципе использования ПОС. Для по¬
строения схем последовательного действия можно использовать ло¬
гические элементы И—НЕ и ИЛИ—НЕ,
Какие типы триггеров используются в цифровой
технике?
В цифровой технике используются различные виды триггерных
схем. Одновибратором, если речь идет о цифровой технике, можно
считать элемент, который изменяет свое состояние иа 1 только в том
случае, когда вход тоже изменит свое состояние на 1. Выход остает¬
ся в состоянии 1 в течение времени, зависящего от параметров са¬
мого триггера, и не зависит от длительности состояния 1 на входе.
Чаще всего используются схемы с двумя устойчивыми состоя¬
ниями. Раньше применялись триггеры, собранные из дискретных эле¬
ментов, в настоящее время широко используются триггеры, собран¬
ные из логических элементов в виде интегральных микросхем, из¬
готовленных чаще всего по технологии ТТЛ-схем. Это дает возмож¬
283
ность технической реализации
составных триггерных схем,
выполнение которых из дис¬
кретных элементов было бы
мншком сложным и неэконо¬
мичным.
В технике ТТЛ-схем суще¬
ствуют, в частности, триггеры
типов RS, D, Т, JK и др.
На рис. 12.15 в качестве
примера представлена схема
мультивибратора, собранного
из двух элементов НЕ.
Что такое триггер RS?
Триггер RS, называемый также статическим или асинхрон¬
ным, является относительно простым элементом, образованным из
двух соединенных между собой элементов ИЛИ—НЕ (рис. 12.16, а)
или И—НЕ. Такой триггер имеет два переключающих входа: вход
5 (от английского set), называемый установочным или записывающим,
а также вход R (от английского reset), называемый входом сбро¬
са или стирающим1. Эти входы называются асинхронными, пос-
Рис. 12.16. Схема триггера
RS на двух элементах
ИЛИ — НЕ (а) я условное
графическое обозначение (б)
S)
Г
т
кольну состояния на каждом нз этих входов сразу же влияют на из¬
менение состояния выходов. Триггер имеет два выхода Q и Q, при¬
нимающих противоположные логические значения. Рассмотрим
работу триггера RS в четырех возможных случаях:
1. Если иа обоих входах состояние 0, то состояние триггера зави¬
сит от логических величин, существовавших в предыдущем со¬
стоянии, либо является случайным, причем выходы Q и Q в со¬
ответствии с допущением всегда имеют противоположные зна¬
чения.
2. Если на входе 5 состояние 1, а на входе R состояние 0, то для
5 = 1 и R = 0 имеем Q — 1 и ~Q = 0. Такое состояние сохра¬
няется также и в том случае, когда входы принимают значения,
равные 0. _
3. Если имеем R = 1 и 5=0, то Q = 0 и Q = 1.
1 В отечественной литературе вход S называют единичным входом трнг
гера, a R — нулевым. — Прим. ред.
284
4. Если R = 1 и S = 1, но должно было бы быть Q = 0 и Q = О,
однако это противоречит допущению, что один из выходов яв-
ляется отрицанием другого. Это означает, что рассматриваемый
триггер не может применяться в схемах, в которых могут одно¬
временно появляться единицы на обоих входах. Это запрещен¬
ное или неопоеделенное состояние.
Работу триггера RS можно представить в виде таблицы со¬
стояний (таблицы истинности или таблицы переходов, табл. 12.6).
Таблица 12.6
S
Г *
<2
Q
0
0
Предыдущее или слу-
чайное состояние
1
0
■ 1
0
0
1
0
1
.
1
Запрещенное состояние
При использовании для построения триггера RS двух элемен¬
тов И—НЕ запрещенное состояние (по сравнению с триггером иа
элементах ИЛ Vi—НЕ) соответствует условиям S = 0 и R — 0, а
предыдущее состояние наблюдается для R = 1 и S = 1. Работа та¬
кого триггера представлена на
рис. 12.17 в виде соответст- ^
вующей временной диаграм¬
мы. Вариант триггера на эле¬
ментах И—НЕ более экономи¬
чен, так как стоимость интег¬
ральных микросхем И—НЕ
меньше стоимости схем ИЛИ—
НЕ. Графическое обозначение
триггера RS, которое можно
встретить в литературе, пока¬
зано на рис. 12.16, б.
Аналогичным способом
можно рассмотреть работу
триггера, собранного обычным способом из дискретных элементов,
например триггера, представленного на рис. 10.28. Если входы R
и S соединим с базами транзисторов Т* и Тг, то выходы Q и Q*бу¬
дем иметь на коллекторах Тг и Т2.
шшшт т
/////yy/s
ттт
i
*»
Рис.
для
\1.\7. Временное диаграммы
триггера RS, состоящего из
двух элементов типа И — НЕ
Что такое синхронные или тактируемые
триггеры?
Это триггеры, имеющие два типа входов: синхронные и такто¬
вые. Синхронные входы, называемые также программирующими
или информационными, не вызывают мгновенного изменения состоя¬
ния на выходе. Для того чтобы такое изменение могло наступить,
необходимо присутствие тактового импульса на специальном входе,
называемом также тактирующим или управляющим. Программирую¬
285
щих входов может быть несколько, тактирующий вход только один.
Тактирующий вход позволяет триггеру работать синхронно во вре¬
мени с другими схемами данного устройства.
Тактовые входы могут запускаться, в частности, фронтом под¬
водимого импульса, либо соответствующим уровнем входного сигна¬
ла, либо путем использования метода «ведущий—ведомый» (англ,
master—slave).
Встречаются различные обозначения входов триггеров иа схе¬
мах. Асинхронный вход записи (установки) обозначается обычно
W, S или Р, стирающий вход (сброс) — как Z, R или С. Синхрон¬
ные входы имеют обозначения, зависящие ст типа триггера, напри¬
мер J, К, D. Тактирующий вход обозначается буквой Т или С. Вы¬
ходы триггеров обозначаются как Q и Q.
Что такое триггер /)-типа?
Пример схемы триггера D-типа представлен иа рис. 12.18, а.
Это 'Триггер, образованный, например, из одного элемента НЕ,
двух элементов И и двух элементов ИЛИ и характеризующийся тем,
что он передает информацию с синхронного входа D на выход Q в
том случае, когда сигнал иа тактирующем входе Т соответствует со*
а)
f)
■Л
Рис. 12.18. Схема триггера D, состоящего из пяти эле¬
ментов НЕ, И или ИЛИ (а), и условное графическое
обозначение (б)
стоянию 1. Для Т = 0 вход D блокируется, т. е. триггер не считает
сигнал с этого входа и он не влияет иа состояние триггера, а ранее
введенная информация сохраняется. Недостатком триггера D яв¬
ляется передача на выход помех, имеющихся на входе при Т = 1.
В зависимости от типа тактирующего входа различают триггеры
D, запускаемые фронтом импульса и уровнем. Условное графиче¬
ское изображение триггера D показано иа рис. 12.18, б.
Что такое триггер Г?
Пример схемы триггера Т, образованного из четырех элементов
И—НЕ, и его графическое обозначение представлены на рис. 12.19, а,
б. Триггер Т меняет состояние выхода на противоположное, если со¬
стояние на входе изменяется с 0 на !. Его можно также осуществить,
используя, например, триггер D, если соединить вход D с выходом Q
(рис. 12.20).
286
Что такое триггер JK?
Триггер JK имеет два программирующих входа: J и К, один
тактирующий вход, а также выходы, позволяющие предварительную
установку триггера (R и 5). Возможны различные практические реа¬
лизации с разным составом логических элементов. Графическое изо.
Рис. 12.21. Условное графи¬
ческое обозначение тригге¬
ра 1К
бражение триггера JK показана на рис. 12.21. Таблица состояний
триггера (табл. 12.7), включающая состояние выхода как перед-
подачей (Q0) тактового импульса на тактирующий вход, так и после-
его подачи (Qj), имеет следующий вид:
Таблица 12.7
/
К
*
Q.
Q,
0
Любое
0
0
1
1
Любое
0
1
0
Любое
1
1
0
I
Любое
0
1
I
0
Из табл. 12.7 видно, что состояние, в котором устанавливается
триггер, зависит ие только от состояний, существующих в данный
момент на входах / и К, ио и от состояния, в котором триггер на¬
ходился перед этим. Если J = 1 и К = 1, то появление тактового
импульса вызывает изменение состояний выходов, так же как для
2S7
Триггера Т при Т = I. Если J = 0 (или К ~ О, или J = К ~ 0),
то триггер JK работает так же, как триггер RS, и состояние на дру¬
гом программирующем входе не имеет значения.
Рцс. 12.22. Временная диаграмма для триггера /К
На рис. 12.22 приведены временкйе диаграммы, иллюстрирую*
щие работу триггера JK.
Что такое триггер «ведущий — ведомый»?
Определение «ведущий—ведомый» происходит от англ, master—
slave (или «хозяин—слуга» или «главный—вспомогательный») и от¬
носится к методу и схеме запуска тактирующего входа триггера, на¬
пример типа JK. При запуске тактового входа, например фронтом
импульса, существует сильная зависимость работы триггера от кру¬
тизны этого фронта и часто также от длительности импульса, т. е.
в целом от его формы и искажений. Для устранения этих нежела¬
тельных влияний часто осуществляют двухступенчатый запуск с ис¬
пользованием, например, двух статических триггеров, главного и
вспомогательного, включенных каскадно. Характерной чертой та¬
кого решения является отделение фазы записи информации на триг¬
гер от фазы передачи этой информации на его выход. Это означает
также, что вход одного каскада блокируется на время записи ин¬
формации на другой каскад, что увеличивает надежность работы
триггера и значительно уменьшает влияние формы сигнала и иска¬
жений.
Триггер JK «ведомый—ведущий» сокращенно обозначается
JK—MS.
Каковы возможности применения триггеров?
Возможности применения триггеров RS, D, JK и др. в цифро¬
вой технике весьма велики. Одним из типичных применений явля¬
ются запоминающие регистры и регистры сдвига. Регистры сдвига
используются для преобразования последовательной информации
в виде последовательности импульсов в информацию, закодирован¬
ную параллельно (или наоборот), а также для сдвига или задержки
последовательной информации. Пример регистра такого типа, со-
288
бранного НЭ триггеров D, Представлен на рис. 12.33, а, 6 с времен*
ийми диаграммами.
На вход Т подается тактовый сигнал. Запись и сдвиг информа¬
ции слева направо происходят в моменты изменения с Т = 0 на
Т = 1 и основываются на том, что в триггер А записывается входной
сигнал х, представляющий, например, последовательные биты дво¬
ичного числа, а в каждый последующий триггер Б, В ... записывает.
о) Триггер А триггер В Триггер В
Я
Т
t
ШШ.
Рис. 12.23. Схема (а) и временные диаграммы (б) реги¬
стра сдвига иа триггерах D
ся состояние предыдущего триггера. Иначе говоря, после каждого
тактового импульса происходит сдвиг информации на одно место
вправо. Выходы А, Б, В дают информацию, закодированную парал¬
лельно, а выход всего регистра — информацию, называемую по¬
следовательной задержанной. 4
Существуют также регистры с соединенными входом и выходом,
называемые кольцевыми регистрами, в которых записанная инфор¬
мация может циркулировать.
Другим важным примером применения триггеров являются
счетчики.
2S9
Как работает двоичный счетчик?
Свойство триггеров, основанное на том, что они Могут Нахо¬
диться з определенном устойчивом состоянии, изменяющемся только
при подаче тактового импульса, используется также для создания
счетчиков. Эти счетчики используются для деления частоты и раз¬
ных арифметических действий, в том числе для счета импульсов.
В гл. 10 обсуждалось применение триггеров в схемах делителей ча¬
стоты. Теперь рассмотрим с точки зрения цифровой техники схе¬
му, используемую в качестве счетчика.
а) Триггер А Триггер 6 Триггер В Триггер Г
Рис. 12.24. Схема двоичного счетчика, состоящего из четырех
триггеров Т (а), н его времените диаграммы (6)
На рис. 12.24, а представлена схема двоичного счетчика, по¬
строенного из четырех триггеров Т или JK, соединенных последо¬
вательно. Предположим, что в начальном состоянии перед счетом
все триггеры находятся в состоянии 0. Первый импульс, появляю¬
щийся иа тактовом входе первого триггера А, вызывает своим отри¬
цательным фронтом изменение состояния его выхода с 0 на 1. Состоя¬
ние второго триггера Б в это время не подвергается изменению, по¬
скольку, для того чтобы вызывать его изменение, необходимо появ¬
ление на его тактовом входе отрицательного фронта. Триггеры С и D
также остаются в состоянии 0. При втором импульсе на входе триг¬
гера А произойдет изменение состояния триггера А, а возникающий
при этом отрицательный фронт изменит состояние триггера Б с 0
290
на 1. Триггеры 8 и Г пока остаются в состоянии 0. Изменения со¬
стояний триггеров при очередных импульсах на тактовом входе триг¬
гера А лучше всего можно проследить на временных диаграммах
счетчика, представленных на рис. 12.24, б. Их также можно свести
в следующую таблицу состояний (табл. 12.8)
Т а б лиц а 12.8
Число
Состояние
триггеров
входных
импульсов
г
В
Б
А
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
15
1
1
1
1
16
0
0
0
0
Можно легко заметить, что состояния триггеров, записанные в по¬
следовательности Г—В—Б—А, представляют число входных им¬
пульсов, записанных в двоичном коде 8-4-2-1. Временные зависи¬
мости для рассматриваемого счетчика представлены на рис. 12.24, б.
Обсуждаемая схема частот входит в качестве типовой в состав более
крупных счетных систем. Применяются также и другие схемы счет¬
чиков, в том числе с большим числом триггеров, считывающие им¬
пульсы в различных кодах. Для сигнализации о состоянии счетчика
используются соответствующие дешифрирующие схемы (например,
в виде матричной схемы), обеспечивающие сигналы, которые приво¬
дят в действие схемы индикаторов состояния счетчиков (например, на
лампах тлеющего разряда или на электролюминесцентных диодах)'.
Счетчики находят широкое применение, в частности, во многих
электронных приборах, например в частотомерах.
Что такое сумматоры?
Это схемы, выполняющие операцию сложения двух чисел в дво¬
ичной системе. Поскольку другие арифметические операции можно
также заменить сложением, например
35 — 25 = 35 + (— 25);
35-3 = 35 + 35 + 35,
то сумматоры используются для выполнения таких действий, как
сложение, вычитание, деление, умножение. Сумматоры находят ши¬
рокое применение в калькуляторах и цифровых электронных маши¬
нах. На практике сумматоры реализуются из простых логических
элементов, таких как И—НЕ, ИЛИ—НЕ, и более сложных, например
291
регистров сдвига, построенных из триггеров, которые в свою очередь
выполняют из простых элементов чаще всего типа И—НЕ и ИЛИ—
НЕ. Наиболее часто сумматоры собирают на интегральных мик¬
росхемах, изготовленных по технологии ТТЛ-схем.
Что такое запоминающие устройства?
Это схемы, служащие для хранения (запоминания) цифровой
информации, закодированной в двоичном коде, и позволяющие вос¬
производить эту информацию. Разработан большой набор интеграль¬
ных микросхем, выполняющих функции запоминающих устройств.
Наипростейшими запоминающими устройствами обычно являются
триггеры с двумя устойчивыми состояниями, которые образуют одно¬
битовую ячейку памяти. Большую емкость памяти можно получить
путем соединения друг с другом нескольких триггеров. Типичные ин¬
тегральные микросхемы по технологии ТТЛ имеют емкость памяти
16 бит, а по технологии МОП — до 64 бит.
Существуют также и другие запоминающие устройства, напри¬
мер ферритовые, в которых информация запоминается в небольшом
ферритовом сердечнике. Емкость ферритового запоминающего уст¬
ройства зависит при этом от количества используемых сердечников.
Что такое преобразователи ЦАП и АЦП?
Преобразователи ЦАП (цифроаналоговые) заменяют цифровой
сигнал аналоговым. В общем можно говорить, что их работа основа¬
на на суммировании выходных напряжений усилителей, управляе¬
мых цифровым сигналом. Преобразователи АЦП (аналого-цифровые)
служат для замены аналогового сигнала цифровым. Схемы этих пре¬
образователей и принципы их действия достаточно сложны.
ГЛАВА 13
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Какие измерительные приборы применяют
в электронике?
В электронике используют много различных измерительных при¬
боров. Большинство из них составляют электронные измеритель¬
ные приборы, построенные иа интегральных микросхемах, лампах,
транзисторах, диодах, резисторах, конденсаторах и т. п. Используе¬
мые методы измерений тесно связаны с методами и процессами, при¬
меняемыми в электронике и радиоэлектронике, например с генера¬
цией колебаний, детектированием, модуляцией, преобразованием,
цифровой и вычислительной техникой и т. п. Измерительная техника
развивается вместе с электроникой и является наилучшим отраже¬
нием современного состояния развития. Выпускаемые в настоя¬
щее время электронные измерительные приборы характеризуются
высокой точностью, стабильностью и надежностью.
Трудно выполнить однозначное разделение измерительных при¬
боров на группы, поскольку критериев деления может быть очень
292
много. Возможно разделение по частотным диапазонам, например
приборы для измерения в области низких, средних, высоких и сверх¬
высоких частот.
Имеются некоторые основные группы измерительных приборов,
используемых в каждой области техники и, в частности, в электро¬
нике. К ним относятся измерительные генераторы, частотомеры,
вольтметры и осциллографы. Эти наиболее характерные для элект¬
роники измерительные приборы и будут рассмотрены ниже.
Что такое измерительный генератор?
Измерительный генератор — это генератор синусоидальных ко¬
лебаний с калиброванной частотой и уровнем мощности. Измеритель¬
ный генератор обычно обеспечивает плавную перестройку частоты и
входного напряжения. Исходя из назначения и диапазона частот раз¬
личают измерительные генераторы звуковых частот, широкополосные
(видеочастотные), а также высокочастотные и сверхвысокочастот¬
ные1.
Что такое генератор звуковых частот?
Генератор звуковых частот позволяет получать синусоидальные
сигналы с частотами в пределах 20 Гц — 20 кГц. В более совершен¬
ных генераторах диапазон частот расширен в область как более низ¬
ких (до нескольких герц), так и более высоких частот (до несколь¬
ких сотен килогерц). В генераторе с расширенным диапазоном ча¬
стот, как. правило, весь диапазон разбивается на несколько поддиа¬
пазонов, которые выбираются с помощью переключателя.
Генераторы звуковых частот обычно представляют собой ре¬
генераторы с мостом Вина, с непрерывной перестройкой с помощью
конденсаторов. Достоинства таких генераторов следующие: низкое
содержание гармоник (0;1—0,5%), хорошая стабильность частоты
(10_3—10-4) и амплитуды, а также малые габаритные размеры и
масса. Уровень выходного сигнала в генераторах звуковых частот
достигает 10-—50 В на ненагруженных выходных зажимах; выходное
сопротивление можно изменять в пределах от единиц до 600 Ом.
Генераторы звуковых колебаний используют для испытаний
различных низкочастотных цепей, элементов и блоков, теле- и радио¬
приемников, а также электроакустических устройств. Они служат
для питания схем (мостов) при измерении индуктивности и емкости
и являются источником сигнала, модулирующего генераторы высо¬
кой частоты.
Что такое генератор биений?
Название генератора происходит от способа получения сигна¬
лов с частотами, для которых предназначается генератор. Структур¬
ная схема генератора биений приведена на рис. 13.1.
Прибор содержит два LC-генератора высокой частоты. Один из
них генерирует колебания с постоянной частотой /j. Частоту второ¬
го генератора можно изменять в интервале от /2 до /2 + /шах» при¬
чем /max — максимальная частота, на которую можно перестроить
1 К измерительным генераторам относятся и генераторы различных неси-
нусоидальных колебаний. — Пцим. ред.
293
генератор. В результате объединения двух сигналов в смесителе на
выходе фильтра, устраняющего ненужные составляющие, получают
разностную частоту Д —Д. Разностная частота может меняться в
интервале от 0 до /max и достигать значений 10—20 МГц.
Главным преимуществом генераторов биений является широкий
диапазон перестройки, перекрываемый непрерывно без каких-либо
Рис. 13.1. Структурная схема генератора биений
переключений. К недостаткам относятся нестабильность разностной
частоты, а также относительно высокий коэффициент содержания
гармоник (несколько процентов). Генераторы биений используются
для контроля частотных характеристик как селективных, так и
апериодических схем, например широкополосных усилителей изо*
браження.
Что такое генератор стандартных сигналов?
Это—высокостабильный генератор высокой частоты, заменяющий
в лабораторных условиях естественные источники сигналов, напри¬
мер от передатчика. Многие типы генераторов перекрывают в сумме
Рис. 13.2. Структурная схема генератора сигналов с AM
модуляцией
весь диапазон радиочастот от 50—100 кГц до десятков тысяч мега¬
герц. В зависимости от назначения генераторы стандартных сигна¬
лов выпускаются как генераторы с амплитудной (AM), частотной
(ЧМ), с двумя видами модуляции (АМ/ЧМ), импульсной модуляцией
(ИМ) и т. п.
294
Структурная схема одного из таких генераторов, перекрываю¬
щего диапазон радиочастот (50 кГц—30 МГц), представлена на
рис. 13.2. Главным функциональным блоком является высокочас¬
тотный генератор, частота которого регулируется ступенчато в со¬
ответствии с поддиапазонами и плавно — с помощью перестраивае¬
мого конденсатора в пределах одного поддиапазона. Точность уста¬
новки и отсчета частоты лежит обычно в пределах 0,5—1,5%. Сиг¬
нал с генератора подается на модулятор, в котором осуществляется
амплитудная модуляция. Модулирующим сигналом может служить
как сигнал от внутреннего генератора низкой частоты с частотой
1000 Гц, так и сигнал от внешнего генератора. С модулятором свя¬
зан измеритель глубины модуляции. Выходное напряжение (0,1 —
1 В) можно уменьшить с помощью резистивного делителя вплоть до
— 120 дБ (1 мкВ при исходном входном напряжении 1 В). Выходное
сопротивление генератора мало, чаще всего 50 или 75 Ом.
Что такое генератор качающейся частоты?
Это определенный вид генератора сигналов, объединенного с ос¬
циллографом, в котором частота выходного сигнала не является по¬
стоянной. Специальная схема вызывает периодическое изменение
Рас. >3.3. Структурная схема генератора качающейся частоты
частоты выходного сигнала таким образом, что она плавно изменя¬
ется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к на¬
чальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала ос¬
тается постоянной.
Структурная схема генератора качающейся частоты представле¬
на на рис. 13.3, Генератор Гг служит для установки средней частоты,
295
а генератор Га модулируется по частоте с помощью емкостного
диода. Диапазон перестройки генератора Г2 составляет ± AF.
Пилообразное модулирующее напряжение берется со схемы вре¬
менной развертки встроенного осциллографа. После смешения в сме¬
сителе сигналов от обоих генераторов получают ЧМ сигнал разност¬
ной частоты. Это выходной сигнал генератора Качающейся частоты,
который через делитель напряжения подподится к ис-следуемой схе¬
ме, иапрнмер усилителю илн фильтру.
Амплитуда напряжения на выходе схемы изменяется в зависи¬
мости от его амплитудной'характеристикн. Напряжение с выхода ис¬
следуемой схемы после’детектирования подается на вход Y осцилло¬
графа. Поскольку изменение частоты выходного сигнала генератора
качающейся частоты синхронизировано с временной разверткой ос¬
циллографа, на экране получа'ют изображение амплитудной характе¬
ристики исследуемой схемы. Область наблюдаемой на экране осцил¬
лографа характеристики схем’ы зависит от девиации частоты 2АF
и может регулироваться в широком интервале. Для увеличения точ¬
ности отсчета частоты на изображение, полученное на экране, обыч¬
но наийсятся метки, соответствующие определенным частотам (на¬
пример, через 10 или 1 МГц). Для этого генератор качающейся ча¬
стоты снабжают генератором меток.
Частота генератора развертки, определяющего скорость изме¬
нения ЧМ сигнала, устанавливается около нескольких десятков
герц. При больших частотах могут появиться искажения наблюдае¬
мой характеристики из-за инерционности LC-контуров.
Генераторы качающейся частоты применяют главным образом
для настройки резонансных усилителей и фильтров, особенно с боль¬
шой шириной полосы. Известны генераторы качающейся частоты,
применяемые в телевизионной технике, которые перекрывают поло¬
су частот от 0 до 1000 МГц.
На каком принципе работает генератор
прямоугольных колебаний?
Существуют два способа получения прямоугольных колебаний.
Первый основан на формировании прямоугольного колебания из
синусоидального. Синусоидальное колебание от встроенного или
внешнего генератора подвергается последовательно усилению и огра¬
ничению для получения соответствующей формы.
Другой способ получения прямоугольного колебания основы¬
вается на непосредственной генерации колебания с формой, близкой
к прямоугольной, в схеме мультивибратора. Получаемое после огра¬
ничения и усиления напряжение и представляет собой выходное ко¬
лебание генератора.
Генераторы прямоугольных колебаний используются прежде
всего для возбуждения импульсных схем и испытаний усилителей в ди¬
намическом режиме. Частотный диапазон генераторов прямоуголь¬
ных колебаний простирается от 10—20 Гц до нескольких сотен кило¬
герц. Крутизна фронта прямоугольного колебания составляет обыч¬
но 0,1 — 1 мкс.
Что характерно для генераторов импульсов?
Генераторы импульсов являются источниками прямоугольных
или пилообразных импульсов, длительность которых значительно
меньше периода повторения импульсов. Частота повторения импуль¬
296
сов лежит обычно в пределах диапазона звуковых частот. Крутизна
фронтов импульсов, как правило, регулируемой длительности, со¬
ставляет 50 нс — 1 мкс.
Генераторы импульсов обеспечив.ают напряжения положитель-.
ной и отрицательной полярностей, а также регулировку амплитуды
в пределах от 1 -мВ до 100 В с помощью делителя напряжения.
Как можно измерять частоту?
Измерения частоты могут выполняться различными методами.
Выбор метода измерений зависит от диапазона измеряемых частот,
а также от требуемой точности измерений. К наиболее известным ме¬
тодам измерений относятся резонансный метод, метод сравнения час¬
тоты с частотой другого генератора, а также методы, основанные
на счете импульсов.
Для калибровки и проверки частотомеров используются источ¬
ники высокостабильных эталонных частот, так называемые эталоны
(стандарты) частоты, выполняемые в большинстве случаев на основе
кварцевых генераторов.
Как работает абсорбционный частотомер?
Абсорбционный частотомер является самым простым прибором
для измерения частоты. Принцип действия этого прибора иллюстри¬
рует рис. 13,4. Приближение катушки частотомера к цепи, излучаю¬
щей энергию в виде электромагнитной волны, вызывает возбуждение
в резонансном контуре элект¬
родвижущей силы, которая
достигает максимального зна¬
чения при настройке этого кон¬
тура в резонанс на измеряемой
частоте. Перестройка контура
осуществляется дискретно сме¬
ной или переключением кату¬
шек или плавно с помощью
переменного конденсатора.
Индикатором, обнаруживаю¬
щим резонанс, является чаще всего магнитоэлектрический прибор
с чувствительностью, соответствующей чувствительности полу¬
проводникового диода. При максимальном отклонении стрелки
прибора отсчет частоты осуществляется по шкале, расположенной
на оси переменного конденсатора.
Прибор позволяет проводить измерения в широком диапазоне ча¬
стот (5-Ю4—1*10® Гц). Однако точность измерений невысока и со¬
ставляет обычно 0,25—2%.
Что такое гетеродинный частотомер?
В гетеродинном частотомере измеряемая частота fx определяет¬
ся путем сравнения с эталонной частотой /0. Измерения осущест¬
вляют методом получения нулевых биений. На вход смесителя по¬
297
Индииотор
резонанса
Рис. 13.4. Принцип действия аб¬
сорбционного частотомера
даются одновременно два высокочастотных сигнала /0 и fx (рис. 13.5).
Если .частоты /0 и /х близки по значению, то разностная частота на
выходе смесителя может лежать в диапазоне звуковых частот, и ее
будет слышно в наушниках. Измерение сводится к установлению ра¬
венства частот /0 = fx при нулевых биениях /0—/v = 0, характе¬
ризующихся пропаданием звука в наушниках.
В гетеродинный частотомер обычно встраивают кварцевый ка-
лнброватор, который позволяет контролировать шкалу генератора
и значительно увеличивать точность измерения, лежащую в преде¬
лах 10“4—10'5
Л
Рис. 13.5. Структурная схема гетеродинного ча
стотомера
К недостаткам гетеродинного частотомера относится погреш¬
ность в определении частоты, следующая из получения нулевых би¬
ений из-за гармоник сигналов с частотами /0 и fx.
Какой наиболее распространенный метод
измерения частоты?
В настоящее время широко используется цифровое измерение
частоты, которое обеспечивает быстроту и точность измерения. Ча¬
стота как дискретная величина идеально подходит для измерения
цифровым методом. Принцип действия цифрового частотомера ос¬
новывается на подсчете импульсов за определенное время.
Как работает цифровой частотомер?
Структурная схема цифрового частотомера, действующего на
принципе счета импульсов, сформированных из измеряемого колеба¬
ния с частотой fx за стандартный временной интервал ГИзм» пред¬
ставлена на рис. 13.6.
Колебание, частота которого должна быть измерена, после уси¬
ления, если*оио необходимо, превращается в последовательность им¬
пульсов с той же самой частотой fx. Внутренний эталон частоты
{кварцевый генератор) совместно со схемами деления, которые одно¬
временно обеспечивают регулировку частоты индикации, а также
формирующей схемой генерирует последовательность эталонных им¬
пульсов /ат. Эталонные импульсы запускают схему управления, ко¬
торой обычно является стробирующая схема. Задачей этой схемы
293
является задание стандартного времени измерений 7цзМ, в течение
которого вентиль открыт Во время открывания вентиля на счет¬
чик подаются импульсы с измеряемой частотой fx. Число подсчи¬
танных импульсов за время ГИзм указывает непосредственно на
цифровых индикаторах счетчика значение измеряемой частоты /х
в единицах частоты1 Частотомер также снабжен схемой сброса,
которая перед отпиранием вентиля устанавливает счетчик в нулевое
положение.
В настоящее время максимальная частота, измеряемая непо¬
средственно с помощью счетчика, не превышает 250 МГц. Расшире¬
ние частотного диапазона возможно путем использования па входе
Рис 13.6 Структурная схема цифрового частотомера
гетеродинных приставок, понижающих измеряемую частоту. Они
позволяют расширить диапазон цифровых частотомеров до 1000 МГц.
Точность измерений с помощью цифрового частотомера состав¬
ляет 10—5—10-8 и зависит от измеряемой частоты (чем меньше ча¬
стота, тем ниже точность), а также времени измерения (чем оно доль¬
ше, тем выше точность).
Какого типа вольтметры применяют
в измерительной технике?
Вольтметры, приборы для измерения напряжения, относятся
к группе основных измерительных приборов В настоящее время
применяют вольтметры разных типов, которые отличаются входным
сопротивлением, частотным диапазоном, типом индикатора и прин¬
ципом работы.
В общем вольтметры можно разделить на неэлектронные (ли¬
шенные активных элементов, таких как электронные лампы или
транзисторы) и электронные Последние делятся на аналоговые,
т. е. измеряющие непрерывным способом, и цифровые. Неточность
аналоговых вольтметров составляет несколько процентов, а цифро¬
вых — на два порядка меньше.
1 Если время отпирания вентиля 7'изм равно секунде или ее десятичным
кратным.
299
Какова схема у электронного вольтметра
постоянного тока?
Электронный вольтметр постоянного тока характеризуется очень
высоким входным сопротивлением, около 107 Ом, поэтому он не
нагружает измеряемую схему. Он состоит из усилителя постоянно¬
го тока и чувствительного магнитоэлектрического измерительного
прибора ■— микроамперметра. Из многих схем достаточно широкое
применение нашла схема, изображенная на рис, 13.7. Она содержит
две лампы, потенциометр, включенный по мостовой схеме, н измери¬
тельный прибор, включенный между катодами обеих ламп. Изме¬
рительный прибор реагирует на разность токов обеих ламп, а его
шкала прокалибрована непосредственно в вольтах.
При отсутствии напряжения на входе прибора, когда к его
входным зажимам не подключен источник постоянного напряжения,
потенциометр устанавливается таким образом, чтобы стрелка изме¬
рительного прибора совпадала с нулем шкалы. Сетка одной из ламп
заземлена, а измеряемое напряжение подается непосредственно на
сетку второй лампы. Возникающая в результате разность токов обе¬
их ламп пропорциональна входному, а отклонение стрелки прибо¬
ра — измеряемому напряжению. Напряжение, требуемое для управ¬
ления лампой, в нормальных условиях невелико, поэтому измеряемое
напряжение подается на сетку лампы через делитель напряжения
для того, чтобы уменьшить его до требуемого значения. Делитель
напряжения снабжен переключателем, позволяющим менять коэф¬
фициент деления, т.е. диапазон измеряемых напряжений.
Можно ли использовать электронный вольтметр
для измерения переменных напряжений?
Да. Достаточно перед рассмотренной выше схемой использо¬
вать выпрямитель и соответствующим образом прокалибровать при¬
бор, например в эффективных значениях. Тогда вольтметр постоян¬
ного тока пригоден и для измерения переменных напряжений.
300
На каком принципе работает цифровой вольтметр?
Вольтметры с цифровым отсчетом служат прежде всего для из
мерения постоянного напряжения и обычно работают на принципе
компенсации измеряемого напряжения с помощью эталонного -На¬
пряжения. Из нескольких методов цифрового измерения напряже¬
ния самым простым является импульсно-временной метод. При ис¬
пользовании этого метода измерение напряжения осуществляется
путем изменения его значения на определенный временной интервал,
измеряемый на принципе счета импульсов. Структурная схема циф¬
рового вольтметра, работающего на таком принципе, представлена на
рис. 13.8, а. Основной составляющей частью является аналого-
а)
5)
Рис. 13.8. Цифровые измерения напряжения импульсно-временным ме¬
тодом:
а — структурная схема; 6 принцип действия
цифровой преобразователь, называемый в этом случае преобразова¬
телем напряжение—время. Преобразователь содержит измеритель¬
ный компаратор, который сравнивает измеряемое напряжение Ux
с линейно нарастающим эталонным напряжением С/эт. подводимым
от специального генератора.
В момент равенства напряжений Uх и (/эт на выходе схемы
сравнения появляется импульс сравнения. Второй импульс срав¬
нения появляется на выходе нулевого компаратора в момент пере¬
хода напряжения С/зт через нулевой уровень. Оба импульса откры¬
вают и закрывают вентиль, через который проходят образуемые ге¬
нератором эталонных импульсов сформированные соответствующим
образом узкие импульсы. Интервал времени между двумя импуль¬
сами сравнения является мерой величины Ux, а последовательность
импульсов свидетельствует о знаке измеряемого напряжения. Чис¬
ло импульсов за время отпирания вентиля подбирается так, что на¬
пряжение непосредственно считывается по показаниям счетчика на
цифровом индикаторе.
Современные цифровые вольтметры обеспечивают точность из¬
мерений 0,01—0,001%.
301
Что такое осциллограф?
Осциллограф является одним из наиболее важных и самых уни¬
версальных измерительных приборов, поскольку дает возможность
непосредственного наблюдения изменения напряжений и токов во
времени на экране осциллографичсской трубки, являющейся основ¬
ным элементом осциллографа.
Как работает осциллографическая трубка?
Упрощенная схема конструкции осциллографнческой трубки
представлена на рис. 13.9. Трубка является электронно-лучевым
прибором с электрической фокусировкой и отклонением электрон^
иого луча. Источником электронов служит подогревный катод К.
Плотность электронного луча регулируется с помощью изменения
отрицательного смещения на управляющем электроде, называемом
модулятором М. Электроны дости¬
гают необходимой скорости под воз¬
действием электрического поля ано¬
дов Ах и Ag, имеющих положитель¬
ный потенциал относительно като¬
да: 300 — 1000 В (Ах) и 800 —
4000 В (Л2). Фокусировка электрон¬
ного потока в узкий пучок осуще¬
ствляется с помощью электричес¬
кого поля, действующего между
анодами Ах и Аг, образующими
электронную линзу.
Экран трубки, покрытый люминофором, светится под влиянием
бомбардировки потоком электронов, обладающих высокой энергией.
Управление электронным потоком, т. е. придание ему желатель¬
ного напряжения, осуществляется с помощью двух пар взаимно
перпендикулярных отклоняющих пластин уи у2 и хх, х2. При от¬
сутствии напряжения на пластинах электронный поток распростра¬
няется по прямой и дает световое пятно в центре экрана. Если к
паре пластин подводится напряжение, то между ними возникает
электрическое поле, отклоняющее электронный поток в направле¬
нии пластины с положительным зарядом. При этом происходит пере¬
мещение светового пятна иа экране на расстояние, пропорциональ¬
ное подведенному напряжению.
Напряжение, подводимое к пластинам xL, х2, вызывает пере¬
мещение светового пятна по горизонтали, а напряжение, подводимое
к пластинам ух, у2, — по вертикали. Если на пластины подать
переменное напряжение с частотой более 15—20 Гц, то на экране
наблюдается линия, в которую сливаются отдельные положения све¬
тового пятна.
Почему ка экране осциллографа появляется
изображение исследуемого напряжения?
Изображение исследуемого напряжения иа экране .осциллогра¬
фа возникает благодаря подаче на отклоняющие пластины осцилло-
графической трубки двух напряженки. На горизонтальные откло¬
няющие пластины подается пилообразное напряжение — временная
развертка. Период пилообразного напряжения состоит из рабочего
302
Экран
Рис. 13.9. Упрощенная схема
конструкции осциллографи-
чсскон трубки
периода, в течение которого напряжение меняется по линейному за¬
кону и вызывает равномерное перемещение электронного луча по
экрану в горизонтальном направлении, а также времени возврата
(обратного хода луча), за которое напряжение быстро возвращает¬
ся к начальному значению. Напряжение, которое должно наблюдать¬
ся, подается на вертикальные отклоняющие пластины. Это напря¬
жение отклоняет электронный луч вверх или вниз, причем отклоне¬
ние луча пропорционально мгновенному значению исследуемого на¬
пряжения. Таким образом, в результате одновременного отклонения
электронного луча в обоих направлениях следующие друг за другом
мгновенные значения исследуемого напряжения откладываются по
вертикали, начиная от левого края экрана, т. е. возникает изобра¬
жение, по форме соответствующее данному напряжению.
Из каких основных узлов состоит осциллограф?
Осциллограф состоит из трех основных узлов: осциллографиче-
ской трубки совместно со схемой ее питания, а также трактов вер¬
тикального У и горизонтального отклонения X.
Тракт вертикального отклонения У содержит усилители, зада¬
чей которых является усиление подводимого ко входу напряжения
до значения, при котором происходит соответствующее отклонение
Транш У
Вертикальные
отклоняющие
пластины
Усилитель
Генератор
Генератор
Ононекный
сигнала
импупьсвВ
пи пооьпаз-
горизонта
синхрониза
синхрона-
ноги
льного
ции
э au.ua
колебания
отнлоненил
Тракт X
Рис. J3.I0. Упрощенная структурная схема осциллографа
электронного луча в осциллографической трубке. Эти усилители
снабжены органами регулировки усиления, позволяющими выбрать
удобный размер изображения на экране. Измерение отклонения
луча упрощает расположенная перед экраном прозрачная пластина
с нанесенной шкалой.
Тракт горизонтального отклонения X содержит генератор вре¬
менной развертки, создающий рассмотренное ранее пилообразное
напряжение, и усилители; частота генератора развертки регулирует¬
ся, поскольку она должна быть подобрана — согласована с частотой
наблюдаемого колебания. Для обеспечения стабильности изображе¬
ния наблюдаемого колебания частота генератора развертки должна
быть юиихроииа с частотой наблюдаемого колебания.
Органы регулировки усиления в тракте У к частоты развертки
В тракте X прокалиброваны соответственно в вольтах на деление
303
вертикальной шкалы или микросекундах на деление горизонтальной
шкалы. Это позволяет проводить быструю оценку амплитудных и
временных зависимостей в наблюдаемом колебании. Упрощенная
структурная схема осциллографа представлена на рис. 13.10.
Какие измерения можно проводить
с помощью осциллографа?
С помощью осциллографа можно анализировать форму напря¬
жения, что особенно важно вимпульсной технике, т. е. можно изме¬
рять времена нарастания и спада импульса, его длительность, воз¬
можные пульсации, частоту повторения и т. п. Осциллограф дает
возможность измерения напряжения, частоты (путем сравнения с ко¬
лебанием известной частотой) и фазовых сдвигов; он также входит во
многие сложные измерительные приборы, например, генераторы ка¬
чающейся частоты.
Каковы основные параметры осциллографа?
Основными параметрами осциллографа являются: ширина поло¬
сы пропускания тракта Y, чувствительность тракта Y и скорость вре¬
менной развертки. Выпускаемые в настоящее время осциллографы
характеризуются шириной полосы 0—100 МГц, при чувствитель¬
ности 5 мВ/дел. шкалы и скорость развертки от 1 с/дел. до 50 нс/дел.
Оглавление
Стр.
Предисловие к русскому изданию 5
Глава I. Общие сведения. Атом и материя. Электрические
сигналы 6
Глава 2. Излучение и волны. Сопротивление. Элементы и цепи 27
Глава 3. Диоды 47
Глава 4. Транзисторы и триоды. Основные схемы ... 65
Глава 5. Другие типы полупроводниковых и вакуумных при¬
боров 111
Глава 6. Выпрямители 130
Глава 7. Нерезонансные усилители 150
Глава 8. Обратная связь 187
Глава 9. Резонансные усилители 201
Глава 10. Генераторы 218
Глава 11. Модуляция и детектирование 245
Глава 12. Цифровая техника . 269
Глава 13. Измерительная техника 292