/
Автор: Федотов В.И.
Теги: электроника электротехника
Текст
В. И. Федотов
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
ГЛАВА 1
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ
И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Электронной лампой называется прибор, в кото-
ром используется движение электронов между элек-
тродами, помещенными в вакууме.
Электронные лампы применяются для усиления,
преобразования и генерирования электрических сигна-
лов, для стабилизации напряжения и тока, а также
для формирования импульсов. Электронные лампы
по сравнению с полупроводниковыми приборами
имеют большие габариты и массу, меньшую надеж-
ность и потребляют большую мощность.
В настоящее время некоторые типы ламп в
отличие от транзисторов обладают большой единич-
ной мощностью (200 и более кВт); по этой причине
такие лампы удобно применять в промышленных
генераторах (для нагревания металлов и других
материалов), в мощных передатчиках радиостанций,
в медицинской аппаратуре и т. д.
Следует отметить, что в последние годы достиг-
нуты успехи в создании электронных ламп с безна-
кальными катодами, которые будут успешно конку-
рировать с транзисторами, а по ряду показателей и
превосходить их.
В радиоэлектронных устройствах наряду с элек-
тронными лампами широкое применение находят
приборы, принцип работы которых основан на
использовании явлений электрического разряда в
газах или парах ртути. Такие приборы называются
газоразрядными.
Электронная лампа состоит из герметического
баллона, в котором создан вакуум. В баллоне
смонтированы два и более электродов с выводами на
внешнюю часть.
Газоразрядный прибор имеет устройство анало-
гичное лампе. Баллон газоразрядного прибора, после
4
того как в нем создан вакуум, заполняется инертным
газом (аргон, неон, ксенон, криптон), водородом или
парами ртути, под небольшим давлением. Давление
газа определяется типом и назначением прибора и
может быть 10-1—10~3ммрт. ст.
В межэлектродном пространстве прибора переме-
щаются не только электроны, но и положительные
ионы, получаемые в процессе ионизации атомов газа.
Поэтому газоразрядные приборы называют еще и
ионными. Необходимо отметить, что положительные
ионы не играют существенной роли в создании
анодного тока как непосредственные переносчики
электрических зарядов, так как обладают значительно
большей массой, чем электроны, следовательно, их
подвижность значительно меньше подвижности элек-
тронов. Однако положительные ионы компенсируют
отрицательный пространственный заряд, облегчая
прохождение носителей заряда в газовой среде. Токи
в газоразрядных приборах могут превышать на
несколько порядков токи в электронных приборах, а
внутреннее падение напряжения на них значительно
меньше, чем падение напряжения на электронных
приборах. Это позволяет получать высокий коэффи-
циент полезного действия газоразрядных приборов.
В зависимости от целевого назначения газоразряд-
ные приборы отличаются между собой по виду
электрического разряда, уровню мощности и по
конструкции.
§ 1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРОЦЕССАХ
Движение электрона в однородном электрическом
поле. В электронных приборах движение свободных
электронов происходит под действием электрических
или магнитных полей. В зависимости от направления
начальной скорости электрона электрическое поле
может его движение ускорять, тормозить или изме-
нять направление.
Для выяснения физических процессов рассмотрим
движение электрона в однородном электрическом
поле. Представим себе, что в баллоне, в ко-
тором создан вакуум, расположены два взаим-
но параллельных электрода — катод К и анод А
(рис. 1.1, а). Если к этим электродам присоединить
5
батарею с напряжением плюсом к аноду и ми-
нусом к катоду, то в пространстве между анодом и
катодом будет создано электрическое поле с напря-
женностью
E=Ujd, (1.1)
где U—разность потенциалов, d—расстояние между
электродами.
Если в электрическое поле с напряженностью
Е поместить электрон, заряд которого равен е,
то на него будет действовать сила электрического
поля, равная произведению заряда на напряженность
поля:
г г и
F=eE=e—.
d
(1-2)
Сила электрического поля направлена от катода к
аноду.
Если начальная скорость электрона равна нулю и
совпадает с направлением силы электрического поля,
то электрон, помещенный в данное поле, испытывает
ускорение и будет перемещаться из точек с меньшим
потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.
При этом скорость электрона и его кинетическая
\ энергия будут возрастать. Движение электрона будет
равномерно ускоренным, поэтому такое поле назы-
вают ускоряющим.
На основании закона сохранения энергии прира-
щение кинетической энергии электрона должно рав-
няться работе, которую совершает _ электрическое
поле при перемещении электрона, т.,е.
(1.3)
где т—масса электрона; vH, v—начальная и конечная
скорости электрона; U= U2 — Ur — разность потен-
циалов, пройденная электроном, в электрическом
поле.
Если начальная скорость электрона равна нулю,
то электрон будет двигаться только под действием
силы поля. В этом случае кинетическая энергия
электрона определяется выражением
mv2/2=eU. (1.4)
Из (1.4) можно определить скорость электрона в
конце его пути
v= (1.5)
у т
Подставляя е)т= 1,759-1011 К/кг, получим выра-
жение для скорости электрона при движении его в
ускоряющем электрическом поле:
v = 600yU. (1.6)
Из (1.6) следует, что скорость движения электрона
условно можно выражать не только в км/с, но и в В.
Для определения времени пролета электрона в
однородном ускоряющем поле выразим силу электри-
ческого поля через массу и ускорение:
F= еЕ=та.
Отсюда
еЕ
а — —
т
(1-7)
Путь, пройденный электроном за время t, можно
определить из выражения d=at2[2, сюда подставим
значение из (1.7), получим
, еЕ 2
d=—tz,
2т
откуда
Подставив в полученное выражение значения т и
е, получим формулу для определения времени про-
лета электрона:
7
батарею с напряжением плюсом к аноду и ми-
нусом к катоду, то в пространстве между анодом и
катодом будет создано электрическое поле с напря-
женностью
E=Uld, (1.1)
где U—разность потенциалов, d— расстояние между
электродами.
Если в электрическое поле с напряженностью
Е поместить электрон, заряд которого равен е,
то на него будет действовать сила электрического
поля, равная произведению заряда на напряженность
поля:
F=eE=e^. (1.2)
Сила электрического поля направлена от катода к
аноду.
Если начальная скорость электрона равна нулю и
совпадает с направлением силы электрического поля,
то электрон, помещенный в данное поле, испытывает
ускорение и будет перемещаться из точек с меньшим
потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.
При этом скорость электрона и его кинетическая
энергия будут возрастать. Движение электрона будет
равномерно ускоренным, поэтому такое поле назы-
вают ускоряющим.
На основании закона сохранения энергии прира-
щение кинетической энергии электрона должно рав-
няться работе, которую совершает электрическое
поле при перемещении электрона, т.,- е.
^-^ = e(U2-Ur) = eU, (1.3)
6
где т—масса электрона; vH, v—начальная и конечная
скорости электрона; U= U2 — Ц — разность потен-
циалов, пройденная электроном, в электрическом
поле.
Если начальная скорость электрона равна нулю,
то электрон будет двигаться только под действием
силы поля. В этом случае кинетическая энергия
электрона определяется выражением
mv2[2 = eU. (1.4)
Из (1.4) можно определить скорость электрона в
конце его пути
(1.5)
\ т
Подставляя efm= 1,759-Ю11 К/кг, получим выра-
жение для скорости электрона при движении его в
ускоряющем электрическом поле:
v=6ooyu. (1.6)
Из (1.6) следует, что скорость движения электрона
условно можно выражать не только в км/с, но и в В.
Для определения времени пролета электрона в
однородном ускоряющем поле выразим силу электри-
ческого поля через массу и ускорение:
F= еЕ=та.
Отсюда
Путь, пройденный электроном за время t, можно
определить из выражения d=at2[2, сюда подставим
значение из (1.7), получим
откуда
Подставив в полученное выражение значения т и
е, получим формулу для определения времени про-
лета электрона: ,
7
/=о,зз-1о~84=; (1-8)
Ju
здесь г выражено в с, d—в мм, U—в В.
Пример. 1.1 Определить время пролета электрона, если рас-
стояние между анодом и катодом г/=1 мм, напряжение на аноде
С= 100 в.
Решение. Время пролета электрона
Z=0,33-10~8 —= 0,33-l0"9 = 0,33 нс.
10
Время пролета t очень мало, во многих практи-
ческих электронных устройствах не учитывается,
отсюда электронную лампу можно считать безынер-
ционным прибором.
Если под действием начальной скорости электрон
движется вдоль направления линий поля (от точек с
большим потенциалом к точкам с меньшим потен-
циалом), то он совершает работу против сил поля,
при этом его скорость и запас кинетической энергии
уменьшаются и он движется прямолинейно и равно-
замедленно. Поле, в котором электрон совершает
равнозамедленное движение, называют тормозящим.
При полной потере кинетической энергии скорость
электрона упадет до нуля и он под действием силы
поля будет двигаться равноускоренно в обратном
направлении, приобретая потерянную кинетическую
энергию.
Когда вектор начальной скорости электрона пер-
пендикулярен направ тению действия силы электриче-
ского поля (рис. траектория движения электро-
на будет иметь вид параболы. Такое поле называют
поперечным.
Движение электрона в однородном магнитном поле.
В ряде электронных приборов управление траекто-
рией движения электронов осуществляется с по-
мощью сил магнитного поля. Действие магнитного
поля на электрон аналогично действию магнитного
поля на проводник с током.
Сила, с которой действует магнитное поле на
проводник с током, определяется выражением
F— Bil sin а, (1.9)
где F—механическая сила, действующая на про-
водник длиной Г, В—магнитная индукция; i—элект-
8
Рис. 1.2
рический ток в проводнике; а—угол между направ-
лением тока в проводнике и направлением силовых
линий магнитного поля.
Если ток для одного электрона равен i=ejt и в
данном выражении числитель и знаменатель умно-
жить на скорость движения Электрона г, то (1.9)
можно представить в виде F= Bev sin а.
Анализируя полученное выражение, можно сде-
лать следующий вывод, что на неподвижный элект-
рон и электрон, перемещающийся вдоль линий поля,
магнитное поле не оказывает воздействия. Сила
магнитного поля на движущийся электрон будет
максимальной, когда он перемещается перпендику-
лярно направлению сил магнитного поля Fmax = Bev.
Направление этой силы определяется по правилу
левой руки. Сила F всегда перпендикулярна направ-
лению скорости электрона (рис. 1.2). Поэтому маг-
нитное поле не изменяет скорости электрона, а
изменяет его направление.
Если электрон входит в однородное магнитное
поле под углом 90° к силовым линиям, то он будет
двигаться по окружности, лежащей в плоскости,
перпендикулярной линиям поля (рис. 1.2). Когда угол
а не равен 90°, то скорость электрона может быть
разложена на две составляющие vH и гпр (рис. 1.3).
Первая составляющая скорости vB перпендику-
лярна направлению сил поля и заставит электрон
вращаться по окружности. Вторая составляющая
скорости электрона направлена вдоль сил магнитного
поля и поэтому с ним не взаимодействует. В
результате действия двух составляющих электрон
будет перемещаться по спирали.
9
Таким образом, магнитное поле не изменяет
энергии движущегося электрона, а изменяет только
траекторию его движения. Это свойство магнитного
поля используется в электронно-лучевых трубках и
других электронных приборах.
Работа выхода электронов. Принцип действия
электронных приборов основан на явлении электрон-
ной эмиссии — процессе выхода электронов с поверх-
ности твердого тела в вакуум.
Как известно, свободные электроны в проводящих
материалах находятся в непрерывном хаотическом
движении. При обычных условиях электроны не
могут выйти за пределы поверхности тел, так как
этому препятствуют электрические силы взаимодей-
ствия электрона с телом. Чтобы электрон вылетел за
пределы металла, он должен обладать энергией,
достаточной для преодоления сил, удерживающих его
в металле. Внутренней энергии электрона для этого
недостаточно. Поэтому ему нужно сообщить допол-
нительную энергию извне. Наименьшая дополнитель-
ная энергия, которую необходимо сообщить элект-
рону извне для преодоления сил, удерживающих его в
металле, называется работой выхода и обозначается
Wo. Она измеряется в электронвольтах. Работа
выхода является одной из основных характеристик
электронной эмиссии. Чем меньше 1У0, тем лучше
эмиссионные свойства материала. Значение работы
выхода для различных металлов, используемых в
электронных приборах, колеблется в пределах от
1,8 эВ для цезия до 4,5 эВ для вольфрама.
В зависимости от вида дополнительной энергии,
используемой для того, чтобы электроны могли
совершить работу выхода, различают несколько
видов электронной эмиссии: термоэлектронную, фо-
тоэлектронную, вторичную и электростатическую.
Виды электронной эмиссии. Термоэлектронной
эмиссией называется процесс излучения электронов с
поверхности нагретого металла. Этот вид электрон-
ной эмиссии широко используется в электровакуум-
ных и некоторых ионных приборах. При нагревании
металла электроны получают дополнительную энер-
гию, скорость электронов, а следовательно, их кине-
тическая энергия возрастает, и некоторое число
электронов преодолевает силы, препятствующие их
выходу из металла во внешнее пространство. Чем
10
выше температура и меньше работа выхода металла,
тем большее число электронов будет обладать энер-
гией, достаточной для преодоления сил, препят-
ствующих выходу электронов из металла.
Фотоэлектронной эмиссией называется процесс
выхода электронов с поверхности металла, облучае-
мого лучистой энергией. Явление фотоэлектронной
эмиссии носит название внешнего фотоэффекта. За
счет поглощенной энергии светового потока увели-
чивается энергия электронов в металле. При этом
электроны, получившие энергию, достаточную для
совершения работы выхода, вылетают за пределы
металла, создавая поток свободных электронов.
Фотоэлектронная эмиссия может возникать при
облучении металла лучами видимого спектра, инфра-
красными, ультрафиолетовыми и рентгеновскими.
Этот вид эмиссии используется в фотоэлементах,
фотоумножителях и в передающих телевизионных
трубках.
Вторичная электронная эмиссия—это эмиссия
электронов с поверхности металла при облучении его
потоком электронов. Если электроны, движущиеся с
большой скоростью, ударяются о поверхность ме-
талла, то их кинетическая энергия движения пере-
дается электронам металла. Электроны, получившие
необходимую дополнительную энергию, вылетают с
поверхности металла. При этом электроны, падаю-
щие на поверхность металла, называются первич-
ными, а вылетающие из металла — вторичными.
Ток вторичной эмиссии зависит от свойств ме-
талла, состояния его поверхности, скорости и угла
падения первичных электронов. Количественно вто-
ричная эмиссия оценивается коэффициентом вторич-
ной эмиссии о, равным отношению количества
вторичных электронов п2 к количеству первичных
электронов пг. Этот вид эмиссии используется в
электронных умножителях и некоторых специальных
радиолампах. В некоторых лампах вторичная эмиссия
нарушает нормальную их работу.
Электростатическая (автоэлектронная) эмис-
сия—это эмиссия электронов с поверхности металла
(холодного) под действием сильного ускоряющего
электрического поля (10б—108 В/см). Воздействие
внешнего электрического поля эквивалентно уменьше-
нию работы выхода электрона. Под действием этого
11
поля происходит как бы вырывание электронов из
металла. Этот вид эмиссии используется в рентгенов-
ских трубках, а также в некоторых газоразрядных и
полупроводниковых приборах.
§ 1.2. ДВУХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
Устройство и принцип действия. Электронные лам-
пы, содержащие в своем баллоне два электрода —
катод и анод, называют двухэлектродными или
диодами (рис. 1.4, а).
Катод диода может быть как прямого, так и
косвенного накала. Катод разогревают до рабочей
температуры током источника накала. Под действием
высокой температуры катод испускает поток свобод-
ных электронов.
Аноды диодов выполняются из тугоплавких ме-
таллов— никеля, молибдена или тантала и имеют
плоскую или цилиндрическую форму.
В баллоне диода создают высокий вакуум (10" 5—•
10"7 мм рт. ст.), необходимый для нормальной ра-
боты диода. Электроды внутри баллона крепятся на
держателях. Для соединения электродов с элементами
схемы предусмотрены специальные выводы—метал-
лические штырьки. Условное графическое обозначе-
ние диодов приведено на рис. 1.4, б.
При работе диода на анод относительно катода
подается напряжение, под действием которого в
междуэлектродном пространстве создается электри-
ческое поле. Если на
анод относительно ка-
тода подано напряже-
ние положительной по-
лярности, то электро-
ны, испускаемые на-
гретым катодом, под
действием электричес-
кого поля будут устрем-
ляться к аноду, созда-
вая в анодной цепи ток
/а, называемый анод-
ным током. Анодный
ток направлен от ано-
да к катоду, т. е. в
противоположном на-
12
Рис. 1.5 Рис. 1.6
правлении относительно движения электронного по-
тока (рис. 1.5).
Когда на анод относительно катода подано
напряжение отрицательной полярности, в простран-
стве между анодом и катодом создается тормозящее
электрическое поле, при этом анодный ток прекра-
щается, поскольку электроны под действием электри-
ческого поля возвращаются на катод. Таким образом,
ток в диоде может протекать лишь в одном направ-
лении— от анода к катоду. Следовательно, диод
обладает вентильным свойством. Это свойство опре-
деляет основное назначение диода—выпрямление
переменного тока.
Двухэлектродные лампы, применяемые для вы-
прямления переменного тока, называют кенотронами.
Характеристики и параметры диода. При выборе
электронных ламп для работы их в различных схемах
руководствуют их характеристиками и параметрами.
Свойства двухэлектродной лампы определяются
двумя характеристиками—эмиссионной Ia=f{U^ при
Ua = const и анодной Ia=f(Ua) при Un — const.
Для практического применения диода основной
интерес представляют анодные, характеристики
(рис. 1.6). Как видно из рис. 1.6, напряжение на аноде
равно нулю, а анодный ток не равен нулю; через диод
протекает небольшой, порядка нескольких микроам-
пер, анодный ток, называемый начальным током
(участок аЬ). Это объясняется тем, что некоторые
электроны, испускаемые катодом, способны долететь
до анода. Отрицательное напряжение на аноде, при
котором анодный ток равен нулю, имеет значение
порядка 0,5—0,7 В.
При повышении анодного напряжения ток воз-
растает, но не сразу достигает своего наибольшего
значения—тока насыщения. В области малых анод-
13
ных напряжений ток изменяется незначительно, за
счет влияния пространственного заряда, затем более
быстро (участок be). При этом анодный ток меньше
тока эмиссии. Такой режим анодного тока носит
название режима пространственного заряда. По мере
увеличения анодного напряжения плотность про-
странственного заряда уменьшается и при некотором
значении анодного напряжения — напряжения насы-
щения анодный ток достигает максимального зна-
чения и равен току эмиссии. Этому режиму соответ-
ствует пологая часть анодной характеристики (учас-
ток cd).
Анодные характеристики не дают полной оценки
свойствам ламп, поэтому используют параметры,
т. е. величины, характеризующие свойства лампы,
определяющие область ее применения и возможность
взаимозаменяемости.
Степень зависимости анодного тока от напряже-
ния на аноде оценивается статическими параметрами
диода — крутизной анодной характеристики S' и внут-
ренним сопротивлением переменному току Rt.
Крутизна характеристики диода показывает, на
сколько миллиампер изменится анодный ток при
изменении анодного напряжения на 1 В, и выражается
в мА/В:
S=Ma/MJa.
В пределах линейной части характеристики кру-
тизна— величина постоянная и имеет наибольшее
значение. Крутизна характеристики зависит от кон-
струкции диода и достигает 30 мА/B; чем она
больше, тем лучше лампа.
Внутреннее сопротивление лампы переменному
току jR; является обратной величиной крутизны
характеристики и выражается в Ом:
^=1/5=АГа/АД. (1.10)
Внутреннее сопротивление показывает, на сколько
вольт потребовалось бы изменить анодное напряже-
ние, чтобы анодный ток изменился на 1 А. Для
современных диодов Rt бывает порядка десятков или
сотен омов.
Кроме внутреннего сопротивления переменному
току существует понятие о сопротивлении диода
постоянному току Ro, под которым следует понимать
14
отношение постоянного на-
пряжения на аноде к величи-
не получающегося анодного
тока:
R0=ujia.
Для определения S и
на рабочем участке анод-
ной характеристики строят
характеристический треуголь-
ник АВС (рис. 1.7) и определяют два значения
анодного тока при разных анодных напряжениях.
Разность этих токов дает изменение тока Д/а =
=/а2—/а1, а разность анодных напряжений дает
напряжение ДЕ7а= 17а2 —17а1. Подставляя Д7а и ДС7а в
(1.9) и (1.10), вычислим S' и Д.
Рабочий режим диода определяется эксплуата-
ционными параметрами. К таким параметрам отно-
сятся: номинальное напряжение накала UBOU, номи-
нальный ток накала ZHOM, допустимое обратное
напряжение на аноде Побртах, допустимая мощность,
рассеиваемая анодом Ратах.
Допустимым обратным напряжением на аноде
называют то максимальное напряжение отрицатель-
ной полярности на аноде диода, при котором не
происходит электрического пробоя между анодом и
катодом:
Г7 < TJ
аобрсортах’
Допустимой мощностью рассеяния на аноде назы-
вают максимальную мощность на аноде, при которой
происходит допустимый разогрев анода при продол-
жительной работе диода:
Р
Применение двухэлектродных ламп. Двухэлектрод-
ные лампы обладают свойством односторонней про-
водимости. Это свойство позволяет применять их для
выпрямления переменного тока, детектирования вы-
сокочастотных модулированных напряжений, а также
в схемах амплитудного ограничения и др.
Конструкция двухэлектродных ламп определяется
их назначением и требуемым режимом работы. Для
выпрямления переменного тока используют кено-
троны, которые обладают повышенным током эмис-
15
сии, большой допустимой мощностью рассеяния и
большими допустимыми обратными напряжениями.
§ 1.3. ТРЕХЭЛЕКТРОДНЫЕ ЛАМПЫ
Устройство и принцип действия. Трехэлектродная
лампа, у которой между катодом и анодом распо-
ложен третий электрод—сетка, называется триодом
(рис. 1.8). Этот электрод может быть выполнен в виде
металлической сетки либо в виде спирали, окружаю-
щей катод, либо в виде ряда металлических стержней,
расположенных возле катода. На рис. 1.9 показана
конструкция триода (а) и его условные обозначения
(6).
Сетка предназначена для управления анодным
током, поэтому ее называют управляющей сеткой.
Если к сетке относительно катода подвести отрица-
тельный потенциал (рис. 1.10), то в пространстве
сетка—катод образуется тормозящее электрическое
поле, при этом не все электроны, эмиттируемые
катодом, достигнут анода. Электроны, обладающие
малыми начальными скоростями, возвращаются об-
ратно на катод. Изменяя отрицательный потенциал,
можно изменять значение анодного тока вплоть до
его исчезновения. Отрицательное напряжение на
управляющей сетке, при котором анодный ток равен
нулю, называется напряжением запирания лампы.
При положительном потенциале управляющей сетки
16
Рис. 1.10
Рис. 1.11
(рис. 1.11) в пространстве сетка —катод создается
ускоряющее электрическое поле. Основная масса
электронов под действием ускоряющего поля сетки и
анода попадают на анод, создавая анодный ток.
Часть электронов устремляется к сетке, образуя
сеточный ток.
При увеличении положительного потенциала сетки
анодный и сеточный токи будут возрастать. При
некотором напряжении на аноде — напряжении насы-
щения анодный ток достигает максимального зна-
чения— ток насыщения. С дальнейшим ростом поло-
жительного потенциала управляющей сетки в триоде
произойдет перераспределение электронного потока,
которое приведет к уменьшению анодного и к росту
сеточного токов.
Поскольку управляющая сетка расположена ближе
к катоду, чем анод, то ее влияние на изменение
анодного тока значительно больше. Следовательно,
для получения одинакового изменения анодного тока
сеточное напряжение нужно изменить на меныпую
величину, чем анодное. Этим объясняются усилитель-
ные свойства триода.
Характеристика и параметры триода. Зависимости
анодного и сеточного токов от напряжений на
электродах триода отображаются статическими ха-
рактеристиками, т. е. характеристиками, снятыми при
отсутствии нагрузки анодной цепи лампы.
Анодно-сеточная характеристика
4=/(^с) при Uz = const;
анодная характеристика
4=/(^а) нри
I ' •--.-.МОТЕНА j
17
сеточная характеристика
4 = (Р(с;с) ПРИ *4 = const.
Статические характеристики триода могут быть
сняты с помощью схемы, изображенной на рис. 1.12.
Для определения статических параметров триода и
при расчете практических схем используют семейство
анодных или анодно-сеточных характеристик.
В семействе анодных характеристик каждая харак-
теристика снимается при постоянном сеточном напря-
жении (рис. 1.13, а), а семейство анодно-сеточных
характеристик снимается при постоянных анодных
напряжениях (рис. 1.13,6).
Как видно из рис. 1.13, а, при отрицательных
напряжениях на управляющей сетке анодные характе-
ристики начинаются правее начала координат, сеточ-
ный ток отсутствует. При положительном напряже-
нии на сетке увеличивается анодный ток, а в сеточной
цепи появляется сеточный ток, который с ростом
анодного напряжения уменьшается. Из семейства
18
анодно-сеточных характеристик (рис. 1.13, б) следует,
что с ростом анодного напряжения анодно-сеточные
характеристики сдвигаются влево. Это означает, что
при одном и том же напряжении на сетке, при
повышенном анодном напряжении анодный ток уве-
личивается, а сеточный ток уменьшается. С увеличе-
нием анодного напряжения напряжение запирания
становится более отрицательным.
Параметрами триода являются постоянные ве-
личины, определяющие взаимосвязь между анод-
ным током и напряжениями на аноде и сетке.
Параметры, характеризующие работу триода без
нагрузочного сопротивления, называются статичес-
кими.
Основные параметры триода: крутизна анодно-
сеточной характеристики S, внутреннее сопротивление
переменному току и коэффициент усиления по
напряжению ц. Крутизна отображает зависимость
анодного тока от напряжения на сетке при неизмен-
ном напряжении на аноде триода. Этот параметр
показывает, на сколько миллиампер изменится анод-
ный ток при изменении напряжения на сетке на 1 В
при постоянном напряжении на аноде. Крутизна
характеристики определяется как отношение измене-
ния анодного тока к изменению сеточного напряже-
ния, вызвавшему это изменение анодного тока при
неизменном напряжении на аноде, и выражается в
миллиамперах на вольт:
5=^- при U& = const. (1.11)
Крутизна характеристики на разных участках
анодно-сеточной характеристики различна. Обычно за
крутизну принимают ее значение на прямолинейном
участке анодно-сеточной характеристики. Современ-
ные усилительные триоды имеют крутизну порядка
нескольких мА/B, а специальные триоды—до 40—
70 мА/В.
Внутреннее сопротивление Д- устанавливает зави-
симость приращения анодного тока от приращения
напряжения на аноде при неизменном напряжении на
сетке:
7^ = ^^ при t/c = const. (1-12)
19
Внутреннее сопротивление характеризует сопро-
тивление триода по переменному току. Этот пара-
метр показывает, на сколько вольт надо изменить
анодное напряжение, чтобы анодный ток триода
изменился на I А при неизменном напряжении на
сетке.
Для современных триодов может быть от 1 до
100 кОм. Внутреннее сопротивление так же, как и
крутизна, определяется на среднем участке харак-
теристики.
Коэффициент усиления определяется отношением
приращений напряжений на аноде и на сетке, вызы-
вающих одинаковые изменения анодного тока:
при 7а = const. (1.13)
Коэффициент ц является безразмерной величиной
и в триодах имеет значение от 4 до 100. Чем больше
ц, тем качество триода лучше.
Статические параметры триода связаны между
собой соотношением
|T = 57?f (1.14)
называемым внутренним уравнением триода. Поль-
зуясь данным уравнением, можно по двум известным
параметрам триода определить неизвестный третий.
Статические параметры S, В, и ц триода опреде-
ляют из справочника или с помощью семейства
анодных или анодно-сеточных характеристик. На
рис. 1.13, а показано определение параметров триода
по семейству анодных характеристик. Для этого на
линейном участке характеристик строится характе-
ристический треугольник АВС. Катет АС в мас-
штабе равен изменению анодного напряжения А(7а =
= Па2 —(7а1, а катет ВС—изменению анодного тока
д/а = /а2—/а1. Изменение сеточного напряжения ДСс
определяется разностью сеточных напряжений, при
которых сняты используемые характеристики. Чис-
ловые значения определяемых параметров находят по
формулам (1.11) — (1.13).
Аналогично определяются параметры при исполь-
зовании семейства анодно-сеточных характеристик
(рис. 1.13, б).
Правильность определения параметров можно про-
верить по внутреннему уравнению триода: S'/?i/[t=l.
20
Рис. 1.14
усиления, невы-
Достоинства и недостатки трио-
дов. К достоинствам триодов мож-
но отнести простоту устройства и
надежность в работе, а также ма-
лую степень внутриламповых шу-
мов.
Основными недостатками трио-
дов являются: малый коэффициент
сокое внутреннее сопротивление и сравнительно боль-
шие междуэлектродные емкости.
Создать триод с большим коэффициентом усиле-
ния невозможно. Это объясняется тем, что для его
получения необходимо управляющую сетку делать
густой, но тогда анодно-сеточная характеристика
сдвигается вправо, т. е. основной своей частью лежит
в области положительных напряжений на сетке, что
не позволяет работать без сеточных токов.
В триодах различают три междуэлектродные
емкости: емкость между анодом и катодом Сак,
емкость между сеткой и катодом Сск и емкость между
анодом и сеткой Сас (рис. 1.14). Междуэлектродные
емкости триода составляют несколько пикофарад.
При работе триода на низких частотах сопротивление
этих емкостей велико и они практически не оказы-
вают никакого влияния на работу триода. На
высоких частотах сопротивление емкостей умень-
шается и оказывает влияние на работу триода.
Особенно вредное воздействие оказывает емкость
между анодом и сеткой, которую называют проход-
ной. Через эту емкость энергия из анодной цепи
переходит в цепь сетки, что часто приводит к
самовозбуждению усилителя, собранного на триоде.
Небольшое внутреннее сопротивление оказывает
шунтирующее действие на высокоомную нагрузку
схемы.
Применение триодов. Триоды могут быть исполь-
зованы в различных радиоэлектронных устройствах
для усиления и генерирования. В зависимости от
целевого назначения триоды отличаются конструк-
тивным оформлением, максимальной рабочей часто-
той, величиной мощности рассеяния, характеристи-
ками и параметрами.
Необходимо отметить, что с развитием полупро-
водниковых приборов ламповые триоды во многих
радиоэлектронных устройствах заменяются полупро-
21
водниковыми триодами — транзисторами. В настоя-
щее время ламповые триоды применяются для
усиления и генерирования колебаний средней и
большой мощности.
§ 1.4. МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ
ЛАМПЫ
После триодов были разработаны четырехэлект-
родные лампы (тетроды) и ряд других многосеточных
ламп. В этих лампах устранены недостатки триода
путем введения между управляющей сеткой и анодом
второй сетки (экранирующей) в тетроде и третьей
сетки в пентоде.
В результате экранирования резко снижается про-
ходная емкость лампы и она становится на два-три
порядка меньше, чем у триода, т. е. составляет сотые
доли пикофарад. Кроме того, увеличивается коэффи-
циент усиления |г и внутреннее сопротивление
лампы.
В некоторых электронных схемах используются
электронные лампы с двумя управляющими сетками,
на которые подаются переменные напряжения разной
частоты. Благодаря этому в таких лампах анодный
ток управляется сразу двумя напряжениями и изме-
няется по сложному закону.
Для уменьшения габаритов электронных устройств,
упрощения монтажа и экономии питания широко
применяют комбинированные электронные лампы,
содержащие в одном баллоне две или более системы
электродов отдельных ламп, работающих независимо
одна от другой (рис. 1.15): двойной диод (а) с
разделенными катодами; двойной диод — триод (б);
диод-—пентод (в).
Маркировка электронных ламп. Обозначения при-
емно-усилительных ламп состоят из нескольких циф-
Рис. 1.15
22
ровых и буквенных элементов. Первый элемент—
число, указывающее напряжение накала в вольтах
(округленно). Второй элемент — буква, характеризую-
щая тип лампы: Д—диоды, Ц — кенотроны, X —
двойные диоды, С—триоды, Н—двойные триоды,
П — выходные пентоды и лучевые тетроды, Ж — пен-
тоды с короткой характеристикой, К — пентоды с
удлиненной характеристикой, Г—диод—триод, Б —
диод-пентоды, А—многосеточные лампы. Третий
элемент — порядковый номер данного типа лампы.
Четвертый элемент — буква, характеризующая
конструктивное оформление лампы: С—в стеклян-
ном баллоне диаметром более 22,5 мм; П—миниа-
тюрные (пальчиковые) в стеклянном баллоне диа-
метром 19 и 22,5 мм; Б—сверхминиатюрные в
стеклянном баллоне диаметром от 6 до 10,5 мм;
А—сверхминиатюрные в стеклянном баллоне диа-
метром от 4 до 6 мм.
Например: 6Д6А — напряжение накала 6,3 В; диод
сверхминиатюрный в стеклянном баллоне диаметром
6 мм; шестой номер разработки; 1Ц2Ш — напряже-
ние накала 1,4 В; кенотрон пальчиковой серии с
диаметром баллона 22,5 мм; двадцать первый номер
разработки.
§ 1.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ
Электрическим разрядом называют совокупность
явлений, происходящих в разряженном газе или парах
ртути при протекании электрического тока. К таким
явлениям можно отнести возбуждение атомов газа,
ударную ионизацию, при которой нейтральные ато-
мы газа расщепляются на электроны и положитель-
ные ионы, и рекомбинацию — восстановление ней-
тральных атомов газа.
В газоразрядных приборах используются два вида
электрических разрядов—несамостоятельный и само-
стоятельный.
Возникновение ионизации газа при несамостоя-
тельном разряде происходит под воздействием внеш-
них факторов ионизации (радиоактивные, рентгенов-
ские и космические излучения) либо источников
электронной эмиссии. В газоразрядных приборах для
поддержания несамостоятельного разряда использу-
ется термоэлектронная или фотоэлектронная эмиссия.
23
a)
Самостоятельный электрический разряд возникает
при воздействии внешних факторов ионизации, но
после того как установится самостоятельный разряд,
действие внешних факторов ионизации не оказывает
существенного влияния. Разряд будет продолжаться
под действием электрического поля.
Для уяснения процессов, происходящих в газо-
разрядном приборе, рассмотрим вольт-амперную ха-
рактеристику (рис. 1.16,6) простейшего прибора, со-
стоящего из стеклянного баллона, заполненного
газом, и двух холодных электродов.
Вольт-амперную характеристику получают опыт-
ным путем с помощью схемы, представленной на
рис. 1.16, а.
Начальная ионизация атомов газа происходит под
действием внешних факторов ионизации. Электроны
под действием электрического поля будут двигаться к
аноду, а ионы — к катоду. Движение электронов и
ионов образуют электрический ток несамостоятель-
ного разряда (см. рис. 1.16,6). Ток и падение напря-
жения на ограничительном резисторе 7?огр имеют
небольшое значение, свечения газа не происходит.
Этот разряд называется темным несамостоятельным
разрядом (участок О А) и является переходным этапом
к самостоятельному разряду. При некотором напря-
жении U3, называемом напряжением зажигания, ионы
приобретают достаточную скорость для создания
электронной эмиссии с поверхности катода. Электро-
ны, вылетающие из катода, .усиливают процесс
ионизации газа, что вызывает рост тока. Разряд не
будет зависеть от внешних факторов ионизации. При
этом несамостоятельный разряд переходит в само-
стоятельный, который на этой стадии называется
темным самостоятельным разрядом (участок АВ).
24
После зажигания в приборе наступает режим нор-
мального тлеющего разряда (участок ВС), сопро-
вождаемый свечением газа, уменьшением внутреннего
сопротивления прибора, ростом тока и постоянством
напряжения между его электродами. Вслед за нор-
мальным тлеющим разрядом происходит аномаль-
ный тлеющий разряд (участок CD), при котором
ионизация газа становится более интенсивной, что
приводит к уменьшению сопротивления. Для увеличе-
ния тока при аномальном разряде необходимо
увеличить подводимое напряжение или уменьшить
ограничительное сопротивление.
После аномального тлеющего разряда возможен
дуговой разряд (участок ЕЕ), возникающий при
термоэлектронной эмиссии холодного катода. При
дуговом разряде уменьшается внутреннее сопротивле-
ние прибора и падение напряжения на его электродах
до 12—15 В. Величина тока при дуговом разряде
может быть ограничена с помощью ограничитель-
ного сопротивления Rorp. В практических устройствах
могут применяться газоразрядные приборы как с
несамостоятельным, так и с самостоятельным раз-
рядом.
Темный разряд в газах имеет применение в
газоразрядных фотоэлементах и в счетчиках радиоак-
тивного излучения (счетчики Гейгера). На основе
нормального тлеющего разряда создана многочис-
ленная группа газоразрядных приборов. К этой
группе относятся стабилитроны, тиратроны с холод-
ным катодом, неоновые лампы, цифровые индика-
торы, декатроны и целый ряд других приборов.
Аномальный разряд нашел применение в лампах
дневного света.
§ 1.6. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
С САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ РАЗРЯДОМ
Неоновые лампы. Неоновые или газосветные лам-
пы являются простейшими типами приборов тлею-
щего разряда, у которых тлеющее свечение исполь-
зуется для световой сигнализации и индикации.
Цвет тлеющего свечения зависит от вида газа.
Обычно баллон неоновых ламп заполняют неоном с
небольшими примесями других инертных газов. Нео-
новые лампы имеют два холодных электрода, форма
25
которых определяется назначением неоновых ламп.
Неоновые лампы могут использоваться в цепях
постоянного и переменного тока.
Для того чтобы тлеющий разряд не перешел в
дуговой, в цепь неоновых ламп включается ограни-
чительное сопротивление, которое иногда монти-
руется в цоколе лампы.
Неоновые лампы кроме световой сигнализации и
индикации могут использоваться для получения пило-
образного напряжения. В режиме нормального тлею-
щего разряда они могут работать как стабилитроны.
Условное изображение неоновой лампы приведено
на рис. 1.16, а.
Люминесцентные сигнальные индикаторные лампы.
Люминесцентные сигнальные лампы тлеющего раз-
ряда содержат два электрода, помещенных в баллоне,
внутренняя часть которого покрыта люминофором.
Под воздействием приложенного напряжения меж-
ду электродами возникает тлеющий разряд, при
котором возникает невидимое ультрафиолетовое из-
лучение. Это излучение воздействует на люминофор-
ное покрытие лампы и вызывает видимое свечение
люминофора. Сигнальные лампы включаются в сеть
последовательно с балластным резистором. В обозна-
чении этих приборов буквы указывают: Т — тлеющий
разряд, Л — люминесцентная, О — оранжевого свече-
ния, 3 — зеленого свечения, Ж — желтого свечения,
Г—голубого свечения. Первая (после буквы) цифра
указывает номинальный ток в миллиамперах. Вторая
цифра характеризует напряжение зажигания (1-145В,
2-185В). В настоящее время промышленность вы-
пускает лампы типов ТЛО-1-1, ТЛЗ-З-1, ТЛЖ-3-2,
ТЛГ-3-1 и т. д.
Стабилитрон. Стабилитронами называются газо-
разрядные приборы, предназначенные для поддержа-
ния на неизменном уровне напряжения на нагрузоч-
ном сопротивлении при значительных колебаниях
тока нагрузки или напряжения питающей сети.
Принцип работы газоразрядных стабилитронов ос-
нован на использовании нормального тлеющего
разряда, при котором изменение тока в некоторых
пределах почти не вызывает изменения напряжения
на их электродах. Это следует из вольт-амперной
характеристики, приведенной на рис. 1.16, б (учас-
ток ВС).
26
Стабилитрон в простей-
шем выполнении состоит из
двух электродов, помещен-
ных в стеклянном баллоне.
Катод имеет цилиндричес-
кую форму, анод выпол-
нен в виде отрезка нике-
левой проволоки, располо-
женной вдоль оси катода.
Для уменьшения работы выхода электронов внутрен-
няя поверхность катода активизирована. Баллон
наполняется смесями инертных газов. До заполнения
приборов газом в баллоне создают вакуум.
Выпускаемые типы стабилитронов классифици-
руются по напряжению стабилизации. Электрический
режим работы стабилитрона определяется его вольт-
амперной характеристикой.
Основными параметрами стабилитрона являются:
напряжение зажигания разряда U3;
напряжение горения разряда С7ст = Ur;
диапазон рабочих токов /стт!п, /сттах;
изменение напряжения горения Л£/г = ДС/ст;
внутреннее сопротивление Rt = At/CT/(ZCTmax-/CTmin)-
Схема включения стабилитрона приведена на
рис. 1.17.
Падение напряжения в схеме распределяется меж-
ду резистором ограничения Rorp и стабилитроном.
При увеличении напряжения источника питания внут-
реннее сопротивление стабилитрона уменьшается;
ток, проходящий через стабилитрон, возрастает.
Падение напряжения на ограничительном резисторе
при этом увеличивается. При правильно подобранных
элементах схемы падение напряжения на Rorp увели-
чится на столько, на сколько увеличилось напряжение
источника питания. При уменьшении напряжения
питания Е внутреннее сопротивление стабилитрона
увеличивается, а ток, проходящий через него, умень-
шается. Падение напряжения па ограничительном
резисторе уменьшается. Таким образом, при измене-
нии напряжения источника питания все время про-
исходит перераспределение напряжения между ста-
билитроном и ограничительным резистором. Так как
нагрузка подключается параллельно стабилитрону,
то и на ней напряжение будет почти постоянным.
Пределы стабилизации ограничены минимальным
27
/ст min и максимальным /сттах
токами стабилитрона. При
изменении тока в этих пре-
делах падение напряжения
на стабилитроне почти не
изменяется.
Так как режим стабили-
зации напряжения в рас-
сматриваемой схеме опреде-
ляется напряжением горе-
ния разряда Ur = (7СТ, яв-
ляющегося основным пара-
метром стабилитрона, то та-
кую схему стабилизации на-
зывают параметрической,
поддерживать напряжение,
большее напряжения стабилизации одного стабили-
трона, допускается последовательное включение не-
скольких однотипных стабилитронов.
У высоковольтных стабилитронов напряжение
стабилизации около 1000 В при токах от 10 до 60 мА.
Тиратрон тлеющего разряда. В простейшем испол-
нении тиратрон тлеющего разряда представляет
собой трехэлектродный прибор, баллон которого
заполнен инертным газом. Кроме катода и анода в
тиратроне имеется вспомогательный управляющий
электрод (УЭ), который обеспечивает управление
моментом открывания тиратрона.
На рис. 1.18, а представлена конструкция ти-
ратрона тлеющего разряда типа МТХ-90, а на
рис. 1.18,6—графическое обозначение.
Катод тиратрона представляет собой никелевый
цилиндр, внутренняя поверхность которого активизи-
рована цезием. Анод расположен в нижней части
баллона и выполнен в виде молибденового стержня.
Для получения газового разряда в нужном направ-
лении анод с боковых сторон окружен стеклянным
патрубком. Управляющий электрод, расположенный
между анодом и катодом, представляет собой метал-
лический диск с отверстием в центре.
Уровень напряжения между анодом и катодом в
тиратроне подбирается таким, при котором без
участия поля управляющего электрода разряд не
возможен (рис. 1.19,6). При подаче на управляющий
электрод положительного потенциала (рис. 1.19, а) .
28
Рис. 1.19
потенциал зажигания тиратрона снижается и тира-
трон открывается. При этом напряжение на аноде
снижается до горения. Падение напряжения на бал-
ластном сопротивлении увеличивается пропорцио-
нально уменьшению напряжения на аноде тиратрона.
Анодный ток, получаемый при открытии тиратрона,
значительно больше тока в цепи его управляющего
электрода. Это характеризует усилительные свойства
тиратрона.
С момента зажигания тиратрона ток в анодной
цепи его остается неизменным (рис. 1.19, б). Тиратрон
закрывается лишь после снятия или снижения анод-
ного напряжения до значения меньшего, чем напря-
жения горения UT.
После зажигания тиратрона изменением потен-
циала управляющего электрода погасить его нельзя.
Это объясняется тем, что поле управляющего элек-
трода нейтрализуется положительными ионами
плазмы.
Тиратроны применяются в электронных реле,
позволяющих при малых токах в управляющей цепи
коммутировать сильноточные схемы.
Цифровым индикатором или цифровой лампой
называют многоэлектронный газоразрядный прибор,
работающий в режиме аномального тлеющего раз-
ряда, позволяющий производить визуальный конт-
роль числовых величин.
Внешний вид цифрового индикатора показан на
рис. 1.20, а. В стеклянном баллоне прибора, заполнен-
ном после создания в нем вакуума смесью инертных
газов, размещены на разных уровнях десять плоских
катодов, имеющих форму десяти арабских цифр (от 0
29
Рис. 1.20
до 9). Прибор имеет два анода, выполненных в виде
двух металлических сеток. Один из анодов распо-
ложен над катодами, а другой — между катодами,
изображающими цифры 5 и 2.
Разряд возможен между анодом и тем катодом,
на который будет подан наиболее отрицательный
потенциал.
Промышленность выпускает цифровые индикато-
ры с торцовой индикацией (рис. 1.20,6) и боковой.
При торцовой — электроды располагаются гори-
зонтально, а при боковой — вертикально. При боко-
вой индикации цифры имеют несколько большие
размеры.
Цифровые индикаторы применяются в счетно-
решающих машинах, калькуляторах и различных
измерительных приборах.
Контрольные вопросы
1. Как влияет электрическое поле на движение электрона?
2. Определить кинетическую энергию электрона при уда-
ре о поверхность анода, если его конечная скорость соот-
ветствует разности потенциалов 150 В, а масса электрона
т = 9,1 -10" . кг.
3. Как влияет магнитное поле на движение электрона?
4. Какие существуют виды электронной эмиссии?
5. Почему ламповый диод является выпрямителем перемен-
ного тока?
6. Крутизна характеристики диода 5=20 мА/B. Найти внут-
реннее сопротивление диода и объяснить физический смысл этого
параметра.
7. Объяснить смысл параметров диода.
8. Какова роль управляющей сетки в триоде?
9. Какие характеристики триода вы знаете?
30
10. Изменение анодного тока Л/а = 5 мА получается в триоде
при изменении анодного напряжения АС'а = 2 В. Определить кру-
тизну характеристики S, внутреннее сопротивление и коэффи-
циент усиления лампы.
11. В чем отличие комбинированных ламп от обычных?
Указать их область применения.
12. Как маркируются приемно-усилительные лампы?
13. Объяснить вольт-амперную характеристику газового раз-
ряда.
14. Поясните, какие участки вольт-амперной характеристики
соответствуют рабочим процессам отдельных видов газоразрядных
приборов.
15. Объяснить принцип работы неоновой лампы и стабилитрона.
16. Указать основные преимущества и недостатки газоразряд-
ных приборов по сравнению с электровакуумными.
ГЛАВА 2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Если в начальный период развития различные
отрасли электронной техники опирались на исполь-
зование электровакуумных и газоразрядных прибо-
ров, то в настоящее время электровакуумные и
газоразрядные приборы успешно замещаются различ-
ными полупроводниковыми приборами.
Применение современных полупроводниковых
приборов позволило создавать малогабаритную элек-
тронную аппаратуру, увеличить надежность и срок ее
работы, а также значительно уменьшить расход
потребляемой электроэнергии. Немаловажным явля-
ется и то, что полупроводниковые приборы для своей
работы не требуют источников высоких напряжений.
Необходимо отметить, что наряду с существен-
ными достоинствами полупроводниковым приборам
присущи и некоторые недостатки, к которым от-
носятся—технологический разброс параметров, зави-
симость параметров от температуры, трудности
получения больших мощностей.
Принципы устройства и работы полупроводнико-
вых приборов использованы для создания полупро-
водниковой микроэлектроники.
§ 2.1. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Внутренняя структура полупроводников. Полупро-
водниками называют обширную группу химических
31
элементов и их соединений, у которых удельное
сопротивление занимает промежуточное место между
проводниками и диэлектриками.
Физическая сущность проводимости полупровод-
ников существенно отличается от процессов прово-
димости в металлах. Наиболее важным является то,
что проводимость в полупроводниках осуществляется
двумя видами подвижных носителей электрических
зарядов — отрицательно заряженными свободными
электронами и положительно заряженными дыр-
ками — электронами замещения.
Проводимость полупроводников существенно за-
висит от окружающей температуры, степени освещен-
ности и радиации, а также от вида и процентного
содержания в нем примеси.
Исходным материалом при изготовлении полу-
проводниковых приборов являются элементы четвер-
той группы периодической таблицы Менделеева.
Широкое применение имеют германий, кремний, а
также полупроводниковые соединения: арсенид гал-
лия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.
Как и металл, полупроводники имеют кристалли-
ческую структуру, характеризующуюся закономер-
ным расположением атомов, фиксированных в узлах
кристаллической решетки.
Кристаллы кремния и германия имеют кубиче-
скую решетку алмазного типа. В такой решетке
каждый атом взаимно связан с четырьмя соседними
атомами ковалентными связями (рис. 2.1). Из рис. 2.1
видно, что каждый атом окружен восемью валент-
ными электронами — четыре собственных и по одно-
Рис. 2.1
му от каждого соседнего
атома. При этом поло-
жительные заряды ядер
компенсируются отрица-
тельными зарядами элек-
тронов, поэтому кристалл
является электрически ней-
тральным.
При температуре абсо-
лютного нуля ( — 273° С)
все валентные электроны
участвуют в образовании
ковалентных связей, сле-
довательно, свободных но-
32
жителей электрических зарядов для осуществления
щоводимости не имеется, при этом полупроводник
одобен идеальному диэлектрику.
Собственная и примесная проводимости полупровод-
ника. При повышении температуры или при облучении
олупроводника лучистой энергией часть валентных
электронов, получивших необходимую энергию, ухо-
дят из ковалентных связей, при этом они становятся
свободными носителями электрических зарядов.
При разрывах ковалентной связи одновременно с
возникновением свободных электронов образуются
незаполненные ковалентные связи—дырки.
В химически чистых полупроводниках число сво-
бодных электронов равно числу дырок, так как при
разрыве одной ковалентной связи одновременно созда-
ется один свободный электрон, ушедший из кова-
тентной связи, и одна дырка — отсутствие валентного
электрона в ковалентной связи. Дырка в электри-
ческом и магнитном полях ведет себя как частица с
положительным зарядом, равным заряду электрона.
При разрывах ковалентных связей кристалл не теряет
электрической нейтральности, поскольку число поло-
жительных зарядов—дырок равно числу отрицатель-
ных электронов. Незаполненную ковалентную связь
может заполнить свободный электрон, покинувший
соседнюю ковалентную связь. При этом одна кова-
лентная связь восстанавливается, а другая—разрыва-
ется. Таким образом создается впечатление, что дырка
с как бы присущим ей положительным зарядом
перемещается от одного атома к другому, причем ее
перемещение происходит в направлении, противопо-
ложном перемещению электрона зам щения.
Разрывы ковалентных связей, сопровождающиеся
образованием свободных электронов и дырок, называ-
ют генерацией, а восстановление ковалентных связей —
рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выде-
лением некоторой энергии в виде теплоты или света;
генерация происходит с поглощением энергии.
При отсутствии электрического поля свободные
электроны и дырки совершают в межатомном про-
странстве хаотическое тепловое движение, которое не
сопровождается появлением тока.
При наличии внешнего электрического поля пере-
мещение свободных электронов и дырок приобретает
упорядоченный характер, электроны движутся в на-
2—815
33
правлении силы электрического поля, а дырки — в
противоположном направлении. Проводимость, обу-
словленная движением свободных электронов, назы-
вается электронной, а проводимость, вызываемая
движением дырок,— дырочной.
Электронную проводимость называют проводи-
мостью и-типа (от negative — отрицательный), а ды-
рочную называют проводимостью p-типа (от posi-
tive —положительный).
Проводимость, осуществляемая одновременно
электронами и дырками, называется собственной или
i-типа. Собственная проводимость равна сумме про-
водимостей и- и р-типов.
В собственной проводимости преобладающее зна-
чение имеет электронная составляющая проводи-
мости, поскольку подвижность свободных электронов
больше подвижности дырок—электронов замещения.
Для изменения характера проводимости в чистый
полупроводник вводят примеси. В качестве примесей
для кремния и германия используют элементы треть-
ей или пятой группы таблицы Менделеева. Элементы
пятой группы, например мышьяк, фосфор, сурьму,
применяют для получения полупроводников с пре-
обладанием электронной проводимости, а элементы
третьей группы, такие, как бор, алюминий, галлий,
индий, используют для получения полупроводников с
преобладанием дырочной проводимости.
Если в чистый кристалл кремния или германия
внести атом примеси с пятью валентными электро-
нами, то атом примеси внесет на один электрон
больше, чем требуется для заполнения ковалентных
связей, при этом четыре валентных электрона приме-
сей войдут в ковалентные связи с четырьмя сосед-
ними атомами основного материала и создадут
устойчивую электронную оболочку из восьми валент-
ных электронов. Пятый электрон примеси будет
слабо связан с ядром атома (рис. 2.2). При сообще-
нии пятому электрону небольшой энергии он стано-
вится свободным, не вызывая разрыва ковалентной
связи и, следовательно, без образования дырки.
Поскольку атомы примесей пятой группы являются
источниками свободных электронов, такую примесь
называют донорной, а полупроводник с донорной
примесью—полупроводник н-типа, так как проводи-
мость обусловлена электронами проводимости. Если
34
Рис. 2.3
в кристалле полупроводника один из его атомов
заменен атомом трехвалентной примеси (рис. 2.3), то
образуется незаполненная ковалентная связь-—-дырка,
без образования свободного электрона. Так как
примесный атом способен воспринять электрон для
заполнения разорванной ковалентной связи, его назы-
вают акцептором, а полупроводник с акцепторной
примесью-—полупроводником p-типа, поскольку про-
водимость обусловливается движением дырок.
В примесных полупроводниках различают два
вида носителей электрических зарядов — основные и
неосновные. Основные носители обусловлены приме-
сями, неосновные-—разрывами ковалентных связей.
В полупроводнике л-типа основными носителями
являются свободные электроны, а неосновными —
дырки, в полупроводнике p-типа основными являются
дырки, а неосновными — электроны.
§ 2.2. ЭЛЕКТРОШЮ-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
И ЕГО СВОЙСТВА
Особые свойства приобретают полупроводники,
состоящие из двух или нескольких соприкасающихся
слоев с различными типами проводимости.
Область, где имеется переход от полупроводника с
электронной проводимостью к полупроводнику с
дырочной проводимостью, называют электронно-ды-
рочным или р-п-переходом.
Свойства и сочетание электронно-дырочных пере-
ходов лежат в основе принципа действия многих
полупроводниковых приборов. Электронно-дырочный
2*
35
Рис. 2.4
переход является основным эле-
ментом полупроводниковых дио-
дов и транзисторов. Он созда-
ется с помощью технологичес-
ких процессов, в результате ко-
торых граница раздела областей
с различными видами проводи-
мости находится внутри полупроводникового моно-
кристалла.
Пользуясь рис. 2.4, рассмотрим физические про-
цессы, происходящие в монокристалле с разными
видами проводимости.
В «-области монокристалла концентрация электро-
нов преобладает над концен рацией электронов в
p-области. В p-об ласти, наоборот, концентрация
дырок преобладает над концентрацией дырок в
«-области.
Под действием градиента концентрации в моно-
кристалле возникает диффузия основных носителей
электрических зарядов. Электроны из «-области диф-
фундируют в p-область, а дырки из р-области — в
«-область. В результате диффузии основных носите-
лей у границы раздела р- и «-областей остаются
нескомпенсированными ионизированные атомы ак-
цепторной и донорной примесей.
Следовательно, в окрестности р-«-перехода благо-
даря диффузии дырок и электронов создаются об-
ласти с избыточной концентрацией неподвижных
отрицательных зарядов со стороны p-области и
избыточных положительных неподвижных зарядов со
стороны «-области.
Между этими областями возникает электриче-
ское поле, которое называют внутренним диффузи-
онным полем E3zn р-и-перехода, а также устанав-
ливается контактная разность потенциалов, кото-
рая зависит от материала полупроводника, вида
примеси и степени ее концентрации. Она не пре-
вышает 1 В.
Под действием силы внутреннего электрическо-
го поля из пограничной области вытесняются элек-
троны и дырки. В результате области, прилегаю-
щие к границе раздела, окажутся обедненными
основными носителями электрических зарядов. Таким
образом в приконтактной области образуется весьма
тонкий слой, почти лишенный подвижных электри-
36
ческих зарядов и обладающий большим омическим
сопротивлением, называемый запирающим слоем.
Внутреннее поле E3ZTl для основных носителей
электрических зарядов р- и «-областей является
тормозящим, а для неосновных — ускоряющим.
Неосновные носители р- и «-областей свободно
проходят через внутреннее поле р-и-перехода, так как
оно для них является ускоряющим, и создают ток
дрейфа — ток проводимости. Основные носители,
преодолевая тормозящее действие внутреннего поля,
создает диффузионный ток, направление которого
обратно направлению тока дрейфа. В силу динами-
ческого равновесия при отсутствии внешнего поля,
указанные токи равны, поэтому суммарный ток через
р-и-переход будет равен нулю. Такое состояние
р-и-перехода называется равновесным.
Равновесное состояние р-и-перехода нарушается,
если к переходу приложить внешнее напряжение,
которое в зависимости от значения и полярности
подключения изменяет высоту потенциального барь-
ера, ширину запирающего слоя и соотношение между
диффузионным током и током дрейфа р-и-перехода.
Если к р-и-переходу приложить внешнее прямое
напряжение, как показано на рис. 2.5, т. е. подсоеди-
нив положительный полюс к p-области, а отрица-
тельный к «-области, то при этом электрическое поле
внешнего источника Еш не совпадает с направлением
поля £зап р-л-перехода. Это приведет к уменьшению
напряженности электрического поля перехода, что
вызовет уменьшение ширины запирающего слоя и
высоты потенциального барьера. Уменьшение высоты
потенциального барьера приведет к росту диффузи-
онных токов основных носителей, а токи дрейфа
несколько уменьшатся, в результате через р-и-переход
будет протекать результирующий ток, называемый
прямым током. Прямой ток /пр протекает в направ-
37
лении от р- к «-области через запорный слой
р-п-перехода.
Рассмотрим теперь случай, когда к р-и-переходу
приложено напряжение противоположной полярнос-
ти— обратное включение (рис. 2.6). В этом случае
внешнее напряжение увеличивает напряженность
внутреннего поля р-п-перехода, а также ширину
запорного слоя и высоту потенциального барьера.
При этом токи диффузии практически уменьшаются
до нуля, поскольку диффузия основных носителей
затруднена ростом потенциального барьера. Токи
неосновных носителей — токи дрейфа сохраняют
почти прежние значения, как и при равновесном
состоянии р-н-перехода. В результате через этот
переход протекает ток дрейфа неосновных носителей
р- и «-областей. В отличие от прямого тока этот ток
протекает в направлении от п- к p-области через
р-п-переход и называется обратным током — /о6р.
Обратный ток пропорционален концентрации
неосновных носителей и во много раз меньше, чем
прямой ток. С ростом температуры и освещенности
обратный ток увеличивается. Величина обратного
тока зависит от обратного напряжения. Поскольку
обратный ток значительно меньше прямого (при-
мерно на шесть порядков), можно считать, что
полупроводник, обладающий электронно-дырочным
переходом, обладает вентильным свойством, т. е.
односторонней проводимостью электрического тока.
Это дает возможность использовать электронно-
дырочный йереход для выпрямления переменного
тока.
На рис. 2.7 приведена вольт-амперная характе-
ристика электронно-дырочного перехода, из которой
видно свойство односторонней проводимости р-и-пе-
рехода. При работе приборов
с электронно-дырочным пере-
ходом наблюдается его разо-
грев.
Приборы, построенные на
кремниевой основе, имеют ма-
ксимально допустимую темпе-
ратуру нагрева около 200° С, а
на германиевой — не превыша-
ет 100° С. Максимальная тем-
пература, которую может вы-
38
держать прибор, определяет максимально допус-
тимую мощность рассеяния прибора. Максимально
допустимая мощность рассеяния ограничивает ток и
напряжение в приборе, а следовательно, выходную
мощность. При работе в электронно-дырочным пе-
реходе может наблюдаться его пробой, который
сопровождается ростом обратного тока р-и-перехода.
Пробой наступает при обратном напряжении, равном
напряжению пробоя, величина которого зависит от
материала и конструкции прибора. Сущность пробоя
заключается в том, что при увеличении обратного
напряжения растет напряженность внутреннего поля
р-и-перехода. Увеличение напряженности электричес-
кого поля приводит к увеличению скорости подвиж-
ных носителей, создающих обратный ток. При
достаточной скорости благодаря разрыву ковалент-
ных связей образуются добавочные электроны и
дырки. Новые электрические заряды увеличивают
обратный ток и могут в свою очередь при соуда-
рениях создавать новые электроны и дырки. Этот
процесс, называемый лавинным размножением, при-
водит к очень быстрому нарастанию обратного тока
(рис. 2.7). Лавинный пробой является обратимым, ес-
ли он не переходит в тепловой. Наличие объемных
зарядов и электрического поля в обедненном слое
придает р-и-переходу свойства электрической емкости.
Эта емкость называется барьерной емкостью р-и-пере-
хода. Барьерная емкость зависит от площади р-и-пе-
рехода и напряжения, подводимого к р-и-переходу:
Сб — ErS/4nd,
где ег—относительная диэлектрическая проницае-
мость полупроводника; S'—площадь р-и-перехода;
d—ширина запорного слоя.
Наряду с барьерной емкостью р-и-переход облада-
ет диффузионной емкостью, которая существует при
прямом включении р-и-перехода. Барьерную емкость
используют в варикапах. В других полупроводнико-
вых приборах она оказывает вредное влияние.
§ 2.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды
Выпрямительные диоды. Выпрямительными, или
силовыми, диодами называются электронные приборы,
основным назначением которых является выпрямле-
39
ние переменного тока. Условное обозначе-
—1^1— ние выпрямительных диодов приведено на
рис. 2.8.
Рис 2 8 К выпрямительным диодам относятся
плоскостные двухэлектродные полупровод-
никовые приборы, выполненные на кремниевой или
германиевой основе, а также селеновые и медно-за-
кисные приборы.
Работа выпрямительных диодов основана на ис-
пользовании выпрямительных (вентильных) свойств
электронно-дырочного перехода. Свойства выпрями-
тельных диодов характеризуются вольт-амперными
характеристиками и параметрами. На рис. 2.9 пред-
ставлены вольт-амперные характеристики кремние-
вого и германиевого диодов.
Каждая вольт-амперная характеристика показы-
вает возможность применения диода. В зависимости
от площади р-и-перехода и эффективности отвода
теплоты выпрямительные диоды подразделяются на
диоды малой мощности, рассчитанные для получения
выпрямленного тока не более О,ЗА, средней с токами
от 0,3 до 10А и большой, у которых выпрямленный
ток превышает 10А.
Поскольку выпрямительные диоды обладают
сравнительно большой емкостью — порядка несколь-
ких десятков пикофарад, а также большим вре-
менем восстановления обратного сопротивления, их
практическое применение ограничивается диапазо-
ном частот (максимальная частота не превыша-
ет 100 кГц).
Рассмотрим технологию изготовления, конструк-
Рис. 2.10
40
тивные особенности и электрические свойства вы-
прямительных диодов.
В качестве исходного материала при производстве
германиевых и кремниевых выпрямительных диодов
используют соответственно германий и кремний с
электронной (n-типа) электропроводностью, посколь-
ку подвижность электронов, как основных носителей
заряда, в 2—2,5 раза больше подвижности дырок.
В плоскостных выпрямительных диодах электрон-
но-дырочные переходы изготавливают методом
сплавления или диффузии.
В германиевых диодах получение р-п-перехода
достигается вплавлением индия в исходный кристалл.
В кремниевых диодах для этой цели вплавляют
алюминий или бор. В процессе сплавления атомы
расплавленного индия (алюминия или бора) диф-
фундируют в исходный кристалл, образуя в нем
электронно-дырочный переход. При диффузионном
методе необходимые акцепторные примеси в исход-
ный кристалл вводят диффузией из газовой среды.
Диффузионный метод позволяет точно контроли-
ровать расположение р-и-перехода в кристалле и
концентрацию акцепторной примеси. Концентрация
примеси при диффузионном методе почти экспонен-
циально уменьшается от поверхности кристалла в его
глубь, при этом образуется плавный р-и-переход.
Исходный материал кристалла образует базовую
область диода (катод), а акцепторная примесь (индий,
алюминий, бор)—эмиттерную область (анод). От
базовой и эмиттерной областей исходят внешние
выводы.
Базовую область припаивают к кристаллодержа-
телю. Для лучшего теплоотвода в диодах средней и
большой мощности применяют радиаторы. В диодах
с током более 10А применяют принудительное
воздушное или водяное охлаждение.
Конструкция плоскостных диодов малой мощ-
ности представлена на рис. 2.10. Плоскостные диоды
выполняют в виде пластинки 7 с электронной
проводимостью, укрепленной на металлическом
держателе 8, представляющем собой нижний контакт
р-п-перехода.
В пластинке 7 из германия или кремния создается
плоский по форме электронно-дырочный переход 9.
В германиевых диодах для получения электронно-
41
дырочного перехода 9 в пластинку из германия с
электронной проводимостью добавляют каплю рас-
плавленного индия, а затем нагревают. При нагрева-
нии плавящийся индий диффундирует в основной
полупроводник, образуя в нем слой 10 с дырочной
проводимостью.
Верхний контакт представляет массивную деталь
6, способную пропускать значительные токи большо-
го по площади перехода. Германиевая пластинка 7 с
р-и-переходом помещается в металлический корпус 5,
герметизированный сверху стеклянным изолятором 4
с трубкой 3, в которой помещены внутренний 2 и
наружный 1 выводы. В плоскостных кремниевых
диодах в пластинку из кремния с электронной
проводимостью вместо индия вплавляют алюминие-
вый столбик, который создает область с дырочной
проводимостью.
Кремниевые и германиевые плоскостные выпря-
мительные диоды характеризуют следующими пара-
метрами.
Прямой ток /пр-—ток, протекающий через диод
при прямом напряжении, обычно равном 1В. Прямой
ток, как было сказано выше, определяется мощ-
ностью, на которую должен быть рассчитан диод.
Прямое падение напряжения С7пр—падение на-
пряжения на диоде. Прямое напряжение у кремние-
вых диодов больше, чем у германиевых.
Максимальный обратный ток /ОбРтах — ток неос-
новных носителей, протекающий через диод при
обратном напряжении, обычно близком к напряже-
нию электрического пробоя. Обратный ток составля-
ет сотые доли процента от прямого тока, у кремние-
вых диодов он меньше, чем у германиевых.
Максимальное обратное напряжение 7ОбРтах — па-
дение напряжения на диоде при оговариваемой
(достаточно большой) величине обратного тока, при
которой не нарушается нормальная работа диода.
Предельным обратным напряжением является на-
пряжение, при котором происходит электрический
пробой р-и-перехода. Кремниевые диоды обладают
большим обратным напряжением, чем германиевые,
поэтому они устойчиво работают в предпробойной
области. Кремниевые диоды могут иметь максималь-
ные обратные напряжения порядка 1000—1500 В, а
германиевые 100—400 В.
42
Прямое сопротивление
диода гпр — сопротивление
диода постоянному току. Пря-
мое сопротивление опреде-
ляется сопротивлением р-п-
перехода при прямом его
включении и составляет еди-
ницы Ом
ГпР=НПр/7пр. (2.1)
Обратное сопротивление
диода Гобр — сопротивление
р-н-перехода при обратном
его включении:
(2.2)
диодов
диодов
Г обр — Побр/Лзбр-
Обратное сопротивление выпрямительных
исчисляется сотнями килоом. У кремниевых
оно больше, чем у германиевых.
Допустимая рабочая температура — максимальная
температура, допускающая продолжительную работу
диода. Интервал допустимых температур у герма-
ниевых диодов лежит в пределах от —60 до +70° С,
а у кремниевых от —60 до +150° С.
Немаловажным параметром выпрямительных дио-
дов является собственная их емкость. Собственная
емкость диода определяется суммой барьерной и
конструктивной емкостей. Она шунтирует р-и-переход
диода и тем самым сокращает диапазон его рабочих
частот.
При разработке выпрямительных схем может
возникнуть необходимость соединять диоды после-
довательно (рис. 2.11, а).
Однотипные диоды обладают значительным раз-
бросом обратных сопротивлений и пробивных на-
пряжений.
Диод, имеющий наибольшее обратное сопро-
тивление, может оказаться под напряжением, пре-
восходящим максимально допустимое, и пробьется.
Выход из строя одного из диодов приведет к
выходу остальных. Для выравнивания напряжений
на диодах каждый из них шунтируется резисто-
ром.
Величина шунтирующих резисторов 7?ш (порядка
100 кОм) должна быть меньше обратного сопротив-
ления диодов.
43
—13—S3—-°2
го-43—13—13—°з
z>o-£|—£|—й—о«
£'о-Й---Й--Й—05
Рис. 2.12
Параллельное соединение диодов применяют,
когда нужно получить прямой ток, больший пре-
дельного тока одного диода (рис. 2.11,6).
При параллельном включении даже небольшое
отклонение прямого сопротивления диода может
вызвать недопустимое распределение прямого тока в
диодах. Для выравнивания токов в схеме с парал-
лельно включенными диодами последовательно каж-
дому диоду включают уравнивающий резистор Ло
(порядка 3—5 Ом).
Очевидно, чем больше сопротивление уравни-
вающего резистора, тем меньше различие в токах,
протекающих через каждый из диодов. Применение
этих сопротивлений снижает коэффициент полезного
действия выпрямителя. Промышленностью выпус-
каются германиевые и кремниевые выпрямительные
столбы на разные токи и напряжения. Эти выпрями-
тельные столбы включают в себя от 5 до 50
тщательно подобранных однотипных диодов. Для
удобства схемных соединений диоды включаются в
отдельные ветви (рис. 2.12). Выпрямительные столбы
помещают в металлические или пластмассовые кор-
пуса, залитые эпоксидной смолой. Группы идентич-
ных диодов часто выпускают в виде диодных матриц
и сборок.
В диодных матрицах диоды присоединены к
одному общему выводу, что облегчает их использо-
вание в логических устройствах и • дешифраторах, в
диодных сборках применяются параллельное, после-
довательное, мостовое и другие соединения.
Обозначение (маркировка) выпрямительных дио-
дов состоит из четырех элементов.
Первый элемент (буква или цифра) Г или 1—гер-
маний, К или 2 — кремний указывает на материал, из
которого изготовлен диод.
44
Второй элемент (буква)
Д указывает тип прибора.
Третий элемент (число)
указывает свойства диода
(значение прямого тока) от
101 до 199 при токе до
0,3 А; от 201 до 299 при
токе от 0,3 до 10 А, от
301 до 399 при токе бо-
лее 10 А.
Четвертый элемент—бук-
ва—разновидность диода.
Например: КД204Б крем-
ниевый диод средней мощности.
Стабилитроны и стабисторы. Стабилитронами на-
зываются плоскостные кремниевые диоды, у которых
в обратной ветви их вольт-амперной характеристики
(рис. 2.13,6) имеется участок с большой крутизной, в
пределах этого участка напряжение незначительно
изменяет свою величину при изменении протекаю-
щего тока.
Работа стабилитрона в пределах данного участка
вольт-амперной характеристики, называемого рабо-
чим участком позволяет использовать его не только в
стабилизаторах напряжения, но также и в различных
электронных схемах, как, например в схемах ампли-
тудного ограничения и для создания опорных (эта-
лонных) напряжений.
Условное обозначение стабилитрона приведено на
рис. 2.13, а.
Рабочий участок вольт-амперной характеристики
стабилитрона обусловливается пробоем его р-и-пере-
хода. Механизм пробоя в стабилитронах в зависи-
мости от их назначения может быть туннельным,
лавинным или смешанным. У стабилитронов с
рабочим напряжением до 3—4 В происходит тун-
нельный пробой, а с рабочим напряжением бо-
лее 7 В возникает лавинный пробой. В области
от 3 до 7 В пробой обусловливается совмест-
ным воздействием туннельного и лавинного меха-
низмов.
Для получения лавинного пробоя ширина р-и-пе-
рехода должна быть больше длины свободного
пробега неосновных носителей заряда. Это условие
выполняется в диодах, выполненных на кремниевой
45
основе, поскольку подвижность носителей в кремнии
меньше, чем в германии.
Напряжение, при котором происходит лавин-
ный пробой, зависит от удельного сопротивле-
ния кремния. С ростом удельного сопротивления
напряжение лавинного пробоя увеличивается. Под-
бором удельного сопротивления можно создать ста-
билитроны на нужную величину напряжения ста-
билизации.
Выбор кремния для производства стабилитронов
обусловлен тем, что у него в отличие от германия
малый обратный ток в предпробной области, кроме
того, вольт-амперная характеристика имеет резкий
излом в области пробоя. Кремниевые диоды вы-
держивают большие обратные напряжения, чем гер-
маниевые.
Основными параметрами стабилитрона являются:
1. Напряжение стабилизации С7ст—падение на-
пряжения на стабилитроне при протекании задан-
ного тока стабилизации — определяется значением
номинального тока стабилизации. Поскольку ра-
бочий участок вольт-амперной характеристики име-
ет некоторый наклон, напряжение стабилизации от-
личается от напряжения, при котором происхо-
дит пробой р-и-перехода. Поэтому напряжение ста-
билизации определяется значением номинального то-
ка стабилизации 1СТ (точка А на рис. 2.13,6).
2. Номинальный ток стабилизации /ст—значение
тока, протекающего через стабилитрон, определяю-
щее напряжение стабилизации.
3. Минимально допустимый ток стабилизации
/cTmin — ток, при котором обеспечивается надежное
возникновение пробоя р-и-перехода. Минимально
допустимый ток колеблется в пределах 1—3 мА.
4. Максимально допустимый ток стабилизации
Дт max—ток, при котором мощность рассеяния на
стабилитроне не превышает максимально допусти-
мую мощность стабилитрона. Максимально допус-
тимый ток в зависим ости от типа стабилитрона
лежит в пределах от 20 мА до 1,5 А.
5. Дифференциальное, или динамическое, со-
противление /-„ — величина, определяемая отноше-
нием приращения напряжения стабилизации на ста-
билитроне к вызвавшему его малому прираще-
нию тока:
46
гст = Лист/Л1ст.
Динамическое сопро-
тивление определяет на-
клон вольт-амперной ха-
рактеристики стабилитро-
на. Величина колеблется
от единицы до десятков Рис 2 14
омов.
6. Температурный коэффициент напряжения ста-
билизации—величина, определяемая отношением от-
носительного изменения напряжения стабилизации к
абсолютному изменению температуры окружающей
среды при постоянном токе стабилизации напря-
жения.
Температурный коэффициент напряжения стаби-
лизации выражается в %/град и определяется зави-
симостью
ТКГ=-^-100. (2.3)
^^^СС
Температурный коэффициент напряжения стаби-
лизации при туннельном пробое отрицательный. Это
объясняется тем, что напряжение туннельного пробоя
определяется шириной запрещенной зоны полупро-
водника. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем
меньше напряжение туннельного пробоя. С ростом
температуры ширина зоны уменьшается, а следова-
тельно, уменьшается напряжение пробоя.
При лавинном пробое температурный коэффи-
циент напряжения стабилизации положительный, так
как с повышением температуры уменьшается длина
свободного пробега носителей и напряжение пробоя
увеличивается.
Температурный коэффициент напряжения стаби-
лизации колеблется в пределах 0,05—0,15 %/град.
Для снижения ТКС7 создают температурно-компенса-
ционные стабилитроны, в которых последовательно с
р-и-переходом стабилитрона подключают один или
несколько р-и-переходов с противоположным по
знаку ТКСЛ
Таким путем удается получить стабилитроны с
TKU, не превышающими 0,001 %/град.
7. Максимально допустимая рассеиваемая мощ-
ность стабилитрона Рстгаах—это мощность, при ко-
47
Рис. 2.15
торой обеспечивается заданная надежность работы
стабилитрона. Максимально допустимая мощность
стабилитронов, выпускаемых промышленностью,
колеблется от 250 мВт до 50 Вт.
На рис. 2.14 представлена простейшая схема
стабилизации напряжения постоянного тока. Такая
схема осуществляет стабилизацию напряжения как
при изменении входного напряжения, так и при
изменении сопротивления нагрузки.
Например, если входное напряжение возрастет, то
увеличивается и ток стабилитрона, а отсюда возрас-
тет ток 10 и падение напряжения на ограничительном
сопротивлении 7?огр. Приращения напряжений ДС7ВХ и
Д/07?огр взаимно компенсируются, a Um сохраняется
на заданном уровне.
Величину ограничительного резистора можно вы-
числить по формуле
(2-4)
1 ст 4“ 1н
На рис. 2.15 приведена и объяснена работа схемы
стабилизации напряжения переменного тока.
За время положительных полупериодов входного
напряжения стабилитрон VD1 открыт, а стабилитрон
VD2 выходное напряжение ограничивает по ампли-
туде на уровне напряжения стабилизации. За время
отрицательных полупериодов входного напряжения
выходное напряжение будет ограничено по амплитуде
на уровне напряжения стабилизации стабилитрона
VD1. Таким образом, выходное напряжение прини-
мает вид переменного напряжения трапецеидальной
формы, амплитуда которого определяется напряже-
нием стабилизации применяемых стабилитронов и не
зависит от амплитуды входного напряжения. Ста-
48
билизацию постоянного напряжения можно также
получить с помощью диода, включенного в прямом
направлении. Кремниевые диоды, предназначенные
для этой цели, называют стабисторами. Для изго-
товления стабисторов применяют кремний с большей
концентрацией примесей. В отличие от стабилитронов
стабисторы имеют малое напряжение стабилизации
(около 0,7 В). Для расширения диапазона напряжения
стабилизации используют последовательное соеди-
нение в одном корпусе нескольких стабисторов.
Параметры стабисторов аналогичны стабилитронам,
а их максимальный ток, мощность и тепловые
характеристики те же, что и у выпрямительных
диодов.
Маркировка кремниевых стабилитронов состоит
из четырех элементов.
Первый элемент — буква К или цифра 2.
Второй элемент — буква С.
Третий элемент — число, указывает назначение и
электрические свойства стабилитрона.
Для стабилитронов малой мощности Тстгаах =
= 0,3 Вт для напряжений стабилизации 0,1—9,9 В,
10—99 В и 100—199 В ставят числа соответственно
101 —199, 210—299 и 300—399. Для стабилитронов
средней мощности (0,3 Вт<Рстгаах<5 Вт) на то же
напряжение ставят числа соответственно 401-—499,
510—599 и 600—699. Для стабилитронов большой
мощности (Реттах >5 Вт) на те же напряжения ставят
числа соответственно 701—799, 810—899 и 900—999.
Четвертый элемент обозначения — буква, указы-
вающая на разновидность стабилитрона.
Универсальные диоды. Универсальными диодами
называют кремниевые или германиевые диоды с
точечным или микросплавным электронно-дырочным
переходом.
Точечные и- микросплавные диоды изготавли-
ваются на кремниевой или германиевой основе с
электронной проводимостью и-типа. Проводимость
и-типа способствует процессу формовки.
Кремний и германий выполняют функции базовой
области этих диодов. Функции эмиттера выполняет
область полупроводника с проводимостью /?-типа,
получаемая в результате формовки (вплавления)
акцепт орной примеси (индия или алюминия) в одну
из поверхностей основного кристалла диода.
49
Физическая сущность электрической формовки
заключается в том, что при пропускании через диод
кратковременных мощных импульсов тока в прямом
или обратном направлении происходит сплавление
кончика металлического электрода (иглы) с основным
полупроводником. При этом благодаря диффузии
атомов электрода в глубине поверхности полупро-
водника, прилегающей к игле, создается слой с
проводимостью p-типа, поскольку диффузионные
атомы индия или алюминия являются акцептором.
Таким образом на границе основного полупроводни-
ка и созданной в процессе формовки области р-типа
образуется резкий электронно-дырочный переход не-
большой площади в виде полусферы.
Точечные диоды изготавливаются в виде плас-
тинки из полупроводника с электронной проводи-
мостью, которую покрывают снизу тонким слоем
металла и припаивают к металлическому основанию.
В пластинку упирается контактная пружина из вольф-
рамовой проволоки, заостренный конец которой
покрыт слоем индия или алюминия. Этот слой
является акцепторной примесью и обеспечивает соз-
дание около заостренного конца полупроводника
области с дырочной проводимостью. Между р- и
«-полупроводниками образуется электронно-дыроч-
ный переход. Диод помещается в стеклянный или
металлический корпус, на концах которого установ-
лены трубки с выводами.
Корпус защищает полупроводниковый элемент от
механических повреждений, влажности и обеспечивает
нормальную работу диода в условиях вибрации,
тряски и ударов.
Микросплавный переход отличается от точечной
большей площадью (в 2—3 раза), но значительно
меньшей, чем в плоскостных выпрямительных дио-
дах. Небольшая площадь р-п-перехода этих диодов
определяет их параметры и области практического
применения. Малая площадь перехода обусловливает
малую, не превышающую 1 пФ, емкость перехода.
Столь малая емкость значительно расширяет диапа-
зон рабочих частот, а следовательно, и области
практического их применения, что и определяет их
наименование—универсальные. Максимально до-
пустимая частота точечных и микросплавных диодов
достигает нескольких сотен МГц.
50
Небольшая площадь перехода значительно огра-
ничивает величину прямого тока и допустимую мощ-
ность рассеяния точечных и микросплавных диодов.
Допустимый прямой ток не превышает 10—
20 мА, а допустимая мощность рассеяния —10 мВт.
Следует отметить, что даже кратковременное увели-
чение прямого тока выше допустимой величины
приводит к переформировке диода.
Универсальные диоды могут работать в выпря-
мителях широкого диапазона частот, а также в
детекторах и других нелинейных преобразователях
электрических сигналов.
Маркировка универсальных диодов такая же, как
и у выпрямительных диодов, за исключением третье-
го элемента, который обозначается числами от 401 до
499 в зависимости от их вида.
§ 2.4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Транзисторами называются активные полупро-
водниковые приборы, применяемые для усиления и
генерирования электрических колебаний. Транзисторы
подразделяются на биполярные и полевые (унипо-
лярные).
Биполярный транзистор представляет собой мо-
токристалл кремния или германия, в котором созда-
ть! три области с чередующимися типами проводи-
мости (р-п-р или п-р-п). Средняя область имеет
проводимость противоположную крайним областям.
Среднюю область называют базой, а крайние —
шиттером и коллектором. Между эмиттером и
эазой создается электронно-дырочный переход, на-
(ываемый эмиттерным. Переход между коллектором
I базой называют коллекторным переходом.
Проводимость базовой области может быть как
шектронной, так и дырочной, соответственно этому
'ранзисторы бывают р-п-р и п-р-я-типа.
Принцип работы транзисторов обоих типов оди-
[аков. Различие между ними заключается в том, что
। транзисторе р-п-р ток создается дырками, а в
ранзисторе п-р-п электронами.
На рис. 2.16 изображена структура и условное
•бозначение транзисторов р-п-р- и п-р-и-типа.
К каждой из областей припаяны выводы, с
юмощью которых транзистор включается в схему.
51
Рис 2.16
На рис. 2.17 показана конструкция плоскостного
транзистора р-и-р-типа, изготовленного сплавным
способом.
На пластинку 3 германия с электронной прово-
димостью, которая является базой транзистора, с
обеих сторон наплавлен индий, благодаря чему на
противоположных сторонах базы создаются области
с дырочной проводимостью. Одна из полученных
областей выполняет функцию эмиттера, вторая —
коллектора. При этом со стороны эмиттера действует
электронно-дырочный переход, называемый эмиттер-
ным, а со стороны коллектора—коллекторный.
Монокристалл 3 помещают в кристалл о держатель 4,
который припаивают к дну герметизированного кор-
пуса 1. Вывод базы крепится к корпусу, а внутрен-
Рис. 2.17
52
ние выводы эмиттера 2 и
коллектора 5 через изо-
лятор 7 соединяются с
наружными выводами 6.
Транзистор n-p-и-типа име-
ет аналогичную конструк-
Рис. 2.18
цию.
Физические процессы в
биполярном транзисторе. Принцип действия биполяр-
ного транзистора основан на использовании физичес-
ких процессов, происходящих при переносе основных
носителей электрических зарядов из эмиттерной об-
ласти в коллекторную через базу.
При использовании транзистора в режиме уси-
ления эмиттерный переход смешен в прямом на-
правлении, а коллекторный — в обратном (рис. 2.18).
Назначением эмиттерного перехода является
инжекция (впрыскивание) основных носителей эмит-
тера в базовую область.
Инжекция эмиттерного перехода оценивается
коэффициентом инжекции у, который равен отно-
шению эмиттерного тока, обусловленного носителя-
ми эмиттера 7э, к общему току эмиттера 7Э, создан-
ного как основными носителями эмиттерной области,
так и основными носителями базовой области Д':
у=Гэ//э=/'э/(/;+4
Для повышения эффективности эмиттера и
уменьшения составляющей базового тока Г'э область
эмиттера делают с большей концентрацией основных
носителей, чем в области базы.
Инжектируемые эмиттером основные носители в
базовой области являются неосновными. При прямом
смещении эмиттерного перехода количество неос-
новных носителей в базе вблизи него значительно
возрастает. В результате в базовой области создается
диффузионный поток неосновных носителей в на-
правлении от эмиттерного перехода, где они в
избытке, к коллекторному переходу, где их меньше.
Неосновные носители базы под действием ускоряю-
щего поля втягиваются в область коллектора, что
приводит к созданию в его цепи управляемого
коллекторного тока /ку.
Необходимо отметить, что не все инжектирован-
ные в базу носители участвуют в создании коллек-
53
торного тока, так как небольшое их количество
успевает рекомбинировать с основными носителями
базы, создавая в базовой цепи небольшой ток
рекомбинации /р, который является одной из сос-
тавляющих базового тока. /Для уменьшения тока
рекомбинации ширину базовой области делают ма-
лой. Переход неосновных носителей через базу в
коллектор характеризуется коэффициентом переноса
носителей 8. |
Коэффициент переноса показывает, какая часть
инжектированных эмиттером носителей достигает
коллекторного перехода. Данный коэффициент можно
определить как отношение управляемого коллектор-
ного тока 1ку к току эмиттера, созданного его
основными носителями Гэ:
Ь = 1ку/Гэ.
Важным параметром транзистора является коэф-
фициент передачи тока эмиттера, который равен
отношению приращения тока коллектора к прира-
щению тока эмиттера при неизменном напряжении на
коллекторном переходе:
а = Д4/Д4- (2.5)
Данный коэффициент мало отличается от единицы
(ос = 0,95 = 0,99). Кроме коллекторного тока, создан-
ного инжекцией, в коллекторной цепи протекает
небольшой по величине обратный ток коллекторного
перехода /к6о. Этот ток обусловлен неосновными
носителями коллектора и базы. При изменении
окружающей температуры обратный ток нарушает
стабильность работы транзистора, так как общий
коллекторный ток равен сумме Д =/ку + Дбо. При
повышенной температуре Дбо вызывает дополни-
тельный разогрев коллекторного перехода.
При малых значениях обратного тока коллектор-
ный ток равен
4=«4- (2-6)
Кроме эмиттерного и коллекторного токов в
транзисторе имеется базовый ток, в который входят
три составляющих: ток рекомбинации; ток, обуслов-
ленный диффузией основных носителей базы через
эмиттерный переход 7Д, и обратный коллекторный
ток, который имеет противоположное направление
54
a)
Рис. 2.19
относительно двух других составляющих базового
тока:
/б = 4 + /д-4бо. (2.7)
Базовый ток стремятся сделать как можно малым,
так как 4 = 1Э — 7б. Это достигается уменьшением шири-
ны базовой области и концентрации в ней примеси.
Поскольку коллекторный ток является частью
эмиттерного, а эмиттерный ток можно изменять,
регулирует потенциал базы, следовательно, транзис-
тор представляет собой прибор, пригодный для
усиления и генерирования электрических колебаний.
Схемы включения транзисторов. В зависимости от
того, какой из электродов транзистора является
общим для его входной и выходной цепи, различают
три схемы его включения (рис. 2.19).
Рассмотрим особенности каждой схемы. На
рис. 2.19,о представлена схема с общей базой. В дан-
ной схеме входным током является ток эмиттера
4хб = 4» а выходным — ток коллектора 4ыхб = 4=а4-
Напряжение между эмиттером и базой является
входным С/вх6 = иэб, а напряжение между коллектором
и базой — выходным UBba6 = С/к6 = UH. Входным со-
противлением является сопротивление между эмит-
тером и базой Лвхб = Пвх6/4хб- Поскольку эмиттерный
переход находится в открытом состоянии, входное
сопротивление схемы с общей базой мало (едини-
цы-—десятки омов).
Рассмотрим усилительные свойства данной схемы.
Коэффициент передачи тока (коэффициент усиле-
ния тока)
Ki6=4Ыхб/4хб=4/4=«4/4=« < 1. (2.8)
Следовательно, схема с общей базой не обладает
усилением по току. Коэффициент усиления напряжения
55
If Сыхб
Либ =-----=------=-----= и — •
^ВХб Д^эб Л^эб Лэб
(2-9)
Поскольку отношение RJR^ значительно больше
входного сопротивления, схема с общей базой спо-
собна усиливать входное напряжение.
Коэффициент усиления мощности определим как
отношение мощностей
If __^*выхб________ 2 /О 1ЛХ
Лрб —р-------7Tj---а r~- 'д1и'
гвхб 2эиВ1 Лвхб
Из полученного выражения также следует, что
схема с общей базой обладает некоторым усилением
по мощности, так как RJRm6> а2. Отсутствие усиле-
ния тока, малый коэффициент усиления по мощности,
а также небольшое входное сопротивление ограни-
чивают применение данной схемы. Малое входное
сопротивление не позволяет осуществлять каскадное
включение, так как малое входное сопротивление
последующего каскада оказывает шунтирующее
действие на выход предыдущего каскада, в результате
чего резко снижается усиление всего усилителя.
На рис. 2.19,6 представлена схема с общим эмит-
тером. В данной схеме входным током является
баЗОВЫЙ ТОК 4хэ = ^6 = 4(1— а)> а выходным током —
коллекторный 7BbIXJ = а/э.
Входное сопротивление примерно на два порядка
больше, чем в схеме с общей базой, так как
ц _______ б^вхэ___ ^бэ
^вхб
(2.11)
Увеличение входного сопротивления позволяет
собирать многокаскадные усилители, у которых
каждый каскад собран по схеме с общим эмиттером.
Схема с общим эмиттером обладает усилением
тока
Х- = Т^ = 77ТТУ = А = ₽>1- (2-12)
Схэ (1 1
Коэффициент усиления напряжения в схеме с
общим эмиттером такой же, как и в схеме с общей
базой:
“Э £4x6 4(1-а)^.хб Лхб’
(2-13)
56
Однако схема с общим эмиттером кроме усиления
зменяет фазу выходного напряжения на 180°.
Поскольку схема с общим эмиттером обладает
силением по току и по напряжению, она имеет
аибольший коэффициент усиления мощности:
Крэ = К1эКиэ = -^-а^^. (2.14)
1-а 7?вх6 1~а
Данная схема имеет широкое практическое при-
[енение. Схема с общим коллектором представлена
а рис. 2.19, в.
В этой схеме входным током является, как и в
кеме с общим эмиттером, базовый ток
Дхк Д Za (I ®)‘
Выходным током служит ток эмиттера /ВЬ1ХК = /Э.
!хема с общим коллектором обладает наибольшим
силением по току:
Входное сопротивление схемы с общим коллекто-
ом значительно превышает входное сопротивление
ассмотренных выше схем:
R ^вх-к ^бх ^эк + Сб. + ^вхб |
4(1-а) - 1-а 1 ?
Схема с общим коллектором не обладает усиле-
ием напряжения, так как
К _^выхх_ 7Э7?Н _ 7,74(1—а) _ 74
"К ~~ ~4(1-«)Рн+*вхб) “ Ян + Явхб ‘
(2.17)
Поскольку RH» Rbx5, можно считать, что Кик х 1.
Схему с общим коллектором часто называют
ииттерным повторителем, так как нагрузка вклю-
гна в цепь эмиттера. Коэффициент усиления напря-
:ения равен примерно единице и выходное напряже-
ие совпадает по фазе с входным.
Эмиттерный повторитель широко используют как
аскад согласования сопротивлений между отдель-
ыми каскадами или между выходом усилителя и его
агрузкой. Коэффициент усиления мощности в схеме
57
с общим эмиттером примерно равен коэффициенту
усиления тока:
(2.18)
Из сказанного следует, что любая из схем
включения обладает усилением мощности. Это
подтверждает то, что транзистор является активным
(усилительным) прибором.
Статические вольт-амперные характеристики тран-
зистора. Вольт-амперные характеристики представля-
ют собой графики зависимости токов от напряжений,
действующих в цепях транзистора. Различают вход-
ные и выходные характеристики транзисторов.
Входные характеристики показывают зависимость
входного тока от входного напряжения при неизмен-
ном напряжении на коллекторе.
Выходные характеристики характеризуют зави-
симость выходного тока от напряжения на коллек-
торе при неизменной величине входного тока или
напряжения. В соответствии с тремя схемами вклю-
чения транзистора различают характеристики для
схемы с общей базой, с общим эмиттером и с общим
коллектором.
Следует отметить, что на практике для схемы с
общим коллектором применяют характеристики,
снятые для схемы с общим эмиттером, поскольку в
этих схемах входным током является ток базы, а ток
эмиттера по величине мало отличается от коллек-
торного тока.
Рассмотрим характеристики для схемы с общей
базой.
Входная характеристика определяется зависи-
мостью тока эмиттера от напряжения между эмит-
тером и базой при постоянном напряжении между
коллектором и базой (рис. 2.20, о):
/э=/(^эб) при С4б = const.
Вольт-амперная характеристика при £7кб — 0 ана-
логична характеристике полупроводникового диода
при прямом его включении. Эмиттерный ток экспо-
ненциально возрастает с увеличением напряжения
между эмиттером и базой. В области больших
прямых токов входные характеристики близки к
линейным.
58
Рис. 2.20
Характеристики, снятые при разных значениях 1/к6,
смещены незначительно друг от друга. Влияние
коллекторного напряжения на смещение характерис-
тик объясняется слабым воздействием поля коллек-
торного перехода на область эмиттерного перехода.
Увеличение коллекторного напряжения и повышение
температуры смещает характеристики в направлении
оси тока.
Входная характеристика при С6э<0 представляет
собой характеристику рщ-перехода, включенного в
обратном направлении.
Выходные (коллекторные) характеристики схем с
общей базой показывают зависимость коллекторного
тока от напряжения между коллектором и базой при
неизменном токе эмиттера: 4=Д^4б) при 4 = const.
Семейства выходных характеристик представлены на
рис. 2.20,6.
При токе 4 = 0 и обратном напряжении на
коллекторе через коллекторный переход течет 4в<>—
обратный ток, величина которого слабо зависит от
коллекторного напряжения. Насыщение коллекторно-
го тока происходит при малых значениях Ск6.
Обратный ток обусловлен движением неосновных
носителей коллекторной и базовой областей.
С ростом эмиттерного тока растет и коллектор-
ный и при увеличении напряжения С/к6 он практически
не изменяется. Слабая зависимость коллекторного
тока от Uk6 объясняется тем, что инжектируемые
эмиттером заряды, создающие коллекторный ток, не
зависят от напряжения между коллектором и базой.
Выходные характеристики имеют незначительный
наклон. Малый наклон характеристик коллекторного
тока указывает на большое (десятки килоом — еди-
59
ницы мегаом) сопротивление коллекторного пе-
рехода.
При увеличении температуры выходные характе-
ристики смещаются в направлении больших кол-
лекторных токов, так как при этом увеличивается /кбо,
обусловленный неосновными носителями зарядов.
- Схема с общей базой обладает хорошей линей-
ностью выходных характеристик, что способствует
уменьшению нелинейных искажений при работе уси-
лителя, собранного по схеме с общей базой.
На рис. 2.21 показаны семейства входных и
выходных характеристик транзистора при включении
его по схеме с общим эмиттером.
Входной характеристикой данной схемы
(рис. 2.21, а) является график зависимости тока базы
от напряжения между базой и эмиттером I6=f(U53)
при неизменном напряжении на коллекторе. При
С7КЭ = 0 входная характеристика идет из начала коор-
динат и представляет собой вольт-амперную характе-
ристику прямого тока эмиттерного и коллекторного
переходов. Этим можно объяснить то, что входная
характеристика, снятая при С/кэ = 0, занимает крайнее
левое положение в семействе входных характеристик.
При увеличении коллекторного напряжения входные
характеристики сдвигаются вправо, так как с ростом
напряжения вероятность рекомбинаций неосновных
носителей в области базы уменьшается, что при-
водит к уменьшению тока базы и росту кол-
лекторного тока. Однако следует отметить, что
входные характеристики при UK3 > 0 располагаются
близко друг к другу.
60
На рис. 2.21,6 показано семейство выходных (кол-
лекторных) характеристик транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером. Каждая коллекторная
характеристика характеризует зависимость коллек-
торного тока от напряжения на коллекторе при
определенном токе базы:
4=/(^«) при /б = const.
Коллекторные характеристики схемы с общим эмит-
тером выходят из начала координат, которые при
малых ию идут более круто, чем при больших
коллекторных напряжениях.
С ростом базового тока коллекторные характерис-
тики располагаются выше, так как увеличение базо-
вого тока есть следствие увеличения тока эмиттера, а
следовательно, и тока коллектора.
Необходимо отметить, что при базовом токе,
равном нулю, в схеме с общим эмиттером через
транзистор от эмиттера к коллектору проходит
начальный ток, называемый сквозным /кэ0. Сквозной
ток примерно в Р раз больше обратного тока
р-и-псрсхода:
АсэО РАсбО'
Увеличение начального тока является недостатком
схемы с общим эмиттером по сравнению с общей
базой.
В заключение отметим, что семейства статических
характеристик используют при определении статичес-
ких параметров транзисторов, а также при графоана-
литическом расчете электронных схем, работающих
га транзисторах.
Статические параметры т анзистора. Статические
гараметры, характеризующие свойства транзистора,
ложно разделить на параметры малых сигналов и
физические (собственные).
При малых сигналах транзистор можно рассмат-
эивать как линейный активный четырехполюсник,
хема которого показана на рис. 2.22. Напряжения и
оки четырехполюсника связаны между собой систе-
мами уравнений. Коэффициенты этих уравнений
сражают свойства транзистора и являются его
(араметрами. Наиболее часто используются парамет-
1Ы, получившие название //-параметров, которые
.азывают смешанными или гибридными, поскольку в
61
Рис. 2.23
системе уравнений в качестве независимых перемен-
ных выбраны входной ток и выходное напряжение:
=^11Л + ^12^2’
+ (2-19)
Коэффициенты h2l, й12, h2l и h22 имеют опреде-
ленный физический смысл и являются параметрами
транзистора.
Решая систему уравнений, нетрудно определить ее
коэффициенты-параметры:
йх j = U1 /12 при U2 = 0 — входное сопротивление при ко-
ротком замыкании на выходе;
й12 = С/1/С/2 при/2 = 0—коэффициент обратной пере-
дачи при холостом ходе на
входе;
ПРИ Щ — ® — коэффициент усиления по
току при коротком замыка-
нии на выходе;
^22=22/C72 при Zj = 0 — выходная проводимость при
холостом ходе на входе,
где й12, й12 и й21, й22 являются входными и
выходными параметрами.
Параметры транзистора могут быть определены
из семейства входных и выходных характеристик
транзистора.
Параметры малых сигналов зависят от схемы
включения транзистора, поэтому они для различных
схем включения в справочниках обозначаются
индексом «б» для схемы с обшей базой, «э»—для
схемы с общим эмиттером.
В ряде случаев оказывается более удобно поль-
зоваться не параметрами четырехполюсника, а физи-
ческими параметрами транзистора, которые не за-
висят от схемы его включения.
На рис. 2.23 показана Т-образная эквивалентная
схема замещения транзистора для переменного тока.
62
К физическим параметрам относятся:
гэ—сопротивление эмиттерного перехода с учетом
объемного сопротивления эмиттерной области (нес-
колько десятков омов); гк—сопротивление коллек-
торного перехода (несколько сотен килоом до ме-
гаома); г6 — объемное сопротивление базы (сотни
омов).
Между физическими и й-параметрами существует
связь, которой пользуются при пересчете параметров.
Предельно допустимые параметры транзистора.
Для создания нормальных эксплуатационных режи-
мов заводов-изготовителем для каждого типа тран-
зисторов устанавливаются предельно допустимые
параметры, к которым относятся:
предельная температура переходов Гпгоах. У гер-
маниевых транзисторов значение Tnmax лежит в
пределах 50—100° С, а у кремниевых — в пределах
120—200° С; максимальная мощность, рассеиваемая
транзистором:
т —Т
р ___л птах л окр
к max 9
Л\-гГ
* окр
где Токр—температура окружающей среды; RT
тепловое сопротивление. окр
Предельное напряжение коллекторного перехода
С4тах—максимальное обратное напряжение, при
котором отсутствует лавинный пробой. Предельные
токи эмиттера, коллектора и базы оговариваются.
Температурные и частотные свойства транзисторов.
Повышение и понижение окружающей температуры
изменяют положение входных, выходных характе-
ристик, а также параметры транзистора. Основной
причиной температурной нестабильности является
зависимость обратного тока коллектора от темпера-
туры. При повышении температуры на каждые 10° С
ток /кС0 увеличивается примерно в 2 раза. Увеличение
обратного тока приводит к смещению статических
характеристик в сторону больших токов, что нару-
шает выбранный режим работы транзистора. Для
повышения термостабильности транзистора исполь-
зуют термостойкие материалы, например кремний и
его соединения, а также различные схемы темпера-
турной стабилизации режима работы транзистора.
Частотные свойства транзисторов обусловлены
наличием емкостей эмиттерного и коллекторного
63
переходов, а также подвижностью инжектированных
эмиттером носителей зарядов в области базы.
С повышением рабочей частоты реактивное сопро-
тивление емкости электронно-дырочных переходов
уменьшается и оказывает шунтирующее действие на
сопротивление перехода. Существенное влияние ока-
зывает емкость коллекторного перехода, так как ее
реактивное сопротивление велико. Поскольку емкость
коллекторного перехода для схемы с общим эмит-
тером примерно в Л21э Раз больше емкости коллек-
торного перехода для схемы с общей базой, то
частотные свойства схемы с общим эмиттером хуже,
чем схемы с общей базой.
Немаловажной причиной в ограничении предель-
ной частоты усиления является скорость перемещения
неосновных носителей в базовой области в направ-
лении от эмиттера к коллектору. Время диффузии
зарядов небольшое, что приводит к сдвигу фаз между
токами коллектора и эмиттера. На высоких частотах
данный сдвиг фаз вызывает заметное снижение
усиления.
Улучшение частотных свойств транзисторов дос-
тигается уменьшением емкости коллекторного пере-
хода, что ограничивается максимальной мощностью
транзистора. Для уменьшения времени прохождения
зарядов в базовой области ее делают возможно
меньшей. Так как подвижность электронов выше, чем
дырок, то следует применять транзисторы и-р-и-типа
или создавать в области базы ускоряющее электри-
ческое поле для неосновных носителей базы.
Частотные свойства транзистора оцениваются та-
кими параметрами, как предельные частоты усиления
по току fa (для схемы с общей базой) и /р (для схемы
с общим эмиттером).
Предельно допустимыми частотами называют
частоты, на которых уменьшение аир снижается на
30% по сравнению с их значениями на низких
частотах.
Иногда частотные свойства транзисторов оцени-
ваются максимальной частотой генерации /тах. Это
частота, на которой коэффициент усиления по мощ-
ности равен единице.
Динамический режим транзистора. В практических
устройствах электроники наиболее широкое распрост-
ранение получила схема с общим эмиттером, об-
64
Рис. 2.24
падающая наибольшим усилением по мощности
(рис. 2.24, о). В выходную (коллекторную) цепь вклю-
чена нагрузка Rx, а во входную (базовую) цепь —
источник входного сигнала с напряжением UBX. В этой
схеме увеличение тока базы вызывает возрастание
тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на
коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны
между собой уравнением
= (2.20)
Такой режим работы транзистора называют дина-
мическим, а характеристики, определяющие связь
между токами и напряжениями транзистора при
наличии сопротивления нагрузки,— динамическими
характеристиками.
Динамические характеристики строят на семействе
статических при заданных значениях напряжения источ-
ника питания коллекторной цепи Ее и сопротивления
нагрузки 7?к. Для построения выходной (коллектор-
ной) динамической характеристики (рис. 2.24,6) ис-
пользуют уравнение динамического режима (2.20),
которое представляет собой уравнение прямой.
Поэтому достаточно найти отрезки, отсекаемые
прямой на осях координат. При /к = 0 UE3 — Ee и
при (7кэ = 0 IK = EK/RK. Отложив на соответствующих
осях напряжение, равное Ек, и ток, равный EJRe,
через полученные точки проводят прямую АВ, на-
зываемую динамической выходной характеристикой
(нагрузочной прямой).
Чтобы обеспечить неискаженное усиление входно-
го сигнала, исходную рабочую точку Б, или точку
3—815
65
покоя, около которой происходят колебания, выби-
рают примерно в середине участка динамической
характеристики, т. е. при UK3pxO,5EK, где изменение
тока коллектора прямо пропорционально изменениям
тока базы. Точка покоя характеризуется напряжением
на коллекторе (7кэр и током базы 1бз, которым
соответствует ток покоя коллектора /кр.
Типы биполярных транзисторов и их применение.
Биполярные транзисторы классифицируются по ма-
териалу, из которого они изготавливаются; способу
движения неосновных носителей в базовой области;
мощности и частоте; назначению; способу изготовле-
ния. В настоящее время основными материалами в
производстве транзисторов, как уже указывалось,
являются германий и кремний, за последний период
стали применять арсенид галлия и другие соединения.
По способу перемещения неосновных носителей в
базе транзисторы подразделяются на дрейфовые и
бездрейфовые.
Концентрация примеси в базовой области дрейфо-
вых транзисторов неравномерная, что позволяет
создать в ней ускоряющее электрическое поле для
неосновных носителей, тем самым увеличить ско-
рость их продвижения по сравнению со скоростью
диффузного перемещения в бездрейфовых транзисто-
рах.
Биполярные транзисторы широко применяются в
различных типах усилителей, генераторов, в логи-
ческих и импульсных устройствах. В зависимости от
назначения к биполярным транзисторам предъявля-
ются различив е технические требования.
§ 2.5. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Существенным недостатком биполярных тран-
зисторов является небольшое входное сопротив-
ление и их инерционность. В целях устранения
этого недостатка были разработаны полевые тран-
зисторы, называемые еще канальными или унипо-
лярными.
Существуют две разновидности полевых тран-
зисторов— транзисторы с управляющим ^-«-перехо-
дом и транзисторы с изолированным затвором,
которые бывают с встроенным и индуцированным
каналами.
66
Рис. 2.25
На рис. 2.25 схематически показана структура и
условное изображение полевого транзистора с управ-
ляющим д-и-переходом.
Основой такого транзистора является герма-
ниевый стержень с электронной проводимостью.
К торцам стержня прикреплены выводы, один из
которых соединен с областью, называемой истоком
(И), другой—с областью, называемой стоком (С).
Путем вплавления индия по периметру стержня
создан кольцевой переход, который выполняет роль
управляющего электрода — затвора (3). К индиевому
кольцу прикреплен третий вывод транзистора, вывод
затвора.
Через сопротивление нагрузки к стоку относи-
тельно истока подводится положительное напряже-
ние, называемое стоковым напряжением Ес.
Под действием стокового напряжения между
стоком и истоком создается электрическое поле,
которое для электронов, испускаемых истоком, явля-
ется ускоряющим. Электроны, ускоряемые силой
электрического поля, попадают на сток, проходя
через поперечное сечение транзистора, созданное
д-н-переходом. Это сечение называют каналом тран-
зистора, поэтому полевой транзистор и называют
канальным.
Площадь поперечного сечения (канала), а вместе с
ним и внутреннее сопротивление транзистора изме-
няются под действием напряжения, приложенного к
затвору относительно истока. При подаче на затвор
3*
67
напряжения отрицательной полярности ширина за-
порного слоя /?-н-перехода будет увеличиваться в
направлении канала, поскольку концентрация донор-
ной примеси канала меньше, чем в области /;-пс-
рехода.
С уменьшением площади канала уменьшается
проводимость транзистора, а следовательно, и тока
через транзистор. Ток, протекающий через канал,
называется током стока 1С. Таким образом, изменяя
отрицательное напряжение на затворе, можно управ-
лять током стока.
Максимальный ток стока будет при нулевом
напряжении на затворе, так как при этом площадь
канала будет максимальной. Увеличение отрицатель-
ного напряжения на затворе приводит к уменьшению
тока стока. Ток стока становится равным нулю при
напряжении отсечки. Необходимо отметить, что
рабочим напряжением на затворе полевого транзис-
тора с управляющим /7-и-переходом является напря-
жение отрицательной полярности, так как при поло-
жительной полярности входное сопротивление мало
(сопротивление открытого перехода), а также незна-
чительна степень изменения площади канала при
прямом напряжении и ток стока практически будет
оставаться неизменным.
Полевой транзистор отличается от биполярного
тем, что управление выходным током осуществляется
входным напряжением. Ток стока создается только
основными носителями полупроводника, из которого
изготовлен транзистор. Этим можно объяснить его
название — униполярный.
При отрицательном напряжении на затворе через
/;-/г-персход протекает обратный ток, которым прак-
тически можно пренебречь. Поскольку при этом
мощность, расходуемая во входной цепи, ничтожна,
становится ясной возможность использования поле-
вого транзистора для усиления электрических ко-
лебаний.
Рассмотрим зависимость тока стока /с от напря-
жения на стоке Uc при неизменном напряжении на
затворе U3B, т. е. /С=/((7С) при (7ЗИ = const. Такую
зависимость, выраженную графически, называют вы-
ходной или стоковой характеристикой (рис. 2.26, а).
При напряжении меньше напряжения насыщения
(точка А) стоковые характеристики линецны. Линей-
68
Рис. 2.26
ность стоковых характеристик на этих участках
объясняется тем, что ток стока создает падение
напряжения на участке сток-исток: от нуля на истоке
до Uc на стоке. Это падение напряжения увеличивает
обратное смещение на р-н-переходе и, как следствие,
сужение канала, причем в области стока больше, чем
в области истока. При дальнейшем увеличении
напряжения стока ток стока практически остается
неизменным (участок насыщения АВ).
На этих участках ток стока можно изменять
напряжением на затворе, причем чем больше обрат-
ное напряжение, подаваемое на затвор, тем меньше
ток стока.
Зависимость тока стока от напряжения на затворе
при постоянном напряжении на стоке характеризуется
стоко-затворными характеристиками (рис. 2.26, б).
Полевые транзисторы с изолированным затвором.
На рис. 2.27 схематически показана структура и ус-
ловное изображение полевого транзистора со встро-
енным каналом л-типа. Особенностью данного тран-
зистора является то, что металлический электрод
, Рис. 2.27
г
Рис. 2.28
69
затвора изолирован от канала тонким слоем ди-
электрика (двуокись кремния SiO2). Концентрация
донорной примеси в области стока и истока значи-
тельно больше, чем в канале. Повышенная кон-
центрация примеси условно обозначена п + . Основа-
нием транзистора служит полупроводник р-типа.
Такой транзистор называют МОП-транзистором (ме-
талл— окисел — полупроводник). Исток, сток, затвор
и основание имеют выводы, с помощью которых
транзистор подключается в схему.
В отличие от транзистора с управляющим р-н-пе-
реходом в транзисторе со встроенным каналом ток
стока будет создаваться как при положительной, так
и при отрицательной полярности на его затворе
(рис. 2.28).
При подаче на затвор напряжения положительной
полярности относительно истока и основания на
металлической поверхности затвора создаются заря-
ды положительного знака, а у прилегающей к
диэлектрику поверхности канала образуются заряды
отрицательного знака. Эти отрицательные заряды
подвижны. Появление избыточных электронов при-
водит к повышению проводимости канала, а следо-
вательно, и к увеличению тока стока. Такой ре-
жим работы транзистора называется режимом обо-
гащения.
Если на затвор будет подано напряжение отри-
цательной полярности, то на металлической поверх-
ности затвора создаются заряды отрицательного
знака, а у прилегающей к диэлектрику поверхности
канала образуется обедненный слой как результат
ухода из него свободных электронов. При этом
проводимость канала уменьшается, что приводит к
уменьшению тока стока. Такой режим работы тран-
зистора называют режимом обеднения.
Меняя напряжение на затворе, можно изменять
ток стока. Стоковая характеристика, снятая при (7ЗИ,
разделяет их семейство на характеристики, получае-
мые при режиме обогащения и режиме обеднения
(рис. 2.28).
На рис. 2.29 показана структура и условное
обозначение полевого транзистора с индуцированным
каналом. В этом транзисторе токопроводящий канал
создается при подаче на затвор напряжения опре-
деленной полярности и значения. При отсутствии
70
этого напряжения транзистор практически заперт, так
как один из р-п+-переходов смещен в обратном
направлении. Однако при положительном напряже-
нии на затворе, превышающем пороговую величину,
в приповерхностном слое основания (между истоком
и стоком) будет наблюдаться движение электронов из
области истока к области стока. Слой между исто-
ком и стоком, через который происходит движение
электронов, называется индуцированным каналом.
Поскольку индуцированный канал создается лишь
при напряжении положительной полярности на затво-
ре, транзистор с индуцированным каналом работает
только в режиме обогащения. Из-за простоты изго-
товления и хороших технических характеристик тран-
зисторы с индуцированным каналом получили наи-
большее распространение из числа полевых.
Полевые транзисторы могут работать в схеме
включения с общим истоком, с общим стоком или с
общим затвором. Наиболее распространенной явля-
ется схема включения с общим истоком.
Полевые транзисторы характеризуются следующи-
ми статическими параметрами, соответствующими
режиму насыщения.
Крутизна характеристик S' равна отношению изме-
нения тока стока Д/с к изменению напряжения на
затворе ДСЗП при постоянном напряжении на стоке:
5'=Д/с/ДС/зи при C/C = const. (2.21)
Крутизна обычно выражается в миллиамперах на
вольт (мА/B). Современные полевые транзисторы
могут иметь крутизну от 0,4 до 80 мА/В.
Внутреннее сопротивление (выходное сопротивле-
ние) Rt равно отношению изменения напряжения на
стоке ДСс к изменению тока стока Д7С при постоян-
ном напряжении на затворе:
71
Ri = ^UclA/c при [7ЗИ = const. (2.22)
Внутреннее сопротивление обычно измеряется в
килоомах.
Коэффициент усиления ц показывает, во сколько
раз сильнее влияет на ток стока изменение напря-
жения на затворе, чем изменение напряжения на
стоке:
ц = А(7С/А(7ЗИ при 7С = const. (2.23)
Перемножив S' и получаем соотношение,
связывающее между собой параметры:
ц = АЛ;.
Напряжение отсечки (7ЗИОТС — обратное напряжение
на затворе, при котором токопроводящий канал
окажется перекрытым.
Входное сопротивление 7?вх между затвором и
истоком определяется при максимально допустимом
напряжении между этими электродами:
-^вх А (/зи max / АД max.
Входное сопротивление оказывается достаточно
большим—достигает единиц и десятков мегаом и
больше.
При работе полевого транзистора на высоких часто-
тах в схеме с общим истоком важную роль играют
междуэлектродные емкости: Сзи — входная емкость,
Сзс — проходная емкость и Сси — выходная емкость.
К важнейшим достоинствам полевых транзисто-
ров следует отнести:
1) высокое входное сопротивление, достигающее в
полевых транзисторах с р-н-переходами величины
10б—109 Ом, а в транзисторах с изолированным
затвором 1013—1015 Ом;
2) малый уровень собственных шумов;
3) высокая устойчивость против температурных и
радиоактивных воздействий;
4) высокая плотность расположения элементов
при использовании приборов в интегральных схемах.
Полевые транзисторы применяются в схемах
усилителей, генераторов и переключателей. Особенно
широко используются они в малошумящих усили-
телях с высоким входным сопротивлением. Тран-
зисторы с изолированным затвором могут быть
использованы в цифровых и логических схемах.
72
Таблица 2.1
Частота, МГц Мощность рассеяния, Вт
малая А™. <0,3 средняя Л max <1,5 большая Р >15
Низкая, /„21в<3 Средняя, 3</„21„<30 Высокая, 30 <f, 21в <300 101 — 199 201—299 301—399 401—499 501—599 601—699 701—799 801—899 901—999
Маркировка транзисторов. Обозначение транзисто-
ров состоит из шести элементов.
Первый элемент — буква или цифра, определяю-
щая исходный полупроводниковый материал, из
которого изготовлен транзистор: Г или 1 — германий,
К или 2 — кремний, А или 3 — арсенид галлия. „
Второй элемент — буква, указывающая класс при-
боров: Т — биполярные транзисторы, П — полевые
транзисторы.
Третий, четвертый и пятый элементы—трех-
значное число (табл. 2.1), первая цифра которого
обозначает классификационный номер, характеризую-
щий назначение прибора (диапазон рабочих частот и
мощность), а две последующие цифры от 01 до
99—порядковый номер разработки технологического
типа прибора.
Шестой элемент — буква от А до Я — определяет
деление технологического типа на параметрические
группы (разновидности одного типа). Примеры обо-
значений: КТ324А — кремниевый биполярный транзи-
стор, высокочастотный, малой мощности, номер раз-
работки 24, группа А; 1Т806Б — германиевый бипо-
лярный транзистор, среднечастотный, большой мощ-
ности, номер разработки 06, группа Б; КП102Е —
кремниевый полевой транзистор, низкочастотный,
малой мощности, номер разработки 02, группа Е.
§ 2.6. ТИРИСТОРЫ
Тиристорами называются полупроводниковые при-
боры с тремя и более р-н-переходами, которые могут
переключаться из закрытого состояния в открытое и
наоборот.
В закрытом состоянии сопротивление тиристора
составляет десятки миллионов омов, и он практи-
73
чески не пропускает ток
при напряжениях до десят-
ков вольт. В открытом со-
стоянии сопротивление ти-
ристора незначительно. Па-
дение напряжения на нем
около 1 В при токах в де-
сятки и сотни ампер. Пере-
ход тиристора из одного
состояния в другое происхо-
дит за очень короткое вре-
Рис. 2.30 мя, Практически скачком.
Тиристоры выпускают двух видов—диодные ти-
ристоры (динисторы) и триодные тиристоры (три-
нисторы).
Структурное изображение динистора и его услов-
ное (схемное) обозначение показаны на рис. 2.30, а, б.
Динисторы имеют два внешних электрода—анод
и катод и обладают неизменным напряжением вклю-
чения. Тринисторы кроме анода и катода имеют
третий электрод, называемый управляющим. Наличие
управляющего электрода позволяет, не меняя анод-
ного напряжения, изменять напряжение включения.
Структурные изображения тринисторов и их ус-
ловные (схемные) обозначения с управлением по
катоду показаны на рис. 2.31, с, б, а с управлением по
аноду—на рис. 2.31, в, г.
Рассмотрим особенности четырехслойной структу-
ры тиристора р-л-р-л-типа. Такая структура содер-
жит три электронно-дырочных перехода ЭПг, КП
и ЭП2.
74
При полярности внеш-
него источника (см. рис.
2.30, а) переходы ЭП1 и
ЭП2 смещены в прямом
направлении и поэтому
обладают незначительны-
ми сопротивлениями. Пе-
реходы ЭТ?! и ЭП2 назы-
вают эмиттерными. Пе-
реход КП включен в
обратном направлении и
поэтому обладает боль-
Рис. 2.32
шим сопротивлением. Переход КП называют кол-
лекторным. На коллекторном переходе падает почти
все напряжение, приложенное к тиристору. Типовая
вольт-амперная характеристика динистора приведена
на рис. 2.32. Из графика видно, что на первом участке
вольт-амперной характеристики через динистор про-
текает небольшой ток. Работа динистора в пределах
первого участка его вольт-амперной характеристики
соответствует закрытому состоянию. Переход дини-
стора из закрытого состояния в открытое происходит
благодаря лавинному размножению носителей элект-
рических зарядов (дырок и электронов). Сущность
лавинного размножения сводится к следующим физи-
ческим процессам, происходящих с ростом прямого
напряжения. Из эмиттерной области рг дырки,
преодолевая потенциальный барьер эмиттерного пе-
рехода ЭПГ, инжектируются в базовую область п1.
Дырки, прошедшие базу и коллекторный переход КП,
входят в базовую область р2. Потенциальный барьер
эмиттерного перехода ЭП2 задерживает некоторую
часть дырок в базовой области р2, тем самым
образует в ней нескомпенсированный положительный
заряд, снижающий высоту потенциального барьера
перехода ЭП2. Снижение потенциального барьера
способствует увеличению инжекции электронов из
эмиттерной области п2 в базовую область р2.
Инжектируемые электроны, проходя коллекторный
переход, поступают в базу nt.
В базовой области аналогично, как и в базовой
области р2, создается избыточный заряд электронов,
что приводит к еще большей инжекции дырок из
эмиттерной области р2. Таким образом, в динисторе
при некоторой величине прямого напряжения, назы-
75
ваемого напряжением включения динистора (UBKn),
наблюдается лавинный рост тока с одновременным
уменьшением падения напряжения на тиристоре как
результат встречных инжекций эмиттеров. Лавинный
рост тока до нужного значения ограничивается
падением напряжения на резисторе R, включаемым в
анодную цепь тиристора. Лавинному процессу ди-
нистора соответствуют два участка вольт-амперной
характеристики тиристора — участок II и участок III.
Участок II с одной стороны ограничен напряже-
нием включения, а с другой — током выключения
динистора (7ВЫКЛ). Данный участок является падаю-
щим, поэтому обладает отрицательным дифферен-
циальным сопротивлением. Он является переходным
участком между участками I и III. Участок III
соответствует открытому состоянию динистора, он
обладает большими токами и малым падением
напряжения, называемого остаточным (С7ост). На
участках II и III все переходы находятся в открытом
состоянии, что обусловливает малое внутренее сопро-
тивление динистора.
Переход коллекторного перехода в открытое
состояние обусловлен большими зарядами в базах,
созданными лавинным процессом и поддерживаемы-
ми в процессе работы динистора его током. При
уменьшении тока динистора до величины 7ВЫКЛ ти-
ристор переходит в закрытое состояние.
Таким образом, динистор может находиться в
закрытом и открытом состояниях.
Если полярность внешнего источника сменить на
обратную, то переходы ЭП1 и ЭП2 окажутся смещен-
ными в обратном направлении, а переход КП—в пря-
мом. При этом вольт-амперная характеристика дини-
стора принимает вид обратный ветви вольт-амперной
характеристики обычного полупроводникового диода.
Для простоты уяснения физических процессов,
происходящих в динисторе, четырехслойную его
структуру с чередующимися pY, nt, р2, п2 удобно
представить в виде двух условных биполярных
транзисторов, один из которых эквивалентен тран-
зистору р-п-р, а второй — п-р-п (рис. 2.33).
Транзистор р-п-р включает в себя слои рг, nt и р2,
разделенные переходами ЭПГ и КП, транзистор п-р-п
содержит слои пх, р2 и п2, разделенные переходами
КП и ЭП2.
76
а) Т- В)
Рис. 2.33
Как видно из рис.
2.33, а, область рх явля-
ется эмиттером, область
Пу — базовой, а область
р2 — коллектором услов-
ного транзистора п-р-п.
Аналогично область п2
выполняет функцию эмит-
тера, область р2 — базы,
а область nt— коллектора транзистора п-р-п. Переход
КП является общим коллекторным переходом двух
условных транзисторов. Области nt и р2 называют
базами динистбра, несмотря на то, что они в
условных транзисторах выполняют не только функ-
ции баз, но и коллекторов.
Следует указать, что включение реальных тран-
зисторов по схеме рис. 2.33,6 обладает вольт-ампер-
ной характеристикой динистора.
Обозначим коэффициенты передачи тока условных
транзисторов соответственно через cq и а2, тогда ток,
протекающий через общий коллекторный переход
КП, можно выразить суммой коллекторных и обрат-
ных токов этих транзисторов:
/2 = и1/Э1 + а2/Э2 + /кбо5 (2.24)
где cq/э! и а2/э2— коллекторные токи условных
транзисторов; Д.6о — обратный ток условных тран-
зисторов.
Поскольку все переходы в тиристоре соединены
между собой последовательно, ток, протекающий
через общий коллекторный переход, является током
тиристора:
2= cqZ+а/+Лбо- (2-25)
Решая (2.24) относительно тока I, находим выра-
жение, характеризующее вольт-амперную характе-
ристику динистора:
Следует отметить, что в (2.26) не учтен эффект
лавинного размножения носителей (дырок и электро-
нов). При учете его выражение (2.26) примет вид
/=—-, (2.27)
1 -(cq + ajjM
77
где М—коэффициент размножения дырок и элект-
ронов.
При малых прямых напряжениях (а1 + а2)М<1
через динистор протекает небольшой обратный ток
/кб0. Динистор находится в закрытом состоянии. При
(oct+a2)M= 1 происходит лавинный процесс нараста-
ния тока и динистор из закрытого состояния пере-
ходит в открытое.
Ток, как было отмечено выше, ограничивается
резистором, включенным в цепь тиристора. Открытое
состояние тирисТора характеризуется большой (необ-
ходимой) величиной тока и малым остаточным
напряжением, что определяет высокую экономич-
ность работы динистора.
Основное применение динисторов—схемы с клю-
чевым режимом работы. Наличие на вольт-амперной
характеристике падающего участка с отрицательным
дифференциальным сопротивлением расширяет прак-
тическое использование динисторов.
Существенным недостатком динистора является
невозможность управлять напряжением включения,
не изменяя внешнего напряжения. Этот недостаток
устранен в управляемом тиристоре (тринисторе), в
котором, как было сказано выше, один из эмиттеров
сделан управляющим. Возможность управлять напря-
жением переключения в тринисторе осуществляется с
помощью подачи напряжения на третий—управляю-
щий электрод (см. рис. 2.31). Управляющий электрод
может быть подключен к любой из баз тринистора.
Использование той или иной базы приводит лишь к
изменению полярности источника управляющего на-
пряжения. Полярность управляющего напряжения
должна быть такой, чтобы облегчать включение
тринистора. С ростом управляющего тока уменьша-
ется потенциальный барьер, что приводит к увели-
чению инжектированных зарядов, а следовательно, к
росту тока и снижению напряжения переключения
(рис. 2.34).
При некотором управляющем токе (7упр), назы-
ваемом током сопрямления, вольт-амперная харак-
теристика тринистора напоминает прямую ветвь
вольт-амперной характеристики обычного диода.
При отсутствии управляющего тока тринистор
превращается в динистор. Управляющий ток пере-
водит тринистор только из закрытого состояния в
78
открытое. Для включения
достаточно ввести в цепь
эмиттера кратковременный
импульс тока, причем зна-
чительно меньшей величи-
ны, чем ток в нагрузке
тринистора. После перехода
тринистора в открытое со-
стояние управляющий элек-
трод теряет свои управляющие свойства. Для пе-
ревода тринистора в закрытое состояние необходимо
уменьшить напряжение на его аноде до величины,
при которой ток тиристора станет меньше тока
включения, или подать на управляющий электрод
импульс обратной полярности.
Тиристоры характеризуются следующими пара-
метрами:
1. Напряжение включения [7ВГЛ — прямое напряже-
ние, при котором тиристор переходит из закрытого в
открытое состояние. Напряжение переключения в
зависимости от типа тиристора может колебаться от
единиц до нескольких тысяч вольт.
2. Ток включения 7ВКЛ— прямой ток, при котором
тиристор переходит в открытое состояние.
3. Ток управления /упр — наименьший ток в цепи
управляющего электрода, обеспечивающий переход
тринистора из закрытого состояния в открытое при
данном напряжении на его аноде. Управляющий ток
обусловливается управляющим напряжением [7упр
приложенным между управляющим электродом и
эмиттером. Он значительно меньше тока, протекаю-
щего через тринистор.
4. Ток выключения 7ВЫКЛ — ток, ниже которого
тиристор переходит из открытого в закрытое состоя-
ние. В тринисторе 7ВЫКЛ уменьшается с ростом
управляющего тока (см. рис. 2.34).
5. Остаточное напряжение [7ОСТ — напряжение, со-
ответствующее открытому состоянию тиристора, оно
не превышает 1—2 В.
6. Время включения ZBKJI— время, в течение кото-
рого ток через тиристор возрастает до 0,9 устано-
вившегося значения с момента подачи управляющего
напряжения. Время включения не превышает 1 мкс.
7. Время выключения /пыкл— время, в течение
которого тиристор успевает перейти из открытого в
79
закрытое состояние. Оно необходимо для освобожде-
ния базовых областей от неравновесных носителей и
не превышает 10—20 мкс.
Тиристоры изготавливаются из кремния методом
сплавления и диффузии или методом последователь-
ной диффузии. Применение кремния при произ-
водстве тиристоров объясняется тем, что у кремния
зависимость коэффициента передачи тока от тока
а (7) ярче выражена, чем у германия, а также у него
малые токи при обратном включении р-н-перехода.
Кроме того, кремний выдерживает более высокие
температуры, что способствует более высокой ста-
бильности параметров тиристора.
В условном обозначении тиристоров первый эле-
мент буква К или цифра 2 указывают на материал, из
которого выполнен тиристор. Вторым элементом
являются буквы Н для неуправляемых и буква У для
управляемых тиристоров. Третий элемент — трехзнач-
ные числа, определяющие, на какой ток рассчитан
тиристор.
Тиристоры с предельным током до 0,3 А обозна-
чаются числами 101 — 199, при токе от 0,3 до
10 А — 201—299, при токе более 10 А — 301—399.
В настоящее время промышленность выпускает в
основном управляемые тиристоры, поскольку они
позволяют управлять напряжением включения, что
расширяет области их практического применения. По
внешнему виду тиристоры напоминают транзисторы
и диоды средней мощности.
Контрольные вопросы
1. Какие исходные материалы используются для изготовления
полупроводников?
2. Что называется собственной и примесной проводимостью
полупроводников?
3. Что такое основные и неосновные носители заряда?
4. Объяснить свойства и характеристику электронно-дырочно-
го перехода.
5. Дать характеристику выпрямительным полупроводниковым
диодам.
6. Какие требования предъявляются к высокочастотным уни-
версальным диодам?
7. Изобразите схему включения кремниевого стабилитрона.
8. Для стабилизации напряжения используется кремниевый
стабилитрон, напряжение стабилизации которого равно U„ = 15 В.
Определить допустимые пределы изменения питающего напряже-
ния Е, если /стта, = 30мА, 7„тй1 = 5мА, Дн = 2 кОм, Дотр = 500 0м.
80
9. Сколько и каких переходов в транзисторах типа р-п-р и
п-р-п?
10. Нарисовать три схемы включения транзистора с указанием
направления протекающих токов.
11. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером
Р=100. Найти коэффициент передачи тока для схемы с общей
базой.
12. Привести условные изображения транзисторов разных
типов на принципиальных схемах.
13. Каково название и назначение электродов в полевом
транзисторе?
14. Объяснить различие между биполярными и полевыми
транзисторами; назвать разновидности полевых транзисторов.
15. Назвать возможные области применения полевых тран-
зисторов.
16. Привести условное изображение динистора и тринистора
на принципальной схеме.
17. Как устроен тринистор и для чего он применяется?
ГЛАВА 3
ФОТОЭЛЕК РОВНЫЕ ПРИБОРЫ
Электронные приборы, принцип действия которых
основан на преобразовании лучистой энергии в
электрическую, называются фотоэлектронными или
фотоэлектрическими приборами. Преобразование лу-
чистой энергии в электрическую возможно как за счет
внутреннего, так и за счет внешнего фотоэффекта.
Сущность внутреннего фотоэффекта состоит в
образовании электрических зарядов — дырок и элек-
тронов внутри полупроводника при облучении его
потоком лучистой энергии. На явлении внутреннего
фотоэффекта созданы такие приборы, как фоторе-
зисторы, фотодиоды и фототриоды.
В приборах с внешним фотоэффектом, как, напри-
мер, фотоэлементы, фотоэлектронные умножители,
получение свободных электронов с поверхности фото-
катода обусловлено фотоэлектронной эмиссией (см.
§ 1.1). Исследование этого явления провел русский
физик А. Г. Столетов, открывший существование фо-
тотока и установивший, что количество свободных
электронов п, эмиттируемых катодом, пропорцио-
нально световому потоку, облучающему катод:
1ф=пе = КФ, (3.1)
где 7ф — фототок, мкА; п — число электронов; е — за-
ряд электрона, Кл; К—коэффициент пропорциональ-
ности; Ф—световой поток, лм.
81
Кгшетическая энергия электронов, вылетающих с
поверхности фотокатода, зависит от частоты потока
лучистой энергии и не зависит от его интенсивности.
Это закон Эйнштейна, выражается уравнением
mv2/2 = /iv-Bz0, (3.2)
где тг2/2— кинетическая энергия электрона, вы-
ходящего с поверхности фотокатода, h — постоянная
Планка; v — частота облучения; hv — энергия кванта;
И/0 = е<р0 —работа выхода электрона.
Из (3.2) следует, что при некотором значении
v = vKp кинетическая энергия электрона равна hv=W0.
Наименьшая частота лучистой энергии, при кото-
рой наблюдается фотоэлектронная эмиссия, называет-
ся порогом фотоэлектронной эмиссии.
По принципу действия фотоэлементы можно раз-
делить на три основные группы:
1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в
основу которых положен выход электронов с по-
верхности металла под действием энергии электро-
магнитного излучения.
2. Фотоэлементы с внутренним или фоторезистив-
ным фотоэффектом, в основу которых положено
изменение электрического сопротивления полупровод-
ника под действием энергии электромагнитного излу-
чения.
3. Фотоэлементы с вентильным или фотогальва-
ническим эффектом, в основу которых положено
возникновение электродвижущей силы между слоями
полупроводника с проводимостью различного типа
под действием электромагнитного излучения.
§ 3.1. ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Конструктивно фотоэлемент представляет собой
стеклянный баллон, внутри которого помещены фо-
токатод и анод.
Фотокатодом является светочувствительный слой
щелочноземельного металла, нанесенный на внутрен-
ней поверхности баллона. Обычно катод занимает
половину поверхности баллона. Остальная его часть
остается прозрачной и служит окном, через которое
свет попадает на фотокатод. Чаще всего применяют-
ся кислородно-цезиевые и сурьмяно-цезиевые катоды.
82
Анод фотоэлемента выполняется в виде I
небольшого никелевого кольца, помещен
хного в центре баллона. Газонаполненные LJ
фотоэлементы изготавливаются только ки-
слородно-цезиевыми. Они отличаются от
вакуумных только тем, что баллон после
откачки воздуха заполняется аргоном при Рис' 31
низком давлении. Условное обозначение вакуумного
фотоэлемента представлено на рис. 3.1. Схема вклю-
чения фотоэлемента приведена на рис. 3.2.
Под действием светового потока из фотокатода
вылетают электроны. Они попадают в ускоряющее
электрическое поле анода и, достигая его, создают во
внешней цепи ток /ф, пропорциональный интенсив-
ности светового потока. При изменении светового
потока изменяется ток во внешней цепи, а следо-
вательно, и падение напряжения на резисторе нагруз-
ки 7?н. Таким образом, с помощью фотоэлемента
световой поток осуществляет управление выходным
напряжением.
Основными характеристиками, определяющими
свойства фотоэлемента, являются световая, вольт-ам-
перная и спектральная. Световой характеристикой
(рис. 3.3) называется зависимость тока фотоэлемента
/ф от светового потока Ф при постоянном анодном
напряжении (7а = const.
Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента
называется зависимость фототока /ф от анодного
напряжения при постоянном световом потоке Ф. Как
видно из вольт-амперных характеристик, для ваку-
умных фотоэлементов (рис. 3.4, а) анодный ток воз-
растает с увеличением анодного напряжения до тока
насыщения, т. е. до такого значения, при котором все
электроны, вылетевшие из фотокатода, долетают до
анода.
Характеристики газонаполненных фотоэлементов
(рис. 3.4,6) не имеют области насыщения, так как
83
a)
Рис. 3.4
с повышением напряжения фототок увеличивается
вследствие возникновения газового разряда.
Спектральной характеристикой называется зависи-
мость спектральной чувствительности от длины вол-
ны падающего на катод света. Форма спектральной
характеристики зависит от типа катода, материала
подложки и окна. Спектральные характеристики для
некоторых фотокатодов приведены на рис. 3.5. Из
рисунка видно, что сурьмяно-цезиевый фотокатод
(кривая 1) обладает наибольшей чувствительностью к
длинам волн порядка 0,4—0,5 мкм, что соответствует
голубому и зеленому свету, а кислородно-цезиевый
(кривая 2)— красному свету (длина волны в пределах
0,8 мкм).
Основным параметром фотоэлементов является
чувствительность. Различают чувствительность интег-
ральную и спектральную. Входящий в (3.1) коэффи-
циент пропорциональности К называется интеграль-
ной чувствительностью фотоэлемента (К=1ф/Ф) и
выражается в мкА/лм.
Спектральной чувствительностью фотоэлемента
называется чувствительность его к монохромати-
ческому излучению определенной длины волны
X. Спектральная чувстви-
тельность показывает зна-
чение тока, протекающе-
го в цепи фотоэлемента,
при облучении заданной
длиной волны X свето-
вым потоком в 1 лм и
измеряется в мкА/лм.
Кроме чувствительно-
сти фотоэлементы харак-
теризуются еще следую-
щими параметрами.
84
Темновой ток — ток в фотоэлементе, включенном
в цепь питания при полном затемнении (Ф = 0).
Темновой ток вакуумных фотоэлементов значительно
меньше, чем газонаполненных. С величиной темново-
го тока необходимо считаться, в особенности при
измерении слабых световых потоков.
Термостойкость — величина, определяющая диапа-
зон рабочих температур (обычно от +50 до —20° С).
Стабильность фотокатодов — свойство сохранять
постоянство параметров во времени.
У томляемость — уменьшение чувствительности
при резком увеличении освещенности фотокатода.
Это явление проявляется в том, что при большом
световом потоке чувствительность фотоэлементов
быстро уменьшается во времени, доходя иногда до
25% первоначальной величины. Если такой фото-
элемент поместить на некоторое время в темноту, то
его чувствительность восстанавливается почти до
первоначального значения.
Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы
предназначены для работы в фототелеграфной ап-
паратуре связи, в звуковоспроизводящей аппаратуре
кинематографии, телевидении, в автоматике и теле-
механике, в контрольных и измерительных устройст-
вах, в связи и сигнализации на невидимых инфра-
красных лучах и т. д.
Маркировка фотоэлементов, выпускаемых оте-
чественной промышленностью, состоит из букв, ука-
зывающих на материал, из которого изготовлен
катод (Ц — цезиевый, СЦ — сурьмяно-цезиевый), и
вид фотоэлемента (В — вакуумный, Г — газонаполнен-
ный). Цифра после букв обозначает конструктивное
исполнение фотоэлемента (например, ЦВ-3, СЦВ-4,
ЦГ-1 и т. д.).
Фотоэлектронные умножители. Малая интеграль-
ная чувствительность фотоэлементов не позволяет
эффективно осуществлять регистрацию слабых пото-
ков лучистой энергии без последующего усиления
напряжения, получаемого на выходе фотоэлемента.
Для этой цели пришлось бы применять электронные
усилители.
Введения внешних усилителей можно избежать,
применяя фотоприборы с внутренним усилением
фототока, используя для этого явление вторичной
эмиссии со специальных электродов — динодов (като-
85
дов вторичных электронов). Таким прибором явля-
ется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
В фотоэлектронных умножителях происходит пре-
образование лучистой энергии, благодаря фотоэлект-
ронной эмиссии — получение первичных электронов и
внутреннее усиление — умножение электронного пото-
ка за счет вторичной эмиссии.
Промышленность выпускает однокаскадные и
многокаскадные фотоэлектронные умножители.
Однокаскадный умножитель представляет собой
фотоэлемент, в баллоне которого имеются фотока-
тод, анод и динод. На анод и динод относительно
катода подается напряжение положительной поляр-
ности, причем Ua>Un.
Под воздействием потока лучистой энергии элект-
роны, эмиттируемые фотокатодом под действием
ускоряющего электрического поля, движутся к аноду
и диноду. Небольшая часть первичных электронов
(фотоэлектронов) попадает на анод и создает в его
цепи анодный ток Ц. Другая часть ускоренных
электронов сквозь сетчатый анод с большой ско-
ростью устремляется к диноду. Благодаря вторичной
эмиссии из динода в направлении анода под дейст-
вием ускоряющего поля будет создан поток вто-
ричных электронов, создавая ток 12. Таким образом,
общий ток фотоэлектронного умножителя есть сумма
двух токов Д = Л + Д.
Для получения еще большего усиления тока
используют многокаскадные фотоэлектронные усили-
тели (рис. 3.6, а). В многокаскадных умножителях
имеется несколько динодов, что позволяет получить
большое усиление тока.
Условное изображение многокаскадного умно-
жителя и его схема питания приведены на рис.
3.6,а, б.
Световые, вольт-амперные и спектральные харак-
теристики ФЭУ в принципе ничем не отличаются от
аналогичных характеристик фотоэлементов.
Общий коэффициент усиления фототока в умно-
жителе выражается формулой
Ку = оп, (3.3)
где а — коэффициент вторичной эмиссии; п — число
динодов.
86
сп
Рис. 3.6
Интегральная чувствительность ФЭУ
К*=ККу,
где К—интегральная чувствительность фотокатода;
Ку— коэффициент усиления фототока.
ФЭУ могут применяться в фототелеграфии, в
автоматических и измерительных устройствах.
§ 3.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Фоторезисторы. Фоторезисторами называются по-
лупроводниковые приборы, электрическое сопротив-
ление которых изменяется под действием светового
потока. Принцип действия фоторезисторов основан
на использовании явления внутреннего фотоэффекта.
Сущность его состоит в том, что под действием
световой энергии в полупроводнике возникают допол-
нительные носители заряда—электроны и дырки,
т. е. образуется дополнительная проводимость, назы-
ваемая фотопроводимостью полупроводника. Сопро-
тивление полупроводника при этом уменьшается. Для
получения свободных электронов внутри полупровод-
ника требуется меньшая энергия, чем для выбивания
электронов из полупроводника. Поэтому чувствитель-
ность фоторезисторов больше чувствительности ваку-
умных и газонаполненных фотоэлементов. Если к
возбужденному световым потоком полупроводнику 2
(рис. 3.7,а), нанесенному на стеклянную пластину 1 и
снабженному металлическими электродами 3, прило-
жить напряжение от источника энергии, то
движение электронов станет направленным и по цепи,
87
2
в которую включен резистор Ан, будет прохо-
дить ток 7ф. Напряжение на резисторе RH яв-
ляется выходным напряжением (7ВЫХ, которое ис-
пользуется для воздействия на последующие эле-
менты электроники. Во избежание воздействия окру-
жающей среды (влажности, загрязнения и т. п.)
фоторезистор запрессовывается в пластмассовый кор-
пус 4 (рис. 3.7,6) с окном 5 для света и снабжается
штырьками 6.
Условное обозначение фоторезистора приведено на
рис. 3.7, в. Для изготовления фоторезисторов приме-
няются сернистые и селенистые соединения кадмия и
свинца. Основными характеристиками фоторезисто-
ров являются: световая, вольт-амперная и спект-
ральная. Световая характеристика фоторезистора
(рис. 3.7,3) — зависимость фототока от освещенности
светочувствительной поверхности фоторезистора при
постоянном напряжении, она нелинейна.
Вольт-амперная характеристика фоторезистора
(рис. 3.7, г) — зависимость фототока и темнового тока
88
от напряжения, приложенного к фоторезистору; при
постоянной освещенности его поверхности она ли-
нейна.
Спектральная характеристика фоторезистора — за-
висимость фототока от длины волны падаюшего
света.
Фоторезисторы из сернистого кадмия имеют мак-
симум чувствительности в видимой части спектра.
Другие фоторезисторы более чувствительны к инфра-
красным лучам.
Основные параметры фоторезисторов, определяю-
щие их эксплуатационные возможности:
1) темновой ток /т, протекающий в цепи фото-
резистора при приложенном рабочем напряжении
через 30 с, после снятия освещенности;
2) темновое сопротивление RT — сопротивление
фоторезистора при 20° С;
3) световой ток /св — ток при приложенном ра-
бочем напряжении и освещенности 200 лк;
4) фототок 7ф — разность между установившимися
значениями светового и темнового токов;
5) удельная чувствительность Ко— отношение фо-
тотока к произведению величины падающего на
фоторезистор светового потока на приложенное к
нему напряжение;
6) пороговая чувствительность — минимальный
световой поток, вызывающий появление фототока,
вдвое превышающий шумовой ток фоторезистора;
7) рабочее напряжение — напряжение, которое мо-
жет быть приложено к фоторезистору при длительной
эксплуатации его без повреждения;
8) Раоп — допустимое значение мощности рассеива-
емой на фоторезисторе без его теплового поврежде-
ния, определяемой при температуре окружающей
среды 20° С.
Г лавное достоинство фоторезисторов — высокая
удельная интегральная чувствительность. Например,
у сернисто-свинцовых фоторезисторов она достигает
400—500 мкА/лм. Высокая чувствительность, позво-
ляющая иногда использовать фоторезисторы без
усилителей, и малые габариты дают возможность их
широкого применения. Они используются в системах
фотоконтроля и фотоэлектронной автоматики, а
также в качестве чувствительных элементов на входе
приемников в системах оптической связи, обнаруже-
89
полупроводника
р-типа
Рис. 3.9
большому разбросу
одного и того же
Рис. 3.8
ния инфракрасного излучения,
радиоастрономических и дру-
гих систем.
Основными недостатками
фоторезисторов являются: инер-
ционность и сильное влияние
температуры, что приводит к
характеристик фоторезисторов
типа. В маркировку фоторезисторов входят:
первый элемент—буквы СФ (сопротивление фото-
чувствительное); второй элемент—цифра, обозначаю-
щая тип светочувствительного материала; третий
элемент (после дефиса) — цифра, характеризующая
конструктивное оформление фоторезистора.
Пример маркировки: СФ2-4, СФ-5, СФ-5.
Вентильные фотоэлементы. В вентильных фото-
элементах световая энергия непосредственно преобра-
зуется в электрическую, поэтому для них не требуется
посторонних источников тока.
Принцип действия вентильного (фотогальвани-
ческого) фотоэлемента основан на использовании
запирающего слоя, образуемого р-н-переходом.
Устройство и условное изображение вентильного
фотоэлемента показаны на рис. 3.8. На металли-
ческий электрод 1 нанесен тонкий слой полупроводни-
кового материала 2 (обычно селена и сернистого
таллия), на поверхность которого методом распы-
ления наносится тонкий полупрозрачный слой ме-
талла 4, являющийся вторым электродом фотоэле-
мента. Запирающий слой 3 создается термической,
обработкой. Так же как и в полупроводниковом
диоде, в результате перемещения основных носителей
заряда на границе полупроводника и полупрозрачно-
го слоя металла образуется запирающий слой. При
облучении фотоэлемента кванты света, проникая в
р-н-переход, увеличивают число неосновных носите-
лей заряда—дырок в «-области и электронов в
p-области. Дырки под действием потенциального
барьера перемещаются из «-области в p-область, а
90
электроны — наоборот. В результате на р-п-переходе
образуется избыток зарядов, создающих на внешних
выводах фотоэлемента дополнительную разность по-
тенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой.
При замыкании электрической цепи под действием
фотоэлектродвижущей силы будет проходить элект-
рический ток, который зависит от интенсивности
светового потока, падающего на фотоэлемент. Наи-
большее распространение получили селеновые, сер-
нисто-таллиевые и кремниевые фотоэлементы вен-
тильного типа. Интегральная чувствительность селе-
нового фотоэлемента, измеряемая при короткозамк-
нутых электродах, составляет 400-—600 мкА лм. Мак-
симальная чувствительность расположена в области
голубых и зеленых лучей. В сернистоталлиевых
фотоэлементах интегральная чувствительность около
11000мкА/лм, т. е. в 100 раз больше чувствитель-
ности вакуумных фотоэлементов. Спектральная ха-
рактеристика этих фотоэлементов захватывает всю
область видимого спектра и очень большую часть
инфракрасной области. Особым типом вентильных
фотоэлементов являются кремниевые, которые ис-
пользуются для изготовления солнечных батарей,
непосредственно преобразующих солнечную энергию
в электрическую.
Солнечный фотоэлемент (рис. 3.9) состоит из
пластины кремния н-типа. На поверхность пластины
путем диффузии в вакууме вводят примесь бора,
образуя слой полупроводника p-типа. Толщина этого
слоя не превышает 2—3 мкм, поэтому световая
энергия легко проникает в зону р-п-перехода. Мак-
симум интегральной чувствительности солнечного
фотоэлемента лежит в инфракрасной области. Сол-
нечные фотоэлементы обладают высоким КПД, дос-
тигающим 10—13% (в то время как КПД сер-
нисто-таллиевых фотоэлементов составляет 1,1%).
Соединяя последовательно кремниевые фотоэлемен-
ты, получают так называемую солнечную батарею,
которая может быть использована для электропи-
тания различных устройств, в частности искусствен-
ных спутников Земли и космических кораблей. Срок
службы солнечных батарей очень большой.
Фотодиоды. Фотодиодом называется двухэлект-
родный полупроводниковый прибор с одним элект-
ронно-дырочным переходом, обратный ток которого
91
Рис. 3.10
Рис. 3.11
изменяется под действием лучистой энергии и яв-
ляется его рабочим током.
По своему устройству фотодиод подобен вентиль-
ному фотоэлементу. На рис. 3.10 показаны структур-
ная схема и условное обозначение фотодиода.
Фотодиоды могут включаться по двум схе-
мам: с внешним источником электрического питания
(рис. 3.11,«) и без него (рис. 3.11, б). Режим работы
фотодиода с внешним источником называется фото-
диодным, а без источника — вентильным или фото-
гальваническим.
При работе фотодиода в фотодиодном режиме в
нем происходят следующие физические процессы.
Когда на диод не воздействует поток лучистой
энергии, через /г-и-переход диода протекает неболь-
шой величины обратный ток, называемый темновым
током. Этот ток обусловлен неосновными носителя-
ми электрических зарядов при разрывах ковалентных
связей, вызванных тепловым воздействием окружаю-
щей среды. При облучении фотодиода благодаря
внутреннему фотоэффекту возникают дополнитель-
ные дырки и электроны. Дырки диффундируют в
г.пбь облучаемой области, доходят до р-н-перехода и
под действием элекрического поля д-//-перехода увле-
каются в p-область диода.
Таким образом, поток лучистой энергии увели-
чивает число неосновных носителей электрических
зарядов, что приводит к росту тока в цепи диода, а
следовательно, и падению напряжения на сопротивле-
нии нагрузки.
Падение напряжения на сопротивлении нагрузки
является полезным. Оно пропорционально потоку,
воздействующему на фотодиод.
При работе фотодиода в вентильном режиме и
при отсутствии облучающего потока лучистой энер-
92
гии темнового тока в цепи диода нет, так как
^-//-переход находится в равновесном состоянии, при
котором токи диффузии уравновешиваются токами
дрейфа.
При облучении фотодиода в полупроводнике
будут создаваться дырки и электроны за счет разрыва
ковалентных связей. Под действием электрического
поля р-д-перехода дырки будут переходить через поле
в p-область диода, а электроны остаются в «-области,
поскольку не в состоянии преодолеть потенциальный
барьер р-д-перехода.
Таким образом, при облучении диода происходит
накопление дырок в p-области и электронов в «-обла-
сти. Накопление избыточных зарядов вызывает пони-
жение высоты потенциального барьера р-н-перехода
на величину фотоЭДС. Это приводит к росту диффу-
зионных токов основных носителей через р-//-переход.
Между встречными потоками электрических зарядов
наступает динамическое равновесие и между электро-
дами фотодиода устанавливается электрическая раз-
ность потенциалов, представляющая собой фотоЭДС.
В этом режиме фотодиод не требует внешнего
источника питания, поскольку сам является гене-
ратором электрического тока, фотоЭДС может дости-
гать 1 В.
Основными характеристиками фотодиодов явля-
ются световая, вольт-амперная и спектральная.
Световые характеристики (рис. 3.12) показывают
зависимость фототока от потока. В фотодиодном
режиме они почти линейны (рис. 3.12, а).
В вентильном режиме (рис. 3.12, б) линейность
зависит от сопротивления нагрузки, с увеличением
Рис. 3.12
93
сопротивления характеристики становятся все более
нелинейными, а повышение освещенности снижает
чувствительность.
Вольт-амперные характеристики (рис. 3.13) выра-
жают зависимость тока фотодиода от обратного
напряжения при различных потоках лучистой энергии.
Из характеристик видно, что с увеличением потока
ток диода увеличивается. Характеристика, снятая при
Ф = 0, характеризует темновой ток и соответствует
обратному току обычного диода.
На рис. 3.14 показаны спектральные характеристи-
ки германиевых и кремниевых фотодиодов. Спект-
ральные характеристики характеризуют зависимость
фототока от длины волны лучистой энергии.
Германиевые фотодиоды захватывают область
инфракрасных лучей (к—1,5 мкм). Для кремниевых —
максимум солнечного спектра (Х = 0,8 мкм).
К параметрам фотодиодов можно отнести вели-
чину темнового тока, максимально допустимое на-
пряжение, рабочее напряжение, интегральную чувст-
вительность.
Темновой ток /т измеряют обычно при обратном
напряжении, равном 1 В.
Максимально-допустимое напряжение Сдтах-—об-
ратное напряжение, при котором не происходит
электрический пробой р-п-перехода. Интегральная
чувствительность показывает, на сколько изменится
фототок при изменении светового потока на 1 лм:
5ипт = А7ф/АФ.
Маркируются фотодиоды так:
ФД — фотодиод германиевый;
ФДК—фотодиод кремниевый;
94
Цифра, стоящая после букв указывает на номер
заводской разработки. Например, ФД-3, ФДК-1.
Фотодиоды широко используются как приемники
лучистой энергии в различных радиоэлектронных
устройствах.
Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды
являются пассивными преобразователями лучистой
энергии, т. е. не обладающими усилительными свойс-
твами. В отличие от этих приборов фототранзистор
является активным преобразователем, в нем проис-
ходит не только преобразование энергии излучения,
по и усиление.
Конструктивно фототранзистор представляет струк-
туру плоскостного транзистора р-п-р- или n-p-zz-типа.
Фототранзистор имеет три электрода: эмиттер, кол-
лектор и базу, причем базовая область подвергается
облучению потоком лучистой энергии.
Конструктивно фототранзисторы выполняются
в металлическом корпусе со стеклянным окном
(рис. 3.15).
На практике возможны две схемы включе-
ния фототранзисторов: схема со свободной базой
(рис. 3.16, а) и схема (рис. 3.16, б) в которой на базу
подается напряжение смещения, необходимое для
получения линейной характеристики.
Поскольку фототранзисторы включаются по схеме
с общим эмиттером, то при нулевом токе базы
темновой ток Д будет больше, чем в фотодиоде:
Л=/ко=^=Р4о-
1-а0
При облучении области базы в ней создаются
неравновесные носители электрических зарядов (дыр-
Рис. 3.16
95
ки и электроны). Неосновные носители электрических
зарядов базы будут втягиваться полем коллекторного
перехода в коллекторную область транзистора, увели-
чивая обратный ток коллекторного перехода. Основ-
ные неравновесные носители остаются в базе, по-
скольку она не имеет вывода во внешнюю цепь, при
этом снижается высота потенциального барьера эмит-
терного перехода. Уменьшение высоты потенциаль-
ного барьера увеличивает инжекцию из эмиттера в
базу дополнительных зарядов, меньшая часть реком-
бинируется в области базы, а большая часть уходит в
коллектор через коллекторный переход. Коллектор-
ный ток возрастает. Дополнительный объемный
заряд, образованный в базовой области при ее
облучении, обеспечивает в фототранзисторе усиление
фототока. При равенстве в потоках лучистой энергии
изменение тока в фототранзисторе будет в Р =
= а0(1-7.0) раз меньше, чем в фотодиоде.
Основными параметрами фототранзисторов яв-
ляются: темновой ток, интегральная чувствитель-
ность, коэффициент передачи по току р, допустимый
ток и мощность при облучении.
Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются
в качестве приемников лучистой энергии в различных
фотоэлектронных устройствах. Маркируются фото-
транзисторы буквами ФТ, например ФТ-1.
Светодиоды. Светодиодом называют полупровод-
никовый диод с одним электронно-дырочным пере-
ходом, в котором происходит непосредственное пре-
образование электрической энергии в энергию све-
тового излучения (видимого или инфракрасного) за
счет рекомбинации элек-
тронов и дырок. В обыч-
ных диодах процесс реком-
бинации заканчивается вы-
делением энергии, кото-
рая отдается кристалли-
ческой решетке, т. е. пре-
вращается в теплоту. Од-
нако у полупроводников,
выполненных на основе
арсенида галлия, карбида
кремния, при рекомбина-
ции происходит излуче-
ние света.
96
Рис. 3.18
Конструкция светодиода и схема его включения
представлены на рис. 3.17, а, 6.
Светодиоды нуждаются в источнике питания с
большим внутренним сопротивлением. Для этого
последовательно с источником питания включают ре-
зистор Ro, в результате ток, проходящий через свето-
диод, меньше зависит от напряжения питания. Основ-
ными характеристиками для светодиодов являются
вольт-амперная /пр=/1(С), а также зависимость мощ-
ности и яркости излучения от прямого тока:
M2(U и В=/з(7пр).
Вольт-амперная характеристика светодиодов ана-
логична характеристике обычного диода. Две другие
характеристики изображены на рис. 3.18, а, б.
К основным параметрам светодиодов относятся
мощность излучения Р, длина волны излучаемого
света X и КПД.
Длина световой волны, определяющая цвет свече-
ния, зависит от материала полупроводника и введен-
ных примесей. Так, длина волны излучения приборов
из фосфида галлия соответствует зеленому цвету, а
введением примесей можно получить более длинно-
волновое излучение, которое соответствует желтому и
красному цветам. КПД светодиода определяется
отношением мощности излучения к электрической
мощности, подводимой к диоду, и лежит в пределах
0,1 — 1%. Низкие напряжения (менее 3 В) и малые
токи (5—10 мА) обеспечивают совместимость свето-
диодов с интегральными микросхемами. Это обстоя-
тельство, а также небольшие габариты, высокая
надежность, большой срок службы и низкая стои-
мость делают светодиоды особенно удобными в
схемах современных ЭВМ (например, в схемах
индикации, системах фотопамяти и др.).
4—815
97
a)
г)
Светодиоды имеют инер-
ционность, не превышаю-
щую 10-6—10-8 с, что по-
зволяет применять их в им-
пульсных режимах на часто-
тах от I до 100 мГц. Све-
тодиоды находят примене-
ние в индикаторных схе-
мах, в вычислительной тех-
нике, ядерной радиоэлект-
ронике, автоматике, элект-
ронных цифровых часах и т. д.
Широкое применение получили . не отдельные
Рис. 3.19
светодиоды, а матрицы светодиодов, позволяющие
воспроизводить цифру или букву от А до Я,
применяются в устройствах отображения информа-
ции и различных табло.
Оптроны. Светодиоды нашли широкое применение
в создании нового класса приборов, получивших
название оптронов (рис. 3.19).
Они состоят из источника — светодиода и прием-
ника излучения (фоторезистора, фотодиода, фото-
транзистора), связанных оптической средой и конст-
руктивно объединенных в одном корпусе.
Условные графические изображения некоторых
оптронов приведены на рис. 3.19: а — резисторный;
б—диодный; в — транзисторный; г — тиристорный.
Вход и выход оптрона электрически развязаны.
Оптическая среда распространения сигнала от излу-
чателя к приемнику может представлять световод,
представляющий собой нить из прозрачного диэлект-
рика. Световой луч поступает в торец световода,
после многократного отражения от боковых стенок
нити он выходит с другого конца световода.
С помощью волоконного световода можно раз-
местить приемник от излучателя на значительном
расстоянии, обеспечив их высокую электрическую
изоляцию при сохранении помехоустойчивого уп-
равления.
Оптроны применяются в быстропереключающих
схемах, генераторах, для согласования высоковольт-
ных и низковольтных цепей, измерений в цепях
высокого напряжения, усиления и модуляции.
Оптроны являются элементной базой для нового
направления электроники — оптоэлектроники.
98
Контрольные вопросы
1. Сформулировать основные законы фотоэффекта.
2. В чем отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего9
3. Как устроен фотоэлемент с внешним фотоэффектом?
4. Чем отличается интегральная и спектральная чувствитель-
ности фотоэлектронных приборов?
5. Как устроены многокаскадные ФЭУ?
6. Определить коэффициент усиления фототока в четырехкас-
кадном ФЭУ, если известно, что коэффициент вторичной эмиссии
с = 3.
7. Объяснить усроиство фоторезистора.
8. Почему фоторезисторы можно применять в цепях как
постоянного, так и переменного токов?
9. Можно ли использовать свойства фотодиода, если к нему
подведено прямое напряжение?
10. Как устроена солнечная батарея?
11. Чем объяснить увеличение интегральной чувствительности
фототранзистора по сравнению с фотодиодом?
12. Указать основные области применения различных фото-
приборов.
ГЛАВА 4
ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
И СТАБИЛИЗАТОРЫ
Для многих современных электронных устройств
необходима энергия постоянного тока. Источниками
постоянного тока могут служить гальванические
элементы, акуумуляторы, генераторы постоянного
тока, термоэлектрогенераторы и выпрямители. Наи-
более распространенным источником постоянного
тока является выпрямитель.
Выпрямителем называют устройство, предназна-
ченное для преобразования энергии переменного тока
в энергию постоянного тока. По сравнению с
другими источниками постоянного тока выпрямители
обладают существенными преимуществами: они прос-
ты в эксплуатации и надежны в работе, облада-
ют высоким КПД, имеют длительный срок служ-
бы. Структурная схема выпрямителя приведена на
рис. 4.1.
Трансформатор 1 предназначен для изменения
питающего напряжения сети с целью получения
заданной величины выпрямленного напряжения на
нагрузке 4. С помощью выпрямителя 2 осуществляют
4*
99
4
1
2
3
Рис. 4.1
преобразование переменного напряжения в пуль-
сирующее. Фильтр 3 предназначен для сглажива-
ния пульсаций выходного напряжения выпрямителя.
В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые
звенья приведенной структурной схемы, за исключе-
нием основного элемента — выпрямителя. Например,
выпрямитель может быть включен в сеть без транс-
форматора или работа выпрямителя на нагрузку
осуществляется без фильтра. С другой стороны, очень
часто в состав выпрямителя входит стабилизатор
напряжения или тока, который можно включать на
выходе (по постоянному току) или на входе (по
переменному току). Питание электронной аппаратуры
чаще всего осуществляется с помощью маломощных
выпрямителей, работающих от однофазной сети
переменного тока. Такие выпрямители называются
однофазными. Они делятся на: а) однополупериодные,
в которых ток через вентиль проходит в течение
одного полупериода переменного напряжения сети;
б) двухполупериодные, в которых ток проходит через
вентиль в течение обоих полупериодов; в) схемы с
умножением напряжения.
Для питания мощных промышленных установок
используют выпрямители средней и большой мощ-
ности, работающие от трехфазной сети. В современ-
ных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего
используются полупроводниковые диоды.
В электронной аппаратуре широко применяются
преобразователи постоянного напряжения, позволяю-
щие преобразовать постоянный ток одного напряже-
ния в постоянный или переменный ток другого
напряжения.
§ 4.1. СХЕМЫ ВЫПРЯ' 1 ЛЕНИЯ
Однополупериодные выпрямители. Однополупери-
одная схема выпрямления с активной нагрузкой
(рис. 4.2, а) является простейшей из известных схем
выпрямления. Для упрощения анализа будем считать
100
a)
Рис. 4.2
диод и трансформатор идеальными, т. е. полагаем,
что сопротивление диода в прямом направлении
равно нулю, в обратном — бесконечности, а активные
и реактивные сопротивления обмоток трансформато-
ра равны нулю. В течение первого полупериода
напряжения на вторичной обмотке трансформатора,
когда на аноде диода УД потенциал будет положи-
тельный относительно катода, диод открыт. Напря-
жение U2 на вторичной обмотке трансформатора
будет непосредственно приложено к нагрузке RB и в
ней возникнет ток i2 (рис. 4.2,6), который будет
повторять форму напряжения на вторичной обмотке
трансформатора, так как трансформатор идеальный.
В течение второго полупериода на аноде диода УД
будет отрицательный относительно катода потенци-
ал, диод закрыт, а ток в нагрузке окажется равным
нулю. Среднее значение выпрямленного напряжения
на нагрузке, его постоянную составляющую Uo = U„ в
пределах периода, можно найти из следующего
равенства (см. рис. 4.2,6):
C2dz. (4.1)
о
Если напряжение U2 изменяется по синусоидаль-
ному закону U2 = U2т sin coz, то
п
Со = — t72msincordco/ =—. (4.2)
2к I к
о
Заменив амплитудное значение напряжения U2m
его действующим (С2т = х/2С2), получим
101
Uo = ^/2U2/ti = 0,45U2. (4.3)
Отсюда
{72 = nt70/x/2 = 2,22C/0, (4.4)
т. е. действующее напряжение вторичной обмотки транс-
сформатора в 2,22 раза превышает выпрямленное на-
пряжение на нагрузке. Постоянную составляющую вы-
прямленного тока 10 можно подсчитать по формуле
/0= С/о/Л= С/2„,/л/?н = 72т/л = 0,318/2т. (4.5)
Обычно значение напряжения Uo, так же как тока,
задается при расчете выпрямителя.
Если напряжение сети U1 известно, то коэффици-
ент трансформации трансформатора, необходимый
для обеспечения заданного напряжения Uo на нагруз-
ке, должен быть равен
л=[/1/[/2. (4.6)
Из работы схемы следует, что в течение тех
полупериодов, когда диод закрыт, к нему приложено
напряжение, равное напряжению на вторичной об-
мотке трансформатора, причем это напряжение имеет
обратную для диода полярность (« —» на аноде).
Максимальная величина этого напряжения, называе-
мая обратным напряжением [/о6р, в нашем случае
равна амплитуде напряжения на вторичной обмотке
трансформатора U2m, т. е.
Uo6p= U2m = 3,14U0. (4.7)
Таким образом, максимальное обратное напря-
жение на диоде более чем в 3 раза превышает
выпрямленное напряжение па нагрузке.
При проектировании однополупериодных выпря-
мителей важно правильно выбрать тип диода, кото-
рый удовлетворительно работал бы в такой схеме.
Этот выбор проводят на основе двух соображений.
Во-первых, диод должен обладать определенной
электрической прочностью, т. е. допустимое обратное
напряжение для диода должно быть больше или
равно расчетному обратному напряжению схемы:
^обр max > ПобР, (4.8)
где С7о6ртах — максимально допустимое обратное на-
пряжение выбранного диода.
102
Если неравенство (4.8) не выполняется, необходи-
мо либо взять диод с более высоким допустимым
обратным напряжением, либо включить несколько
однотипных диодов последовательно (см. рис. 2.11, а).
Во-вторых, допустимый ток диода должен превы-
шать величину Zo. Поэтому необходимо, чтобы
Znpepmax А>- (4-9)
Если неравенство (4.9) не выполняется, то необхо-
димо подобрать диод с более высоким значением
Znpcpmax или включить несколько однотипных диодов
параллельно друг другу (см. рис. 2.11,6).
Из рис. 4.2,6 видно, что напряжение на нагрузке
пульсирует, достигая максимального значения один
раз за период, такую кривую напряжения можно
представить в виде суммы постоянной составляющей
и ряда синусоид различной амплитуды и частоты.
Постоянная составляющая С70, т. е. среднее значение
выпрямленного напряжения на нагрузке, была опре-
делена ранее [см. (4.3)]. Из переменных составляю-
щих выпрямленного напряжения наибольшую ампли-
туду имеет составляющая самой низкой (основной)
частоты, т. е. амплитуда первой гармоники. Можно
показать, что для однополупериодной схемы ампли-
туда первой гармоники
[/1гт= 1,57{7О. (4.10)
Частота первой гармоники /г равна частоте сети
/с, так как кривая напряжения на нагрузке достигает
максимального значения один раз за период.
Пульсации напряжения на нагрузке оцениваются
коэффициентом пульсаций
kn=Ulrm/U0. (4.11)
Для однополупериодной схемы коэффициент пуль-
саций с учетом (4.10)
fcn=l,57l/o/l7o = l,57, (4.12)
т. е. амплитуда первой гармоники в 1,57 раза больше
выпрямленного напряжения.
По вторичной обмотке проходит постоянная сос-
тавляющая тока нагрузки 10. Она подмагничивает
сердечник трансформатора. В стали трансформатора
возникают потери, увеличивается ток холостого хода
трансформатора и снижается КПД всего устройства.
103
Для уменьшения тока холостого хода и потерь в
стали трансформатора приходится увеличивать сече-
ние его сердечника. Это увеличивает габариты и
массу всего выпрямителя.
Постоянная составляющая /0 тока в отличие от
переменных не трансформируется в первичную об-
мотку трансформатора, поэтому для определения
величины и формы тока в первичной обмотке нужно
вычесть из тока вторичной обмотки i2 постоянную
составляющую 70 и мгновенные значения тока изме-
нить в п раз:
'1=(«2-/о)/«
или
п
где п = lj\ / U2 — коэффициент трансформации.
Из (4.5) легко находится амплитуда тока вторич-
ной обмотки /2т=1Д7/0, поэтому
/1=1 /(1,57/O)2 -I2 =—^/1,57—1 = 1,21—, (4.13)
п п v п
ток первичной обмотки несинусоидален.
Полезная мощность выпрямителя, отдаваемая им
в нагрузку, определяется по формуле
P0=U0I0. (4.14)
При определении мощности трансформатора не-
обходимо учитывать не только постоянные, но и
переменные составляющие тока и напряжения. Эта
мощность называется габаритной и определяется
действующими значениями тока и напряжения
S2 = U2I2; 5тр = 0,5(5i + 52), (4.15)
где S2. 5i, 5тр — габаритные мощности вторичной,
первичной обмотки и трансформатора, В • А.
В однополупериодной схеме выпрямления габа-
ритная мощность вторичной обмотки больше, чем
первичной, из-за наличия постоянной составляющей в
токе вторичной обмотки, следовательно, габаритная
мощность трансформатора также возрастает. Это
является недостатком однополупериодной схемы вы-
прямления.
104
Коэффициентом использования трансформатора
называется отношение полезной мощности выпрями-
теля к габаритной мощности трансформатора:
/стр = Р0/5тр. (4.16)
Для однополупериодной схемы выпрямления 51 =
= 2,69^0, 52 = 3,49РО, 5тр = 3,097’о, кгр = 0,324.
Большой коэффициент пульсации, большие разме-
ры трансформатора вследствие плохого использова-
ния его обмоток, большое обратное напряжение на
диод ограничивают применение однополупериодной
схемы выпрямления, несмотря на ее простоту.
Из-за больших пульсаций эту схему используют с
емкостным фильтром, работа которого рассмотрена
в § 4.2.
Двухполупериодные выпрямители. Двухполупери-
одные схемы выпрямления бывают двух типов, схема
с выведенной средней точкой вторичной обмотки
силового трансформатора и мостовая схема.
Двухполупериодная схема с выводом средней ,
точки (рис. 4.3, а) состоит из трансформатора Тр,
вторичная обмотка которого имеет дополнительный
вывод от средней точки, двух диодов УД1 и УД2.
Данная схема представляет собой сочетание двух
однополупериодных схем, работающих на общую
нагрузку. В этой схеме в течение первого полупериода
(интервал 0—л) диод УД1 будет открыт, так как к
аноду диода приложен положительный потенциал с
верхней точки вторичной обмотки трансформатора, а
катод через нагрузку подключен к среднему выводу
вторичной обмотки, который имеет отрицательный
105
потенциал. Через нагрузку Л„ будет проходить ток
ival первого диода (см. рис. 4.3). На этом же отрезке
времени к диоду УД2 будет приложено обратное
напряжение (с другой половины вторичной обмотки
трансформатора) и он окажется закрытым. В течение
следующего полупериода (интервал л — 2л) прямое
напряжение окажется приложенным ко второму дио-
ду, а обратное—к первому диоду, поэтому откры-
тым будет диод УД2 и по нагрузке проходит ток ivд 2.
Таким образом, ток в нагрузке в течение всего
периода переменного напряжения протекает в одном
и том же направлении. Этот ток вызывает на
нагрузке пульсирующее напряжение UH.
Постоянная составляющая напряжения на нагруз-
ке Uo за период будет в 2 раза больше, чем при
однополупериодном выпрямлении, и тогда с учетом
(4.3)
[/о = 2>^ = 0,9С/2, (4.17)
Tt
где U2—действующее значение напряжения на одной
из полуобмоток трансформатора.
Максимальное обратное напряжение на диоде,
например на УД1 (см. рис. 4.3, а), определяется
максимальным напряжением между концами вторич-
ной обмотки, так как к аноду диода УД1 приложено
напряжение верхнего конца вторичной обмотки, в
данный момент отрицательное, а к катоду через диод
УД2, который проводит ток, приложено положитель-
ное напряжение нижнего конца вторичной обмотки.
Используя (4.17), получим
[/о6р = 2 У2б/2 = лП0 = 3,14[/0. (4.18)
Следовательно, в двухполупериодной схеме макси-
мальное обратное напряжение на диоде более чем в 3
раза превышает выпрямленное напряжение.
Если в данной схеме ток через каждый диод
проходит только в течение половины периода, то в
это же время через нагрузку он идет в течение всего
периода. Это означает, что среднее значение тока
через диод в 2 раза меньше, чем среднее значение
тока через нагрузку /0. Обозначив среднее значение
тока через диод /прср, получим
/Прср = 0,57о. (4.19)
106
Действующее значение тока, проходящего через
вторичную обмотку трансформатора, для двухполу-
периодной схемы равно
72 = 0,785/о,
т. е. в 2 раза меньше, чем в однополупериодной
схеме.
Из временных диаграмм (рис. 4.3, б) видно, что
напряжение на нагрузке достигает максимума дважды
за период напряжения сети. Поэтому частота основ-
ной гармоники пульсирующего напряжения равна
удвоенной частоте напряжения сети.
Для двухполупериодной схемы коэффициент пуль-
саций к = 0,67.
Следовательно, рассмотренная схема дает более
сглаженное выпрямленное напряжение, чем однополу-
периодная.
Сердечник трансформатора в схеме двухполупери-
одного выпрямления не подмагничивается, так как во
время четных полупериодов постоянная составляю-
щая тока, проходя по нижней части вторичной
обмотки трансформатора, размагничивает сердечник
трансформатора, который намагнитился во время
нечетных полупериодов. Ток первичной обмотки
синусоидален. Так как для получения выпрямленного
напряжения необходим трансформатор с средним
выводом вторичной обмотки и каждая из половин
вторичной обмотки работает только полпериода, то
вторичная обмотка в этой схеме выпрямления ис-
пользуется не полностью и коэффициент использова-
ния обмоток трансформатора ниже.
Для двухполупериодной схемы выпрямления с
выводом от средней точки трансформатора St =
= 1,23РО; Si= 1,14Р0- 5,тр=1,48Р0; £тр = 0,685.
Сравнивая двухполупериодную схему выпрямле-
ния с однополупериодной, можно сделать следующие
выводы: среднее значение тока диода уменьшается в
2 раза при одном и том же токе нагрузки; меньше
коэффициент пульсаций (0,67), лучше используется
трансформатор; обратное напряжение в обоих схемах
одинаково. Однако есть и недостатки: необходимость
вывода средней точки вторичной обмотки трансфор-
матора, а также наличие двух диодов вместо одного.
Широкое распространение получила двухполупери-
одная мостовая схема выпрямителя (рис. 4.4), в
107
которой используется про-
стой трансформатор и че-
тыре диода, включенных по
мостовой схеме. Перемен-
ное напряжение подводится
к одной диагонали моста,
а выпрямленное напряжение
снимается с другой.
Рассмотрим работу мо-
стовой схемы. Пусть в неко-
торый момент времени пе-
ременное напряжение на вто-
Рис‘ 4 4 ричной обмотке трансфор-
матора такова, что потенциал точки А выше потенци-
ала точки В. Тогда от точки А (« + » источника
напряжения) ток будет проходить через диод УД4 к
точке Г, далее через нагрузку к точке Б и через диод
УД2 к точке В (« —» источника напряжения). В
течение следующего полупериода, когда потенциал
точки В выше потенциала точки А, ток от точки В
будет проходить через диод УДЗ, нагрузку и диод
УД1 к точке А. Для первого полупериода направле-
ние тока показано сплошными стрелками, для второ-
го полупериода направление тока показано пунктир-
ными стрелками. В любой полупериод ток через
нагрузку проходит в одном направлении.
Временные диаграммы мостовой схемы совпада-
ют с диаграммами двухполупериодной схемы.
Поэтому для мостовой схемы оказывается спра-
ведливым соотношение t7o = 0,9tZ2- Среднее значение
тока /прср, проходящего через каждый диод, можно
найти по формуле /прср = 0,5/о.
Выпрямленный ток в данной схеме, в отличие от
двухполупериодной схемы со средней точкой, проте-
кает во вторичной обмотке в течение обоих полупе-
риодов то в одном, то в другом направлении,
поэтому отсутствует намагничивание сердечника
трансформатора. Это позволяет уменьшить размеры
и массу трансформатора. Для мостовой схемы St =
= 52 = 5тр=1,23Р0; /стр = 0,81.
Когда диод УД1 не проводит ток, к его аноду
приложены положительный потенциал с верхнего
конца вторичной обмотки, а к катоду через открытый
диод УД2 приложен отрицательный потенциал ниж-
него конца вторичной обмотки. Таким образом, в
108
непроводящем направлении диод оказывается под
напряжением вторичной обмотки трансформатора:
t/o6p=t/2m = x/2[/2=l,57[/0, (4.20)
т. е. обратное напряжение на мостовой схеме в 2 раза
меньше, чем в двухполупериодной со средней точкой.
Коэффициент пульсаций такой же, как и в схеме со
средней точкой: /сп = 0,67.
Преимущества мостовой схемы выпрямителя пе-
ред схемой со средней точкой:
1) обратное напряжение, прикладываемое к нера-
ботающим диодам, в 2 раза меньше;
2) конструкция трансформатора проще, так как не
требуется вывода средней точки вторичной обмотки;
3) возможность применения схемы без трансфор-
матора, когда напряжение сети соответствует напря-
жению, которое должно быть приложено к мосту;
4) габариты и масса трансформатора меньше
вследствие лучшего использования обмоток.
Недостатком мостовой схемы следует считать
наличие четырех диодов по сравнению с двумя
диодами в схеме со средней точкой.
Выпрямители с умножением напряжения. Схемы
умножения напряжения позволяют получать напряже-
ние на нагрузке в несколько раз больше напряжения
вторичной обмотки трансформатора.
Простейшая схема выпрямителя с умножением
напряжения приведена на рис. 4.5. Она состоит из
двух однополупериодных выпрямителей, питаемых от
одной и той же вторичной обмотки трансформатора.
Один из выпрямителей образован диодом УД1 и
конденсатором CI, второй—диодом УД2 и конденса-
тором С2. Нагрузка включена параллельно конденса-
тору С2.
В течение полупериода, когда нижний конец
вторичной обмотки трансформатора является поло-
жительным, ток прохо-
дит через диод УД1 и
заряжает конденсатор С1.
В следующий полупе-
риод напряжение вторич-
ной обмотки трансфор-
матора суммируется с на-
пряжением на конденса-
109
Рис. 4.6
торе Cl, разряжающемся на нагрузку. Эта сумма
напряжений заряжает конденсатор С2 через диод
УД2. В результате напряжение на конденсаторе С2 и
нагрузке R„ будет приблизительно равным двойному
амплитудному значению напряжения вторичной об-
мотки трансформатора. Эта схема имеет все недо-
статки, присущие однополупериодной схеме выпрям-
ления.
На основе однополупериодной схемы умножения
напряжения строятся по схеме многократного умно-
жения, позволяющей получить увеличение напря-
жения в 3—5 раз и более. Схемы умножения
применяются в маломощных выпрямителях, напри-
мер для питания анодов электронно-лучевых трубок,
в электронных микроскопах и т. д.
Трехфазные выпрямители. Вьпрямители трехфаз-
ного тока применяются, в основном, для питания
потребителей средней и большой мощности. При
этом они равномерно нагружают сеть трехфазного
тока. Из всего многообразия схем трехфазных выпря-
мителей наиболее простой является трехфазная схема
с нулевым выводом, представленная на рис. 4.6, а.
Рассмотрим работу этой схемы в случае чисто
активной нагрузки. Как видно из рис. 4.6, а, схема
состоит из трехфазного трансформатора Тр, трех
вентилей и сопротивления нагрузки RH. Первичная
обмотка трансформатора может быть соединена
звездой или треугольником, вторичная—только звез-
дой. Катоды вентилей УД1, УД2 и УДЗ соединенные
ПО
между собой, имеют положительный потенциал по
отношению к нагрузке Ля; на нулевой точке транс-
; эрматора — отрицательный потенциал.
Вентили в приведенной схеме работают поочеред-
но. каждый в течение одной трети периода, когда
потенциал анода одного вентиля более положителен,
чем потенциалы анодов двух вентилей, т. е. когда
соответствующее фазное напряжение будет положи-
тельным и больше двух других фазных напряжений.
Например, в интервале времени t2 (рис. 4.6, б),
когда напряжение U2a положительно, а напряжения
б’2Ь и U2c или отрицательны, или положительны, но
имеют меньшее значение, чем напряжение U2a, ток
будет проходить по фазе ««» вторичной обмотки
трансформатора через вентиль УД1 и нагрузочный
резистор Ан. В следующую треть периода в интервале
времени t2, t3 будет работать вентиль УД2, так как
его анод имеет более высокий положительный потен-
циал, чем аноды вентилей УД1 и УДЗ. Ток будет
проходить по фазе «Ь» вторичной обмотки трансфор-
матора через вентиль УД2 и нагрузку, причем через
нагрузку он будет проходить в том же направлении,
что и в предыдущую треть периода. После этого
будет работать вентиль J ДЗ, затем снова вентиль
УД1 и т. д.
На рис. 4.6, б выпрямленное (пульсирующее) на-
пряжение, образованное участками синусоид фазных
напряжений, изображено более толстой линией. Из
этого же рисунка видно, что пульсации напряжения
на нагрузке значительно меньше, чем в схемах
выпрямителей однофазного тока, и их частота в 3
раза больше частоты сети, что облегчает фильтра-
цию. Если применить схему с большим числоь
вентилей, то пульсации больше уменьшаются, I
поэтому в некоторых случаях можно обойтись бе:
сглаживающих фильтров. Укажем основные расчет
ные соотношения для трехфазного выпрямителя:
среднее значение выпрямленного напряжения
6/о = 0,827[72т= 1,17С72; (4.2!
среднее значение выпрямленного тока
Зо — Uq/Rh,
а с учетом (4.21)
7о = 0,827/2т; (4.2.
среднее значение тока вентитя
/пРсР = /о/3; (4.23)
максимальное значение обратного напряжения
f/o6p = x/3t72m = 2,09[70; (4.24)
коэффициент пульсаций &п = 0,25.
Эта схема из-за малого падения напряжения на
вентилях часто применяется при очень низких вы-
прямленных напряжениях. К недостаткам схемы
относятся: большая величина обратного напряжения;
плохое использование трансформатора и подмагничи-
вание сердечника трансформатора постоянной состав-
ляющей выпрямленного тока, проходящей во вторич-
ных обмотках трехфазного трансформатора.
§ 4.2. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
При рассмотрении схем выпрямителей было уста-
новлено, что выпрямленное напряжение всегда явля-
ется пульсирующим и содержит кроме постоянной пе-
ременные составляющие. Допустимые значения коэф-
фициента пульсаций зависят от назначения и режима
работы устройства. Поскольку в любой схеме выпря-
мителя коэффициент пульсаций выходного напряже-
ния во много раз превышает пределы допустимых зна-
чений, на выходе выпрямителей включают сглажива-
ющие фильтры. Основными требованиями, предъяв-
ляемыми к сглаживающему фильтру, являются умень-
шение переменной составляющей и минимальное
уменьшение постоянной составляющей выпрямленно-
го напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр
включают между выпрямителем п нагрузкой и через
него проходит весь ток нагрузки. При этом одновре-
менно с уменьшением переменной составляющей за
счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная
составляющая выпрямленного напряжения
Одним из основных параметров т являемся
коэффициент сглаживания.
Коэффициентом сглаживания з н.. . т ггЕЗше-
ние коэффициента пульсаций на в д_ фильтра к
коэффициенту пульсаций на ь*~ а.
4 = 11 • г-12?!
Роль простейших сглаживающих о ст “роз .черт
играть индуктивные кату:.-ti д- ... _ л е
112
Рис. 4.7
последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, вклю-
ченные параллельно нагрузке.
Для обеспечения хорошего сглаживания необходи-
мо, чтобы индуктивное сопротивление фильтра
(рис. 4.7, а), включенного последовательно с нагруз-
кой, было значительно больше сопротивления нагруз-
ки на частоте пульсаций соп, т. е. <вп£ф»£н. Так как
активное сопротивление дросселя обычно невелико,
то постоянная составляющая выпрямленного тока не
создаст потерь постоянного напряжения и постоян-
ные напряжения на входе фильтра и на нагрузке
можно считать практически равными Uo.
Применение индуктивного фильтра выгодно при
малых сопротивлениях нагрузки (в выпрямителях
большой мощности), так как в этом случае требуется
небольшая индуктивность для получения необходи-
мого коэффициента сглаживания.
При включении конденсатора параллельно нагруз-
ке (рис. 4.7,5) для лучшего сглаживания пульсаций
его емкостное сопротивление должно быть значитель-
но меньше сопротивления нагрузки, т. е. АгСф =
= 1/сопСф«;£н. Конденсатор заряжается через вентиль
в те моменты времени, когда напряжение на входе
фильтра превышает напряжение на конденсаторе.
В остальное время конденсатор разряжается на
нагрузку.
В качестве конденсаторов фильтра обычно исполь-
зуют электролитические конденсаторы, обладающие
большой емкостью.
Широкое применение на практике находят Г-об-
разные индуктивно-емкостные фильтры (рис. 4.8).
При выполнении условия Xc$<^Rb<<Xl4> такие
фильтры позволяют получать значительно более
высокий коэффициент сглаживания пульсаций, чем
113
L<p
Рис. 4.8
простейшие индуктивные и ем-
костные фильтры. По заданному
коэффициенту сглаживания пуль-
саций можно найти значение про-
изведения по следующей форму-
ле:
-ф’-ф — ------
2 2 5
т сое
(4.26)
выпрямления
где т — число фаз
риодной схемы т = 1, для двухполупериодных схем
т = 2, для трехфазной zn = 3); <вс — угловая частота
сети.
£С-фильтр будет хорошо работать при У£фз>/?н,
и ток через дроссель и нагрузку не должен прерывать-
ся. Для обеспечения этого необходимо иметь дрос-
сель с минимальной индуктивностью
2Яя
'ф“(,я2-1)™Юс'
(4-27)
Определив из (4.27) £ф и подставив ее в (4.26),
можно определить Сф.
Более эффективным является П-образный фильтр.
На рис. 4.9, а показана схема такого фильтра, пред-
ставляющего собой сочетание простейшего емкостно-
го и Г-образного фильтров.
Для получения более высокого коэффициента
сглаживания пульсаций необходимо увеличивать £ф и
Сф, что приводит к большим габаритным размерам и
массам дросселей и конденсаторов. В этом случае
лучшие результаты получаются с помощью сложных
многозвенных фильтров, состоящих из нескольких
последовательно соединенных Г-образных звеньев
фильтра (рис. 4.9,5).
Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра
<?ф равен произведению коэффициентов сглаживания
фильтров:
= (4.28)
Обычно коэффициенты сгтаживания отдельных
звеньев принимают равными друг другу.
При небольших значениях выпрямленного тока
(порядка 10—15 мА) и небольших значениях коэффи-
циента сглаживания в целях удешевления и упроще-
ния фильтра дроссель можно заменить активным
114
a)
ff)
Рис. 4.9
сопротивлением. Тогда получится /?С-фильтр (рис.
4.9,в), для которого КФСФ> 1/(тас);
R$C$ —
1,5-106д
тыс
(4.29)
Сопротивление R$ обычно принимают равным
(0,2—0,3) RH, а конденсатор Сф выбирают на напря-
жение, равное напряжению на нагрузке при холостом
ходе выпрямителя.
В £ф- и Сф-фильтрах объем и масса дросселя
становятся соизмеримыми с объемом и массой
трансформатора. В фильтрах, использующих вместо
дросселя транзистор, масса и габариты значительно
ниже и выходное сопротивление фильтра мало.
Принцип действия таких фильтров основан на ис-
пользовании особенностей выходной характеристики
транзисторов. При выборе рабочей точки тран-
зистора. после перегиба выходной характеристики
сопротивление между коллектором и эмиттером
постоянному току будет меньше, чем сопротивление
переменному току, поэтому транзистор можно ис-
пользовать вместо дросселя в схеме фильтра. Напря-
жение на выходе транзисторного фильтра всегда мень-
ше входного, КПД транзисторных фильтров низок.
При расчете выпрямителя надо учитывать харак-
тер сопротивления нагрузки, от которого во многом
зависят расчетные соотношения. В реальных схемах
выпрямителей сопротивление нагрузки редко бывает
активным. Это связано с тем, что сглаживающий
фильтр, включенный между выпрямителем и нагруз-
кой, представляет собой реактивное сопротивление.
§ 4.3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
В некоторых случаях выпрямительные установки
должны обеспечивать возможность плавного регули-
115
Рис. 4.10
рования среднего значе-
ния выпрямленного на-
пряжения Uo. Для этих
целей в настоящее вре-
мя применяются управ-
ляемые полупроводнико-
вые вентили-тиристоры.
Они обеспечивают плав-
ное регулирование вы-
прямленного напряжения
в широком диапазоне при
очень малом потребле-
нии мощности.
В § 4.1 была рассмот-
рена работа и схема (см.
рис. 4.3) двухполупериод-
ного выпрямителя с вы-
веденной средней точкой
вторичной обмотки транс-
форматора. На рис. 4.10 дана аналогичная схема
выпрямителя, в которой диоды заменены тиристо-
рами.
В схеме на неуправляемых диодах (см. рис. 4.3, я)
напряжение на нагрузке (см. рис. 4.3,6) соответствует
положительным полуволнам синусоидального напря-
жения на вторичной обмотке трансформатора Тр, а
диоды начинают проводить ток в момент перехода
напряжения через нуль (сог = О, л, 2л, ...).
В схеме же на управляемых тиристорах (рис.
4.10, я) момент открытия тиристоров УД1 и УД2
определяется моментом подачи на их управляющие
электроды импульсов Uy (рис. 4.10, в). В момент
прихода импульсов тиристоры открываются. Проис-
ходит задержка открытия тиристоров по отношению
к моменту перехода напряжения через нуль. Эта
задержка равна а. Угол а называют углом управле-
ния.
В интервалы времени 0; to/j и л; си2 мгновенное
значение напряжения на нагрузке равно нулю (рис.
4.10,6), так как оба тиристора заперты, а в моменты
времени и со/2 оно возрастает скачком, изменяясь
затем по синусоидальному закону, до момента
перехода напряжения через нуль. Изменением угла
управления можно регулировать выпрямленное на-
пряжение Uo. Очевидно, с увеличением угла а
116
величина [70 уменьшается. При этом увеличиваются
пульсации выпрямленного напряжения и уменьшается
КПД выпрямителя. Это является основным недостат-
ком управляемых выпрямителей.
Включение тиристоров осуществляется импульс-
ными сигналами прямоугольной формы малой дли-
тельности (рис. 4.10, в), которые вырабатываются
системой управления. Эта система управления пред-
назначена для формирования управляющих им-
пульсов прямоугольной формы и подачи их на
управляющие электроды с требуемым фазовым сдви-
гом.
§ 4.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Современная электроника предъявляет жесткие
требования к пульсациям выходного напряжения
источника питания. Постоянное напряжение источни-
ка питания должно быть неизменным. Основными
причинами, вызывающими колебания выходного на-
пряжения источника питания, являются изменения
напряжения сети и тока нагрузки.
Стабилизатором постоянного напряжения называ-
ется устройство, поддерживающее с требуемой точ-
ностью напряжение на нагрузке при изменении в
заданных пределах напряжения сети и сопротивления
нагрузки.
Стабилизаторы постоянного напряжения подраз-
деляются на параметрические и компенсационные.
Параметрическими стабилизаторами напряжения
называются устройства с нелинейными элементами
(кремниевый стабилитрон), параметры которых с
изменением напряжения изменяются таким образом,
что напряжение на нагрузке остается почти неизмен-
ным по величине. Принцип действия параметрическо-
го стабилизатора рассмотрен в § 2.3.
Преимущества параметрических стабилизаторов
постоянного напряжения — простота схемы; недостат-
ки— низкий КПД, невозможность регулирования вы-
ходного напряжения, небольшой коэффициент стаби-
лизации и возможность работы только при малых
токах нагрузки.
Более высокими техническими показателями обла-
дают стабилизаторы компенсационного типа, работа
которых основана на сравнении фактического значе-
117
Рис. 4.12
Рис. 4.11
ния выходного напряжения с заданным. Компенсаци-
онный стабилизатор (рис. 4.11) состоит из трех узлов:
источник опорного напряжения (ОН);
сравнивающий и усилительный элемент (СУ);
регулирующий элемент (РЭ).
Как следует из структурной схемы, регулирующий
элемент включается последовательно с источником
входного напряжения UBX и нагрузкой RH и выполняет
роль переменного гасящего резистора. Если по
каким-либо причинам напряжение на нагрузке откло-
нилось от своего номинального значения, то разность
опорного напряжения и выходного напряжения усили-
вается и воздействует на регулирующий элемент, за
счет чего выходное напряжение стабилизатора воз-
вращается к номинальному значению.
Основными параметрами стабилизатора являются
коэффициент стабилизации и выходное сопротивле-
ние. Коэффициентом стабилизации называют отноше-
ние относительного изменения напряжения на входе к
относительному изменению напряжения на выходе
стабилизатора при постоянном сопротивлении на-
грузки, т. е.
Д^вх/^вх
Д ^вых/^вых
(4.30)
где АСВХ, А(7ВЫХ— изменения напряжения на входе и
выходе стабилизатора; [7ВХ, [7ВЫХ— номинальные на-
пряжения на входе и выходе стабилизатора.
Этот параметр служит основным критерием для
выбора схемы стабилизатора. Выходным сопротивле-
нием стабилизатора называют отношение изменения
напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему
его изменению тока нагрузки при постоянном вход-
ном напряжении:
118
RBia = &UBia/bI„. (4.31)
Желательно, чтобы /?ВЬ1Х было небольшой величины.
Одна из возможных схем компенсационного ста-
билизатора напряжения приведена на рис. 4.12.
Транзистор VTI, включенный последовательно с
сопротивлением нагрузки /?н, является регулирующим
элементом, а транзистор VT2 является усилительным.
Кремниевый стабилитрон УД используется в качестве
источника опорного напряжения, а транзистор VT2
усиливает разность, образованную опорным напряже-
нием [7ОП и падением напряжения на резисторе R2.
Если напряжение на входе [7ВХ возрастает, то в
первый момент повышается напряжение на резисторе
делителя R2, а следовательно, увеличивается базовый
ток Z62. При этом увеличивается ток коллектора /к2 и
падение напряжения на резисторе R3. Потенциал
базы транзистора VTI повышается, а ток базы /61
снижается. Это приводит к увеличению напряжения
на транзисторе VTI до того значения, при котором
напряжение [7ВЬ1Х становится близким к прежнему.
В делителе Rl, R2 можно применить переменный
резистор для регулирования выходного напряжения.
Коэффициент стабилизации в компенсационных ста-
билизаторах может достигать нескольких тысяч.
Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспе-
чивают высокую точность поддержания стабильного
напряжения, значительное ослабление пульсаций и
возможность регулирования выходного напряжения.
Они применяются в блоках питания устройств,
собранных на полупроводниковых приборах, или
микросхемах. К недостаткам можно отнести низкий
КПД, так как на регулирующем транзисторе всегда
имеются потери выпрямленного напряжения.
Кроме стабилизаторов компенсационного типа
находят применение и импульсные стабилизаторы
напряжения. Если в компенсационных стабилизаторах
транзистор работает непрерывно, то в импульсных
стабилизаторах он работает в режиме переключения,
мощность на регулирующем транзисторе в режиме
переключения значительно меньше, чем при работе в
непрерывном режиме. Это повышает КПД стабилиза-
тора и уменьшает его габариты. Промышленность
выпускает стабилизаторы напряжения с различными
параметрами в интегральном исполнении.
119
§ 4.5. СТАБИЛИЗАТОРЫ ТОКА
Стабилизатором тока называют устройство, ав-
томатически обеспечивающее поддержание тока на-
грузочного устройства с заданной степенью точ-
ности.
В современных электронных устройствах стабили-
заторы постоянного тока используют для создания
стабильного постоянного тока (например, в электрон-
ном микроскопе).
Стабилизаторы тока , так же как и стабилизаторы
напряжения, могут быть параметрическими и компен-
сационными.
В параметрических стабилизаторах тока нелиней-
ный элемент включают последовательно с нагрузоч-
ным устройством.
В качестве нелинейного элемента применяют
прибор, вольт-амперная характеристика которого
содержит участок, где ток через него почти не
'зависит от напряжения на нем. Такую характери-
стику могут иметь биполярные и полевые тран-
зисторы, а также электронные приборы, называемые
бареттерами.
Бареттер состоит из герметичного баллона, запол-
ненного водородом или другим инертным газом, в
который помещена вольфрамовая или стальная нить
с выведенными наружу выводами.
При протекании тока через бареттер повыша-
ется температура нити и резко возрастает ее со-
противление. Поэтому при значительных измене-
ниях рабочего напряжения ток в цепи баретте-
ра (а следовательно, и в нагрузке) остается почти
неизменным.
Качество стабилизаторов постоянного тока харак-
теризуется коэффициентом стабилизации по току.
, _Д(7Ю/(7ВХ
/Сет; — ———-,
А 4/4
где 7Н, А/н — соответственно ток и изменение тока
нагрузки.
Для схемы с бареттерами &ст = 5ч-15.
Преимущества стабилизаторов тока с бареттера-
ми — их простота и возможность использования как
на постоянном, так и на переменном токе, недостат-
ки—малый коэффициент стабилизации, низкий КПД,
120
недостаточная надежность
и значительная инерцион-
ность.
Лучшие результаты да-
ют компенсационные стаби-
лизаторы тока.
В транзисторном стаби-
лизаторе постоянного тока
(рис. 4.13) последовательно
с нагрузкой включается эта-
лонный резистор R3T, напря-
жение на котором стабилизуется с помощью обыч-
ного стабилизатора напряжения УД1.
При изменении тока в нагрузке стабилизатора
сигнал рассогласования UR3T— Uon усиливается с по-
мощью усилителя постоянного тока, выполненного
на транзисторе VT2, и воздействует на регулирующий
элемент — транзистор VT1. В результате ток, проте-
кающий через нагрузку, остается неизменным.
Подобные схемы позволяют получить коэффи-
циент стабилизации кст; = 100 -н 200.
§ 4.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Часто необходимо преобразовать постоянное на-
пряжение одной величины в постоянное напряжение
другой. Эта необходимость возникает в том случае,
когда в качестве источников питания служат аккуму-
ляторы, сухие и солнечные батареи, т. е. источники,
чаще всего используемые для питания переносной и
передвижной радиоаппаратуры. Устройства, позво-
ляющие изменять постоянное напряжение по величи-
не, получили название преобразователей постоянного
напряжения.
Наиболее широкое применение получили тран-
зисторные преобразователи на небольшую мощ-
ность с малыми габаритами и массой, высоки-
ми КПД и эксплуатационной надежностью. Струк-
турная схема одного из преобразователей приведена
на рис. 4.14.
Основным элементом схемы любого транзистор-
ного преобразователя является автогенератор, кото-
рый, получая энергию от источника постоянного
121
Рис. 4.14
напряжения, вырабатывает переменное напряжение, 1
с помощью трансформатора получается требуемо,
его значение. Далее переменное напряжение выпрям
ляется и после фильтрации поступает в нагрузку ]
виде постоянного напряжения необходимого значе
ния.
Широко применяются транзисторные схемы двух
тактных преобразователей постоянного напряжения
На рис. 4.15, а изображена весьма распространенна;
схема преобразователя. Она содержит автогенератор
собранный на двух транзисторах, включенных п<
схеме с общим эмиттером, и трансформатор t
коллекторной и’к, базовой и’б и выходной и’н обмотка
ми. Трансформатор Тр имеет отвод от серединь
коллекторной обмотки для подключения отрицатель
него полюса источника питания. К источнику I
подключен делитель напряжения Rt, К2, создающие
отрицательное смещение порядка 0,5—1 В на база?
транзисторов для запуска преобразователя (R2).
В результате разброса параметров транзисторе!
Рис. 4.15
122
VT1 и VT2 коллекторные токи в момент подключе-
ния источника питания оказываются различными, и в
сердечнике трансформатора возникает результирую-
щий магнитный поток, определяемый разностным
током транзисторов. При правильном подключении
базовых обмоток, обеспечивающем положительную
обратную связь в схеме, направление этого потока
таково, что наводимая ЭДС на обмотках трансфор-
матора способствует отпиранию транзистора с боль-
шим током и запирания транзистора с меньшим
током. Этот процесс развивается лавинообразно и
завершается насыщением одного транзистора (напри-
мер, VT1) и запиранием другого (VT2). Транзистор
VT1 будет открыт до тех пор, пока в обмотке
наводится ЭДС, т. е. пока изменяется магнитный
поток. Это изменение осуществляет до тех- пор, пока
изменяется коллекторный ток транзистора VT1 до
тока насыщения или пока магнитный поток в
сердечнике не достигнет насыщения. Когда коллек-
торный ток транзистора VT1 или магнитный поток в
сердечнике достигнет насыщения, скорость изменения
магнитного потока станет равной нулю, что приво-
дит к уменьшению тока 7К1, а это в свою очередь
приводит к появлению в обмотках ЭДС, противопо-
ложной по знаку предыдущему состоянию (указано
на схеме в скобках). Следствием этого будет отпира-
ние транзистора VT2 и запирание VT1. В дальнейшем
эти процессы повторяются аналогично вышеуказан-
ному.
Таким образом, транзисторы VT1 и VT2 работа-
ют в ключевом режиме, а изменившийся магнитный
поток в сердечнике трансформатора индуктирует во
вторичной обмотке переменную ЭДС, форма которой
близка к прямоугольной (рис. 4.15,6). Далее после
выпрямления и фильтрации на нагрузке создается
выходное постоянное напряжение требуемого значе-
ния.
Контрольные вопросы
1. Можно ли построить выпрямительную схему без трансфор-
матора?
2. Можно ли эксплуатировать выпрямитель без сглаживаю-
щего фильтра?
3. Провести сравнение схем выпрямления по их основным
параметрам.
123
4. Указать особенности мостовой схемы выпрямления.
5. Для чего в схемах выпрямителей применяются сглаживаю
щие фильтры?
6. Объясните Физический смысл пульсаций.
7. Рассчитайте элементы однозвенного Г-образного фильтр
LC-типа на выходе двухполупериодной схемы (со средней точкой)
если коэффициенты пульсации до и после фильтра соответственн<
равны 5 и 0,1%, а частота сети /с = 50 Гц и ток нагрузи
/0 = 300 мА.
8. Для чего в схемах выпрямителей диоды соединяются межд
собой параллельно или последовательно?
9. Как изменяются пульсации выпрямленного напряжения npi
увеличении числа фаз выпрямителя (количества вентилей)?.
10. Почему управляемый выпрямитель выполняется на тирис
торах?
.11. Как работает транзисторный стабилизатор напряжения?
12. Уменьшаются ли пульсации на выходе стабилизатор;
напряжения по сравнению с его входом?
13. Где применяется транзисторный преобразователь постоян
кого напряжения?
ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Электронные усилители представляют собой ра-
диотехнические устройства, усиливающие мощность
напряжение или ток электрического сигнала, подводи-
мого к его входу. Они применяются в устройства?
радиосвязи, радиовещания, автоматике, измеритель-
ной технике, телевидении, в бытовых приборах и т. д
Усилители электрических сигналов делятся в зави-
симости от диапазона рабочих частот на усилителе
постоянного тока, усилители низких частот, широ-
кополосные радио- и промежуточных частот; пс
схемному построению — на однокаскадные (с одних-
усиливающим элементом и его нагрузкой) и много-
каскадные, с несимметричным и симметричных-
(двухтактным) выходом и входом и т. д.
Усилители постоянного тока (УПТ) усиливаю?
электрические сигналы постоянного тока и все сигна-
лы переменного тока до некоторой заданной рабочей
частоты. Они применяются в устройствах электросвя-
зи, автоматике и телемеханике, счетно-решающих е
других устройствах.
Усилители низкой частоты (УНЧ) усиливаю?
электрические сигналы звуковой частоты, занимаю-
124
щие полосу частот 20—20 000 Гц. Они получили
очень широкое распространение там, где требуется
громкое воспроизведение музыки и речи, и вхо-
дят составной частью в киноустановки, радиове-
щательные приемники, различные установки усиле-
ния речи и т. д.
Широкополосные усилители, работающие в полосе
частот от 50 Гц до 6 МГц, применяются в радиолока-
ции и телевидении, автоматике и вычислительной
технике.
В некоторых случаях необходимо усилить сигналы
в узкой полосе частот. Для этих целей используются
в качестве нагрузки каскада резонансный контур
(один или несколько) и другие устройства, обладаю-
щие способностью выделять полосу частот. Эти
усилители называются селективными или избиратель-
ными. Они широко используются буквально во всех
радиоприемниках и радиопередатчиках.
На вход усилителя сигнал может подаваться от
различных устройств — микрофона, детектора, вос-
производящей головки магнитофона, фотоэлемента
и т. д. Все эти устройства маломощные, поэтому они
выдают электрический сигнал такой малой амплиту-
ды, что его недостаточно для воспроизведения без
усиления. Для увеличения амплитуды входного сиг-
нала применяются усилители, нагрузками которых
могут быть громкоговорители, записывающая голов-
ка магнитофона, осциллограф, двигатели в авто-
матике и другие устройства.
В зависимости от назначения входных и выходных
устройств усилитель может иметь только один каскад
усиления, но для получения больших выходных
мощностей может быть введен в его состав еще
целый ряд каскадов.
В современной электронной технике транзистор-
ные усилители получили очень широкое распростра-
нение. Они обладают некоторыми особенностями по
сравнению с другими усилительными приборами.
§ 5.1. СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ
На рис. 5.1, а представлена схема усилителя с
общим эмиттером, на рис. 5.2, а—схема усилителя с
общей базой, а на рис. 5.3,я — схема усилителя с
125
Рис. 5.3
общим коллектором. На этих схемах обозначено:
Ес — источник электрического сигнала (микрофон,
головка воспроизведения и т. д.); RB — сопротивление
нагрузки; Rc— внутреннее сопротивление источника
сигнала £с.
На рис. 5.1,6 дан график токов и напряжений для
схемы с ОЭ. В схеме с ОЭ входной сигнал подается
между выводами базы и эмиттера транзистора,
последовательно с источником входного сигнала
включена батарея смещения £6, а выходной сигнал
снимается с участка коллектор — эмиттер (между
эмиттером и сопротивлением нагрузки Ra включен
источник коллекторного напряжения £к).
Во время положительного полупериода умень-
шаются токи эмиттера и коллектора. Падение напря-
жения на нагрузке тоже уменьшается на AzK£H.
Одновременно напряжение на участке коллектор —
эмиттер становится более отрицательным и по-
тенциал коллектора уменьшается. Поэтому фаза
выходного напряжения в схеме с общим эмит-
тером изменяется на л (180°) по сравнению с
фазой ивх.
Аналогично работают схемы, собранные с ОБ
(рис. 5.2,а), и схема, собранная с ОК (схема эмит-
терного повторителя, рис. 5.3,а).
Графики фазовых соотношений для схемы с ОБ
приведены на рис. 5.2,6. Из этих графиков видно, что
во время действия положительного полупериода
входного сигнала напряжение прямого перехода меж-
ду эмиттером и базой увеличивается. Токи эмиттера
и коллектора увеличиваются. Это вызывает увеличе-
ние падения напряжения на нагрузке. В связи с этим
потенциал коллектора повышается, так как напряже-
ние между коллектором и базой Uk5 делается менее
отрицательным. В режиме покоя, когда нет сигнала
(участок t2), Ux6 постоянно, а при сигнале (точка
гз) уменьшилось.
Фазы выходного и входного сигналов совпадают,
но переменная составляющая тока эмиттера создает
на внутреннем сопротивлении источника входного
сигнала Rc падение напряжения в противофазе с
входным сигналом (это видно по знакам « + » и « —»,
проставленным около источника £с и внутреннего
сопротивления Rc). Так как два напряжения (сигнал и
падение напряжения на внутреннем сопротивлении)
127
Таблица 5
Тип схемы Усиление Входное со- противление, Ом Выходное сопротивле- ние, кОм
х„ К, Хр
ОБ 1 До 1000 До 1000 Единицы- десятки До сотни
ОЭ 10—100 » 100 » 10 000 До тысяч До десятке
ОК 10—100 1 » 100 Десятки тысяч До единиг
включены последовательно, то общее напряжены»
действующее на вход транзистора, будет равно и
разности.
В схеме с общей базой выходной ток коллектор
является составной частью тока эмиттера (входног
тока), который и создает падение напряжения н
внутреннем сопротивлении Rc.
Графики фазовых соотношений схемы с О]
(эмиттерного повторителя) приведены на рис. 5.3,»
На участке база — эмиттер поступает входно
электрический сигнал, выходной — снимается с сопрс
тивления, включенного между эмиттером и корпусок
В схеме с общим коллектором фазы входного
выходного сигналов совпадают.
Три схемы включения транзисторов имеют сво
достоинства и недостатки.
Ориентировочные показатели транзисторных схел
работающих в схемах усиления, приведены
табл. 5.1.
В технике усиления электрических сигналов на!
большее распространение получили схемы вклк
чения транзисторов с общим эмиттером. Для с<
гласования усилительных каскадов с разными с<
противлениями входа и выхода применяется сх»
ма с общим коллектором (эмиттерный повт<
ритель).
§ 5.2. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
УСИЛИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
К основным техническим показателям усилителе
относятся: коэффициенты усиления по току К{, г.
напряжению Ки и по мощности Кр, ширина полос
128
пропускания А/", чувствительность, выходная мощ-
ность Рвт, искажения, вносимые усилителем.
Коэффициентом усиления называется величина,
показывающая, во сколько раз выходной сигнал
больше входного.
Коэффициент усиления по току
(5-1)
где 1ВЫХ, /вх — выходной и входной токи сигнала.
Кроме коэффициента усиления по току употребля-
ются коэффициент усиления по напряжению Ки и
коэффициент усиления по мощности Кр:
Ku=UBBJUBli, (5.2)
Кр = Рвьп/Рвх. (5.3)
Если в усилителе имеется несколько каскадов
усиления с коэффициентами Klt К2, К3,...,Кп, то
коэффициент усиления усилителя
К=К1К2К3...К„. (5.4)
В современных усилителях коэффициент усиления
очень большой, поэтому нередко его выражают в
логарифмических единицах (в дБ):
K=20Ig^; А, = 201g —
^вх
Поскольку мощность пропорциональна квадрату
тока или напряжения: P=I1R=U1[R, коэффициент
усиления по мощности (в дБ)
K=101g^ (5.5)
Коэффициент усиления многокаскадного усилите-
ля представляет собой сумму коэффициентов усиле-
ния каскадов (в дБ):
К= Kv + K2 + K3 + ... + Кп. (5.6)
В реальном усилителе сигналы разных частот
усиливаются по-разному. Зависимость коэффициента
усиления от частоты сигнала называется частотной
характеристикой. Она приведена на рис. 5.4. На этом
графике К —максимальный коэффициент усиления;
FB — FB = А£—- ширина полосы пропускания (FB — верх-
няя граничная частота, FH — нижняя граничная час-
тота).
5—815
129
Рис. 5.4
Как видно из графика частотной характеристик,
в пределах полосы пропускания коэффициент усил>
ния почти не меняется. Уменьшение коэффициеш
усиления в пределах полосы, не превышающее 3 д
(25—30%), ухо человека почти не замечает. Из-:
неравномерного усиления составляющих сложно!
сигнала в полосе рабочих частот усилителя возник:
ют частотные искажения. Действительно, усилитель
частотной характеристикой (см. рис. 5.4) сигналы
частотой ниже чем F„ и выше чем FB усиливав
неодинаково по сравнению с сигналами какой-лиС
средней частотой — Fcp.
Частотные искажения оцениваются коэффицие,
том частотных искажений М, который представлж
собой отношение коэффициента усиления на средш
частоте к коэффициенту усиления на определяемс
частоте:
M = Kcp/KF. (5.
Коэффициент частотных искажений на верхней
нижней граничных частотах одинаков и равен
М =^Е=—=1,41 = -^=—ср—=Л/„.
D К,, 0,101Кср KFh 0,701Кср
Коэффициент частотных искажений может изм
ряться и в децибелах
A/ = 201gM. _ (5.
На границе полосы пропускания А/ = ЗдБ.
Если усилитель состоит из нескольких каскадов
известны частотные искажения в каждом, то коэфф
циент частотных искажений всего усилителя опред
ляется из формул
М = М1М2М3...Мп, (5.
130
М (дБ) = 71^ (дБ) +
+ М2 (дБ) + М3 (дБ) +
+ ... + М„(дБ),(5.10)
где Мг, М2, М3,...,Мп —
частотные искажения, вы-
раженные в относитель-
ных единицах; MY (дБ),
АЛ (дБ), М3(дБ), ..., Мп
। дБ) — частотные искаже-
ния каскадов в децибелах.
Чувствительностью усилителя называется тот ми-
нимальный сигнал, подаваемый на вход, при котором
на выходе усилителя создается выходное номиналь-
ное напряжение (мощность).
Выходное номинальное напряжение (мощность)-—
это наибольшее выходное напряжение (мощность),
при котором искажения не превышают значений,
оговоренных в технической документации. Зависи-
мость выходного напряжения усилителя от его
входного при неизменной частоте сигнала называется
амплитудной характеристикой (рис. 5.5).
На амплитудной характеристике имеются три
участка. В нижней части она имеет изгиб, так как
собственные шумы усилителя соизмеримы с амплиту-
дой сигнала.
В средней части амплитудная характеристика
линейна. Это рабочий участок {АВ), при работе на
нем не будет искажений формы сигнала, будут
минимальными нелинейные искажения.
В верхней части амплитудная характеристика
транзистора имеет изгиб. Если амплитуда вход-
ного сигнала такова, что работа усилителя идет
на изогнутых участках (внизу или вверху) ампли-
тудной характеристики, то в выходном сигнале
появляются нелинейные искажения. Чем больше
не линейность, тем сильнее искажается синусоидаль-
ое напряжение сигнала, т. е. на выходе усилителя
появляются новые колебания (высшие гармоники),
оторых не было в сигнале. Степень нелинейных
скажений оценивается величиной коэффициента не-
линейных искажений
(5.П)
131
где Р2 + Р3 +... + Р„—cyi
ма электрических мощи
стей, выделяемая на н
грузке второй, третьей
т. д. гармониками, по
вившимися в результа
нелинейности амплиту
ной характеристики. К
эффициент нелинейных искажений обычно выражав
в процентах.
Для многокаскадного усилителя общая величи:
^ниобщ определяется по формуле
^ни общ ^ки1+^ни2+ ••• (5.1
где кяя!, кяя 2,.. Лни п—коэффициенты нелинейш
искажений первого, второго и т. д. каскадов усит
теля.
Фазовые искажения возникают из-за наличия
усилителе реактивных элементов. Для разных част
сдвиги фаз на реактивном элементе неодинаков
Фазовых искажений не будет в тех случаях, когда п
усилении сдвиг фаз между входным и выходы
напряжением остается постоянным для всех част
или он изменяется пропорционально частоте.
На рис. 5.6 приведена фазовая характеристика,
имеющего фазовых изменений (7) и с фазовы:
искажениями (2).
К фазовым искажениям ухо человека не чувсп
тельно, поэтому их в УНЧ не учитывают.
В усилителях телевизионных сигналов и в рад!
локационных приемниках фазовые искажения moi
заметно изменить воспроизведение изображения
электронно-лучевой трубке приемника.
Входное сопротивление—сопротивление ме»
входными зажимами усилителя для электрическс
сигнала:
7?=А7//А7
ЛА ЛЛ ла
Выходное сопротивление усилителя
ЛвЫх = ЛС.'ых/А7ВыХ.
Зная входное сопротивление усилителя, ле1
определить и оптимальное внутреннее сопротивле!
возбудителя, при котором будут обеспечены мак
мальная передача мощности сигнала на вход тр
132
зистора и шунтирующее действие усилителя на
возбудитель.
Если известно Квых, можно определить оптималь-
ное сопротивление, при котором в нагрузке будет
выделяться номинальная мощность при допустимых
искажениях.
§ 5.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЯ
НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ
Рассмотрим работу усилительного каскада, вы-
полненного на транзисторе, включенного по схеме с
общим эмиттером рис. 5.7.
При отсутствии входного сигнала UBX~0 усили-
тель находится в режиме покоя и UBax также будет
равно нулю (иногда этот режим называют статиче-
ским). При появлении сигнала UBX усилитель будет
работать в динамическом режиме, т. е. входной
сигнал будет усиливаться.
В режиме покоя конденсаторы С1 и С2 отделяют
вход усилителя и его выход от предыдущего и
последующего каскадов. Если бы конденсаторов не
было, то резисторы других каскадов были бы
подключены параллельно к резисторам усилителя и
поэтому режим усилителя по постоянному току был
бы нарушен.
Режим постоянного тока необходим для выбора
рабочей точки А (рис. 5.8) так, чтобы не было
нелинейных искажений сигнала. При выборе рабочей
точки пользуются входными и выходными характе-
ристиками транзистора.
Рабочая область выходных характеристик ограни-
чена линией NG — CD. При работе транзистора ток
его коллектора не должен превышать максимально
допустимый (7ктах). Линия
NG соответствует этому ре- **— * ДТ TZ к
жиму. Каждый транзистор
способен рассеивать мощ-
ность на коллекторе не вы-
ше максимально допусти-
мой (Ркгат). Линия GC ог-
раничивает область допу-
стимых мощностей рассея-
ния на коллекторе. Тран-
зистор работает при неко-
Рис. 5.7
Рис. 5.8
тором вполне определенном напряжении между koj
лектором и эмиттером. При превышении этот
допустимого максимального напряжения транзистс
выходит из строя. Линия CD определяет облает
допустимых напряжений С/кэ.
Рабочую точку А на характеристиках следуе
выбирать так, чтобы она находилась на середиг
линейных участков входной и выходной характ<
ристик, при этом нелинейные искажения будут миш
мальные. Рабочая точка характеризуется током koj
лектора 1кА и напряжения UK3A.
Из схемы рис. 5.7 можно определить
UX3 = EK-IKR„ (5.1'
которое является уравнением динамической характ<
ристики рассматриваемой схемы.
Динамическая характеристика в координатах 1
UK3 представляет уравнение прямой линии, не прохс
дящей через начало координат.
Динамическую характеристику (линию нагрузи
легко построить, зная две точки. Определим точку пер<
сечения нагрузочной линии с осью UK3. Для этого npi
равняем 7к = 0, тогда [7КЭ = Ек — 07?к; £7^ = ^ (точка F
М4
Вторую точку пересечения прямой с осью 1К
яайдем из того, что при пересечении нагрузочной
прямой с осью 4 напряжение С/кэ = 0; 0 = Ек — IKRK;
IT = Et RK (точка К). Зная эти две точки, легко строим
нагрузочную линию KF. Уравнение UK3 = EK — IKRK
дозволяет определить по двум известным величинам
третью. Например, по известным напряжению источ-
ника питания и положению рабочей точки (положение
рабочей точки задается двумя величинами [/кэ и /„)
легко определить сопротивление нагрузки RK = (E—
Рабочий участок нагрузки будет линия АВ, так как
нз ней изменения тока базы от точки А в обе
стороны вызывают одинаковые изменения тока кол-
лектора.
Положение рабочей точки на нагрузочной прямой
лределяет режим покоя, т. е. С7кэа и 7ка.
При неправильном выборе рабочей точки, т. е.
если положительная и отрицательная амплитуды
выходного сигнала неодинаковы, в усилителе возни-
кают нелинейные искажения.
Если режим усилительного каскада выбран пра-
вильно, то коэффициент нелинейных искажений не
должен быть больше 5°о.
Для гол та. ни я режима покоя нужно в усилителе
обеспечить определенный ток смещения (ток базы),
три котором рабочая точка А находилась бы в
середине нагрузочной прямой.
По входным характеристикам легко определить
напряжение на базе транзистора. Для этого путем
хтедовательного переноса точек выходной динами-
еской характеристики строится входная динамиче-
ская характеристика, по которой и определяются
~ределы изменения тока базы под воздействием
входного сигнала и соответствующие им точки
коллектора.
Для получения необходимого смещения пользуют-
ся различными схемами.
Схема, приведенная на рис. 5.7, называется схемой
? фиксированным током базы /б.
В этой схеме ток базы проходит через резистор RCj,
который легко определить:
Ек=77бэ + Я67б,
ЛНДс- Hfo)/Z6^EK/4 = A213 = EK/7Ka. (5.14)
135
В последнем выражении величиной 77бэ мо>
но пренебречь, так как Ек»С/бэ. Резистор 7?б п<
лучается очень большим (сотни тысяч омов). Пр
смене транзистора положение рабочей точки изм
нится из-за разброса параметров транзистора
из-за влияния температуры окружающей среды. По
тому эта схема не получила широкого распростр
нения.
Схема рис. 5.9 называется схемой с фиксир<
ванным напряжением смещения на базе. Напр
жение смещения снимается с резистора, вход
щего в делитель напряжения Rl, R2. Ток д
лителя выбирается достаточно большим, знач:
тельно больше тока базы в режиме покоя. 3i
необходимо для того, чтобы температурные и
менения токов эмиттера и коллектора незначителы
влияли на ток базы. Резисторы делителя опред
ляются из формул:
7?7 = (£к-Сбэ)/(7я+7б); (5.1
7?2=Сбэ/7д; (5.1
7я = (2^5)7б. (5.1
Схема рис. 5.9 менее экономична, чем схеь
рис. 5.7, но стабильность режима работы ее повыш
на. Из схемы рис. 5.9 видно, что ее резистор 7
подключен параллельно входному сопротивлени
транзистора 7?вх. Источник питания всегда име
малое внутреннее сопротивление, поэтому, пренебр
гая им, можно считать, что резисторы 7?7 и 7
включены между собой параллельно. Поэтому дел
тель Rl, R2 должен иметь большое сопротивлен
(несколько килоом) и обеспечивать выполнение у
ловия:
136
R1R2
Температурная стабилизация режима работы тран-
зисторов. Изменения температуры окружающей среды
и разброс характеристик транзисторов приводят к
изменению положения рабочей точки на нагрузочной
прямой. При этом резко возрастают искажения. Для
стабилизации тока коллектора очень часто применя-
ется отрицательная обратная связь по постоянному
току или напряжению.
На рис. 5.10 приведена схема, где резистор сме-
щения подключен непосредственно к коллектору
транзистора. Если по каким-либо причинам ток
коллектора увеличился, рабочая точка переместится
по нагрузочной кривой вверх. Это вызовет возра-
стание падения напряжения на резисторе RK, что
приведет к снижению напряжения коллектор — эмит-
тер и соответственно к снижению С'кб. Ток базы
уменьшится:
I - ~
R& ^6
а при уменьшении тока базы рабочая точка сме-
щается вниз по нагрузочной прямой, в свое преж-
нее положение. В этой схеме часть напряжения
усиленного сигнала через резистор смещения R5
поступает на базу — вход транзистора в противо-
фазе с входным напряжением сигнала. Это оз-
начает, что в схеме рис. 5.10 действует отрица-
тельная обратная связь по напряжению. Такая ста-
билизация рабочей точки получила название кол-
лекторной.
В схеме рис. 5.11 стабилизация наиболее эффек-
тивна. Стабилизация рабочей точки по постоянному
току в этой схеме осуществляется применением
делителя напряжения Rl, R2 и R3.
Напряжение, управляющее током коллектора, со-
стоит из двух напряжений, включенных встреч-
но. Одно из них—прямое фиксированное напря-
жение UR2, снимаемое с резистора R2 делите-
ля Rl, R2, а другое—напряжение на резисторе
UR3 от тока эмиттера 7Э. Если при изменении
температуры увеличится ток коллектора, то уве-
личится и падение напряжения на R3 от тока
137
эмиттера, так как 1Э = 15 + 1К. Напряжение же UR2
остается постоянным. Напряжение между базой
и эмиттером иБэ уменьшится: С76э = UR2 — UR3. Это
вызывает уменьшение тока базы и тока коллек-
тора. Рабочая точка вернется в начальное по-
ложение. К резистору R3 подключается парал-
лельно конденсатор Сэ большой емкости. Вели-
чина емкости конденсатора выбирается так, что-
бы реактивное сопротивление конденсатора на са-
мой низшей частоте усиливаемых частот было
бы значительно меньше сопротивления резистора
R,: —^—<szR3. Это необходимо для избежания от-
юяСэ
рицательной обратной связи по напряжению для
сигнала, т. е. для того, чтобы переменная состав-
ляющая точка эмиттера прошла, минуя резистор R3,
а это дает возможность увеличить коэффициент
усилителя каскада.
Рабочую точку транзистора можно стабилизиро-
вать, используя терморезистор с отрицательным
температурным коэффициентом. Его нужно включить
в базовую цепь транзистора (рис. 5.12). При повыше-
нии температуры сопротивление такого терморезис-
тора уменьшается, падение напряжения на нем и ток
базы транзистора также уменьшаются. При этом
увеличение тока коллектора, которое должно про-
изойти при увеличении температуры, будет скомпен-
сировано уменьшением тока базы. Такое смещение
называют термозависимым.
Определение параметров каскада усиления графи-
ческим путем. Динамические (реальные) параметры
усилительного каскада в режиме малого сигнала
можно рассчитывать графическим путем. Для этого
необходимо построить нагрузочную прямую в семей-
138
стве выходных статических характеристик транзи-
стора, а также воспользоваться статической входной
характеристикой, снятой при С/кэ/0. Такие построе-
ния для усилительного каскада по схеме ОЭ были
приведены на рис. 5.8.
По результатам графических построений можно
пределить основные параметры усилительного кас-
када:
коэффициент усиления по напряжению
гавых/гпвх’ ГДе ^4пВых (^кэтах вх = ( ^бэ max ^бэ min)/^ С4эт;п)/2; (5.18)
коэффициент усиления по току
К = Т fl = Т ' (5-19)
коэффициент усиления по мощности
Кр=кикс, (5.20)
входное сопротивление
^вх ^АивхЛивх ^/бэт/^бт* (5.21)
Усилительный каскад с ОЭ наряду с усилением
входного переменного сигнала изменяет его фазу на
180°, т. е. входное и выходное напряжения усилителя
противофазны.
Аналитический метод определения параметров уси-
лительного каскада. Для аналитического расчета
необходимо представить транзистор схемой его заме-
щения и к ней присоединить элементы схемы усили-
теля.
Удобнее пользоваться /г-параметрами транзисто-
ра. Для прикидочных расчетов можно предположить,
что коэффициент обратной связи /г12э и напряжение
обратной связи /г12э£/вых незначительны и ими можно
пренебречь.
С учетом сделанного допущения эквивалентная
схема усилителя значительно упроститься. Она пред-
ставлена на рис. 5.13, где транзистор представлен
П-образной схемой замещения.
В этой схеме:
Л11э—входное сопротивление транзистора;
/г21э — коэффициент усиления транзистора по току;
1 /я2 2э — выходное сопротивление транзистора;
/г21э4 — источник тока коллектора.
139
Рис. 5.13
Нетрудно заметить, что для упрощенной схемы
входное и выходное сопротивления равны
^вх = 1э/(^6^г11э)>
_ 1/^22э^к _ .
Ble“l//i22, + Vl + U2,’
входное и выходное напряжения: UBX — I6h113,
TJ =h J R —
ивых ' ‘21эхбЛ<вых * । ту i ’
1+^22,
входной и выходной токи:
4х = = U /(R6 + 1э), I = UBBJRB.
Отсюда легко определить параметры усиления:
_ Uвых ^21э^к . 2^- _ 4ых ^21э^б.
^вх /Ч1,(1+ЛЛ13) Лх (Л6 + /Д1,)(1+^22Э)
^=ад.
Резистивный каскад на полевом транзисторе. На
рис. 5.14 дана принципиальная схема усилителя на
полевом транзисторе. В режиме покоя в цепях истока
и стока протекают постоянные токи, направление
которых показано в схеме. На резисторе истока R„
создается падение напряжения положительным потен-
циалом, приложенное к затвору транзистора и являю-
щееся напряжением смещения. Этим напряжением
фиксируется положение рабочей точки на стоко-
затворной характеристике. Резистор Rc в цепи стока
является сопротивлением нагрузки. Резистор R, в
цепи затвора позволяет подать постоянное напряже-
ние смещения на участок затвор — исток. Назначение
разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, а также
140
нденсатора Си ничем
. отличается от назна-
Ч.-.ЛИЯ аналогичных эле-
гнтов в схеме на бипо-
ярном транзисторе (см.
риг. 5.11).
Межкаскадные связи.
В тех случаях, когда для
получения заданного ко-
Рис. 5.14
эффициента усиления одного усилительного каскада
'ывает недостаточно, применяют многокаскадные
х гилители. Для передачи сигналов от одного каскада
многокаскадного усилителя к другому используют
элементы межкаскадных связей. Существует три
гневных вида схем межкаскадной связи: резистив-
но-емкостная, непосредственная (гальваническая) и
трансформаторная.
Наибольшее распространение в схемах предвари-
тельного усиления получили схемы усилителей с
резистивно-емкостной связью. Одна из типовых схем
двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной
связью приведена на рис. 5.15.
Назначение всех элементов схемы ясно из изло-
женного ранее. Рассмотрим амплитудно-частотную
характеристику двухкаскадного усилителя, показан-
ную на рис. 5.16. Снижение коэффициента усиления в
области нижних частот обусловлено раздельными
конденсаторами Ср1, Ср2 и СрЗ.
Увеличение сопротивлений разделительных кон-
денсаторов на нижних частотах приводит к тому, что
падение напряжения сигнала на них возрастает и
выходное напряжение схемы падает.
Рис. 5.15
141
К/«ср
1,0
0.1
Область, Область | Область
м/жшх средних {Верхних
частот^ частот | частот
Кер {
-8
Рис. 5.16
«8
В области верхних ча-
стот необходимо учиты-
вать емкости коллектор-
ных переходов Ск, а так-
же входные емкости тран-
зисторов и емкости мон-
тажа схемы, сопротивле-
ния которых снижаются
с ростом частоты, шун-
тируя нагрузку и уменьшая ее сопротивление. Это
приводит к завалу амплитудно-частотной характе-
ристики усилителя области верхних частот.
В области средних частот влиянием всех реактив-
ных элементов схемы можно пренебречь, и поэтому
коэффициент усиления на этих частотах будет иметь
наибольшее значение (см. рис. 5.16).
§ 5.4. ВЫХОДНЫЕ КАСКАДЫ УСИЛИТЕЛЕЙ
Выходной каскад предназначен для отдачи в
нагрузку заданной мощности сигнала при высоком
КПД и минимальном уровне нелинейных и частотных
искажений. Максимальная неискаженная мощность и
КПД выходного каскада зависят от типа транзи-
стора, режима работы и схемы каскада.
При небольшой выходной мощности (от милли-
ватт до десятых долей ватта) в выходных каскадах
применяют те же транзисторы, что и в предваритель-
ных каскадах. Для получения средней и большей
мощности (единицы—десятки ватт и выше) исполь-
зуют мощные транзисторы. В выходных каскадах
чаще всего используется схема с общим эмиттером.
В этом случае коэффициент усиления сигнала по
мощности получается наибольшим, поэтому требу-
ется меньшее усиление от предварительного усили-
теля. Выходные каскады проектируют как однотакт-
ными, так и двухтактными. В зависимости от
положения рабочей точки Р на характеристике тран-
зистора различают следующие основные режимы
работы усилителя мощности: А, В, АВ и С.
Удобнее всего рассматривать эти режимы с
помощью проходной динамической характеристики
транзистора, т. е. зависимость выходного тока тран-
зистора /к от его входного напряжения ((7бэ). Для
построения проходной характеристики достаточно
142
Рис. 5.17
меть выходную IK= f(Uкз) и входную I&=f(U6э)
фактеристики. На семействе выходных характе-
4 стик необходимо построить нагрузочную прямую и
1йти все токи базы 1е, которые соответствуют
эчкам пересечения нагрузочной прямой со статиче-
:ими характеристиками выходного тока. Перенеся
и точки на входную характеристику I6—f(Ue3) при
кэт^0, найдем соответствующие им входные напря-
ения (С/6э). Зная, каким токам коллектора 1К соответ-
вуют входные напряжения U63, построить про-
шлую динамическую характеристику IK=f(U63)
ис. 5.17, а — в).
В режиме А ток в выходной цепи транзистора
дотекает в течение всего периода сигнала. В этом
жиме рабочую точку Р выбирают примерно на
редине прямолинейного участка характеристики
ис. 5.18, а). Это достигается подачей соответствую-
его смещения Есм во входную цепь транзистора,
этом режиме напряжение смещения по абсолютной
личине всегда больше амплитуды входного сигнала
'см > Um ю), а ток покоя /0 всегда больше амплитуды
ременной составляющей выходного тока (/0^4и>ых)-
оэтому форма колебаний выходного тока будет
>чти в точности воспроизводить изменения сигнала
> входной цепи. Это обеспечивает минимальные
линейные искажения сигнала. Однако этот режим
рактеризуется низким КПД (порядка 20 — 30%).
го вызвано тем, что ток покоя транзистора /кр,
>требляемый усилителем от источника питания,
егда больше амплитуды переменной составляющей
вых, определяющей полезную мощность.
Режим А применяется в маломощных каскадах, в
вторых важны малые нелинейные искажения, а КПД
143
не имеет существенного
значения. Обычно в этом
режиме работают каска-
ды предварительного уси-
ления или маломощные
выходные каскады.
В режиме В (рис. 5.18,6)
рабочая точка выбира-
ется так, чтобы ток по-
коя был равен нулю.
При подаче на вход
каскада переменного на-
пряжения сигнала поло-
жительная полуволна бу-
дет вызывать появление
выходного тока через тран-
зистор; при отрицатель-
ной полуволне входного
напряжения ток в выход-
ной цепи отсутствует. Та-
ким образом, выходной
ток будет иметь форму
импульсов с углом отсеч-
ки 0 = л/2. Углом отсечки
части периода, в течение
той
протекает через усилительный
называется половина
которой ток сигнала
элемент. Искаженная форма выходного тока обуслов-
ливает чрезмерные нелинейные искажения.
Преимуществом усилителя, работающего в режи-
ме В, является более высокий КПД (60 — 70%) по
сравнению с усилителем, работающим в режиме А.
Это объясняется тем, что в отсутствии сигнала
выходной ток транзистора практически равен нулю, а
энергия источника питания расходуется только во
время усиления сигнала.
В режиме В высок уровень нелинейных искажений,
поэтому он используется в двухтактных схемах,
компенсирующих эти недостатки и позволяющих
получить большую выходную мощность при высоком
кпд.
Режим АВ (рис. 5.18, в) является промежуточным
между режимами А и В. Он более экономичен, чем А
(КПД 40 — 50%), и характеризуется меньшими нели-
нейными искажениями, чем В. Режим АВ также
применяется в двухтактных усилителях мощности.
144
В усилителях режима С ток в выходной цепи течет
менее половины периода входного сигнала. Каскад
усилении при отсутствии сигнала и при его малых
значениях не работает, поэтому усилитель потребляет
от источника питания меньше энергии, чем в режиме
В. Усилители режима С не воспроизводят весь период
усиливаемого сигнала. Это искажает сигнал. Поэтому
в усилителях с малыми искажениями режим С не
применяется. Он нашел применение в радиопере-
дающих устройствах.
Принципиальная схема однотактного выходного
каскада (усилителя мощности) с общим эмиттером
показана на рис. 5.19. В однотактных усилителях
мощности транзистор всегда работает в режиме А.
В усилителе мощности резисторы Rl, R2 — дели-
тели напряжения. Напряжение смещения на базу
транзистора подается за счет падения напряжения на
R2 от тока делителя /д и падения напряжения на R3
от тока эмиттера. Напряжение на базе должно быть
отрицательно, поэтому падение напряжения на R2
должно быть больше, чем на R3: Ueo = UR2 — UR3.
Кроме того, резистор R3 обеспечивает температурную
стабилизацию работы транзистора.
В усилителе мощности проходят токи большего
значения, чем в усилителе напряжения, поэтому
величина резистора R3 должна быть маленькой из-за
необходимости уменьшения в этом резисторе потерь.
Резистор R3 создает отрицательную обратную связь
по переменному току. Для уменьшения этой обратной
отрицательной связи этот резистор шунтируют кон-
денсатором С3. Емкость конденсатора С3 должна
быть такой, чтобы его реактивное сопротивление на
самой низкой усиливаемой частоте было бы значи-
тельно меньше R3. Так как сопротивление резистора
R3 мало, то емкость конденсатора получается очень
большой и поэтому резистор R3 в схеме или не
ставят, или применяют без конденсатора С3 для
уменьшения с помощью отрицательной обратной
связи нелинейных искажений. Трансформатор Тр
согласует сопротивление нагрузки (динамика) с вы-
ходным сопротивлением транзистора. При согласова-
нии этих сопротивлений получается максимальная
неискаженная мощность
Анализ работы усилителя проведем графоанали-
тическим методом (рис. 5.20). В выходной цепи
145
Рис. 5.19
Рис. 5.20
усилителя мощности сопротивление по постоянному
току мало, так как оно определяется активным
сопротивлением первичной обмотки трансформатора.
В связи с этим линия нагрузки каскада по постоян-
ному току пойдет почти вертикально из точки Ек.
Определим угол наклона линии нагрузки этого же
каскада, но для переменного тока. Для этого опреде-
лим коэффициент трансформации трансформатора п.
Как известно из электротехники,
Л = 'Р1/'Р2- (5.22)
Приведенное к первичной обмотке сопротивление
R*— оно же сопротивление нагрузки каскада по
переменному току R~— определяется из
/?н~=п2(Дн + г2) + г1, (5.23)
где Rn — сопротивление нагрузки каскада (оно под-
ключено к вторичной обмотке трансформатора); г1г
г2 — сопротивления первичной и вторичной обмоток
трансформатора.
Учитывая, что активные сопротивления обмоток
трансформатора и г2 малы и ими можно пре-
небречь, получим
Да~=и2Ян. (5.24)
Выходная мощность каскада определяется по
формуле
и / и2 и2
р ___ w кт / г П
квых 2 2Rll~~ 2n2Ra' 1 ’ 2
Учитывая КПД трансформатора г| = Ри/Рквых, най-
дем коэффициент трансформации
146
л = / U™-= (5.26)
\2Л„ыхли V 2Рилн
Амплитуду напряжения UKnl выбирают с учетом
того, что для усилителя мощности напряжение покоя
[7кр близко к Ек, которое определяется выбранным
источником питания. Затем определяются (7кт и п.
Гок покоя /кр определяется линией нагрузки по
достоянному току. После нахождения рабочей точки
зерез нее проводится линия нагрузки переменному
гоку под углом, определяемым соотношением
Ан~ = А(7КЭ/А7К. (5.27)
При выборе транзистора необходимо, чтобы ток в
рабочей точке был бы меньше допустимого тока
коллектора в режиме усиления /кр^/ктах, макси-
ально допустимое напряжение на коллекторе тран-
зистора должно быть меньше удвоенного напряжения
источника питания UK3max^2EK; рассеиваемая на
коллекторе мощность должна быть меньше макси-
мально допустимой мощности рассеяния на коллек-
торе транзистора Ркдоптах>Рк.
У рассмотренного однотактного усилителя мощ-
аости небольшой КПД, наблюдаются частотные и
аелинейные искажения. Рассмотрим принцип работы
двухтактного усилителя мощности с трансформатор-
аым выходом в режиме класса А (рис. 5.21).
Схема состоит из двух идентичных однотактных
ялителей (плеч), работающих на общую нагрузку.
Каждый из транзисторов со своими цепями состав-
тяет плечо каскада. Плечи должны быть электрически
уимметричны, т. е. транзисторы должны быть одного
гипа, и выводы сделаны точно от середины вит-
ков входного и выходно-
го трансформаторов. Ре-
зисторы R1 и R2 обра-
зуют делитель напряже-
ния, обеспечивающий по-
дачу требуемого напря-
жения смещения на ба-
зы транзисторов. Через
средний вывод трансфор-
vагора Тр2 подается на-
пряжение Ек на коллекто-
ры транзисторов.
Рис. 5.21
147
При отсутствии переменных напряжений на входе
каскада через транзисторы VT1 и VT2 протекают
токи покоя 7кр1 и /кр2, величины которых опреде-
ляются выбранным положением рабочей точки на
характеристиках. Через первичную обмотку выход-
ного трансформатора токи покоя от средней точки
протекают в противоположных направлениях. Вслед-
ствие этого постоянные магнитные потоки, созда-
ваемые этими токами, противоположны по знаку и
результирующий магнитный поток при симметричной
схеме равен нулю, т. е. в сердечнике трансформатора
отсутствует постоянное подмагничивание. Отсутствие
постоянного подмагничивания позволяет значительно
уменьшить габариты, массу и стоимость выходного
трансформатора. При подаче на входной трансфор-
матор Тр1 переменного синусоидального напряжения
с его вторичных плуобмоток снимают равные, но
противофазные напряжения С/Вх1 и [/вх2, которые
действуют в каждом плече между базой и эмиттером
транзисторов VT1 и VT2. Токи zK1 и zk2 коллекторной
цепи каждого транзистора противоположны по фазе
управляющим напряжениям на базе, поэтому сдвиг
фазу между переменными составляющими токов
составит также 180°:
4i = 4ip+4i coscoz; zk2 = 1к2р-1к2тcoscoz.
Через первичную обмотку выходного трансфор-
матора Тр2 коллекторные токи транзисторов VT1 и
VT2 проходят в противоположных направлениях,
поэтому создаваемые ими в сердечнике трансфор-
матора магнитные потоки будут иметь результи-
рующий сдвиг по фазе 360° (на 180° они сдвинуты за
счет сдвига напряжений на базах и из-за прохождения
токов iKl и /к2 в противоположных направлени-
ях). Переменный магнитный поток в сердечнике и ток
вторичной обмотки Тр2 пропорциональны разности
токов:
ф = А (41 - 4г) = А (4р1 + 41m cos coz - ZKp2 + 1к2т cos coz),
где A — коэффициент пропорциональности. При сим-
метрии ПЛеЧ 4р1=4р2 И 41т = 42т = 4т-
Тогда
Ф = 2AIKtn cos coZ.
148
Во вторичной обмотке выходного трансформа-
тора под действием этого потока будет индуциро-
ваться ЭДС, пропорциональная удвоенной амплитуде
переменного коллекторного тока. В результате
мощность, отдаваемая двухтактным усилителем,
будет в 2 раза больше по сравнению с одноактным.
В двухтактном каскаде значительно уменьшаются
нелинейные искажения благодаря компенсации чет-
ных гармоник в выходном трансформаторе. Происхо-
дит это потому, что все четные гармоники совпадают
по фазе с подводимыми напряжениями С7ВХ1 и С/м2, но
по полуобмоткам трансформатора Тр2 проходят в
противоположных направлениях, вследствие чего
компенсируются их магнитные потоки. Таким обра-
зом, в первом приближении величину нелинейных
искажений можно подсчитывать только по третьей
гармонике.
К достоинствам двухтактной схемы следует от-
нести малую чувствительность ее к пульсациям
питающих напряжений. Одновременно изменения
коллекторных токов гк1 и гк2, вызванные пульсацией
питающего напряжения, создают равные по величине
и противоположные по направлению приращения
магнитного потока в частях первичной обмотки
выходного трансформатора, действия которых взаим-
но компенсируются. Поэтому на выходе усилителя
фон переменного тока прослушиваться не будет. Эта
особенность двухтактной схемы дает возможность
упростить конструкцию сглаживающего фильтра вы-
прямителя, т. е. применить фильтр с меньшими Сь и
^Ф-
Двухтактная схема позволяет использовать в
выходных каскадах не только режим Л, но и режимы
АВ и В, которые в однотактной схеме нельзя
применять из-за недопустимо больших нелинейных
искажений.
Преимущества двухтактного усилителя мощности
наиболее полно реализуются при работе транзисто-
ров в режиме В. В этом режиме импульсы тока в
коллекторных цепях возникают поочередно, на протя-
жении первого полупериода открывается коллектор-
ная цепь одного транзистора, а на протяжении
второго полупериода открывается коллекторная цепь
другого транзистора (рис. 5.22, с—в). Поскольку
импульсы коллекторных токов проходят через части
149
первичной обмотки входного трансформатора пооче-
редно, со сдвигом во времени на полпериода,
действия их на сопротивление нагрузки суммируются.
На основании изложенных особенностей работы
двухтактного усилителя к его положительным свой-
ствам можно отнести:
1) увеличение полезной мощности вдвое по сравне-
нию с однотактной схемой;
2) уменьшение нелинейных искажений;
3) более полное использование транзисторов при
работе в режиме А и возможное применение режимов
В и АВ',
4) повышение КПД усилителя;
5) понижение чувствительности усилителя к пуль-
сации напряжения на выходе выпрямителя, питаю-
щего каскад;
6) отсутствие в цепи источника питания первой
гармоники сигнала, в результате чего уменьшаются
паразитые связи между каскадами усилителя и
повышается устойчивость его работы.
К недостаткам двухтактных схем следует отнести
их сложность (требуется два транзистора), а также
необходимость в специальном устройстве, которое
должно давать на выходе два напряжения, равные по
величине и сдвинутые между собой по фазе на 180°.
Такое устройство называют
фазоинвертором. Наиболее
простой схемой фазоинвер-
тора является трансформа-
тор с выводом средней точ-
ки вторичной обмотки (см.
рис. 5.21). Однако такой фа-
зоинвертор имеет два суще-
ственных недостатка. Во-пер-
Рис. 5.22
Рис. 5.23
150
=ых, в трансформаторе не проис-
ходит усиления сигналов. Во-вто-
рых, в нем возникают значитель-
ные частотные и нелинейные ис-
кажения. Фазоинвертор можно
выполнить на транзисторе с раз-
деленной нагрузкой (рис. 5.23). В
этой схеме при возрастании пере-
менного напряжения на входе
Рис. 5.24
(« + » на базе) уменьшаются эмиттерный и кол-
текторный токи транзистора, вследствие чего од-
новременно снижается отрицательное напряжение
на эмиттере (« + » на эмиттере) и возрастает от-
оицательное напряжение на коллекторе (« —» на
коллекторе). Таким образом, выходные напряже-
ния С7вых1 и С/вьи2 будут сдвинуты по фазе на
180°. Подобрав одинаковые сопротивления рези-
сторов RK и R3, можно получить одинаковые ам-
плитуды выходных напряжений. Анализ схем фазо-
инверторов позволяет сделать вывод о том, что они
усложняют усилительное устройство, поэтому были
разработаны схемы двухтактных усилителей мощно-
сти без фазоинверторов. Кроме того, тенденция к
миниатюризации радиоэлектронных устройств приве-
ла к разработке двухтактных усилителей с бестранс-
форматорным выходом. В таких усилителях были
использованы транзисторы различной электропро-
водности.
Типичная схема бестрансформаторного двухтакт-
ного усилителя на транзисторах с разной электро-
проводностью без фазоинвертора показана на
рис. 5.24. Здесь в одно плечо усилителя вклю-
чен транзистор р-п-р-тнпа (VT1), в другое—-тран-
зистор 77-д-/7-типа (VT2). Одинаковые изменения на-
пряжений на базах транзисторов р-п-р- и п-р-
л-типов приводят к противоположным изменени-
ям их коллекторных токов. Это означает, что
если соединить базы транзисторов р-п-р- и п-р-
л-типов, то положительная полуволна напряже-
ния будет вызывать увеличение коллекторного то-
ка транзистора VT2 и одновременное уменьше-
ние VT1.
Отрицательная полуволна напряжения приведет к
увеличению коллекторного тока транзистора VT1 и к
одновременному уменьшению VT2. Таким образом,
151
при подведении однофазного переменного напряже-
ния ко входу усилителя транзисторы VT1 и VT2
будут работать в противофазе, а режим работы
схемы окажется двухтактным.
Основной недостаток усилителя, приведенного на
рис. 5.24, связан с трудностями симметрирования
схемы.
§ 5.5. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ В УСИЛИТЕЛЯХ
Подача напряжения с выхода усилителя на его
вход называется обратной связью.
Обратная связь может быть паразитной (вредной),
возникающей помимо нашего желания, и преднаме-
ренной, создаваемой за счет включения в схему
специальных цепей обратной связи (рис. 5.25).
Обратная связь может быть положительной и
отрицательной: при положительной напряжение
обратной связи Uoc совпадает по фазе с входным
напряжением С7ВХ, в результате чего к входной цепи
прикладывается напряжение Ur = Um + Uoc; при отри-
цательной напряжение обратной связи находится в
противофазе с входным напряжением и к входной
цепи прикладывается напряжение U1 = UBX — UOC. Наи-
более распространенной в усилителях является после-
довательная отрицательная обратная связь по напря-
жению (рис. 5.25), в которой выходное напряжение
усилителя через цепь обратной связи вновь подается
на его вход последовательно с источником входного
сигнала.
Величина, показывающая, какая часть выходного
напряжения подается обратно на вход каскада,
называется коэффициентом передачи цепи обратной
связи Р:
Р=С7ос/С7вых. (5.28)
Рис. 5.25
Коэффициент Р может
принимать значения от О
до +1 при положитель-
ной и от 0 до — 1 при
отрицательной обратной
связи. По мере увеличе-
ния числового значения
1/ос обратная связь стано-
вится более глубокой.
152
Рассмотрим влияние обратной связи на коэф-
"иниент усиления усилителя. Так как обратная
«.-язь может быть положительной или отрица-
ельной, то напряжение обратной связи в об-
гэем случае можно записать так: С7ос = ± РС7ВЫХ, где
—>5 для положительной, а «—» для отрицательной
братной связи. Тогда напряжение, приложен-
ное к входной цепи, = С7вх+(± 1/ос) = С7вх + (± РС7ВЫХ),
. _уда выражение для напряжения входного сиг-
та: 17ВХ = П1-(±РПВЫХ).
Коэффициент усиления усилителя, охваченного
'ратной связью, можно выразить отношением вы-
дного напряжения на нагрузку к напряжению
источника сигнала С7ВХ:
*ос= UBm/Um= Ц.ЫХ/|А -(± рс/вых)]. (5.29)
Разделим числитель и знаменатель на Ux. Тогда
_ к
1-(±₽^=ых/^) 1-(±₽*)я
(5.30)
где k=U^JL\—коэффициент усиления каскада без
братной связи.
Произведение +Р& называется фактором обрат-
ной связи, знак его совпадает со знаком самой
обратной связи. При положительной обратной связи
знаменатель дроби уменьшается, а коэффициент
усиления возрастает в (1 — Р&) раз. Однако положи-
тельная обратная связь в электронных усилителях
рактически не применяется, так как при р/с->1,
, -»оо усилитель может самовозбудиться и превра-
иться в генератор электрических колебаний. Для
у, илителя такой режим работы недопустим. При
отрицательной обратной связи знаменатель возра-
стает, а коэффициент усиления уменьшается в (1 + р/<)
. к
аз, т. е. /сп =-.
’ °с 1+₽*
При (глубокая обратная связь) из (5.30)
получим: кос^ 1/Р, т. е. общий коэффициент усиления
схемы не зависит от коэффициента усиления к
собственного усилителя, а определяется только коэф-
фициентом передачи цепи обратной связи.
Если усилитель охвачен ООС, то коэффициенты
_ сидения усилителя с обратной связью на средних
153
частотах ксрос и на граничных частотах /еиос и кя0,
соответственно равны:
^срос = ^’ср/(1 + Р^’ср)» ^’нос = ^н/(1 + [3/<и); kB0C — kJ(l + $k^
Поскольку (1 + РЛ’Н) < (1 + р/сср) и (1 + РЛ’В) < (1 + РЛ’СР)
ослабление коэффициента усиления на нижних i
верхних частотах будет меньше, чем на сред-
них частотах, и поэтому частотная характеристи-
ка усилителя с отрицательной обратной связьк
будет более равномерной, а следовательно, егс
полоса пропускания будет больше, отсюда ча-
стотные искажения в усилителе ООС уменьшаются i
(I + РЛ) раз.
ООС уменьшает возникающие в усилителе не-
линейные искажения. Это объясняется следующие
образом. В усилителе без обратной связи прь
большом входном напряжении за счет нелиней-
ных искажений в выходном напряжении поми-
мо основной гармоники появляются высшие гар-
моники, наличие которых искажает форму выход-
ного напряжения. При введении ООС напряже-
ния этих гармоник через цепь обратной связь
подаются на вход усилителя и усиленными по-
являются на его выходе. Усиленные напряжени*
высших гармоник вычитаются из выходного на-
пряжения усилителя, так как благодаря действии:
ООС они будут поступать в противофазе с на-
пряжением гармоник.
Таким образом, содержание гармоник при той же
величине выходного напряжения в усилителе с ООС
будет меньше. Количественно уменьшение коэффи-
циента гармоник при наличии ООС определяете*
выражением
Лгос = Л’г/(1 + РЛ’г), (5.3 Г
где кгос—коэффициент гармоник усилителя с ООС.
кг — его значение при отсутствии обратной связи.
Аналогичное влияние ООС оказывает на на-
пряжение помех (фон, наводки и т. д.). Как от-
мечалось, ООС влияет на входное и выходное
сопротивления каскада. Это обстоятельство очень
важно для усилителей, выполняемых на биполярных
транзисторах.
Определим входное сопротивление каскадов:
^вхос ^вх/^вх*
154
На входных зажимах каскада действует напряже-
ние U^U^-flU^U^-f^k, откуда
izBX=(i+рл) t/j.
Входное сопротивление каскада при ООС будет
равно
Явхос = UJIBX = и, (1 + ₽£)/7вх=Лх(1 + ₽4 (5.32)
где RBX = UBJIBX — входное сопротивление каскада без
ООС.
Таким образом, входное сопротивление каскада
увеличилось в (1+ [?/<) раз, что благоприятно сказы-
вается на работе усилителя.
Можно показать, что выходное сопротивление
каскада при этом уменьшается во столько же раз:
*ВЫхос=*ВЫх/(1+Р4 (5.33)
Усилители с глубокой ООС широко применяются
в микросхемах. Типичным представителем усилителя
с глубокой ООС является каскад с эмиттерной
нагрузкой или эмиттерный повторитель (рис. 5.26).
У эмиттерного повторителя транзистор включен
по схеме ОК (коллектор заземлен по переменной
составляющей тока через емкость Сбл), а нагрузка
включена в эмиттерную цепь. Выходное напряжение,
снимаемое с нагрузки R3, совпадает по фазе с
входным напряжением. Из схемы следует, что выход-
ное напряжение вычитается из входного 67вых =
= Um — Сэб. Каскад имеет последовательную ООС по
напряжению, так как Uoc = СВЬ1Х и
₽=£/<Лых=1- (5.34)
Согласно (5.34) в этом случае
кос = к/(1+к)<1,
(5.35)
т. е. эмиттерныи повторитель не дает усиления по на-
пряжению. Несмотря на
это, он обладает рядом
преимуществ по сравне-
нию с обычными усили-
тельными каскадами.
Входное сопротивле-
ние эмиттерного повто-
рителя велико (5.32), а вы-
ходное—мало (5.33). Ма-
лое выходное сопротив-
Рис. 5.26
155
§ 5.6. ИМПУЛЬСНЫЕ И ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Импульсные (широкополосные) усилители. Во мно-
гих устройствах, связанных с автоматикой, счетно-
ычислительной техникой, радиолокацией, радиоиз-
ерениями и другими областями техники, широкое
применение нашли импульсные усилители. На вход
таких усилителей подаются импульсы напряжения
различной формы (прямоугольной, треугольной,
трапецеидальной). Чаще всего приходится усиливать
импульсы прямоугольной формы (рис. 5.28).
Импульсные усилители должны обладать широкой
полосой пропускания (от единиц и десятков герц до
единиц и десятков мегагерц), так как импульсы
напряжения, будучи разложены в ряд Фурье, дают
весьма широкий спектр гармонических колебаний.
Поэтому, чем шире полоса пропускания усилителя,
тем точнее 'он будет воспроизводить импульсы,
действующие на входе усилителя.
Обычный импульсный усилитель строится на
основе резистивного усилительного каскада, обла-
дающего наиболее равномерной частотной характери-
стикой в широком диапазоне частот. Транзисторы
включают по схеме с общим эмиттером (на биполяр-
ных транзисторах) или с общим истоком (на полевых
транзисторах). Довольно часто для расширения по-
лосы пропускания усилителя (что делается для
уменьшения искажений формы усиливаемых импуль-
сов) в схему вводятся специальные цепи частотной
коррекции.
Одной из наиболее распространенных схем им-
пульсных усилителей с частотной коррекцией в
области высоких частот является схема (рис. 5.29), в
Рис. 5.28
Рис. 5.29
157
Рис. 5.30
ния на работу каскада. В
реактивное сопротивление
которой последовательно
с сопротивлением коллек-
торной нагрузки включа-
ется корректирующая ка-
тушка £к.
Рассмотрим принцип
действия подобной схе-
мы. На низких часто-
тах спектра индуктивное
сопротивление катушки
очень мало и она не
оказывает никакого влия-
области высоких частот
катушки возрастает, что
приводит к увеличению сопротивления нагрузки
усилительного прибора, а следовательно, и коэффи-
циента усиления каскада по напряжению. Возрастание
коэффициента усиления на верхних частотах будет
компенсировать спад частотной характеристики, вы-
зываемой шунтирующим действием емкости Со схе-
мы (С0 = СВЫХ + СВХ + СМОН), где Свых, Свх —выходная и
входная емкости транзисторов; Смон — монтажная
емкость схемы.
Принципиальная схема усилителя с низкочастот-
ной коррекцией приведена на рис. 5.30.
Для подъема частотной характеристики на низких
частотах и компенсации частотных и фазовых искаже-
ний в коллекторную цепь транзистора включают
коррректируюгций фильтр C$R$.
На средних частотах реактивное сопротивление
конденсатора Сф очень мало и сопротивление коллек-
торной нагрузки будет приблизительно равно RK.
В диапазоне низких частот реактивное сопротивле-
ние конденсатора Сф возрастает, сопротивление на-
грузки растет, вследствие чего увеличивается усиление
каскада. При правильном выборе 7?ф и Сф можно обе-
спечить равномерное усиление в области низких частот.
В последнее время в импульсных усилителях на
биполярных транзисторах широкое распространение
получила частотная коррекция в области высоких
частот с помощью ООС. В качестве примера можно
привести обычную резистивную схему усилителя, в
которой ООС создается с помощью резистора /?.,
эмиттерной стабилизации рабочей точки, не заблоки-
рованного конденсатором Сэ.
158
Рис. 5.31
Рис. 5.32
Избирательные усилители. Избирательными назы-
вают усилители, усиливающие сигналы в относи-
тельно узкой полосе частот. По принципу действия
различают избирательные усилители: резонансные,
полосовые, усилители с обратной связью.
В резонансных усилителях в качестве нагрузки
используется параллельный колебательный контур
(см. § 6.1), имеющий большое сопротивление для
резонансной частоты /0 и малое сопротивление для
других частот. При использовании колебательного
контура в качестве нагрузки он оказывается зашунти-
рованным выходным сопротивлением собственного
каскада и входным сопротивлением следующего
каскада, за счет чего избирательность контура ухуд-
шается. Для ослабления связи транзисторов с коле-
бательным контуром используют неполное включе-
ние контура в коллекторной цепи транзистора. Такое
включение может быть достигнуто, например, с
помощью автотрансформаторной схемы включения
контура (рис. 5.31).
Работа приведенной схемы и назначение большин-
ства ее элементов (Ср, Rl, R2, R3, Сэ) не отличаются
от схемы каскада усиления низкой частоты. Избира-
тельность усилителя оценивается его частотной
характеристикой, а резонансная частота усилителя /0
определяется по формуле
1
гл^/дс’
(5-36)
Элементы контура и его связь с выходом транзи-
стора и с входом следующего каскада необходимо
выбирать так, чтобы обеспечить настройку каскада на
159
заданную частоту и получить требуемую полосу
пропускания. Изменяя емкость С переменного кон-
денсатора контура, можно в широких пределах
менять его настройку и таким образом осуществлять
избирательное усиление в соответствующем диапа-
зоне частот.
В схеме транзисторного полосового усилителя в
качестве нагрузки использован полосовой фильтр,
представляющий собой двухконтурную связанную
систему с взаимоивдуктивной связью между конту-
рами (рис. 5.32).
Для уменьшения шунтирующего влияния коллек-
торной цепи на первый контур и входа последующего
транзистора на второй контур применена автотранс-
форматорная связь.
В отличие от резонансных полосовые усилители,
как правило, имеют фиксированную настройку, т. е.
их колебательные контуры не перестраиваются при
эксплуатации усилителя. Избирательность полосо-
вых усилителей значительно выше, чем у резо-
нансных.
В последнее время все более широкое применение
находят избирательные усилители с обратной связью.
На более низких частотах избирательные усили-
тели с резонансными контурами становятся слишком
громоздкими из-за больших габаритов катушек
индуктивности и конденсаторов колебательных кон-
туров. Поэтому избирательные усилители, предназна-
ченные для работы на частотах порядка сотен герц и
ниже, выполняют с использованием частотно-избира-
тельных фильтров АС-типа в цепи отрицательной
обратной связи. Структурная схема избирательного
усилителя с АС-цепочкой, называемой двойным
Т-образным мостом, в цепи отрицательной обратной
связи приведена на рис. 5.33.
Можно показать, что коэффициент передачи двой-
ного Т-образного моста Р = | L\/Нвых | резко зависит
от частоты. При /->0 р~> 1, так как на очень низких
частотах сопротивления конденсаторов становятся
очень большими и напряжение (7ВЫХ через «верхний»
одинарный Т-образный мост (А; 2 С; А) передается на
вход усилителя. На очень высоких частотах при /~»со
Р->1 из-за того, что сопротивления конденсаторов
малы и напряжение С7ВЫХ через «нижний» одинарный
Т-образный мост (С; А/2; С) передается на вход
16®
силителя. На частоте
коэффициент передачи
1
2лАС
= 0, так как на этой частоте коэффициенты передачи
каждого из одинарных Т-образных мостов, из кото-
рых состоит двойной Т-образный мост, имеют
равные по модулю и противоположные по фазе
коэффициенты передачи, и их выходные токи взаимно
компенсируются, откуда С7х=0. Частотная зависи-
мость коэффициента передачи двойного Т-образного
моста приведена на рис. 5.34.
Коэффициент усиления усилителя с отрицательной
обратной связью кос выражается (5.30) через пара-
метры усилителя и цепи обратной связи следующим
образом:
/<ос = /с/(1 + р/<).
Анализируя это выражение, можно установить,
что при Р=1 (частотах /=0 и /=оо)
кос = к/(1+к)*1
на частоте /0 при р = 0 кос = к 1.
Частотная характеристика избирательного усили-
теля с двойным Т-образ-
йым мостом в цепи об-
ратной связи показана на
tic. 5.35.
Принципиальная схе-
а избирательного уси-
тителя с двойным Т-об-
тазным мостом приведе-
- . на рис. 5.36, а. В этой
схеме на частоте f0 фильтр
вносит максимальное ос-
эление в сигнал, пере-
815
161
Рис. 5.36
даваемый с выхода на вход. Поэтому отрицательная
обратная связь практически отсутствует и усиление
сигнала оказывается максимальным. На частотах, от-
личающихся от /0, затухание, вносимое фильтром,
уменьшается. При этом усиливается отрицательная
обратная связь и соответственно уменьшается усиление
сигнала. Частотная характеристика такого усилителя
(рис. 5.36, б) напоминает резонансную характеристику
колебательного контура и, следовательно, приведен-
ная схема по своим свойствам подобна избиратель-
ному усилителю с нагрузкой в виде колебательного
контура. Необходимо также отметить, что в совре-
менных интегральных микросхемах трудно создавать
индуктивности, а в усилителях с частотно-зависимой
обратной связью легко обеспечить высокую избира-
тельность по частоте без применения индуктивности.
§ 5.7. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Усилителями постоянного тока (УПТ) называют
усилители, коэффициент усиления которых не умень-
шается при снижении частоты вплоть до нуля. Такие
усилители производят усиление не только перемен-
ной, но и постоянной составляющей сигнала.
УПТ широко используют в электронных вычисли-
тельных устройствах, в системах автоматического
регулирования, в радиоизмерительных устройствах
(электронные вольтметры, высокочувствительные
гальванометры, осциллографы), в стабилизаторах, а
также во многих промышленных установках. По
принципу действия УПТ подразделяют на два основ-
ных типа: прямого усиления и с преобразованием
сигнала.
162
Электрические сигналы, воздействующие на вход
тителя постоянного тока, во многих случаях малы
о величине. Так, с помощью УПТ приходится
тивать напряжения порядка долей милливольта, а
— порядка 10“15 —10-16 А. Для усиления таких
Зых электрических сигналов одного каскада обыч-
оказывается недостаточно, поэтому приходится
- вменять многокаскадный усилитель.
Очевидно, при построении многокаскадных УПТ
остная или трансформаторная связь не может
' ь использована, так как ни конденсаторы, ни
щсформаторы не пропускают постоянный ток.
Поэтому для соединения отдельных каскадов приме-
няют только гальваническую (непосредственную)
язь. При этом базу транзистора каждого после-
дующего каскада непосредственно соединяют с кол-
ектором предыдущего.
Это требование приводит к возникновению опре-
деленных трудностей, связанных с необходимостью
согласования режимов соседних каскадов по постоян-
ному току. Такие трудности не возникают в усилите-
лях переменного тока, где разделительные конденса-
торы изолируют каскады по постоянному току.
Согласование режимов соседних каскадов УПТ по
постоянному току может быть осуществлено двумя
способами.
При первом способе дополнительный источник
постоянного напряжения включают в цепь меж-
каскадной связи (рис. 5.37, а). В этом случае на-
пряжение смещения Е2 определяется как разность
постоянного напряжения Ег на выходе предыдущего
каскада и напряжения Е дополнительного источника:
Рис. 5.37
6*
163
Е2 = Ех — | Е |. Изменяя напряжение Е, всегда можнс
подобрать оптимальное для транзистора второгс
каскада напряжение смещения.
При втором способе дополнительный источнш
постоянного напряжения включают в цепь эмиттер:
(или в цепь истока).
При полярности напряжения Е, указанной н:
рис. 5.37, б, напряжение смещения Е2 снова будет
разностью постоянных напряжений Ег и Е и также
может иметь нужную величину.
С конструктивной точки зрения первый cnocof
схемного решения менее удачен, особенно в случае
применения многокаскадных УПТ. УПТ будет очеш
громоздким, так как необходимы дополнительные
источники питания, число которых только на одш
меньше числа каскадов.
Второй способ схемного решения значительнс
лучше, так как роль дополнительного источник:
постоянного напряжения может играть, например
резистор R в цепи эмиттера, через который проходи:
постоянный ток. Величину постоянного тока I.
подбирают такой, чтобы выполнялось условие
RI_ = Е. Вариант схемы двухкаскадного транзистор
него УПТ приведен на рис. 5.38.
Делитель Rl, R2 обеспечивает смещение на баз^
транзистора VT1. При данной полярности источник:
питания Ёк на коллекторе транзистора устанавлива
ется соответствующий начальному режиму относи
тельно высокий отрицательный потенциал, которьп
прикладывается к базе транзистора VT2. Уровеш
этого потенциала обычно значительно превышаем
требуемое напряжение смещения на базу транзистор:
VT2. Поэтому, если его не скомпенсировать, то toki
1С2 и hi возрастут настолько, что транзистор VT.
может оказаться в режиме насыщения. Компенсации
коллекторного напряжения С7к1 в приведенной схем:
осуществляется напряжением на резисторе Т?э2, на
правленным встречно и задаваемым такой величины
чтобы
где С762 — напряжение смещения на базу транзистор:
VT2, обеспечивающее необходимый базовый ток. I
свою очередь ток 152 обеспечивает начальный режик
работы второго каскада.
164
Рис. 5.38 Рис. 5.39
Принципиальная трудность, возникающая при
конструировании УПТ, заключается в том, что такие
силители обладают большой нестабильностью.
Даже очень медленные изменения напряжения источ-
ников питания, а также параметров транзисторов и
теталей схемы вследствие их старения, колеба-
ний окружающей температуры вызывают медленные
изменения токов, которые через цепи гальванической
связи передаются на выход усилителя и приводят к
изменениям выходного напряжения.
Особенно вредными оказываются изменения токов
в первых каскадах, так как они усиливаются после-
дующими. В результате этого в отсутствие входного
сигнала выходное напряжение УПТ колеблется около
некоторого среднего значения. Это явление, назы-
ваемое дрейфом нуля УПТ, является вредным, так как
возникающее выходное напряжение невозможно от-
личить от полезных сигналов. Дрейф нуля оценивают
в единицах напряжения на время (микровольт в час).
Отношение выходного напряжения при отсутствии
сигнала на входе к коэффициенту усилителя назы-
вают приведенным напряжением дрейфа:
др вх др вых/'^"
Величина приведенного ко входу напряжения
дрейфа ограничивает минимально различимый вход-
ной сигнал; по существу, напряжение дрейфа опреде-
ляет чувствительность усилителя. Если же напряже-
ние дрейфа на входе усилителя окажется того же
порядка, что и напряжение сигнала, или даже больше
его, то уровень искажений усилителя достигнет
недопустимой величины.
165
Для уменьшения дрейфа нуля стабилизируют
источники питания УПТ, вводят отрицательную
обратную связь, а также применяют мостовые
балансные схемы УПТ (рис. 5.39).
Данная схема выполнена в виде моста, двумя
плечами которого являются внутренние сопротивле-
ния транзисторов VT1 и VT2 (вместе с соответ-
ствующей частью резистора Ro и резистором R3). К
одной диагонали моста подключен источник питания
Ек, а к другой — внешняя нагрузка Rv,, с которой
снимается выходное напряжение. Входной сигнал
постоянного или медленно изменяющегося тока при-
кладывается к базам обоих транзисторов. Если плечи
моста симметричны (транзисторы идентичны, а
Rk1=Rk2) и 17^ = 0, то начальные токи покоя транзи-
сторов одинаковы. При этом напряжения на коллек-
торах UK1 и С7к2 относительно заземленной точки
схемы также равны, поэтому разность потенциалов
между коллекторами (на нагрузке /?п) равна нулю.
Изменение напряжения питания, температуры или
воздействие какого-либо другого дестабилизирую-
щего фактора вызывают равные приращения началь-
ных токов транзисторов, что обусловливает равные
приращения напряжений на коллекторах At7K1=At7K2.
Однако баланс моста при этом сохраняется и
напряжение на нагрузке (напряжение дрейфа) равно
нулю. При наличии входного сигнала приращения
коллекторных токов, а следовательно, и напряжений
на коллекторах будут равны по величине, но противо-
положны по направлению, что приводит к разбалансу
моста и появлению на нагрузке разности потенциа-
лов, за счет которой в резисторе _RK протекает ток
усиленного сигнала. Полной симметрии плеч в
реальной схеме достичь невозможно, что обусловли-
вает наличие небольшого напряжения дрейфа. Для
повышения стабильности балансного УПТ вводят
переменный резистор Ro, с -помощью которого
поддерживается большее постоянство потенциалов
эмиттеров при изменении токов транзисторов.
Значение этого резистора невелико, обычно Ro к
л (0,01 0,05) R3. Вместо отдельных резисторов в
цепях эмиттеров транзисторов на практике при-
меняют один общий резистор R3. Он обуслов-
ливает отрицательную связь лишь по токам по-
коя обоих транзисторов, что выгодно с точки
166
зрения стабилизации параметров УПТ и снижения
дрейфа нуля.
Так как при воздействии входного сигнала прира-
щения эмиттерных токов, протекающих через рези-
стор 7?э, равны по величине, но противоположны по
направлению, т. е. Д/э1 = Д/э2, то отрицательная
обратная связь по току полезного сигнала поддержи-
вается лишь небольшим сопротивлением 7?0.
Значительное снижение дрейфа нуля достигается в
балансных УПТ, выполненных в виде интегральных
микросхем. Поскольку транзисторы в интегральной
схеме изготовляют в течение одного технологиче-
ского цикла и в одних и тех же условиях, их
параметры почти идеально идентичны. Кроме того,
поскольку транзисторы расположены очень близко
друг к другу в одной кремниевой пластинке, рабочая
температура этих приборов одинакова.
Усилитель постоянного тока с преобразователем.
Усилители постоянного тока имеют дрейф нуля,
который ограничивает чувствительность усилителя
постоянного тока. Дрейфа нуля нет у усилителей
переменного тока, поэтому у них чувствительность
больше.
Для использования этого свойства усилителей
переменного тока необходимо преобразование малых
сигналов постоянного тока в сигналы переменного
тока. Для этого на входе усилителя необходимо
специальное устройство, которое вырабатывало бы
переменное напряжение CL тогда, когда на вхол
подается постоянное напряжение UBX. Амплитуда
этого переменного напряжения должна быть пропор-
циональна входному. Полярность входного напряже-
ния определяет фазу переменного. Частота перемен-
ного напряжения постоянна и поэтому переменное
напряжение называется опорным. Если частота пере-
менного напряжения постоянна, то для его усиленш
применяется узкополосный усилитель с больших
усилением и с отрицательной обратной связью
Усиленное напряжение на выходе усилителя посту
пает на преобразователь переменного напряжения i
постоянное 17вых. Так осуществляется усиление (
преобразованием постоянного тока. На рис. 5.4(
показана схема УПТ с балансным преобразователе;^
переменного напряжения в постоянное. Буквой Г
обозначен прямой преобразователь постоянного на
16
Рис. 5.40
пряжения J7BX в переменное t/BbIX; С/оп—опорное
напряжение постоянной частоты; Y—узкополосной
усилитель переменного напряжения U.
В качестве преобразователя постоянного напряже-
ния сигнала в переменное раньше использовалась
полупроводниковая пластинка в магнитном поле
опорного напряжения. Пластинка полупроводника в
магнитном поле изменяет свое сопротивление с
частотой 2/оп (эффект Холла). Если ее включить
последовательно с первичной обмоткой трансформа-
тора Тр1, то на его вторичной обмотке в момент
подачи UBX появится переменное напряжение, которое
усиливается и попадает на балансную схему. В
качестве модулятора могут быть использованы и
другие схемные решения.
Если нет сигнала на входе усилителя, то токи
диодов УД1 и УД2, полученные от напряжения
вторичной обмотки ТрЗ, проходят по сопротивле-
ниям .R1 и R2 навстречу друг другу, компенсируются
и на выходе напряжения t7BbIX не будет, если R\ = R2 и
схема симметрична.
При подаче сигнала UBX на верхней половине вто-
ричной обмотки Тр2 появится напряжение, которое
складывается с опорным напряжением с ТрЗ, а на
нижней половине эти напряжения вычитаются. Баланс
схемы нарушается и на выходе усилителя появляется
напряжение С7ВЫХ. Если полярность входного напряже-
ния меняется, то и выходное напряжение сменит свою
полярность.
Как видно из описания работы схемы уси-
ления с преобразованием постоянного тока, не-
обходимо, чтобы опорное напряжение на входе
балансной схемы было бы синхронно и синфаз-
но с частотой сигнала, что ограничивает приме-
168
некие усилителя с высокими частотами опорных
напряжений.
§ 5.8. ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕЛЕ
Неотъемлемой частью многих автоматических
устройств и электронных вычислительных машин
являются электронные реле. Они обладают высокой
чувствительностью, безынерционностью, простотой
регулировки, быстродействием и устойчивостью в
работе.
Рассмотрим некоторые схемы электронных реле.
Электронное реле на транзисторах. Электронное
реле представляет собой устройство, в котором при
достижении входной величины (тока или напряжения)
определенного значения происходит скачкообразное
изменение выходной величины. Обычно электронное
реле состоит из электронного усилителя и электро-
магнитного реле.
Электромагнитным называют реле, у которого
контакты перемещаются при притягивании якоря к
сердечнику электромагнита, по обмотке которого
протекает ток. Благодаря усилителю чувствитель-
ность электронного реле высокая, т. е. оно срабаты-
вает при малом входном токе и напряжении, что
является важным его достоинством.
На рис. 5.41 представлена схема такого электрон-
ного реле.
При отсутствии входного напряжения транзистор
VT1 закрыт, тока в коллекторной цепи транзистора
нет, и реле Кх выключено. При подаче на вход схемы
импульса напряжения С7вх>£'см отрицательной поляр-
ности напряжение на базе
отрицательным и возни-
кает ток, протекающий
по цепи: + С7ВХ, эмит-
тер — база транзистора,
резистор У?!, — t/BX. За
счет этого тока транзи-
стор открывается и уста-
навливается ток в цепи:
+ Ек, корпус, эмиттер —
база — коллектор транзи-
стора, обмотка реле Kt и
— Ек. В результате реле
транзистора становится
Рис. 5.41
169
KY включается и его контакты 1,2 замыкаются.
После снятия входного напряжения транзистор
закрывается и- реле К± выключается. При закрытии
транзистора в обмотке реле Кг наводится ЭДС
самоиндукции, которая, складываясь с напряжением
источника Ек, увеличивает напряжение на коллекторе
транзистора, что может вызвать пробой его коллек-
торного перехода. Чтобы этого не происходило,
ставят диод УД1, который под действием возни-
кающей при закрытии транзистора ЭДС самоиндук-
ции открывается и шунтирует обмотку реле.
Фотореле. Фотореле называется устройство, скач-
кообразно переключающее электрическую цепь при
изменении освещенности.
В качестве элементов, реагирующих на освещен-
ность, в фотореле используются фотодиод, фототран-
зистор или фоторезистор.
Фотореле находят широкое применение для конт-
роля различных неэлектрических параметров на про-
изводстве. Они надежно работают в ограждающих и
предохранительных конструкциях, а также приме-
няются в устройствах для включения вечером и
отключения утром светильников уличного и внутрен-
него освещения.
Рассмотрим одну из схем фотореле (рис. 5.42).
Когда фотодиод УД1 затемнен, его внутреннее
сопротивление велико и практически можно считать,
что ток базы транзистора отсутствует. При этом
транзистор закрыт и реле Кг выключено.
При освещении фотодиода внутреннее сопротивле-
ние его резко уменьшается, появляется ток в цепи:
+ ЕК, корпус, эмиттер — база транзистора, фотодиод
Д1 и В результате транзистор открывается и его
коллекторный ток вызывает срабатывание реле К±.
При затемнении фотодиода реле выключается.
Диод предохраняет транзистор УД2 от пробоя.
Электронное реле времени. Оно применяется для
автоматического включения или выключения регули-
руемых объектов через определенные интервалы
времени.
Действие электронного реле времени основано на
свойстве конденсатора постепенно накапливать элект-
рический заряд при его зарядке или постепенно
отдавать его при разрядке конденсатора. Поскольку
изменения напряжения при зарядке и разрядке проис-
170
Рис. 5.42 Рис. 5.43
ходят не скачком, цепь создает задержку сигнала во
времени. Рассмотрим простейшее реле времени
(рис. 5.43).
В исходном состоянии, т. е. при замкнутых кон-
тактах S±, напряжение на конденсаторе С и на
базе транзистора равно напряжению источника Е5.
Так как напряжение на базе относительно эмиттера
положительное, то транзистор закрыт и реле К±
выключено.
Включается данное реле времени размыканием
контактов Sr. При разомкнутых контактах прохо-
дит ток и конденсатор перезаряжается, так как заряд
от Еб этого же конденсатора был направлен в другую
сторону. В это время транзистор остается закрытым
и не влияет на разряд конденсатора. Когда напряже-
ние на конденсаторе в результате прохождения тока
по указанному пути изменит полярность, то на базе
транзистора напряжение становится отрицательным и
транзистор открывается. В его коллекторной цепи
возникает ток, за счет которого реле Kt срабатывает
и замыкает контакты S2. При замыкании контактов
конденсатор С очень быстро заряжается до
напряжения Е6, транзистор закрывается и реле Kt
выключается.
Время срабатывания, т. е. время от момента
размыкания контактов до момента замыкания
контактов реле Kt, называется временем выдержки tcp.
Для рассмотренной схемы приближенно можно
считать tcp^0,lRC.
Контрольные вопросы
1. Привести классификацию электронных усилителей.
2. Какие основные показатели характеризуют усилительный
каскад?
171
3. Во сколько раз изменится напряжение сигнала на выход
усилителя, если его усиление возрастает до 40 дБ?
4. Определить коэффициент усиления второго каскада двух
каскадного усилителя, обладающего коэффициентом 1000, есл]
коэффициент усиления первого каскада 40 дБ.
5. Объяснить появление нелинейных искажений в транзистор
ном усилителе.
6. Почему в практических устройствах схема усилителя н;
резисторах применяется чаще других схем?
7. Как объяснить сдвиг фаз на 180° между входным i
выходным напряжениями сигнала в схеме резистивного каскада <
общим эмиттером?
8. Влияет ли емкость разделительных конденсаторов на форм}
амплитудно-частотной характеристики предварительных каскадо!
усиления?
9. Почему в резистивных схемах на транзисторах приходится
применять разделительные конденсаторы большой емкости?
10. Составить схему предварительного усилителя, первый
каскад которого собран на транзисторе КП101Г, а второй — на
транзисторе ГТ310А.
11. Объяснить различие в режимах усиления А, В и АВ.
12. В чем отличие выходных каскадов УНЧ от предваритель-
ных каскадов?
13. С какой целью в выходных каскадах УНЧ применяют
трансформаторы?
14. В чем преимущества выходных бестрансформаторных
каскадов?
15. Почему двухтактный усилитель мощности по сравнению с
однотактным создает меньшие нелинейные искажения?
16. Как работает фазоинверсный каскад?
17. Какая обратная связь называется отрицательной?
18. Почему при отрицательной обратной связи уменьшаются
нелинейные и частотные искажения, возникающие в каскаде,
охваченном обратной связью?
19. Как влияет отрицательная обратная связь на коэффициент
усиления усилителя?
20. Усилитель состоит из трех каскадов, коэффициенты усиле-
ния которых = 10, А'2 = 2(), Л3 = ЗО. Последние два каскада
охвачены отрицательной обратной связью с Р = 0,2. Найти общий
коэффициент усиления усилителя.
21. Как происходит уменьшение частотных искажений в
области верхних частот при наличии индуктивности в импульс-
ных усилителях?
22. За счет чего уменьшаются частотные искажения в области
нижних частот при наличии фильтра 7?ф и Сф в импульсных
усилителях?
23. Объяснить назначение элементов схем резонансного и
полосового усилителей на транзисторе.
24. Объяснить свойства избирательного УНЧ с двойным
Т-образным мостом в цепи обратной связи.
25. Какие усилители называются усилителями постоянного
тока?
26. Какая связь применяется между каскадам! в УПТ и
почему?
27. Что называется дрейфом нуля и каковы его причины в
транзисторных схемах?
172
28. Какие методы борьбы с дрейфом нуля вы знаете?
29. Как работает балансный каскад УПТ на транзисторах?
ГЛАВА 6
ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Электронными генераторами называются авто-
колебательные системы, в которых энергия источни-
ков питания постоянного тока преобразуется в
энергию незатухающих электрических сигналов пере-
менного тока требуемой формы, частоты и мощ-
ности.
В зависимости от формы колебаний различают
автогенераторы синусоидальных и импульсных (ре-
лаксационных) колебаний.
Автогенераторы (генераторы с самовозбуждением)
используются в качестве возбудителей колебаний
требуемых частот, т. е. задающих генераторов. Полу-
чаемые от них колебания поступают затем в после-
дующие каскады с целью усиления или умножения
частоты. Они находят широкое применение в радио-
передающих и радиоприемных устройствах, в ЭВМ, в
измерительной технике, в автоматике и телемеханике
и т. д. Любой усилитель может быть превращен в
автогенератор, если его охватить положительной
обратной связью и обеспечить выполнение условия
&к^1, где Р—коэффициент передачи цепи обратной
связи.
Высокочастотные автогенераторы, работающие в
диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц, выполнен-
ные на основе схемы резонансного усилителя, часто
называются генераторами ЕС-типа.
Низкочастотные автогенераторы, работающие в
диапазоне от 0,01 Гц до 100 кГц, построенные на
основе схемы усилителя на резисторах, называются
генераторами RC-ткпа.
В качестве усилительных элементов схем автогене-
раторов чаще всего применяют транзисторы или
микросхемы.
Для контроля, настройки и регулировки электрон-
ных устройств используют измерительные приборы.
173
В последнее время наряду со стрелочными измери-
тельными приборами стали чаще применять элект-
ронные приборы с цифровым отсчетом. ,1;Для визуаль-
ного наблюдения электрических сигналов исполь-
зуются электронные осциллографы.
§ 6.1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР
В электронной аппаратуре часто появляется необ-
ходимость использования колебательных контуров.
Колебательным контуром называется замкнутая
электрическая цепь, состоящая из индуктивности L и
емкости С. Контур является идеальным, если в нем
отсутствуют потери энергии, но во всяком реальном
контуре кроме индуктивности и емкости имеется
активное сопротивление R, которое распределено в
катушке индуктивности и частично в соединительных
проводах и диэлектрике конденсатора. Наличие
активного сопротивления вызывает потери энергии в
контуре.
Свободными колебаниями в контуре называются
колебания, возникающие в нем за счет энергии,
первоначально накопленной в электрическом поле
конденсатора либо в магнитном поле катушки. В
идеальном контуре свободные колебания являются
незатухающими, т. е. могут продолжаться бесконечно
долгое время.
Колебательный контур, близкий по своим свой-
ствам к идеальному, можно получить, замкнув в
контуре, изображенном на рис. 6.1, о, ключ К. Если
переключатель S поставить в положение 1, то
конденсатор С зарядится от источника питания до
напряжения Ео. При переводе переключателя в
положение 2 конденсатор С начнет разряжаться через
катушку L. По мере разряда конденсатора ток
возрастает и энергия переходит в энергию магнит-
ного поля катушки. Когда конденсатор полностью
разряжается, напряжение на его обкладках исчезает, в
это время ток в контуре максимальный. Так как
теперь отсутствует сила, поддерживающая ток, то он
начинает уменьшаться. При этом увеличивается ЭДС
самоиндукции обратной полярности и конденсатор
заряжается с новой полярностью. Роль источника в
это время выполняет катушка. По мере зарядки
конденсатора напряжение на его обкладках воз-
174
г стает, а ток в контуре
•-бывает. После оконча-
ния зарядки конденсатор
начинает разряжаться че-
рез катушку, и процесс по-
вторяется. На рис. 6.1,6
показаны графики изме-
нения напряжения и тока
в идеальном контуре.
Угловая частота сво-
бодных колебаний конту-
ра зависит от его па-
раметров:
со0=1/УЕс.
Частное от деления на-
пряжения на ток в конту-
ре называется волновым
сопротивлением контура:
p=6/ra/zm=x/Z7c.
Рис. 6.1
Индуктивное сопротив-
ление катушки и емкостное сопротивление конденса-
тора при свободных колебаниях равно волновому
сопротивлению контура: XL=Xc=p.
Частота свободных колебаний
f - 1
7° 2n^Lc'
Длина волны, соответствующая частоте свобод-
ных колебаний, X = 2л • 3 10 8 -JLC.
Если ключ К разомкнуть, то в контуре появятся
активные потери. В этом случае колебания в контуре
окажутся затухающими (рис. 6.1, в). В течение каж-
дого периода колебаний часть первоначально запасен-
ной энергии будет безвозвратно теряться в активном
сопротивлении контура. Чем больше активное сопро-
тивление, тем быстрее уменьшаются амплитуды тока
и напряжения.
С достаточной для практики точностью угловую
частоту затухающих колебаний соо можно рассчи-
тывать по формуле соо = 1 / yjLC, справедливой для
идеального контура.
175
Для оценки качества колебательного контура
вводится понятие добротности контура Q. Доброт-
ность равна отношению волнового сопротивления р к
активному сопротивлению контура R:
Q=p/R-
Величина, обратная добротности, называется за-
туханием контура:
d=l/Q = R/p.
Чем больше добротность, тем дольше существуют
свободные колебания и тем выше качество контура.
Колебательные контуры являются основными
узлами радиоприемной, радиопередающей и телеви-
зионной аппаратуры, используются в измерительных
генераторах и т. п.
§ 6.2. ГЕНЕРАТОРЫ ЕС-ТИПА
Любой автогенератор LC-типа состоит из колеба-
тельного контура, в котором возбуждаются незату-
хающие колебания требуемой частоты; источника
электрической энергии, за счет которого в контуре
поддерживаются незатухающие колебания; транзис-
тора, посредством которого регулируется подача
энергии от источника в контур; элемента обратной
связи, обеспечивающего передачу переменного напря-
жения необходимой величины из выходной цепи во
входную для поддержания незатухающих колебаний в
колебательном контуре.
Простейшая схема автогенератора LC-типа на
транзисторе приведена на рис. 6.2, а.
Рис. 6.2
176
Такая схема называется генератором с трансфор-
маторной связью. Колебательный контур состоит из
индуктивной катушки LK и конденсатора Ск. Источ-
ником энергии является источник постоянного напря-
жения Ек, который отдает часть энергии в колеба-
тельный контур в моменты, когда в его внешней це-
пи, состоящей из колебательного контура и парал-
лельно соединенного с ним транзистора, проходит
ток. Регулятором служит транзистор, цепью обрат-
ной связи-—катушка £6> индуктивно связанная с
колебательным контуром.
При включении источника питания в коллектор-
ной цепи транзистора возникает ток коллектора,
который заряжает конденсатор колебательного кон-
тура. После заряда конденсатор разряжается на
катушку £к. В результате в £кСк-коптуре возникают
свободные колебания с частотой /0 =---, которые
Же
индуцируют в катушке связи £6 переменное напряже-
ние той же частоты, с которой происходят колебания
в контуре. Это напряжение вызывает пульсацию тока
коллектора (см. рис. 6.3, б). Переменная составляю-
щая этого тока восполняет потери энергии в контуре,
создавая в нем усиленное транзистором переменное
напряжение. Повышение напряжения на контуре
приводит к новому нарастанию напряжения на
катушке обратной связи £6, которое вызовет нараста-
ние амплитуды переменной составляющей коллектор-
ного тока, и т. д. В установившемся режиме рост
тока в контуре ограничивается сопротивлением
потерь, а также затуханием, вносимым в контур за
счет прохождения тока по обмотке обратной связи
Элементы схемы R&, С6, R3, Сэ предназначены для
обеспечения необходимого режима работы по по-
стоянному току и его термостабилизации. Дроссель
Lap является препятствием для переменной состав-
ляющей коллекторного тока, а конденсатор Ср — для
его постоянной составляющей.
Незатухающие колебания в контуре автогенера-
тора установятся лишь при выполнении двух основ-
ных условий. Первое из этих условий называют
условием баланса фаз, которое сводится к тому, что в
схеме генератора должна быть установлена положи-
177
a)
Рис. 6.3
тельная обратная связь между выходной и входной
цепями транзистора. В этом режиме обеспечивается
восполнение потерь энергии в контуре. Практически
фазовое условие удовлетворяется, если напряжения на
коллекторе и базе будут сдвинуты на 180°, т. е.
находится в противофазе, а это достигается соответ-
ствующим включением концов катушек LK и L6. При
отсутствии самовозбуждения необходимо переклю-
чить концы катушки L6. Второе условие называют
условием баланса амплитуд, которое состоит в том,
что для возникновения автоколебательного режима
необходима положительная обратная связь с выхода
усилительного элемента на его вход, причем зату-
хание в контуре должно компенсироваться.
Практически глубина положительной обратной
связи должна быть такой, чтобы полностью воспол-
нялись потери энергии в контуре.
Помимо рассмотренной выше схемы с трансфор-
маторной связью широкое распространение получили
трехточечные схемы с индуктивной автотрансформа-
торной (рис. 6.3, а) и емкостной (рис. 6.3, б) обратной
связью (ОС). '
В этих схемах колебательный контур подключен к
электродам транзистора (по переменному току ВЧ)
тремя точками: эмиттер, коллектор, база. Элементы
контура к электродам транзистора должны подклю-
чаться так, чтобы выполнялось фазовое условие
самовозбуждения генератора. В автотрансформатор-
ной схеме с индуктивной ОС (рис. 6.3, о) напряжение
ОС снимается с части витков £6 контурной катушки,
которые заключены между эмиттером и базой тран-
зистора, и через конденсатор С1 подается на базу.
Мгновенные значения напряжений на катушках £6 и
178
LK относительно средней точки противоположны
(сдвинуты по фазе на 180°).
В результате в схеме устанавливается положитель-
ная ОС и обеспечивается баланс фаз.
Амплитудное условие самовозбуждения удовлет-
воряется подбором значения ОС (числа витков
катушки связи).
В схеме с емкостной ОС (рис. 6.3, б) резонансный
колебательный контур образован конденсаторами С1,
С2 и катушкой £к. Напряжение ОС снимается с кон-
денсатора С2. Фазовое условие самовозбуждения в схе-
ме удовлетворяется, поскольку мгновенные значения
напряжений на конденсаторах противозначны. Условия
баланса амплитуд обеспечиваются выбором емкости
конденсатора С2. При ее увеличении ОС уменьшается.
§ 6.3. ГЕНЕРАТОРЫ ЯС-ТИПА
В настоящее время для решения ряда задач тре-
буются низкочастотные автогенераторы синусоидаль-
ных колебаний, работающие в диапазоне частот от
долей герца до сотен килогерц. Генерация таких коле-
баний с помощью LC-генераторов связана с больши-
ми конструктивными трудностями. В £С-генераторах
при уменьшении частоты генерации необходимо уве-
личивать индуктивность LK и емкость Ск колебатель-
ного контура, так как ci)r= 1/^/1^ Ск. Увеличение емко-
сти и индуктивности колебательного контура приво-
дит к резкому возрастанию его габаритов и массы.
Этого недостатка лишены автогенераторы RC
типа, в которых вместо колебательных коптурог
используются избирательные ЛС-фильтры. Структур-
ная схема ЛС-генератора изображена на р'ис. 6.4.
В этой схеме используется обычный резистивньп
усилитель. Для самовозбуждения усилителя его необ
ходимо охватить положительной обратной связью
т. е. на вход усилителя подавать часть выходногс
напряжения, превышающего входное или равное ем^
по величине и совпадающее с ним по фазе.
Для обеспечения необходимого фазового сдвип
на частоте генерируемых колебаний применяют фазе
вращающие цепочки, которые имеют несколько RC
звеньев и служат для поворота фазы выходного напря
жения усилителя на 180°. В связи с тем что одно RC
звено изменяет фазу на угол меньше 90°, минималь
17
Рис. 6.4 Рис. 6.5
ное число звеньев фазовращающей цепочки равно
трем. Для того чтобы частота генерируемых колеба-
ний зависела, главным образом, от параметров фазо-
вращающей цепочки, а амплитуда колебаний остава-
лась бы стабильной в заданном диапазоне частот, уси-
литель должен обладать большим коэффициентом уси-
ления по току, значительным входным сопротивлени-
ем и относительно малым выходным сопротивлением.
На рис. 6.5 изображена простейшая схема генера-
тора 7?С-типа с трехзвенной фазовращающей цепочкой.
Работа автогенератора начинается с момента
подачи на него напряжения Ек. Делитель напряжения
Rl, R2 обеспечивает открытие транзистора VT. При
этом возникает импульс коллекторного тока, кото-
рый содержит широкий спектр частот, обязательно
включающий в себя и необходимую частоту генера-
ции. Генерирование незатухающих колебаний требуе-
мой частоты осуществляется за счет обеспечения
фазовых и амплитудных условий самовозбуждения.
Обеспечение фазовых условий достигается с помо-
щью подбора соотношений между резисторами и
конденсаторами. В результате получается фазовый
сдвиг в 180° между напряжениями на коллекторе и
базе. Для выполнения амплитудного условия коэффи-
циент обратной связи должен быть равен
₽«1/Й21э>
где й21Э—коэффициент передачи тока транзистора,
включенного по схеме с ОЭ.
§ 6.4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЯС-ЦЕПЯХ
Если конденсатор, включенный в электрическую
цепь (рис. 6.6, а), предварительно не был заряжен, то
при переходе переключателя S' в положение 1
начнется процесс зарядки, т. е. нарастание напряже-
но
ния Uc на обкладках конденсатора. Рост Uc во
времени происходит по уравнению
Uc = E0(i-e~tiRC),
где Ео — напряжение источника.
Ток в цепи
f=£5 = ^e-,/RC = /ne-,/RC
R Д °
Из полученных выражений следует, что во время
зарядки конденсатора напряжение на его обкладках
возрастает, а ток в цепи уменьшается. Произведение
RC, имеющее размерность времени (с), определяет
скорость изменения величин Uc и I, называется
постоянной времени цепи и обозначается тс.
За время t, равное постоянной времени тс,
напряжение зарядки конденсатора
[7С = £О(1—е^ЛС/ЛС) = £0 (1—е“ *)=(),63£О.
На практике обычно считают, что процесс зарядки
заканчивается, когда напряжение на конденсаторе до-
стигает 95% конечного значения, т. е. / = 3тс. Кривые
зарядки конденсатора приведены на рис. 6.6, б.
Если после полной за-
рядки конденсатора пе-
реключатель перевести в
положение 2, то через
время t после начала
разряда напряжение Uc =
= Еое~г1КС, а ток в цепи
разряда i— —=—e~’/RC =
R R
= 10е~г,кс.
Напряжение на конден-
саторе и ток в цепи убы-
вают по экспоненциаль-
ному закону (рис. 6.6, в).
Скорость изменения ве-
личин Uc и i при раз-
ряде зависит от постоян-
ной времени тс. Процесс
разряда принято считать
законченным, когда на-
пряжение на конденсато-
181
ре уменьшается до 5% от значения Ео, т. е. за время
^=3тс.
§ 6.5. ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Импульсными генераторами называют электрон-
ные устройства, преобразующие энергию источ-
ников постоянного напряжения в энергию элек-
трических импульсов. Одним из наиболее распро-
страненных импульсных генераторов является муль-
тивибратор. Мультивибратором называют автоге-
нератор прямоугольных импульсов, представляю-
щий собой двухкаскадный резистивный усилитель
со 100%-ной положительной обратной связью.
Одна из типичных схем симметричного мульти-
вибратора на транзисторах с коллекторно-базовыми
связями приведена на рис. 6.7, а.
Если транзисторы, конденсаторы и резисторы в
обоих плечах одинаковы, то мультивибратор назы-
вают симметричным.
Для мультивибратора симметричность означа-
ет однотипность транзисторов VT1 и VT2 и ра-
венство С1 = С2, Кк1 = Кк2 и Кб1~Кб2- В первый
момент после подключения источника питания Ек
через транзисторы будут протекать равные по ве-
личине токи. Однако такое состояние схемы не-
устойчивое. В результате нестабильности источ-
ника питания или из-за неодинаковости параме-
тров транзисторов симметрия схемы будет нару-
паться и один из коллекторных токов окажется
гесколько большим. Допустим, что несколько ббль-
пим окажется коллекторный ток транзистора VT2.
При этом увеличится падение напряжения на ре-
шсторе /?к2, и коллектор транзистора VT по-
тучит приращение положительного потенциала. По-
скольку напряжение на конденсаторе С2 не мо-
жет мгновенно измениться, это приращение при-
кладывается к базе транзистора VT1, подзапи-
рая его. Коллекторный ток 1к1 при этом умень-
нается, напряжение на коллекторе транзистора VTI -
становится более отрицательным и перепад напря-
жения, передаваясь через конденсатор С1 на ба-
$у транзистора VT2, еще более открывает его,
увеличивая ток 1к2. Этот процесс протекает ла--3
винообразно и заканчивается тем, что транзистор
VT2 входит в режим насыщения, а транзистор
VTI — в режим отсечки. В это время конденсатор С1
начинает заряжаться по цепи: +ЕК, участок эмит-
тер— база открытого транзистора VT2, Cl, RK1, —Ек.
В то же время конденсатор С2 разряжается через
открывшийся транзистор VT2, источник питания и
резистор /?61.
По мере разряда конденсатора С2 положительный
запирающий потенциал базы транзистора VT1 умень-
шается, транзистор VT1 открывается и появляется
коллекторный ток 1к1. Проходя по резистору /?к1, он
вызывает повышение потенциала коллектора транзи-
стора VT1, а через конденсатор С1 — повышение
потенциала базы транзистора VT2 и его запирание.
Вследствие этого потенциал коллектора транзистора
VT2 понижается. Это вызывает еще большее откры-
вание транзистора VT1. Процесс развивается лавино-
образно, и схема' переходит в новое, временно
устойчивое состояние.
Таким образом, транзисторы в мультивибраторе
по очереди находятся или в режиме отсечки или в
режиме насыщения и с каждого коллектора можно
снять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти
равной величине источника питания.
На рис. 6.7,6 приведены временные диаграммы
токов, протекающих в коллекторных цепях тран-
зисторов, и напряжений на коллекторах и базах
транзисторов. Диаграммы помогают понять принцип
действия схемы. Исходный момент времени t0 соот-
183
ветствует тому случаю, когда транзистор VT1 заперт,
a VT2 открыт. Моменты времени tt, t2, t3 соответст-
вуют переключению схемы.
Условимся длительностью импульса мультивибра-
тора считать время запертого состояния транзистора
VT2, длительности импульсов мультивибратора опре-
деляются из выражений: ти1 rjO,7/?61C2 и ти2~
xO,1R62C1. Период колебаний мультивибратора
Т= ти1 + ти2 = 0,7 (R61С2+R62 Cl).
Для симметричного мультивибратора Т?б1=Л62 = Лб и
С1 = С2=С, поэтому Г=1,47?бС.
Неотъемлемой частью многих автоматических
устройств и электронных вычислительных машин
являются устройства переключающего вида.
Наиболее распространенной схемой переключаю-
щего устройства является схема триггера. Триггером
называют устройство, имеющее два устойчивых сос-
тояния равновесия и способное скачком переходить
из одного состояния в другое под воздействием
внешнего (запускающего) сигнала. Схема симметрич-
ного триггера с независимым смещением представле-
на на рис. 6.8, а.
В этой схеме оба транзистора работают в
ключевых режимах. Открытое состояние одного тран-
зистора, например VT1, обусловливает закрытое
состояние другого, и наоборот.
Рассмотрим работу триггера. При подаче напря-
жения оба транзистора частично откроются, так
как на их базы через резисторы /?к1, 1?к2 и Rl, R2
подаются одновременно отрицательные потенциалы.
Рис. 6.8
184
Пусть коллекторный ток транзистора VT1 получит
хотя бы небольшое приращение по сравнению с
коллекторным током транзистора VT2 (это может
быть из-за несимметрии схемы ввиду неодинаковости
параметров ее элементов—транзисторов и резисто-
ров). Тогда увеличится падение напряжения на /?к1 и
соответственно повысится потенциал коллектора
транзистора VT1, который через делитель R1 и R62
передастся на базу транзистора VT2 и приведет к
уменьшению его коллекторного тока. Уменьшение
этого тока, в свою очередь, приведет к возрастанию
потенциала коллектора транзистора VT2, т. е. потен-,
циала базы транзистора VT1 (через делитель R2 и
Яб1). Следовательно, ток транзистора VT1 еще более
увеличится. Процесс нарастания тока в VT1 и его
уменьшения в VT2 происходит лавинообразно в
очень короткий промежуток времени. В результате
один транзистор (VT2) будет заперт, другой (VT1)
открыт и насыщен. Это состояние схемы устойчиво,
если обеспечено надежное запирание закрытого тран-
зистора от независимого (отдельного) источника
смещения Е&. Для перевода схемы в другое устойчи-
вое состояние необходимо подвести к входу одного
из транзисторов запускающий импульс—к входу
открытого транзистора следует подвести импульс
положительной полярности, а к входу закрытого
транзистора—импульс отрицательной полярности.
В рассматриваемой схеме применен раздельный
запуск транзисторов через диоды УД1 и УД2 положи-
тельными импульсами. С приходом положительного
импульса на первый вход транзистор УТ1 запирается,
вследствие чего потенциал на коллекторе понизится,
приближаясь к — Ек.
Этот отрицательный скачок напряжения через
делитель Rl, R62 передается на базу транзистора VT2
и отпирает его. С отпиранием транзистора УТ2 в его
коллекторной цепи появится ток, который создаст па-
дение напряжения на нагрузке Rk2. Потенциал коллек-
тора при этом возрастет, приближаясь к нулю. В
этом устойчивом состоянии схема пребывает до поступ-
ления нового пускового импульса положительной по-
лярности на базу транзистора УТ2, который возвра-
щает триггер в исходное устойчивое состояние. По-
следовательность перехода триггера из одного устой-
чивого состояния в другое иллюстрируется рис. 6.8.
185
Конденсаторы Cl и С2 включены для ускорения
процесса переброса схемы из одного устойчивого
состояния в другое. Они обеспечивают бросок тока в
начале импульса, благодаря которому изменение
напряжения на коллекторе одного транзистора пере-
дается на базу другого. Конденсаторы С1 и С2
называются ускоряющими.
Различают два вида запуска триггера: раздельный
и счетный (общий). Примером раздельного запуска
служит рассмотренная схема триггера (см. рис. 6.8).
Счетный запуск осуществляется импульсами одной
полярности, каждый из которых одновременно пода-
ется на входы обоих плеч триггера.
Триггеры широко используются в качестве форми-
рователей прямоугольных импульсов, электронных
реле, элементов счетных схем и т. д., а также для
автоматической отбраковки изделий, где триггер
работает как сравнивающее устройство.
Контролируемый параметр (масса, размер, объем
и др.) преобразуется в электрическое напряжение,
которое подается на вход триггера. При превышении
контролируемым параметром определенного уровня
происходит переключение триггера, включается инди-
каторная лампа, указывающая на брак, или автомат,
направляющий изделие в бункер брака.
Кроме импульсных генераторов прямоугольной
формы в электронных схемах находят широкое
распространение генераторы пилообразного напряже-
ния (ГПН). Пилообразным называется напряжение,
которое сравнительно медленно нарастает по линей-
ному закону и затем быстро уменьшается до первона-
чального значения. Пилообразное напряжение полу-
чают при заряде конденсатора. Простейшая схема
генератора пилообразного напряжения показана на
рис. 6.9, а.
В исходном состоянии, когда входной сигнал
отсутствует, транзистор VT находится в режиме
насыщения. Напряжение на конденсаторе С равно
напряжению между коллектором и эмиттером насы-
щенного транзистора. С поступлением на вход
генератора импульса напряжения прямоугольной
формы отрицательной полярности транзистор закры-
вается и конденсатор С начинает заряжаться от
источника коллекторного питания через зарядный
резистор RK. После прекращения действия входного
186
Рис. 6.9
гмпульса транзистор VT открывается и происходит
»тносительно быстрый разряд конденсатора С через
ранзистор. Длительность пилообразного импульса
>авпа длительности входного прямоугольного им-
тульса (рис. 6.9,6), а длительность обратного хода—
фемени разряда конденсатора через транзистор.
ГПН применяются для получения развертки элект-
ронного луча в электронно-лучевых трубках осцил-
юграфических, телевизионных и радиолокационных
устройств, а также в устройствах формирования
феменной задержки и во многих других областях.
§ 6.6. ЭЛЕКТРОННЫЕ СТРЕЛОЧНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ
ВОЛЬТМЕТРЫ
При измерении постоянных и переменных напря-
жений наибольшее распространение получили элект-
ронные вольтметры.
Это объясняется тем, что такие вольтметры
обладают рядом преимуществ по сравнению с прибо-
рами других систем: имеют большое входное сопро-
тивление, высокую чувствительность при использова-
нии усилителя, потребляют мало энергии из измеряе-
мой цепи и не боятся перегрузки.
Электронные вольтметры для измерения постоян-
ного напряжения представляют собой сочетание изме-
рительного механизма магнитоэлектрической систе-
мы и электронной схемы.
Рассмотрим работу электронного вольтметра по-
стоянного тока В2-15, который выпускает наша
промышленность. На рис. 6.10 представлена струк-
турная схема этого вольтметра: 1—входной экрани-
рованный кабель, 2—делитель напряжения, 3—пре-
187
1
Рис. 6.10
образователь постоянного напряжения в переменное
(модулятор), 4 — усилитель переменного тока, 5 —
синхронизированный преобразователь переменного
напряжения в постоянное, 6 — эмиттерный повтори-
тель, 7—экранированный выходной кабель и зажим
выходного постоянного напряжения, 8—стрелочный
индикатор, 9— цепь отрицательной обратной связи,
10 — генератор прямоугольных импульсов.
Входной и выходной кабели заключены в экран-
ную оболочку для того, чтобы предохранить их от
воздействия внешних электромагнитных полей, наво-
дящих посторонние ЭДС, уровень которых часто
соизмерим с измеряемым сигналом или даже больше
него.
Высокоомный делитель напряжения 2 служит для
расширения пределов измерения.
MIT с преобразованием применяется для обеспе-
чения более высокого коэффициента усиления, а
следовательно, для повышения чувствительности
вольтметра.
В качестве стрелочного индикатора применяется,
как правило, магнитоэлектрический микроамперметр.
Милливольтметр В2-15 имеет диапазон измеряемых
напряжений от 0,5 мкВ до 1 В с переключением на 16
пределов; входное сопротивление не менее 0,3 МОм;
питание от сети 220 В, 50 Гц.
Вольтметры переменного тока предназначаются
для измерения напряжений синусоидальной формы.
Они строятся по принципу преобразования измеряе-
мого переменного напряжения в пропорциональное
постоянное, которое отсчитывается по стрелочному
индикатору.
Большое разнообразие принципиальных схем
вольтметров переменного тока сводится в основном к
188
й-; б)
Рис. 6.11
двум структурным схемам. Первая схема типа детек-
тор— усилитель представлена на рис. 6.11, а. Как
видно, она состоит из входного устройства в
виде коаксиального кабеля, детектора, который пре-
образует переменное напряжение в постоянное, уси-
лителя постоянного тока ц стрелочного индика-
тора.
Вольтметры этой группы характеризуются широ-
ким частотным диапазоном, но недостаточно высо-
кой чувствительностью. Например, прибор Ф5053 при
измерении переменных напряжений имеет минималь-
ную шкалу и частотный диапазон от 20 Гц до
700 МГц.
В схеме вольтметров данной группы используется
усилитель постоянного тока, поэтому такими прибо-
рами можно измерять и постоянные напряжения.
Вторая структурная схема типа усилитель—детек-
тор представлена на рис. 6.11, б. В этой схеме сигнал
с входного устройства поступает сначала на усили-
тель переменного напряжения, затем на детектор и
стрелочный индикатор.
Вольтметры второй группы характеризуются бо-
лее высокой чувствительностью, но сравнительно
узким частотным диапазоном (до 30 МГц). Напри-
мер, электронный вольтметр ВЗ-6 имеет пределы
измерения напряжений 0,15 мВ — 200 В в диапазоне
частот 5 Гц—1 МГц.
Устройство электронного цифрового вольтметра.
Последние годы в технику электронных измерений
все более интенсивно внедряются цифровые измери-
тельные приборы. Их преимущества: высокая точ-
ность измерений, широкий диапазон измеряемых
величин, представление результатов измерений в
цифровой форме и прямой ввод результатов измере-
ний в цифровую ЭВМ. Кроме того, цифровые
измерительные приборы удобны в обращении, позво-
ляют проводить измерения быстро, точно и без
субъективных погрешностей.
189
Недостатками цифровых приборов являются их
сложность и высокая стоимость.
Примером применения цифровых приборов могут
служить электронные цифровые вольтметры. В циф-
ровых вольтметрах измеряемое напряжение отсчиты-
вается по цифровому индикатору в виде числа из
нескольких цифр.
Принцип работы цифровых вольтметров основан
на использовании метода сравнения (компарирова-
ния) измеряемого постоянного напряжения Ux с
известным компенсирующим (опорным) напряже-
нием.
Структурная схема электронного цифрового
вольтметра с преобразователем напряжение — вре-
мя— число, использующим компенсирующее напря-
жение пилообразной формы, изображена на рис. 6.12.
Измеряемое постоянное напряжение Uy подается
на вход сравнивающего устройства (компаратора).
При измерении переменного напряжения в блоке
преобразователя напряжение предварительно прев-
ращают в постоянное, которое также поступает на
вход компаратора.
Импульсом с управляющего устройства запускает-
ся генератор компенсирующего напряжения, с выхода
которого пилообразное напряжение поступает на
другой вход компаратора. Этот импульс запуска
одновременно определяет передний фронт прямо-
угольного импульса на выходе сравнивающего ус-
тройства, который открывает электронный ключ,
протекающий импульсы на счетчик. Когда линейно
возрастающее пилообразное напряжение достигнет
шши
Рис. 6.12
190
значения, равного измеряемому постоянному напря-
жению, компаратор срабатывает, вследствие чего
заканчивается прямоугольный импульс на его выходе
и электронный ключ закрывается. При линейно
изменяющемся компенсирующем напряжении изме-
ряемое напряжение Ux зависит от длительности
импульса zx на выходе компаратора, т. е. от времени,
в течение которого был открыт ключ. При открытом
ключе через него проходят импульсы образцовой
частоты генератора. Число импульсов, поступивших
за время tx через ключ на электронный счетчик,
выдается цифровым индикатором в единицах напря-
жения. Помимо измерения напряжений приборы с
цифровым отсчетом находят применение для измере-
ния частоты, фазовых сдвигов, сопротивления, ем-
кости и других параметров электротехнических и
электронных цепей.
§ 6.7. ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ
Электронным осциллографом называют прибор,
предназначенный для визуального наблюдения, ре-
гистрации и измерения параметров электрических
сигналов.
Электронный осциллоограф является одним из
наиболее распространенных радиоизмерительных
приборов, который применяют не только при иссле-
дованиях радиоэлектронных схем, но также и в
других областях науки и техники, использующих
методы электроники, например в биологии, медицине
и т. д. Широкое распространение электронных осцил-
лографов обусловлено их универсальностью, нагляд-
ностью изображения исследуемого процесса и хоро-
шими измерительными параметрами.
Для того чтобы разобраться в работе электронно-
го осциллографа, необходимо прежде всего изучить
работу основного его узла — электронно-лучевой
трубки.
Электронно-лучевыми трубками называют элект-
ровакуумные приборы, в которых используется элект-
ронный поток, сконцентрированный в форме луча
или пучка лучей.
Большинство электронно-лучевых трубок относит-
ся к группе электронно-графических электровакуум-
ных приборов, предназначенных для получения на
191
Рис. 6.13
экране видимого изображения, светящегося под
действием падающего потока электронов, или для
регистрации получаемого изображения на светочувст-
вительном слое. К ним относятся и осциллографи-
ческие трубки.
Устройство и схема включения осциллографиче-
ской электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с электроста-
тическими фокусировкой и отклонением электронного
луча показаны на рис. 6.13.
Электронно-лучевая трубка состоит из следующих
основных частей:
1) стеклянного баллона, в котором создается
вакуум:
2) электронного прожектора, создающего узкий
электронный луч, направленный вдоль оси трубки;
3) отклоняющей системы, изменяющей направле-
ние электронного луча;
4) экрана, светящегося под действием пучка элект-
ронов.
Рассмотрим назначение и устройство отдельных
элементов трубки.
В баллоне создается глубокий вакуум, необходи-
мый для беспрепятственного пролета электронов.
Электронный прожектор трубки состоит из катода,
управляющего электрода и двух анодов и располага-
ется в узкой удлиненной части баллона. Катод К
изготовляется в виде небольшого никелевого ци-
линдра, на торцевую часть которого наносится
оксидный слой, испускающий при нагреве электроны.
Катод заключен в управляющий электрод (модуля-
тор) М также цилиндрической формы. В торце
192
управляющего электрода имеется маленькое отверс-
тие (диафрагма), через которое проходит электрон-
ный луч (рис. 6.13). На управляющий электрод
подается несколько десятков вольт отрицательного
по отношению к катоду напряжения, с помощью
которого регулируется яркость свечения пятна на
экране трубки. Управляющий электрод действует
подобно управляющей сетке электронной лампы. При
некотором значении этого напряжения происходит
запирание трубки, и светящееся пятно исчезает.
Указанная регулировка выносится на переднюю па-
нель осциллографа и снабжается надписью «Яр-
кость».
Предварительная фокусировка электронного луча
производится в пространстве между модулятором и
первым анодом. Электрическое поле между этими
электродами прижимает электроны к оси трубки и
они сходятся в точку D на некотором расстоянии от
управляющего электрода (рис. 6.14). Дальнейшая фо-
кусировка луча выполняется системой двух анодов
и А2 (рис. 6.14, а).
Первый и второй аноды выполнены в виде
открытых металлических цилиндров различных длин
и диаметров, внутри которых на некотором расстоя-
нии друг от друга расположены диафрагмы с
небольшими отверстиями.
-50 В +300В +1500В
Рис. 6.14
7—815
193
На аноды подается положительное ускоряющее
напряжение (на первый 300—1000 В, на второй
1000—5000 В и более). Так как потенциал второго
анода А2 выше потенциала первого анода то
электрическое поле между ними будет направлено от
второго анода к первому (рис. 6.14, а). Электроны,
попавшие в такое электрическое поле, будут откло-
няться им в направлении к оси трубки и получать
ускорение в направлении движения к экрану
(рис. 6.14,6). На рис. 6.14,6 изображены одна из
линий электрического поля между анодами А у и А2 и
траектория движения электрона—линия АВВ'А'. В
двух точках В и В' пересечения этой траектории с
линией электрического поля показаны силы F и F,
действующие на движущийся электрон, совпадающие
по направлению с касательными к силовой линии.
Каждая из сил F и F' разложена на две составляю-
щие—продольную Fr и F\ и поперечную F2 и Р2.
Первые составляющие ускоряют движение электро-
нов вдоль оси трубки, а вторые, направленные
радиально, приближают (F2) электроны к оси трубки
или отклоняют (F2) их от этой оси. Таким образом,
действие системы анодов эквивалентно действию
оптической системы из собирательной и рассеиваю-
щей линз. Поэтому фокусирующую систему анодов
электронно-лучевой трубки иногда называют элект-
ронно-статической линзой. Необходимо отметить, что
собирающее действие левой части электростатической
линзы больше рассеивающего действия правой части,
так как скорость электронов на участке первого анода
меньше, чем на участке второго анода. Чем меньше
скорость, тем дольше находится электрон в откло-
няющем поле и тем больше испытываемое им
отклонение, и наоборот. Точная фокусировка луча
производится изменением напряжения на первом
аноде. Эта регулировка выносится на переднюю
панель осциллографа и снабжается надписью «Фо-
кус».
Сформированный электронный луч после второго
анода попадает в пространство между двумя парами
взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин
ХгХ2 и YrY2, называемых электростатической откло-
няющей системой (см. рис. 6.13). Первая пара плас-
тин ХгХ2, расположенных вертикально, вызывает
отклонение луча в горизонтальном направлении.
194
Пластины второй пары Yr Y2, расположенные гори-
зонтально, вызывают отклонение луча в вертикаль-
ном направлении. Когда к паре пластин подводится
постоянное напряжение, то электронный луч отклоня-
ется в сторону пластины, находящейся под положи-
тельным потенциалом, что приводит к соответствую-
щему перемещению светящегося пятна на экране.
Когда на пластины подается переменное напряже-
ние, перемещение светящегося пятна по экрану
образует светящиеся линии.
Экран Э электронно-лучевой трубки представляет
собой стеклянную поверхность, покрытую с внутрен-
ней стороны тонким слоем специального вещества
(люминофора), способного светиться при бомбарди-
ровке его электронами. Цвет свечения зависит от
химического состава люминофора. Например, для
визуальных наблюдений наиболее целесообразен лю-
минофор с желто-зеленым цветом свечения, к которо-
му наиболее чувствителен человеческий глаз.
Чтобы вторичные электроны, которые при бом-
бардировке электронным лучом выбиваются с по-
верхности экрана, не накапливались на стенках
трубки и не нарушали ее нормальную работу, на
внутреннюю поверхность конического раструба и
части цилиндрической горловины колбы наносят
тонкий графитовый слой (аквадаг) Ак, соединенный со
вторым анодом, на который стекают вторичные
электроны.
Для получения изображения на экране труб-
ки исследуемое напряжение сигнала Uc подают
на вертикально отклоня-
ющие пластины YrY2, а
на пластины ХГХ2—пи-
лообразное напряжение
Up, называемое напряже-
нием развертки (рис. 6.15).
На участке А В напря-
Рис. 6.16
7*
195
жение развертки линейно зависит от времени, и под
действием этого напряжения световое пятно переме-
щается по экрану трубки вдоль горизонтальной оси
пропорционально времени. На участке ВС напряже-
ние развертки резко падает, а световое пятно воз-
вращается в исходное положение.
Если одновременно с напряжением развертки к
пластинам УХУ2 подвести исследуемое синусоидаль-
ное напряжение, то на экране трубки получится один
период синусоиды (рис. 6.16).
Положения 0, 1, 2,... светового пятна на экране
трубки в соответствующие моменты времени опреде-
ляются мгновенными значениями исследуемого и
развертывающего напряжений.
Если период развертки 7р выбран кратным пе-
риоду исследуемого напряжения, то осциллограммы,
получаемые в последующие периоды, накладываются
друг на друга и на экране наблюдается устойчивое и
четкое изображение исследуемого процесса. Выполне-
ние условия, когда Тр=пТс (где п—целые числа 1, 2,
3 и т. д.), получило название синхронизации частоты
напряжения развертки с частотой исследуемого сиг-
нала.
Обозначение ЭЛТ состоит из четырех элементов.
Первый элемент—число, характеризующее диаметр
или диагональ экрана в сантиметрах. Второй эле-
мент— буквы: ЛО, ЛМ — осциллографические трубки
с электростатическим и магнитным управлением;
ЛК — кинескопы (приемные телевизионные трубки).
Третий элемент — число, обозначающее порядковый
номер типа прибора. Четвертый элемент — буква,
обозначающая тип экрана и цвет его свечения:
Б — белый, А — синий, И—зеленый, М—голубой,
Ц—синий, зеленый, красный (цветной кинескоп).
На рис. 6.17 приведена упрощенная структурная
схема современного электронного осциллографа.
Исследуемое напряжение подается на У-вход с
помощью делителя напряжения и усилителя верти-
кального отклонения и на экране устанавливается
наиболее удобная для наблюдения величина отклоне-
ния луча.
Подключение осциллографа не должно заметно
изменять режим исследуемой цепи, поэтому входное
сопротивление усилителя У-канала должно быть как
можно больше. Для этого на У-вход включают
196
Y-пластинш Х-пластинки.
Рис. 6.17
входной каскад с большим входным сопротивлением
(эмиттерный повторитель). Основными узлами У-ка-
нала являются генератор развертки, обеспечивающий
получение осциллограмм, усилитель синхронизации и
горизонтального отклонения для получения устойчи-
вого и неподвижного изображения исследуемого
напряжения. Генератор развертки имеет два основных
режима работы — непрерывной и ждущей развертки.
Режим генератора непрерывной развертки исполь-
зуется при исследовании непрерывных периодических
процессов. В этом случае генератор развертки работа-
ет в автоколебательном режиме.
Усилитель синхронизации осуществляет усиление
сигнала синхронизации до величины, необходимой
для стабильной работы генератора развертки. Выбор
сигнала, синхронизирующего работу генератора раз-
вертки, осуществляется с помощью переключателя
197
«Род синхронизации» (рис. 6.17), расположенного на
передней панели осциллографа. Синхронизация часто-
ты развертки может быть внутренняя (с частотой
исследуемого сигнала), внешняя (с частотой какого-
либо внешнего источника) и от сети (от источника
питания осциллографа). В двух последних случаях
синхронизирующий сигнал подается на вход X.
Во всех случаях синхронизирующее напряжение
должно иметь частоту, кратную частоте исследуемого
напряжения.
Ждущий режим генератора развертки использует-
ся для исследования импульсов малой длительности,
однократных импульсов или же непериодических
колебаний, повторяющихся через неодинаковые про-
межутки времени. В этом случае генератор развертки
находится в так называемом ждущем состоянии, а
при поступлении исследуемого (или внешнего синхро-
низирующего) сигнала генерирует только один пе-
риод напряжения развертки.
В осциллографе предусматривается возможность
отдельного использования усилителя Х-канала (при
отключенных генераторе развертки и устройстве
синхронизации).
Калибратор амплитуды представляет собой источ-
ник вспомогательного стабильного переменного напря-
жения. с которым сравнивается измеряемый сигнал.
Для проведения подобных измерений известное
напряжение калибратора амплитуды подается в У-ка-
нал. и если коэффициент усиления У-канала остается
одинаковых» для исследуемого и калибровочного
сигналов, легко определить масштаб осциллограммы
по напряжению путем их сравнения.
Блок питания вырабатывает энергию для накала
катода ЭЛТ и для питания цепей усилителей и
генераторов. Кроме того, блок питания выдает
высокое напряжения для питания анодных цепей
ЭЛТ. С помощью осциллографа можно не только
наблюдать электрические процессы, но и проводить
измерения электрических параметров (напряжения,
частоты, интервалов времени и т. д.).
С помощью осциллографа снимаются кривые
гистерезиса материалов, вольт-амперные характери-
стики электронных приборов. Например, частоту
можно измерить путем сравнения неизвестной часто-
ты с другой, принимаемой за эталонную.
198
Для этого эталонный генератор подключают к
У-пластинкам, а сигналы неизвестной частоты пода-
ют на У-пластинки (генератор развертки необходимо
отключить). При равенстве частот на экране будет
наблюдаться неподвижный круг или эллипс; неизвест-
ная частота отсчитывается по лимбу эталонного
генератора. При значительной разности частот эта-
лонного и исследуемого сигналов на экране возникает
сложная фигура, называемая фигурой Лиссажу.
Контрольные вопросы
1. Чем отличаются электронные генераторы от усилителей?
2. Из каких основных элементов состоит схема автогенератора
£С-типа?
3. Определить частоту генерируемых колебаний в генераторе
£С-типа, если известно, что £к=100мкГн и С, = 625 пФ.
4. Перечислить условия самовозбуждения генератора.
5. При каких условиях целесообразно применять ЯС-гене-
раторы?
6. Объяснить работу транзисторного мультивибратора.
7. Определить период колебаний Т симметричного мультивиб-
ратора, если известно, что Я6 = 25 кОм и С = 3000 пФ.
8. Начертить схему триггера и пояснить принцип ее действия.
9. Чем отличается работа мультивибратора и триггера на
транзисторах?
10. Каким образом может быть увеличена быстрота срабаты-
вания триггера?
11. Объяснить работу схемы генератора пилообразного напря-
жения на транзисторе.
12. Из каких основных узлов состоит электронный вольтметр
переменного тока?
13. Из каких частей состоит электронно-лучевая трубка с
электростатическим управлением?
14. Как осуществляется регулировка яркости и фокусировка в
электронно-лучевых трубках?
15. Каковы устройство и принцип работы системы отклонения
луча в электронно-лучевой трубке с электростатическим управле-
нием?
16. Начертить структурную схему электронного осциллографа
и пояснить назначение его узлов.
17. Рассказать о возможностях практического применения
электронного осциллографа.
ГЛАВА 7
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Современный этап развития радиоэлектроники
характеризуется широким внедрением микроэлектро-
199
ники. Микроэлектроника — отрасль электроники, ре-
шающая с помощью сложного комплекса физических,
химических, схематических, технологических методов
и приемов проблему создания высоконадежных, эко-
номичных, миниатюрных блоков и устройств.
Современная микроэлектроника развивается пре-
имущественно по двумя базовым конструктивно-тех-
нологическим направлениям: создание полупроводни-
ковых и гибридных интегральных микросхем.
В соответствии с принятым определением инте-
гральной микросхемой (ИМС) называют микроэлект-
ронное устройство, состоящее из активных элементов
(транзисторов, диодов), пассивных элементов (рези-
сторов, конденсаторов, катушек индуктивностей и
др.), которые изготавливаются в едином технологи-
ческом процессе, электрически соединены между
собой и заключены в общий корпус.
Необходимо иметь в виду, что многим современ-
ным ИМС свойственна функциональная незавершен-
ность. Поэтому для того, чтобы микросхема могла
полностью выполнять свои функции, к ее выводам
подключают внешние навесные элементы, резонан-
сные контуры, дроссели, разделительные или развя-
зывающие конденсаторы и др.
В зависимости от количества элементов, входящих
в ИМС, их различают по степеням интеграции:
первой степени интеграции—до 10 элементов, вто-
рой— от 11 до 100, третьей — от 101 до 1000 и т. д.
Их часто обозначают ИМС1, ИМС2, ИМСЗ.
Схемы, содержащие свыше 1000 элементов, приня-
то называть большими интегральными микросхемами
(БИС).
По функциональному назначению ИМС делятся
на два больших класса: логические (цифровые) и
аналоговые (линейно-импульсные).
Логические ИМС используются в электронных
вычислительных машинах, устройствах дискретной
обработки информации, системах автоматики. Актив-
ные элементы этих схем работают в ключевом
режиме.
Аналоговые схемы используются для усилителей
сигналов низкой и высокой частот, генераторов и
других устройств, где активные элементы работают в
линейном режиме или осуществляют нелинейные
преобразования входных сигналов.
200
Перспективным направлением в микроэлектронике
является создание функциональных устройств. Эти
устройства выполняют определенные функции целой
схемы, например выпрямителя, усилителя и т. п.
§ 7.1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
МИКРОСХЕМЫ (ПИМС)
Полупроводниковой ИМС называют микросхему,
элементы которой выполнены в объеме или на по-
верхности полупроводникового материала (подложки).
Основным материалом при изготовлении полупро-
водниковых микросхем является кремний. Преиму-
щественное использование кремния по сравнению с
германием обусловлено возможностью расширения
интервала рабочих температур (до +125° С), меньши-
ми обратными токами и получением на поверхности
кремниевой пластины стойкой изолирующей пленки
двуокиси кремния.
При изготовлении ПИМС используют те же
приемы создания полупроводниковых структур, что и
для дискретных полупроводниковых приборов. Отли-
чие состоит лишь в том, что все активные и
пассивные элементы ПИМС, созданные в едином
кристалле, должны быть электрически изолированы
друг от друга и в то же время соединены между
собой в соответствии с функциональным назначением
микросхемы.
Для электрической изоляции элементов их форми-
руют в специально созданных в кристаллах кремния
и изолированных друг от друга участках.
Изоляция создается либо с помощью диэлектрика
(окисла кремния), либо обратно включенными р-и-пе-
реходами.
При создании схем с диэлектрической изоляцией в
качестве исходного материала используют кремний
ц-типа, который окисляется и на нем образуется
пленка SiO2 (рис. 7.1, а). Затем в соответствии со
схемой в пленке SiO2 вытравливаются канавки
(рис. 7.1, б). Далее проводится повторный процесс
окисления с целью образования защитной пленки
SiO2 на полученных ранее канавках (рис. 7.1, в). На
полученную поверхность наращивают слой поликрис-
таллического кремния собственной проводимости
(рис. 7.1, а). Затем с пластины удаляют с помощью
201
Рис. 7.1
шлифовки или химического травления лишний мате-
риал исходной пластины (рис. 7.1,6). В полученных
изолированных областях методом диффузии или
эпитаксиальным наращиванием формируют необхо-
димые элементы схем. Такой способ создания изоля-
ции технологически сложен и дорог, но зато он
значительно уменьшает ток утечки, собственные
емкости между рабочими участками, увеличивает
значение пробивного напряжения.
Метод изоляции /?-л-переходом (рис. 7.2) позволят
создавать в исходной полупроводниковой пластине
отдельные изолированные друг от друга области
определенного типа проводимости.
По этому методу на поверхности исходной крем-
ниевой пластины p-типа осаждается эпитаксиальная
пленка кремния и-типа (рис. 7.2, а). Затем поверхность
окисляется и с помощью процессов фотолитографии
вытравливается рисунок определенной геометричес-
кой формы. Через окна в защитной пленке (SiO2)
проводится диффузия примеси р-типа.
В местах, где осталась защитная пленка, диффун-
дирующая примесь в глубь пластины не попадает.
Диффузионный процесс ведут до тех пор, пока
глубина проникновения диффундирующей примеси
будет больше толщины эпитаксиального слоя
(рис. 7.2,6). В результате на пластинке образуются
отдельные участки кремния и-типа, со всех сторон
окруженные кремнием /?-типа (рис. 7.2, в).
Для того чтобы изолирующий /ьи-переход (под-
ложка— эпитаксиальный слой) был всегда заперт, на
подложку /ьтипа относительно «-участков подают
отрицательный потенциал. В полученных изолирован-
202
ных областях с помощью повтор-
ного процесса нанесения защитной
пленки и формирования в ней но-
вого рисунка могут быть созда-
ны активные области и пассивные
элементы конкретной интегральной
схемы.
Этот метод имеет три недостат-
ка: относительно небольшое сопро-
тивление изоляции, заметную ем-
кость между изолируемыми эле-
ментами и увеличение площади схе-
мы. Однако он обеспечивает вы-
сокий процент выхода годных схем
и относительно низкую их стои-
мость.
Элементы ПИМС. Транзисто-
ры. Они являются основными и
наиболее сложными элементами
Рис. 7.2
ИМС. При этом используют как биполярные, так
и униполярные (МДП-типа) транзисторы. Послед-
ние, управляемые напряжением, потребляют мень-
шую мощность, имеют меньшие размеры элемен-
тов и большую степень интеграции. Однако по
быстродействию ИМС на биполярных транзисто-
рах превосходят МДП-транзисторы. Следует так-
же отметить, что в ИМС обычно создаются би-
полярные транзисторы н-р-н-типа, электрические
параметры которых лучше, чем у транзисторов
р-л-р-типа. При изготовлении транзисторов использу-
ют две разновидности планарной технологии: диффу-
зионно-планарную и эпитаксиально-планарную.
В диффузионно-планарной технологии за основу
берут подложку—пластину кремния p-типа, на кото-
рую методом фотолитографии наносят защитный
слой SiO2 (рис. 7.3, а). Через окна в подложку
методом диффузии вводят примесь и-типа
(рис. 7.3,0, образуя коллекторные области транзи-
сторов. Далее (рис. 7.3, в) производят повторную
диффузию примеси p-типа с целью получения базовой
области. Третья диффузия (рис. 7.3, г) приводит к
образованию эмиттера. После этого осуществляют
омический контакт с областями коллектора, базы,
эмиттера и создают контактные площадки, к кото-
рым можно присоединить внешние выводы.
203
В) VT1
КЭБ
VT2
БЭ К
Рис. 7.3
SiO2
Т777Л УМ
[Эпитаксиальный слойп
P
WVWWW'MWWWJA]
6)
Рис. 7.4
Применение эпитакси-
ально-планарной техноло-
гии в значительной мере
устраняет основной недо-
статок диффузионно-пла-
нарной технологии,
что примесь по
за-
толщине
так как
недостаточную
четкость
ооу словливает
ключаюгцийся в том,
подложки распределяется неравномерно,
диффузия прих есей идет с поверхности подлож-
ки. Это --------------~ ------—----------------
/ьи-переходов, что снижает качество транзисторов.
При эпитаксиально-планарной технологии изготов-
ления транзисторов между высокоомной подлож-
кой p-типа и оксидной -------“ -----~— ------
ксиальный слой н-типа.
рования транзисторов в
технологии (рис. 7.4) ничем не отличаются от подоб-
ных этапов в диффузионно-планарной технологии
(см. рис. 7.3).
МДП-транзисторы изготовляют с использованием
тех же технологий. Однако число операций сокраща-
ется примерно в 3 раза, а площадь, занимаемая
транзистором,— в 20 раз. Наибольшее применение
нашли МДП-транзисторы с индуцированным кана-
лом p-типа. МДП-транзисторы могут быть использо-
ваны в качестве диодов, резисторов, конденсаторов,
пленкой имеется эпита-
Основные этапы форми-
эпитаксиально-планарной
204
с/ S) в) г) д)
Рис. 7.5
что дает возможность создавать ИМС, используя
одни лишь МДП-структуры.
Диоды. С помощью планарной технологии мож-
но одновременно с транзисторами формировать
диоды любых типов. Однако в качестве диодов
технологически выгоднее использовать транзистор-
ные структуры. Имеется пять способов включения
транзистора в качестве диода (рис. 7.5). Диоды на
основе коллекторного перехода (рис. 7.5,6, д) име-
ют наибольшее обратное напряжение, диоды на
основе эмиттерного перехода (рис. 7.5, а, г)—наи-
большее быстродействие и наименьший обратный
ток, а диоды на основе параллельного включе-
ния переходов (рис. 7.5,в)—наименьшее быстродей-
ствие и наибольший прямой ток. Структура диода
(рис. 7.5, а) характерна для интегральных стабили-
тронов.
Резисторы. Они в интегральном исполнении
представляют собой тонкий слой полупроводника,
создаваемый по планарной технологии методом
диффузии примеси в островки подложки или эпитак-
симального слоя, при одновременном формировании
транзисторов в других островках. Сформированные
таким образом резисторы называют диффузионными.
От других элементов схемы и подложки их изолиру-
ют с помощью д-л-переходов. Обычно в качестве
диффузионных резисторов используют базовый или
эмиттерный слой планарной транзисторной структу-
ры. Базовые диффузионные резисторы—высокоом-
ные (концентрация основных носителей заряда в базе
значительно меньше, чем в эмиттере), а эмиттер-
ные — низкоомные.
Диапазон номиналов диффузионных резисторов
составляет от 10 Ом до 50 кОм. Структура диффу-
зионного резистора на основе базового слоя показана
на рис. 7.6.
205
7///Р///Л
[ Резистор р-типа\
Эпитаксиальный п-аи
Подложка р типа
маеаимимиеамиаивиж
Рис. 7.6
в
В качестве перемен-
ного резистора может
быть использован унипо-
лярный транзистор. При
изменении напряжения на
затворе сопротивление ка-
нала будет изменяться.
Конденсаторы. В
полупроводниковых ИМС
используется барьерная емкость обратно включенных
jP-n-переходов транзисторных или МДП-структур. Эти
конденсаторы имеют емкости от нескольких десятков
до тысячи пикофарад. Типичные конструкции конден-
саторов на основе р-и-переходов показаны на рис. 7.7.
В первой конструкции (рис. 7.7, а) используется
переход эмиттер—база, обладающий наибольшей из
всех переходов удельной емкостью (порядка
1500 пФ/мм2) и наименьшим пробивным напряжени-
ем (единицы вольт). Во второй конструкции
(рис. 1.1,6) используется переход коллектор—база,
удельная емкость которого примерно в 6 раз ниже,
чем у эмиттерного перехода, а пробивное напряжение
во столько же раз выше.
Индуктивности. Интегральные микросхемы
проектируют таким образом, чтобы исключить ин-
дуктивные элементы. Однако в ряде случаев это не
удается. Одним из основных способов создания
индуктивности является нанесение на поверхность
окисла кремния металлических спиралей. \Индуктив-
ная катушка такой формы проста в изготовлении, но
обладает малой индуктивностью и низкой доброт-
ностью. В последнее время в качестве индуктивных
элементов в микросхемах используют схемные эле-
менты, реализующие индуктивный эффект (отстава-
— +
XX. /п SLO,
Х£Х SWi
»М7М ттжктл
Подложка р типа
а)
/LT-JA
Подложка р-типа
7)
Рис. 7.7
206
ние тока от напряжения по фазе). Такими элементами-
могут быть, например, реактивные транзисторы,
работающие в режиме, при котором их коллекторный
ток отстает по фазе от приложенного напряжения на
90°. Однако величина индуктивности в этом способе
получения порядка единиц микрогенри, а доброт-
ность^—не более нескольких десятков. Поэтому при
конструировании полупроводниковых ИМС в основ-
ном применяют навесные миниатюрные катушки
индуктивности. Однако в этом случае нарушается
однородность технологического процесса и монолит-
ность ИМС.
§ 7.2. ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
(ГИМС)
Гибридной ИМС называют микросхему, содержа-
щую диэлектрическое основание (подложку), на по-
верхности которой выполняются все пассивные эле-
менты (резисторы, конденсаторы) в виде одно- и
многослойных пленочных структур с неразрывными
пленочными проводниками, а полупроводниковые
приборы размещены в виде дискретных навесных
элементов в бескорпусном исполнении или сборки.
Активные элементы в гибридных микросхемах
обычно имеют лучшие параметры, чем в полупровод-
никовых, и могут работать при больших напряжениях
питания.
ГИМС помещают в герметизированные корпуса с
выводами. При изготовлении гибридных схем исполь-
зуют как тонкие (до 1 мкм), так и толстые (до
25 мкм) пленки.
Толстопленочные схемы в многосерийном произ-
водстве имеют минимальную стоимость, большую
механическую прочность и теплоустойчивость, боль-
шую перегрузочную способность элементов, но номи-
нальные значения пассивных элементов нестабильны,
плотность монтажа низка и отсутствует возможность
подгонки пассивных элементов.
Для тонкопленочных схем характерны большая
точность, возможность подгонки номиналов элемен-
тов и высокая плотность монтажа.
Любая ГИМС состоит из:
подложки, на которой размещаются пассивные и
активные элементы;
207
пассивной части с планарным (в одной плоскости)
расположением пленочных проводников, контактных
площадок, резисторов и конденсаторов;
навесных бескорпусных полупроводниковых при-
боров;
навесных миниатюрных пассивных элементов
(конденсаторы больших номиналов, трансформаторы,
дроссели);
корпуса для герметизации микросхемы и закрепле-
ния ее выводов.
Пассивные элементы ГИМС. Подложка. Состав-
ным элементом ГИМС является подложка, которая
одновременно выполняет несколько функций: она
представляет собой конструктивную основу, на кото-
рой формируются и монтируются элементы ГИМС;
обеспечивает электрическую изоляцию элементов
ГИМС, а также служит теплоотводящим элементом
всей конструкции. В качестве материала подложки
используют стекло, керамику, пластмассу, ситалл и
фотоситалл. Для обеспечения прочного сцепления
пленок с подложкой последние подвергаются тща-
тельной полировке, травлению в кислотах и промыв-
ке. Подложка имеет квадратную или прямоугольную
форму стандартизованных размеров толщиной 0,6;
1,0; 1,6 мм. Установлено, что мощность рассеяния
мало зависит от толщины подложки и заметно
становится больше с увеличением ее площади.
Подложки больших размеров (100 х 100 мм) ис-
пользуются для изготовления за один технологиче-
ский цикл нескольких одинаковых пленочных схем с
последующей разрезкой их на меньшие платы.
Перед напылением пленок, особенно тонких, необ-
ходима тщательная очистка поверхности подложки
от возможного загрязнения.
Сами пленки могут быть проводящие, слабо-
проводящие (резистивные), изоляционные, магнит-
ные. Они бывают металлические, диэлектрические,
комбинированные (металлокерамические) и феррито-
вые.
Металлические проводящие пленки выполняют из
металлов с высокой проводимостью и используют в
ИМС для создания электродов конденсаторов, токо-
проводов индуктивностей, полосковых волноводов и
монтажных проводников контактных площадок.
Металлические резистивные пленки применяются
208
при изготовлении пленочных резисторов. Диэлектри-
ческие пленки могут быть использованы в конденса-
торах, в многослойных электрических монтажах и
защитных покрытиях.
Ферромагнитные пленки применяют для запоми-
нающих устройств (матрицы элементов памяти) и в
пленочных индуктивностях.
Проводники и контактные площадки.
Проводники связывают элементы микросхемы между
собой. Контактные площадки предназначены для
соединения пайкой или сваркой выводов навесных
элементов с микросхемой.
Пленочные проводники и контактные площадки
должны иметь: высокую электрическую проводимость;
хорошую способность к пайке или сварке; малое пере-
ходное сопротивление между проводящим слоем и дру-
гими элементами микросхемы; химическую инерт-
ность по отношению к другим слоям. Для напыления
проводников и контактных площадок используются
медь, серебро, золото, алюминий. Напыление идет на
подслой никеля, хрома или титана. Подслой обеспе-
чивает высокую адгезию к подложке, а слой серебра,
меди, золота — высокую электропроводность.
Ширина линий проводников и зазор между ними
обычно составляют 0,25 мм, а ширина и длина
контактных площадок выбирается 0,5 мм.
Контактным площадкам рекомендуется придавать
наиболее простую форму, например Г-, Т- и П-об-
разную.
Резисторы. Пленочные резисторы изготовляют-
ся нанесением на непроводящую подложку через
маску (трафарет) узкой резистивной пленки между
двумя контактными площадками.
Пленочные резисторы имеют прямоугольную фор-
му. На рис. 7.8 показаны две их основные кон-
фигурации. Материалом для изготовления пленоч-
ных резисторов служит хром, тантал, нихром, ме-
таллокерамика, антикоррозионные благородные ме-
таллы и сплавы. Эти материалы обладают вы-
соким электрическим сопротивлением и низким тем-
пературным коэффициентом сопротивления.
Для получения стабильных пленочных сопротивле-
ний, прочно сцепленных с подложкой, толщина
пленки берется 0,01 — 1 мкм.
Сопротивление резистора, имеющего форму пря-
209
Рис. 7.8
Рис. 7.9
моугольника (рис. 7.8, а),
определяется выражением
bh
(7Л)
где R — сопротивление, Ом; р — удельное сопротивле-
ние материала резистивной пленки, Ом-см; I—длина
резистора, см; b—ширина резистивного слоя, см;
h — толщина пленки, см.
Ширина резистивной пленки должна быть не
менее 0,1 мкм, т. е. такой, чтобы не образовывались
обрывы из-за дефектов маски или подложки, или
случайных пылинок. Диапазон номиналов пленочных
резисторов лежит в пределах 50 Ом —10 МОм.
В процессе настройки микросхем в некоторых
случаях необходимо изменить номинал резистора.
Для этого на резистивную пленку напыляют пере-
мычки, число и размещение которых зависят от
условий подстройки. Если необходимо подстроить
номинал резистора в сторону увеличения, резистивую
пленку частично удаляют химическим травлением
или с помощью луча лазерной установки подгонки.
Пленочные резисторы могут работать при напря-
жениях до нескольких сотен вольт на частотах до
нескольких сотен мегагерц.
Конденсаторы. Пленочные конденсаторы име-
ют трехслойную структуру: металл—диэлектрик —
металл (МДМ) (рис. 7.9). Такая структура получается
трехкратным напылением через соответствующие
маски (трафареты). В качестве обкладок применяют
металлические пленки алюминия, золота, и т. д.
210
Диэлектриком в конден-
саторах служит моноокись
кремния, двуокись кремния,
имеющие высокую диэлек-
трическую проницаемость.
Нижняя и верхняя обклад-
ки имеют контактные пло-
щадки для включения кон-
денсатора в схему. Ем-
кость пленочного конденса-
тора определяется по фор-
муле
(7.2)
С=0,0885 —,
а
где С—емкость конденсатора, пФ; е—диэлектриче-
ская проницаемость диэлектрика; 5—площадь обкла-
док конденсатора, см2; d-—толщина диэлектрика, см.
Наиболее экономичное использование занимаемой
площади обеспечивают квадратные конденсаторы.
Современные тонкопленочные конденсаторы позволя-
ют получить емкость от единиц пикофарад до
микрофарад на рабочее напряжение до 20 В. Подго-
нять величину емкости можно механической или
лазерной обработкой верхнего электрода, уменьшая
его площадь.
Индуктивности. Индуктивности изготовляют
в виде тонкопленочной круговой или прямоугольной
спирали с малым шагом из хорошо проводящего
материала (рис. 7.10). Материалы для катушек индук-
тивности применяют те же, что и для проводников.
Вывод от центрального конца спирали производят
обычно по изолирующему слою, нанесенному поверх
витков. Плоские спиральные катушки могут иметь
индуктивность не более 20 мкГн при добротности не
более 50, но в гибридных микросхемах обычно
применяют дискретные микрокатушки индуктивности
на ферритовых тороидальных сердечниках.
Активные элементы ГИМС. В ГИМС в качестве
активных элементов применяют дискретные полупро-
водниковые приборы. Наибольшее распространение
получили бескорпусные приборы, так как они имеют
малые габариты и массу.
Бескорпусные полупроводниковые приборы по
способу их монтажа в микросхему можно разделить
211
на приборы с гибкими и с жесткими объемными
выводами.
На рис. 7.11 представлена конструкция бескор-
пусного прибора (диодной матрицы) с гибкими
выводами. Недостатком такой конструкции является
низкая производительность процесса контактирова-
ния. Автоматизировать операцию присоединения про-
волочных выводов не удается. Кроме того, исполь-
зование активных элементов с гибкими выводами не
обеспечивает высокой надежности соединения. По-
этому в настоящее время широко применяют при-
боры с жесткими выводами, например со сфериче-
скими или балочными. Для обеих конструкций
характерно отсутствие соединительных проводников,
что позволяет автоматизировать процесс сборки
микросхем и повысить надежность соединений. На
рис. 7.12 показана конструкция полупроводникового
прибора с жесткими сферическими (шариковыми)
выводами. Монтаж прибора с жесткими выводами
производится методом «перевернутого кристалла»,
обеспечивающим непосредственное электрическое и
механическое соединения контактных площадок полу-
проводникового кристалла с соответствующими кон-
тактными площадками подложки. При этом монтаже
кристалл оказывается обращенным лицевой поверх-
ностью к подложке.
Монтаж выполняется с помощью ультразвуковой,
термокомпрессионной сварки или пайки.
212
Для предотвращения воздействия внешних факто-
ров кристаллы полупроводника в бескорпусных при-
борах покрывают специальными защитными покры-
тиями (лаки, эмали, смолы, компаунды и др.).
§ 7.3. ДРУГИЕ ВИДЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
И СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ
Совмещенные и большие интегральные схемы.
Наиболее полно использованы преимущества микро-
электроники в так называемых совмещенных микро-
схемах путем комбинации технологии полупроводни-
ковых и пленочных схем.
В объеме полупроводника методом диффузионно-
планарной или эпитаксиально-планарной технологии
создаются все активные компоненты, а затем на
такую «активную» подложку, соответствующим обра-
зом защищенную, наносят тонкопленочные пассивные
компоненты и токопроводящие дорожки.
Однако в связи с тем, что эта технология требует
выполнения ряда дополнительных технологических
операций, стоимость совмещенных микросхем выше
стоимости обычных, что несколько ограничивает их
применение.
В настоящее время получает развитие четвертое
поколение электронной аппаратуры — большие интег-
ральные схемы (БИС). Они содержат 1000 элементов
и более. Причины перехода к БИС обусловлены
необходимостью сократить целый ряд операций,
обладающих низкой надежностью при производстве
обычных интегральных схем (например, резка пласти-
ны, установка кристалла в корпус, присоединение
кристалла к выводам и т. д.).
Повышение надежности БИС обусловлено приме-
нением более качественных компонентов, уменьше-
нием количества сварных соединений и числа техно-
логических операций. При этом повышаются на-
дежность, быстродействие и помехозащищенность
устройств.
БИС выполняют функции узлов и электронных
устройств. Поэтому в отличие от простых БИМС и
ГИМС они не обладают универсальностью, а рассчи-
таны на конкретное применение.
По технологическому признаку различают гибрид-
ные и полупроводниковые (монолитные) БИС.
213
Для построения гибридных БИС применяют мно-
гослойную толсто- или тонкопленочную разводку,
позволяющую осуществить коммутацию бескорпус-
ных интегральных микросхем и пленочных пассивных
элементов. Дискретные элементы и микросхемы мон-
тируются с помощью жестких выводов. При изготов-
лении полупроводниковых БИС применяют базовые
кристаллы в виде матриц биполярных или полевых
транзисторов.
Система обозначений интегральных микросхем.
Микросхемы выпускаются сериями, элементы кото-
рых согласованы по электрическим параметрам и
выполнены на единой конструктивно-технологической
базе. Это позволяет использовать элементы одной
серии в аппаратуре совместно, без каких бы то ни
было согласующих промежуточных устройств. В за-
висимости от назначения и области применения серии
могут содержать от трех до нескольких десятков
микросхем.
Для вновь разрабатываемых и модернизирован-
ных ИМС принята следующая система условных
обозначений:
1-й элемент — цифра—обозначает конструктивно-
технологическое исполнение микросхемы (1, 5, 7 — по-
лупроводниковые; 2, 4, 6, 8 — гибридные; 3 — про-
чие— пленочные, керамические и др.);
2-й элемент — две цифры — обозначают поряд-
ковый номер разработки данной серии. В сово-
купности оба элемента образуют трехзначныи номер
серии:
3-й элемент — две буквы — обозначают подгруппу
и вид ИМС по функциональному назначению (напри-
мер, УН — усилители низкой частоты);
4-й элемент — цифра — обозначает порядковый но-
мер разработки данной микросхемы в данной серии;
5-й элемент (приводится в случае необходи-
мости)— буква — обозначает отличие по какому-либо
параметру (например, по номиналу напряжения пита-
ния) одинаковых типов ИМС.
Например, 122УТ1—полупроводниковая микро-
схема из серии 122, УТ — усилитель постоянного тока
с порядковым номером 1.
ИМС, предназначенные для широкого примене-
ния, дополнительно могут иметь символ К, стоящий
перед 1-м элементом обозначения.
214
Находящиеся в настоящее время в эксплуатации
ИМС, разработанные до 1973 г., обозначены не-
сколько иначе. Последовательность использования
элементов обозначения по сравнению с новой систе-
мой обозначений следующая: 1-й, 3-й, 2-й, 4-й, 5-й.
В старом обозначении ИМС 122УТ1 будет выглядеть
так: К1УТ221.
Как правило, ИМС характеризуется совокуп-
ностью параметров, соответствующих их функцио-
нальному назначению. Например, логические схемы
характеризуются быстродействием, амплитудой и
длительностью импульсов, потребляемым током, а
аналоговые ИМС — коэффициентом усиления, вход-
ным и выходным сопротивлениями, частотным диа-
пазоном и т. д. Значение этих параметров приводится
в справочных и паспортных данных микросхем.
§ 7.4. ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Интегральные микросхемы становятся основной
элементной базой практически для всех классов
радиоэлектронной аппаратуры. Без радиоэлектронной
аппаратуры в настоящее время не может обойтись ни
одна отрасль науки и техники. Основные области
применения микросхем в народном хозяйстве пока-
заны на рис. 7.13.
ЭВМ являются основным потребителем микро-
схем, именно в ЭВМ были продемонстрированы их
преимущества. Действительно, с изобретением микро-
схем появились вычислительные машины третьего
поколения, которые за быстродействие, универсаль-
ность и малые размеры часто называют компьюте-
рами. Все современные вычислительные машины раз-
рабатываются на интегральных микросхемах.
Интегральные микросхемы применяются в элект-
ронных АТС, телефонных аппаратах, в усилительных
устройствах дальней телефонной связи, что позволяет
уменьшить их размеры и повысить надежность.
4 Большинство измерительных приборов разраба-
тываются с использованием ИМС. Их применение
значительно увеличивает функциональные возмож-
ности и улучшает характеристики, увеличивает надеж-
ность, уменьшает габаритные размеры и массу
приборов, повышает степень автоматизации процесса
измерений и др.
215
Рис. 7.13
В военных системах интегральные микросхемы
получили самое широкое распространение. Здесь
крайне важны как надежность электронных средств,
так и возможность усложнения функций таких сис-
тем. Повышение надежности, снижение массы и
габаритных размеров аппаратуры электронного обо-
рудования, которым насыщена современная военная
техника, создают условия для бесперебойного ее
функционирования в сложных условиях, повышают
маневренность войск и эффективность их боевых
действий. О сложности военных электронных систем
говорит следующая цифра. Только одна аппаратура,
предназначенная для проверки ракет перед запуском,
имеет около 2000 микросхем среднего уровня ин-
теграции. Однако даже при такой сложности удается
обеспечить высокую надежность работы.
Медицина — одна из перспективных областей при-
менения микроэлектроники. Уже в настоящее время
многие приборы выполняются на основе интеграль-
ных микросхем.
216
И наконец, очень большое применение микросхе-
мы имеют в бытовой аппаратуре (стереофонические
радиоприемники, магнитолы, телевизоры, проигры-
ватели и т. д.). Интегральные микросхемы позволяют
создать телевизоры, обеспечивающие одновременный
прием трех или четырех программ без значительного
увеличения размеров и стоимости. Просмотр основ-
ной программы ведется на кинескоп большого раз-
мера, остальные программы воспроизводятся на
обзорных трубках меньших размеров.
Рассмотрим применение типовых интегральных
микросхем независимо от функционального назна-
чения. Современные ИМС содержат только эле-
менты, реализуемые в интегральном исполнении. Это
активные элементы, резисторы и иногда конденса-
торы; остальные элементы подключаются к выводам
ИМС в соответствии с принципиальной схемой
устройства. Кроме того, в ряде ИМС заложена
многофункциональность, для реализации которой
предусмотрены дополнительные выводы от разных
точек схемы, количество выводов определяется в
зависимости от сложности интегральной микросхемы.
При обработке непрерывных сигналов исполь-
зуются аналоговые (линейные) интегральные схемы.
Промышленностью выпускаются микросхемы для
самых разнообразных генераторов, усилителей, пре-
образователей, вторичных источников питания и
других устройств, а также наборы элементов и
многофункциональные микросхемы. Эти микросхемы
выпускаются сериями и применяются в аналоговых
вычислительных машинах, аппаратуре связи, телеви-
дении, измерительных приборах и т. п. Наиболее
функционально используется полная серия 435, она
состоит из 14 гибридных микросхем, предназначен-
ных для высококачественной радиоаппаратуры, рабо-
тающей в диапазоне до 200 кГц. Она содержит
усилители ВЧ и ПЧ с АРУ, три усилителя НЧ,
усилитель — ограничитель с амплитудными детекто-
рами для частотных дискриминаторов, усилитель —
генератор, транзисторные ключи, коммутаторы и др.
Напряжение питания серии микросхем 435—6 В+ 10%.
Для питания устройств на ИМС используются как
двуполярные источники тока, имеющие три зажима:
положительный, отрицательный и общий, так и
однополярные.
217
Рис. 7.14
Рис. 7.15
В различных электронных схемах с дискретными
элементами широко применяются конденсаторы, из-
готовление которых по интегральной эпитаксиально-
планарной технологии затруднительно. Усилители
постоянного тока не имеют конденсаторов, поэтому в
микросхемах используются электронные схемы с
непосредственной связью между каскадами. Схемы с
непосредственными связями между каскадами имеют
дрейф нуля, который приходится снижать, применяя
отрицательную обратную связь, что, в свою очередь,
снижает коэффициент усиления УПТ.
Дрейф нуля существенно снижается в мостовых
(балансных) схемах УПТ (рис. 7.14).
В этой схеме входной сигнал при полной сим-
метрии схемы, т. е. равенства резисторов нагрузки и
резисторов в цепи эмиттера транзисторов (Дк1 = /?к2;
Лз1 = /?з2) и равенства внутренних сопротивлений
транзисторов ITI и VT1, создает равные по ампли-
туде и противоположные по фазе напряжения (7К1 и
Ск2, которые и создают полезный выходной сигнал.
Любые изменения напряжения питания, темпера-
туры окружающей среды, старение элементов схемы
или какие-либо внешние помехи воздействуют син-
фазно (в фазе) на оба входа. Так как схема
симметрична, то на коллекторах транзисторов созда-
ются одинаковые по фазе и амплитуде напряжения и
в результате выходной сигнал от синфазной помехи
будет равен нулю. Для увеличения подавления по-
мехи нужно увеличивать резистор R1. Если в качестве
R1 использовать обычный резистор, то при увеличе-
нии его сопротивления падение напряжения на эмит-
тере транзисторов VT1 и VT2 и мощность рассеяния
218
на резисторе R1 возра-
стают. Это нежелатель-
но. Необходимо такое
устройство, которое бы
имело низкое сопротив-
ление по постоянному то-
ку и высокое по перемен-
ному. Этим требовани-
ям удовлетворяет схема
источника тока (рис. 7.15).
В этой схеме выходное
сопротивление каскада на
очень велико, так как он
VT1 для переменного тока
охвачен глубокой отрица-
тельной обратной связью по напряжению через
резистор R1. Режим VT1 стабилизован базовым
делителем напряжения R2 и R3, транзистором VT2 в
диодном включении; VT2 компенсирует температур-
ные изменения напряжения между базой и эмиттером
транзистора VT1. На принципиальных схемах микро-
схема условно изображается в виде прямоугольника с
рядом отводов, номера которых соответствуют вы-
водам на ИМС. К ним подключаются навесные
элементы схемы (резисторы, конденсаторы, трансфор-
маторы, катушки, перемычки).
Микросхема К122УН1 является двухкаскадным
усилителем переменного тока, принципиальная схема
которого показана на рис. 7.16.
Первый каскад на транзисторе VT1 выполнен по
схеме ОЭ. Транзистор VT2 может быть использован
как в схеме ОЭ, так и в схеме ОК. Через резисторы
R4 и R6 транзисторы охвачены отрицательной обрат-
ной связью, которая стабилизирует режим по по-
стоянному току. Для устранения обратной связи по
переменному току достаточно подключить конденса-
тор большой емкости к выводам 5 или 11. Выводы 3
и 11 используются для соединения микросхемы с
резистивными или емкостными элементами, позво-
ляющими регулировать режим транзисторов по по-
стоянному току, и т. д. Вывод 10 предусмотрен для
подключения фильтрующих или корректирующих
конденсаторов.
К выводам 7 и 7 подключается источник питания,
к выводу 4 подводится сигнал. При замыкании
выводов 8 и 9 на коллектор VT2 подается напряжение
источника питания через R5. При снятии напряжения
219
с вывода 9 ИМС работает как усилитель напряжения
(схема с ОЭ), а с вывода 11 как эмиттерный
повторитель (схема с ОК).
Использование дифференциальных схем в ИМС
позволило построить высококачественные универ-
сальные усилители напряжения, предназначенные для
решения разнообразных задач (алгебраическое сумми-
рование, интегрирование и дифференцирование сиг-
налов, их логарифмирование и т. п.).
Усилитель, способный выполнить математические
операции, называется операционным (ОУ).
Основа ОУ — УПТ с большим коэффициентом
усиления. Он охвачен глубокой внешней отрицатель-
ной обратной связью, при этом свойства усилителя
определяются цепью обратной связи. Так как можно
применять различные цепи ООС, то и характеристики
ОУ могут быть различными. ОУ изображается на
схемах в виде треугольника.
В связи с тем что ОУ должен хорошо работать от
различных источников сигналов, внутреннее сопро-
тивление которых может иметь величину, изменяю-
щуюся в широких пределах, входное сопротивление
ОУ должно быть высоким. Так как выходной сигнал
ОУ также поступает на устройства с очень разным
входным сопротивлением, выходное сопротивление
ОУ должно быть низким.
Для удовлетворения других требований необхо-
димо, чтобы ОУ отличался высокой стабильностью
коэффициента усиления, низким уровнем шумов и
дрейфа нуля, широкой полосой пропускания. Кроме
того, высокие электрические параметры ОУ должны
сочетаться с малыми габаритами, высокой надеж-
ностью, удобством сопряжения с другими схемами и
небольшой стоимостью.
Наиболее универсальными возможностями обла-
дают усилители напряжения с двумя входами и
двумя выходами (рис. 7.17, а), однако в большин-
стве практически важных случаев достаточно иметь
один выход. Поэтому серийно выпускаемые ОУ,
как правило, имеют один выход и два входа.
При этом один вход усилителя, изменение фазы
напряжения на котором приводит к изменению фазы
напряжения на выходе, обозначают знаком « —»
и называют инвентирующим, другой вход обозна-
чают знаком « + » и называют неинвентирующим
220
(рис. 7.17,6). Интегральные ОУ позволяют выпол-
нить до сотни различных схем включения и исполь-
зовать одну и ту же микросхему для создания
усилителей ВЧ, ПУ, НЧ, преобразователей, генера-
торов, детекторов и др.
Рассмотрим особенности ОУ на примере микро-
схемы К140УД1. Она представляет собой широкопо-
лосный операционный усилитель, принципиальная
схема которого показана на рис. 7.18.
Как видно из схемы, микросхема К140УД1 пред-
ставляет собой трехкаскадный усилитель постоянного
тока.
Первый каскад усилителя выполнен по параллель-
ной балансной схеме на транзисторах VT1 и VT2 со
стабилизатором тока на транзисторе VT3 и цепочкой
температурной компенсации на транзисторе VT6.
Второй каскад усилителя выполнен по несим-
метричной балансной схеме на транзисторах VT4
и VT5.
Рис. 7.18
221
Рис. 7.19
цепи обратной связи, а
питания. Выводы 1—.
Выходной каскад явля-
ется сложным эмиттерным
повторителем на транзисто-
рах VT7, VT9 со стабили-
затором тока на транзисто-
ре VT8.
К выводу 5 подключа-
ется внешняя нагрузка и
к выводам 1 и 7—источник
f и 12 предназначены для
подключения корректирующих цепей.
Операционные усилители можно использовать в
схемах генераторов (рис. 7.19). В этой схеме цепь
частотно-зависимой обратной связи включена между
выходом и инвентирующим входом усилителя с
помощью трех последовательно включенных цепей
RC, обеспечивается необходимый сдвиг фаз, а необ-
ходимая амплитуда колебаний достигается настрой-
кой резистора Roc.
Благодаря функциональной незавершенности гиб-
ридных интегральных микросхем на одной и той же
микросхеме можно создавать различные устройства.
Например, на микросхеме К224УБ1 (рис. 7.20). Как
видно, микросхема представляет собой трехкаскад-
ный усилитель. Первый каскад выполнен на тран-
зисторе VT1 по схеме с общим эмиттером, с
температурной стабилизацией. Второй и третий кас-
кады выполнены на транзисторах VT2 и VT3 и имеют
гальваническую связь между каскадами. Во втором
каскаде температурная стабилизация осуществляется
резистором R8.
С помощью подключения к микросхеме внешних
радиодеталей создаются усилитель низкой частоты
(рис. 7.21), усилитель низкой частоты с отрицатель-
ной обратной связью (рис. 7.22) и избирательный
усилитель (рис. 7.23). Как видно из рис. 7.21, в
усилитель включен ряд конденсаторов большой ем-
кости, которые из-за больших габаритов не могут
быть помещены в корпусе микросхемы. Конденсатор
С1 служит для разделения постоянных составляющих
напряжений на входе усилителя, С2—конденсатор
связи между каскадами, СЗ—конденсатор связи с
нагрузочным резистором, С4 и С5 являются конден-
саторами фильтров в цепях температурной сигнализа-
ции. Резистор R3, включенный в цепь эмиттера VT3,
222
t>6
б)
Рис. 7.20
Рис. 7.21
Рис. 7.22
Рис. 7.23
служит для температурной стабилизации третьего
каскада.
На рис. 7.22 последовательная отрицательная об-
ратная связь снимается с резистора Roc и через
конденсатор С4 подается в цепь эмиттера VT1. Такая
обратная связь уменьшает коэффициент усиления, но
увеличивает входное сопротивление усилителя.
На рис. 7.23 показано создание низкочастотного
избирательного усилителя с двойным Т-образным
мостом в цепи отрицательной обратной связи. Двой-
ной Т-образный мост (Rl, R2, Rljl, Cl, Cl, 2С1) в
цепи обратной связи соединяет выход усилителя с его
входом.
В цифровых микросхемах используются сигналы
импульсной формы. Достоинство сигналов этой фор-
мы заключается в том, что импульсные устройства
по сравнению с аналоговыми устройствами потреб-
ляют существенно меньше электроэнергии, менее
критичны к колебаниям температуры, более помехо-
устойчивы. Информация, представленная в импульс-
ной форме, более проста и эффективнее обраба-
тывается.
Цифровые методы базируются на использовании
сигнала прямоугольной формы, имеющего два фикси-
рованных уровня напряжения. Это позволяет предста-
вить сигнал в цифровой форме: уровню высокого
напряжения приписывают символ «1», а уровню
низкого напряжения — символ «О». На указанном
виде сигнала основана, в частности, работа цифровых
вычислительных устройств.
Применение цифровых микросхем по сравнению с
аналоговыми характеризуется рядом особенностей.
224
Цифровые микросхемы имеют большую функцио-
нальную законченность и универсальность, что позво-
ляет создавать аппаратуру с минимальным коли-
чеством дискретных компонентов. При этом в значи-
тельной степени облегчается монтаж и его автомати-
зация. Цифровые микросхемы имеют менее жесткие
допуски на параметры, что позволяет обходиться без
точных регулировок. Число контролируемых пара-
метров ограничено.
На базе цифровых микросхем серий К137, К155,
К187, К500, К583 и некоторых других создана
единая система ЕС ЭВМ, представляющая собой
семейство универсальных цифровых вычислитель-
ных машин, обладающих высокой производитель-
ностью.
Кроме больших ЭВМ в последнее время все
большее развитие получают миниЭВМ и особенно
микроЭВМ. МикроЭВМ представлены целым рядом
машин «Электроника С-5» (11, 12, 21, 41 и т. п.).
МикроЭВМ используются в устройствах управления
промышленным оборудованием, в частности стан-
ками с числовым программным управлением, техно-
логическими процессами в системах передачи данных,
сбора и обработки информации и т. д. На базе
цифровых микросхем создаются измерительные при-
боры переносного типа — вольтметры, частотомеры
и т. п. В бытовой аппаратуре цифровые микросхемы
используются в наручных и настольных электронных
часах, характеризующихся высокой точностью хода,
надежностью, отсутствием необходимости в уходе.
Микросхемы применяются в игровых автоматах и
бытовой радиоаппаратуре.
§ 7.5. НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В настоящее время микроэлектроника развивается
в двух основных направлениях: интегральном, при
котором каждый элемент схемы создается как дис-
кретный элемент в полупроводниковом кристалле;
функциональном, при котором работа схемы осу-
ществляется за счет использования физических явле-
ний в твердом теле. Более перспективной является
функциональная микроэлектроника и к ней относятся
оптоэлектроника, магнетоэлектроника, акустоэлектро-
8—815
225
ника, хемотроника, криоэлектроника, диэлектрическая
электроника, биоэлектроника.
Оптоэлектроника охватывает два независи-
мых направления: оптическое и электронно-опти-
ческое.
Оптическое направление (иногда называют лазер-
ным) базируется на эффектах взаимодействия твер-
дого тела с электромагнитным излучением.
Электронно-оптическое направление использует
приборы (оптроны), в которых при обработке инфор-
мации происходит преобразование электрических сиг-
налов в оптические и обратно.
Магнетоэлектроника связана с использова-
нием тонких магнитных пленок. На тонких магнит-
ных пленках могут быть выполнены элементы памяти
ЭВМ, логические микросхемы, магнитные усилители
и другие приборы. Удалось совместить технологию
изготовления тонкопленочных элементов (например,
сплав никеля и железа) с производством других
элементов интегральных микросхем.
Акустоэлектроника занимается преобразова-
нием акустических сигналов в электрические и на-
оборот. Акустоэлектроника использует процессы и
явления, связанные с возбуждением и распростра-
нением в твердых телах ультразвуковых волн очень
высокой частоты. Использование акустоэлектронных
устройств позволяет решать практически все виды
обработки информации: задержку, фильтрацию, уси-
..:нж и др. Технология изготовления таких приборов
совместима с технологией изготовления интеграль-
ных микросхем.
Хемотроника—наука о построении разнооб-
разных электрохимических приборов на основе явле-
ний, связанных с прохождением тока в жидких телах
с ионной проводимостью. К таким приборам отно-
сятся управляемые сопротивления, запоминающие
j стройства, усилители, диоды — выпрямители.
Криоэлектроника — наука о создании прибо-
ров на основе явлений сверхпроводимости в твердых
телах при низких температурах. К таким приборам
относятся квантовые и параметрические, усилитель-
ные и переключающие устройства, линии задержки.
Диэлектрическая электроника использует
явление в двухслойной пленочной структуре, состоя-
щей из тонких пленок металла и диэлектрика.
226
Приконтактная область диэлектрика обогащается
электронами, эмиттированными из металла. Если
приложить к диэлектрику разность потенциалов, то
через него пройдет ток, величина которого будет
зависеть от числа электронов эмиттированных в
диэлектрик из металла.
Это явление позволило создать диоды и тран-
зисторы, которые микроминиатюрны, малоинерци-
онны, имеют низкий уровень шумов, мало чув-
ствительны к изменениям температуры и ради-
ации.
Биоэлектроника — одно из направлений био-
ники, решающее задачи электроники на основе
анализа структуры и жизнедеятельности живых орга-
низмов. Биоэлектроника охватывает проблемы изу-
чения нервных клеток (нейронов и нейронных сетей),
ее достижения используются для дальнейшего совер-
шенствования электронной вычислительной техники,
техники связи, разработки новых элементов и
устройств автоматики и телемеханики.
Контрольные вопросы
1. По каким направлениям развивается современная микро-
электроника?
2. Дать определение полупроводниковой интегральной мик-
росхемы.
3. Объяснить, как создается электрическая изоляция в полу-
проводниковых ИМС.
4. Как изготовляют транзисторы и диоды в полупровод-
никовых ИМС?
5. Дать определение гибридной интегральной микросхемы.
6. Какие материалы используются для изготовления подложки
ГИМС?
7. Почему в ГИМС используют преимущественно дискретные
катушки индуктивности?
8. Что необходимо сделать, если в процессе настройки
микросхемы необходимо изменить номинал резистора?
9. Где применяются интегральные микросхемы?
ГЛАВА 8
МИКРОПРОЦЕССОРЫ И МИКРОЭВМ
Научно-техническая революция выдвинула на пер-
вый план вопросы организации и управления произ-
водственными и экономическими процессами.
8*
227
Интересы государства и общества требуют, чтобы
принимаемые решения в хозяйственном строитель-
стве были бы наиболее эффективными, поэтому
приходится находить оптимальное решение. Опти-
мизация требует пересмотра большого количества
различных вариантов, использования имеющихся тех-
нических средств. Кроме того, для эффективного
планирования и управления необходимо получать
своевременно громадную по объему информацию.
Например, для того чтобы провести один допол-
нительный железнодорожный состав, нужно иметь
данные о количестве имеющихся составов, их состоя-
нии, месте нахождения, времени нахождения в пути,
исправности, времени прибытия, состояния железно-
дорожного пути, о возможности путейских служб
и механизмов станции назначения, как эта про-
водка будет согласовываться с планами работы
других предприятий, и т. д. Само собой разумеется,
что при решении таких задач на уровне отрасли
объем необходимой информации многократно уве-
личивается.
Технологические процессы в настоящее время
существенно усложнились. Массовое производство
связано также с огромными затратами человеческих и
материальных ресурсов. Пренебрежение точными за-
конами техники и экономики при принятии решений
приводит к недопустимым убыткам.
Управление различными процессами в настоящее
время не мыслимо без современных электронных
цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ). Разумное
использование ЭЦВМ способствует сохранению мате-
риальных ценностей, капиталовложений, трудовых
затрат, помогает находить оптимальные системы
управления производственными, транспортными, эко-
номическими и другими процессами. ЭЦВМ —быст-
родействующая высокоскоростная машина. У совре-
менных вычислительных машин быстродействие со-
ставляет десятки и сотни миллионов операций в
секунду, потому с помощью ЭЦВМ за минуты можно
получать решение задач, на которые раньше тра-
тились годы.
ЭЦВМ имеет неограниченную точность вычисле-
ний. Они универсальны, так как в них используется
принцип программного управления. Для эффективной
работы ЭЦВМ необходима быстрая смена в заранее
228
спланированном порядке одних операций другими без
вмешательства человека. Полное и точное описание
последовательности действий при решении задач на
машине называется программой. Для разных задач
нужны разные программы и поэтому ЭЦВМ снаб-
жаются набором программ.
Эти свойства ЭЦВМ (быстродействие, неограни-
ченная точность, универсальность) позволяют решать
проблемы, решение которых без использования
ЭЦВМ крайне неэффективно или практически невоз-
можно.
Перспективам использования ЭВМ в нашей стране
свойственны следующие черты: плановость, комп-
лексность и применение средств вычислительной
техники в интересах трудящихся. В Основных направ-
лениях экономического и социального развития СССР
на 1986—1990 годы и на период до 2000 года
перспективы развития средств вычислительной тех-
ники и ее применения определены следующим обра-
зом: «...Внедрять автоматизированные системы в
различные сферы хозяйственной деятельности, и в
первую очередь в проектирование, управление обору-
дованием и технологическими процессами. Поднять
уровень автоматизации производства в 2 раза. Созда-
вать комплексно автоматизированные производства,
которые можно быстро и экономично перестраивать».
§ 8.1. ПОНЯТИЕ О МИКРОПРОЦЕССОРАХ
И МИКРОЭВМ
Развитие технологии производства больших и
создание сверхбольших интегральных схем (БИС,
СБИС) позволило создать цифровые логические схе-
мы очень малых размеров и реализовать в единой
схеме много разных функциональных возможностей.
Микропроцессор — одна или несколько больших
интегральных схем (БИС), которые выполняют функ-
ции центрального обрабатывающего узла ЭВМ —
процессора. В нем под управлением программы
производятся все арифметические и логические дей-
ствия над вводимыми данными. «Микро» указывает
на миниатюрные размеры, небольшую потребляемую
мощность (десятки милливатт), малую массу (не-
сколько граммов) и меньшие возможности по сравне-
нию с процессором большой ЭВМ.
229
Итак, микропроцессор (МП) — программно-управ-
ляемое устройство, предназначенное для обработки
цифровой информации и управления процессом этой
обработки, выполненное в виде одной (или не-
скольких) интегральной схемы с высокой степенью
интеграции электронных элементов.
Микропроцессор, соединенный с БИС оператив-
ной памяти, БИС управления вводом — выводом
информации, представляет собой микроЭВМ. Микро-
ЭВМ обладает высокими производительностью и
надежностью, низкой стоимостью, малой мощностью
потребления электрической энергии, малыми массой
и габаритами, большой устойчивостью к небла-
гоприятным климатическим и механическим воз-
действиям.
Для понимания работы микропроцессора необхо-
димо знать устройство и основные принципы работы
микроЭВМ.
§ 8.2. УСТРОЙСТВО И РАБОТА МИКРОЭВМ
МикроЭВМ, как и все другие неминиатюрные
ЭЦВМ, состоит из отдельных устройств (рис. 8.1).
Устройство ввода данных служит для
введения в оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ) — оперативную память — ЭЦВМ исходных дан-
ных и программы вычислений.
Программа — это последовательность команд.
Команда содержит указания, где находятся числа и
какую операцию над ними надо произвести. Каждая
Рис. 8.1
230
команда состоит из двух частей: оператора и опе-
ранда. Оператор указывает, какую именно операцию
должен выполнить процессор (арифметическую, логи-
ческую или операцию управления), а операнд данные
или адрес в памяти, над которыми должна быть
выполнена операция.
Программа составляется заранее и вводится в
ЭЦВМ для решения задачи. Как только программа
введена в память (запоминающее устройство) ма-
шины, все дальнейшие решения производятся авто-
матически.
Устройство управления и арифметическо-логиче-
ское устройство объединены в микропроцессор.
Арифметическо-логическое устройство
(АЛУ) выполняет основные операции над числами и
логические операции (И, НЕ, ИЛИ и их комбинации).
Это устройство содержит сумматоры, блоки умноже-
ния, блоки деления и логические схемы.
Действия над числами могут производиться после-
довательно и параллельно. В ЭЦВМ последователь-
ного действия все вычисления производятся разряд за
разрядом, как при обычном ручном счете. Такие
ЭЦВМ — медленно действующие, применяются для
специальных целей и просты по конструкции.
В ЭЦВМ параллельного действия все операции
производятся над всеми разрядами одновременно,
поэтому ЭЦВМ параллельного действия, быстродей-
ствующие, но сложной конструкции, применяются как
универсальные ЭЦВМ. Числа в арифметическо-логи-
ческие устройства АЛУ поступают из запоминаю-
щего устройства — памяти, над ними производятся
действия, изображаемые данным кодом операции.
Число, являющееся результатом операции, снова
отправляется в память.
Устройство управления (УУ) — обеспечива-
ет автоматическое выполнение программы, содержит
генератор тактовых импульсов, импульсы которого и
определяют ход работы машины. Устройство управ-
ления посылает в память команды, т. е. указывает
номера ячеек, где хранится команда. Команды выби-
раются из памяти, снова направляются в устройство
управления, где они расшифровываются. В соответ-
ствии с адресом, указанным в команде, происходит
передача числа из запоминающего устройства —
памяти в АЛУ, а соответствующий код операции
231
настраивает АЛУ на ту операцию, которую на-
до произвести над числами. Полученное число на-
правляется по адресу результата в запоминаю-
щее устройство. В зависимости от знака резуль-
тата, т. е. от признака результата операции, уст-
ройство управления может менять ход дальнейших
действий.
Устройство управления и запоминающее устрой-
ство взаимодействуют между собой. Для ускорения
процесса пересылки команд предусматриваются спе-
циальные аппаратные средства: регистр команд, счет-
чик команд, накопитель (рис. 8.2). Они являются
основными элементами запоминающего устройства.
Это регистры или ячейки памяти, емкость их в
двоичных разрядах равна длине машинного слова.
Регистр команд хранит ту команду, которую машина
должна выполнить вслед за текущей, а адрес после-
дующей команды хранится в счетчике команд. Нако-
питель хранит данные для обработки или принимает
их после нее.
Аппаратные средства соединяются друг с другом
посредством одной или нескольких шин. Каждая
шина содержит большое число сигнальных линий.
Шина—электрическое соединение между несколькими
точками, которые могут быть источниками или
приемниками сигналов. На рис. 8.2 имеется одна
двунаправленная А-разрядная шина, где N—длина
машинного слова. На двунаправленность шины ука-
зывают стрелки слева и справа, выполненные двой-
ной линией. Такие двойные линии указывают на то,
что по ним передаются сигналы управления. Одинар-
232
Старший
ная линия показывает движение информации. Длина
слова микроЭВМ обычно составляет 4, 8 или 16 бит
(рис. 8.3). Бит—двоичная цифра, отдельный знак в
двоичном числе. Восьмибитовое слово называется
байтом.
Шина соединяет регистры и АЛУ с опера-
тивной памятью и устройствами ввода и вы-
вода. В схеме с одной шиной каждое устрой-
ство, подключенное к шине, пользуется ею вме-
сте с другими устройствами, и поэтому ему вы-
деляется определенный интервал времени для пе-
редачи информации по шине другому устройству
или для принятия информации от него. Это осу-
ществляется аппаратной схемой управления шиной и
синхронизируется устройством управления.
Устройство управления выполняет основные функ-
ции контроля и синхронизации всех других устройств
машины. Вычислительные системы обычно представ-
ляют собой последовательные цифровые схемы, син-
хронизирующиеся стандартным тактовым импуль-
сом, передаваемым по всей системе. Каждый элемент
вычислительной машины разрабатывается так, что он
совершает последовательность каких-то действий пос-
ле заданного числа тактов.
Устройство вывода данных—дисплей (эк-
ран) или автоматическое печатающее устройство —
служит для получения окончательных результатов
233
вычислений. Результаты автоматически, с помощью
специальных устройств, пересчитываются из дво-
ичной системы в десятичную и выводятся в ви-
де таблиц или графиков на дисплеях. Основ-
ным рабочим элементом является АЛУ. Регистр
команд передает следующую команду на деши-
фратор, который в соответствии с ней выдает
приказы как на устройство управления машин-
ным циклом (основной цикл, за который мож-
но послать в память адрес и считать или за-
писать одно слово — данные или команда—или же
исполнить вызванную команду), так и на АЛУ.
Устройство управления машинным циклом деко-
дирует эти приказы, выдавая в память и на уп-
равляющие выходы соответствующие сигналы. Ра-
бота других устройств может быть синхронизи-
рована с работой АЛУ. Память должна также
получить указания о том, какие данные нужны
для обработки.
§ 8.3. АРИФМЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОЭВМ
В ЭЦВМ элементная база должна быть как
можно проще. Одним из простейших устройств
является триггер, который имеет два устойчивых
н хорошо различимых состояния, и поэтому ло-
гично его применить для работы ЭЦВМ. Двоич-
ная система счисления состоит из двух цифр: 1
и 0. Поэтому триггер является электрическим ана-
логом двоичной системы. Наличие двух цифр в
системе счисления упрощает выполнение арифмети-
ческих действий.
Кроме двоичной системы в ЭЦВМ применяются
десятичная, восьмеричная, шестнадцатеричная систе-
мы и некоторые другие формы представления чисел.
Под счислением понимают способ выражения и
обозначения чисел. В развитых системах счисления
некоторое число единиц (например, десять) объеди-
няются в одну единицу второго разряда (десяток), то
же число единиц второго разряда объединяются в
единицу третьего разряда (сотню) и т. д. Число
называется основанием системы счисления, а знаки,
употребляемые для обозначения количеств единиц
каждого разряда,— цифрами. Наиболее употребляе-
234
мая система счисления—десятичная с цифрами О, 1,
2, ..9. Для десятичной системы счисления основа-
нием будет 10. В числе 426,75 — цифра 6 указывает
количество единиц (первый разряд); цифра 2 — коли-
ство десятков (второй разряд); цифра 4—количе-
ство сотен (третий разряд); цифра 7, стоящая после
запятой,—количество десятых долей (разряд десятич-
ных долей), а цифра 5:—количество сотых долей
(разряд сотых долей).
Это число можно записать в виде 426,75 = 4-102 +
+ 2-101 + 6-10° + 7-10~1 + 5-10-2, т. е. любое число в
десятичной системе записывается как сумма значений
степени 10 (разрядов).
В двоичной системе используются только две
цифры 1 и 0. Основанием двоичной системы слу-
жит число 2. Любое число в двоичной систе-
ме записывается как сумма значений степени 2:
2°, 21, 22 и т. д., каждая из которой может быть
взята 0 или 1 раз.
Запишем число 426,75 в двоичной степени.
426,75(1О)-256 + 128 + 32 + 8 + 2 + 1+1=1-28 +
+ 1-27+0-26 + 1-25 + 0-24 + 1-23 + 0-22 + 1-21 + 0-2° +
+1-2'2 = 110101010,11,2).
Числа 10 и 2, стоящие справа снизу около
чисел 426,75(1О) и 110101010,11^, показывают, что
числа записаны в десятичной и двоичной си-
стемах.
Для перевода чисел из десятичной системы в
двоичную необходимо целую часть числа последова-
тельно делить на 2 (основание двоичной системы) до
тех пор, пока частное от деления даст число 1 или 0.
При этом совокупность остатков (1 или 0) от деления
на 2, начиная с последнего, образует двоичную запись
целой части десятичного числа. Если в переводимом
числе есть дробная часть, то нужно ее умножать на
основание новой системы, т. е. на 2 (необходимо
перемножать только дробные части), до тех пор, пока
не получим 1. Дробь записывается в виде последова-
тельности целых частей произведений, начиная с
первого: 426,75 = 426 + 0,75.
Вначале переводим целую часть числа в двоичную
систему:
235
_426 12
4 _026 2 _06 _213 | 2 2 _106 |2 013 10 _53 | 2 12 06 £ 26 | 2
6 1 Д’ 13 2_ _13 | 2
0 0 12 06 12 6 | 2 1 _6 16 3 | 2 0 0 2 1 1
Стрелка указывает порядок запи-
си числа
Следовательно, 426 в двоичной системе равно
426(10) = 110101010(2).
Переводим дробную часть в двоичную систему:
0,75 0,5
х х
2 2
-уГ 0,75(1О) = 0,11(2).
1 1
Таким образом, число 426,75 в десятичной системе
будет записано как 110101010,11, в двоичной системе
как 426,75(1О)=110101010,11(2).
Проверку правильности перевода из десятичной
системы в двоичную произведем обратным пере-
водом:
110101010,11(2)= 1-28+1-27+0-2б + 1-25 + 0-24 + 1-23 +
+ 0-22 +1-21+ 0-2° +1-2-1 +1-2-2 = 256 +128 + 32 +
+ 8 + 2+0,5 + 0,25 = 426,75(10).
Десятичные числа от 0 до 10 в двоичном коде
будут записаны так:
236
0(10) = 0(2),
1(10) = 1(2)’
2(10) = 10(2)’
3 =11
J(1O) 1 ‘(2)’
4(io)= Ю0(2),
5(10) = 101(2)’
6(10) = 1Ю(2),
2(10) — Ш(2)’
8(10)= 1000,21,
9(io)= 1001(2),
10(10) = 1010,,,.
Так как максимальная десятичная цифра 9 в
двоичном коде содержит четыре цифры, то все числа
первого десятка записываются в виде четырех цифр
(такая запись использует четыре двоичных разряда и
называется тетрадой):
0(10) =оооо(2), 5(10) = 0Ю1(2(,
1(10) = 0001(2), 6(10) = 0110(21,
2 z(10) = 0010,,;, Лю) = 0Ш(2),
3(Ю) = 0011(2), 8(Ю) = 1000,2„
4(io) = 0100(2>, 0 Л ю) = 1001{2).
Запись цифры в двоичном коде, например 7,
читается — ноль, один, один, один.
ЭЦВМ построена из двухпозиционных элементов,
поэтому при вводе в нее чисел проще использовать
десятичный код. Число в десятичном коде вначале
автоматически преобразуется в- двоично-десятичное и
далее по специальной программе преобразуется в
двоичное. Вывод из машины на цифропечатающее
устройство производится в обратном порядке.
В двоично-десятичной системе каждая десятич-
ная цифра преобразовывается отдельно с помощью
четырех двоичных разрядов (тетрад). Например,
72,31(1О) = (0111 0010, ООП 0001)(2 _10).
Двоично-десятичная система не во всех машинах
используется как промежуточная система счисления,
предназначенная для кодирования входных и выход-
ных чисел. В машинах третьего поколения вычисле-
ния могут выполняться и в двоично-десятичной
системе.
Для составления программ используется восьме-
ричная система. В восьмеричной системе основание
число 8. Число в восьмеричной системе есть сумма
чисел 8", 8"-1, ..., 8°, 8-1, 8-2, ..., каждое из которых
может быть взято от 1 до 7 раз.
Число 35(1О) = 4-81 + 3-8° = 43(8).
237
35 | 8 • 35(1O) —43(8).
32 4
3
Запишем число 35(8) восьмеричного кода в деся-
тичном коде: 35(8) — 3-81 + 5-8° = 29(1О).
Переведем число 29(1О) в двоичнре: 29(1О) = 11 101(2).
В двоичном коде две первые цифры 11(2) —3(8), а
последние 3101(2) —5(8), т. е. число 11101 есть восьме-
ричный код десятичного числа 29. Отсюда, чтобы
восьмеричное число перевести в двоичное, необхо-
димо каждую цифру числа отдельно представить в
двоичном коде. Например, 26(8) = (010)(2) (111)(2), где
010(2) = 2(8); 111(2) = 6(8). Как видно из примера, одному
разряду восьмеричной системы соответствуют три
разряда двоичной системы. Восьмеричная система
экономичнее, так как требует меньшее число раз-
рядов, чем двоичная, и перевод из восьмеричной
системы в двоичную очень прост.
Восьмеричная система применяется для кодирова-
ния адресов и команд при программировании. После
составления программы она переводится в двоичную
систему и вводится в ЭЦВМ.
Арифметические действия в двоичной системе счи-
сления производятся по правилам десятичной системы.
Сложение двоичных чисел: 0+0 = 0; 0 + 1 =
= 1; 1+0=1.
При сложении 1 + 1 = 10 единица переносится в
старший разряд:
+ 25 = 1-24+1-23 + 0-22+0-21 +Ь2° = 11001
_J3 = 1-21 + 1-2°=+ И.
28 11100
Вычитание двоичных чисел: 0 — 0 = 0;
1-0=1; 1-1=0.
При вычитании 10—1 = 1 единица занимается в
старшем разряде:
_25 =_11001
3 = ____Н
22 = 10110= 1 -24+0-23+1 -2Z+1 •21 + 0-2° =
= 16+4+2 = 22.
В ЭЦВМ вычитание заменяется сложением с
дополнением вычитаемого. Дополнением данного
238
числа является такое число, которое в сумме с
данным дает единицу следующего разряда.
Так, для числа 72(1О) дополнением является число
28(io) (72+28 = 100), а для числа 1010(2) дополнением
будет 110(2) [1010(2)+110(2) = 10000(2)].
Для нахождения разности с использованием до-
полнения нужно:
1) найти дополнение вычитаемого;
2) сложить дополнение с уменьшаемым;
3) вычесть из полученной суммы единицу того
разряда, до которого находилось дополнение.
Например, 1001 (2) — 111,2. = 10(2).
Дополнением к числу 111(2) будет число 001(2), так
как 111(2) + 001(2)= 1000(2). В этом примере дополнение
находится до единицы четвертого разряда.
Складываем дополнение вычитаемого с уменьшае-
мым 1001(2)+001(2) = 1010(2.. Так как сумма вычитае-
мого дополнения равна 1000(2), то для получения
окончательного результата две цифры не учиты-
ваются и тогда остается 10(2). Дополнение находилось
для единицы четвертого разряда, поэтому из полу-
ченного числа нужно вычесть единицу:
1001(2)—111(2>= 10(2),
1001 (2) -111 (2) = 1001 (2) + 001 (2) = 010(2) = 10(2).
Умножение двоичных чисел. Например,
X 15(10)= х
6(10) ~ 1Ю(2)
90{1О) +0000
+ 1111
1111
1011010<2) = 1 -26 + 0’25 +1 -24 +1 -22 +
+ 1-21 +0-2° = 64+16 + 8 + 2 = 90.
Умножение двоичных чисел заменяют сложением.
Деление двоичных чисел. Например,
68(Ю): 4(Ю) — 68 | 4 68(Ю) = 1000100,2.
4 17 4(Ю) = 100(2)
_28 1000100 | 100
28 100 10001
00 0100
0100
1000100(2.: 100r2v = 10001,,. = 1 -24 + 0-2 3+0-22+0-21 +
+1 -2° = 16+ 1 = 17.
239
Как видно из примера, деление сводится к много-
кратному вычитанию делителя из очередного остатка и
сдвигу делителя. Так как вычитание заменяется
сложением, то и деление можно заменить сложением.
§ 8.4. ЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ И МИКРОЭВМ
Преобразования входных величин в выходные с
помощью дискретных автоматов, эквивалентны пре-
образованиям, совершаемым в формальной логике.
Для синтеза и анализа схем ЭЦВМ используется
раздел математической логики — исчисление высказы-
ваний, которое использует алгебру логики. Высказы-
вание— это всякое утверждение, которое может быть
или истинным, или ложным. Высказывание одновре-
менно неистинным и неложным или истинным и
ложным не бывает. Так как возможны только два
варианта высказываний, то в алгебре логики при-
меняют двоичную систему, это и помогает делать
описание работы и анализ схем и блоков ЭЦВМ.
Высказывания обозначают буквами А, В, С, D,...
Если высказывание А истинно, а В ложно, то А = 1,
В=0. Если высказывание С эквивалентно высказы-
ванию D, то C = D. Образование сложных высказы-
ваний х, состоящих из простых А, В, С, ..., произво-
дится с помощью основных логических операций НЕ,
И, ИЛИ. Логическое отрицание (операция НЕ)
называется инверсией. Инверсия обозначается чер-
точкой над высказыванием.
Например, запись х = А читается х есть не А
0=1, 1 = 0, А х
7ГТ
1 |о
Инвертор (схема НЕ) — электрическая схема, в
которой сигнал на выходе 1 появится при отсутствии
сигнала на входе.
Логическое умножение (операция И) называется
конъюнкцией, обозначается знаком л. Конъюнк-
ция— это такая связь между высказываниями Ли В,
в результате которой сложное высказывание х истин-
но (х—1), если одновременно истинны все образую-
щие его высказывания, т. е. А = 1 и В=1.
240
Во всех остальных случаях это высказывание ложно:
0л0 = 0, А В X
0л1-0, 1л1 = 1, X 0 0
1л0 = 0. 1 0
0 0
1 1 1
Логическое умножение действительно для любого
количества сомножителей:
л=ЛаБаСаРа ... .
Конъюнктором, логической схемой И, схемой
совпадения, клапаном, вентилем называются электри-
ческие схемы, реализующие логическое умножение.
Логическое сложение (операция ИЛИ) называется
дизъюнкцией двух высказываний Л и Л и обозна-
чается A v Б (читается А или В).
Высказывание х=А vB истинно (х=А vB=l) тог-
да, когда одно из высказываний А или В истинно или
оба высказывания истинны, т. е. А = 1 или Б=1. В
противном случае A v В=0, т. е. высказывание ложно:
0v0 = 0, А В X
0vl = l, 0 0 0
1 v0=l, 0 1 1
1 v 1 = 1. 1 0 1
1 1 1
С помощью рассмотренных логических опера-
ций можно представить любое сложное высказы-
вание.
Все электрические схемы, реализующие логическое
сложение, умножение, отрицание, называются логи-
ческими элементами.
Числа 1 и 0 могут изображаться различными
способами. При потенциальном (статическом) спо-
собе (рис. 8.4, а) высокий уровень напряжения соот-
ветствует коду 1, а низкий — коду 0.
При импульсном способе (рис. 8.4, б) наличие
импульса соответствует 1, а отсутствие — 0. Иногда
при таком способе изображения коду 0 соответствует
импульс противоположной полярности.
При динамическом способе (рис. 8.4, в) наличие
непрерывной последовательности импульсов в тече-
ние Az соответствует 1, а отсутствие — коду 0.
241
Наконец, при фазовом
способе используются элек-
трические колебания, фаза
которых отличается на л
радиан.
Логические элементы обо-
значаются прямоугольником,
внутри которого есть сим-
вол, определяющий выпол-
няемую функцию.
Логическое умножение
(операция И) обозначается &
(рис. 8.5, а), логическое сло-
жение (операция ИЛИ) —
знаком 1 (рис. 8.5,6), а ло-
гическое отрицание (опера-
ция НЕ)—кружком на вы-
ходе схемы (рис. 8.5, в).
На прямоугольнике сто-
ит знак &. Это обозначает,
что элемент осуществляет
конъюнкцию, т. е. логичес-
кое умножение (операцию
И). Кроме того, на выходе
жок, что обозначает инвер-
сию— логическое отрицание (операцию НЕ). Из
этого следует, что на рис. 8.5, г изображен элемент
И — НЕ—отрицание конъюнкции (операция Шеффе-
ра). Этот элемент обозначается х—А/\В. Очевидно,
что элемент на рис. 8.5,6 выполняет функцию отрица-
ния дизъюнкции ИЛИ — НЕ, x=AvB (операция
Пирса). Операции Шеффера (И — НЕ) и Пирса
(ИЛИ—НЕ) — важнейшие из возможных более слож-
ных высказываний.
Большинство элементов цифровой вычислитель-
ной машины может быть построена просто и
в)
Рис. 8.4
этого элемента есть
Рис. 8.5
242
надежно на схемах с диодно-резисторной логикой.
Схема ИЛИ приведена на рис. 8.6, это схема реали-
зует операцию дизъюнкции (логическое сложение) на
четыре входа, т. е. х=А vB v CvD=A + B + C+D.
Входные сигналы СЕХ1, Сех2, СЕх3 и С/вх4 являются
логическими переменными положительной полярно-
сти (так включены диоды УД1 — УД4). Низкому
уровню напряжения СЕХ = 0 соответствует код О,
высокому уровню напряжения t/BX = + U. соответ-
ствует код I. Если на всех входах схемы действует
низкий уровень напряжения (код 0), то диоды не
пропускают ток и на выходе схемы будет также
низкий уровень напряжения (код 0). При подаче хотя
бы на один вход высокого уровня напряжения на
выходе схемы появится высокий уровень напряжения
(код I).
Приведенная схема проста, но из-за того, что
диоды имеют и обратный ток, увеличение количества
входов ведет к снижению выходного напряжения. Для
получения достаточного уровня выходного напряже-
ния необходимо, чтобы сумма обратного и прямого
сопротивлений диодов была бы значительно меньше
сопротивления нагрузки 7?н.
Схема И приведена на рис. 8.7. Она реализует
логическое умножение конъюнкции с четырех входов:
х=АлВл С/\D = ABCD.
В этой схеме высокий уровень напряжения UBX1 =
= + Е есть код I, а коду 0 соответствует низкий
уровень напряжения.
243
Рис. 8.8
Если на все входы подается +Е (код I), то все
диоды будут закрыты и на выходе схемы будет
высокий потенциал [7вих=+£’ (код I). Если же на
одном из входов сигнала не будет (код 0), то на
выходе сигнала не будет (код 0).
На диодно-резисторной логике трудно построить
схему инверсии (логического отрицания) х=А. Логи-
ческое отрицание — инвертор просто построить, при-
менив транзистор (рис. 8.8). Величины резисторов
входного делителя Rl, R2 подобраны так, что
транзистор находится в режиме отсечки при отсут-
ствии сигнала на входе (код 0), при этом на выходе
будет напряжение — Ек (транзистор закрыт). Если
подать на вход напряжение отрицательной поляр-
ности, то транзистор откроется и на выходе схемы
будет код 0.
Схема ИЛИ — НЕ (или инверсная схема ИЛИ):
х = А + В = А\/В, может быть построена на двух
транзисторах (рис. 8.9).
В исходном состоянии сигнала на входах См = 0
(код 0) транзисторы закрыты и на выходе (7ВЫХ = — Ек
(код 1).
Если же на вход одного из транзисторов прихо-
дит код I, то через коллекторную нагрузку будет
протекать ток, этот транзистор откроется и на
выходе схемы выходное напряжение станет рав-
ным 0, появится код 0. Так реализуется операция
Пирса.
Операция Шеффера или инверсия схемы И,
х = АлВ=АВ, или схема И — НЕ также создается на
двух транзисторах, но включенных последовательно
(рис. 8.10).
Если на входе имеется код 0, то оба транзистора
закрыты и напряжение на выходе близко к — Ек, т. е.
244
Рис. 8.10
Рис. 8.11
оно соответствует коду 1. Если на один из тран-
зисторов подается код 1, то этот транзистор на-
сыщается, но последовательная цепь от — Ек к
нулевой шине будет разорвана, другой транзи-
стор останется закрытым. Лишь когда одновре-
менно на оба транзистора подастся код 1, тог-
да оба транзистора откроются и на выходе схе-
мы будет код 0 (сопротивление насыщенных тран-
зисторов ничтожно мало).
В машинах старшего поколения нашли примене-
ние логические интегральные микросхемы. Одна
из микросхем транзисторно-транзисторной логики,
реализующая функцию И — НЕ, представлена на
рис. 8.11.
Схема состоит из многоэмиттерного транзи-
стора VT1, транзистора VT2 и двух резисторов
^К1> ^к2*
Входными цепями являются эмиттеры транзисто-
ра VT1. Коллектор транзистора VT1 соединен непо-
средственно с базой транзистора VT2.
Логическая операция И (конъюнкция) происходит
в том случае, когда па все входы транзистора
VT1 действуют одновременно положительные сиг-
налы +1.
Ток от источника Ек через открытый кол-
лекторный переход проходит в базу транзисто-
ра ЁТ2. Транзистор РТ2 (инвертор) будет в
режиме насыщения и поэтому на его выходе
будет потенциал корпуса, т. е. код 0 (опера-
ция НЕ).
245
Если на все входы подается +Е (код 1), то все
диоды будут закрыты и на выходе схемы будет
высокий потенциал ивых—+Е (код I). Если же на
одном из входов сигнала не будет (код 0), то на
выходе сигнала не будет (код 0).
На диодно-резисторной логике трудно построить
схему инверсии (логического отрицания) х — А. Логи-
ческое отрицание — инвертор просто построить, при-
менив транзистор (рис. 8.8). Величины резисторов
входного делителя Rl, R2 подобраны так, что
транзистор находится в режиме отсечки при отсут-
ствии сигнала на входе (код 0), при этом на выходе
будет напряжение — £к (транзистор закрыт). Если
подать на вход напряжение отрицательной поляр-
ности, то транзистор откроется и на выходе схемы
будет код 0.
Схема ИЛИ — НЕ (или инверсная схема ИЛИ):
х=Л+В=А^В, может быть построена на двух
транзисторах (рис. 8.9).
В исходном состоянии сигнала на входах См = 0
(код 0) транзисторы закрыты и на выходе С/ВЬ1Х = — Ек
(код I).
Если же на вход одного из транзисторов прихо-
дит код 1, то через коллекторную нагрузку будет
протекать ток, этот транзистор откроется и на
выходе схемы выходное напряжение станет рав-
ным 0, появится код 0. Так реализуется операция
Пирса.
Операция Шеффера или инверсия схемы И,
х=А/\В=АВ, или схема И — НЕ также создается на
двух транзисторах, но включенных последовательно
(рис. 8.10).
Если на входе имеется код 0, то оба транзистора
закрыты и напряжение на выходе близко к — Ех, т. е.
244
Рис. 8.11
оно соответствует коду 1. Если на один из тран-
зисторов подается код I, то этот транзистор на-
сыщается, но последовательная цепь от — Ек к
нулевой шине будет разорвана, другой транзи-
стор останется закрытым. Лишь когда одновре-
менно на оба транзистора подастся код I, тог-
да оба транзистора откроются и на выходе схе-
мы будет код 0 (сопротивление насыщенных тран-
зисторов ничтожно мало).
В машинах старшего поколения нашли примене-
ние логические интегральные микросхемы. Одна
из микросхем транзисторно-транзисторной логики,
реализующая функцию И — НЕ, представлена на
рис. 8.11.
Схема состоит из многоэмиттерного транзи-
стора VT1, транзистора VT2 и двух резисторов
Входными цепями являются эмиттеры транзисто-
ра VT1. Коллектор транзистора VT1 соединен непо-
средственно с базой транзистора VT2.
Логическая операция И (конъюнкция) происходит
в том случае, когда на все входы транзистора
VT1 действуют одновременно положительные сиг-
налы +1.
Ток от источника Ек через открытый кол-
лекторный переход проходит в базу транзисто-
ра ЕТ2. Транзистор VT2 (инвертор) будет в
режиме насыщения и поэтому на его выходе
будет потенциал корпуса, т. е. код 0 (опера-
ция НЕ).
245
Рис. 8.12
Если же к одному из
входов транзистора VT1 бу-
дет подведен код 0, то
транзистор VT1 не достиг-
нет насыщения и на вы-
ходе инвертора VT2 будет
код 1 (положительное на-
пряжение).
Реальные интегральные схемы значительно слож-
нее рассмотренных.
Для выполнения арифметических и логических
операций в ЭЦВМ используются выше разработан-
ные логические элементы.
Одна из основных операций в ЭЦВМ осуществля-
ется с помощью сумматора. На рис. 8.12 показана
схема одноразрядного сумматора, составленного из
простейших логических элементов. Эта схема реали-
зуется табл. 8.1, в которой через С обозначен
результат сложения А и В, помещаемый в данный
разряд, а через D— перенос в следующий разряд.
Элемент ИЛИ осуществляет логическое сложение
А V В—дизъюнкцию. Функция логического сложения
означает, что его результат равен нулю только тогда,
когда А = 0 и В=0, и равен единице во всех
остальных случаях. Это значит, что на выходе
элемента ИЛИ реализована функция табл. 8.2 и этот
результат будет подаваться на вход второго элемен-
та И.
Элемент И осуществляет логическое умножение
(коньюнкцию). Функция логического умножения оз-
Таблица 8.1
А в с D А В С D
0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1
Таблица 8.2
А в Выход ИЛИ А в Выход ИЛИ
0 0 0 0 1 1
1 0 1 1 1 1
246
Таблица 8.3
А В Выход И А В Выход И
0 0 0 1 0 0
1 0 0 1 1 1
Таблица 8.4
Вход НЕ Выход НЕ Вход НЕ Выход НЕ
0 1 0 1
0 1 1 0
Таблица 8.5
СИЛИ СНЕ Выход С СИЛИ СНЕ Выход С
0 1 0 1 1 1
1 1 1 1 0 0
начает, что его результат равен единице только тогда,
когда А = 1 и В=1, и равен 0 во всех остальных
случаях. Это значит, что на выходе нижнего элемента
И будет реализована табл. 8.3.
Из табл. 8.3 видно, что на выходе будет код I
только в случае, описанном четвертой строкой.
Элемент НЕ осуществляет логическое отрицание
(инверсию). С помощью его будет осуществлена
функция табл. 8.4.
На вход верхнего элемента И с выходом на С
будет подаваться сигнал со схем ИЛИ и НЕ
(табл. 8.5).
Так реализуется одноразрядное суммирование с
помощью простейших логических схем.
§ 8.5. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА
Цифровая вычислительная машина выполняет рас-
четы под управлением программы. Общие принципы
работы машины определяются ее архитектурой, кото-
рая и была рассмотрена в § 8.1. Архитектура
микропроцессора подобна цифровой вычислительной
машине, ориентированной на выполнение сравнитель-
247
Рис. 8.13
но узкого класса задач. Микропроцессор может быть
запрограммирован для выполнения одиночного зада-
ния. Это позволило создать автоматические регуля-
торы температуры, цифровые измерительные прибо-
ры, телефонные аппараты с памятью и другие
устройства.
Архитектура микропроцессоров совершенствова-
лась для увеличения их быстродействия. Микропро-
цессор является основой многих устройств, однако он
не представляет собой законченное, самостоятельно
функционирующее устройство. На основании рас-
смотренного материала можно составить упрощен-
ную структурную схему микропроцессора (рис. 8.13).
АЛУ выполняет арифметические и логические опе-
рации над данными, хранящимися во внутренних ре-
гистрах (команд и адресов) микропроцессора с по-
мощью сумматоров и логических схем. Дешифратор
команд — внутренняя постоянная память, с помощью
которой код команд преобразуется в микрокоманды,
исполняемые процессором. В некоторых микропро-
цессорах микрокоманды можно задавать на внешней
памяти, выполненной в виде отдельного кристалла.
Блок управления и синхронизации преобразует ми-
крокоманды в импульсы управления и синхрониза-
ции. Шины служат для передачи данных, адресов и
управляющих сигналов в блоки микропроцессора.
248
Программа вычислений записывается в памяти
микропроцессора в виде последовательности команд.
Команда определяет: вид операции, выполняемой в
данном цикле работы; адреса операндов, участвую-
щих в операции; место засылки результата операции;
адрес расположения следующей команды. Такую
большую информацию трудно указать одним машин-
ным словом из-за малой разрядности микропро-
цессора.
4-разрядные микропроцессоры имеют простую ар-
хитектуру, но программировать их работу из-за ма-
лой емкости трудно. Поэтому архитектура МП дол-
жна быть более сложной. 16-разрядные микропроцес-
соры обеспечивают обработку отдельных битов дан-
ных, 8-, 16- и 32-разрядных слов, двоично-кодирован-
ных десятичных чисел, строк символов переменной
длины. Адрес следующей команды задается счетчи-
ком команд. Переход к следующей команде получа-'
ется путем прибавления единицы в счетчике команд.
Управление операциями в микропроцессорах осу-
ществляется управляющими сигналами. Для выработ-
ки их используются два способа: программный (с
жесткой логикой) и микропрограммный (с гибкой
логикой).
Каждая операция сводится к элементарным преоб-
разованиям информации под воздействием управляю-
щих сигналов. Элементарные преобразования, не
разложимые на более простые, выполняются во
время одного типа сигналов синхронизации и поэто-
му называются микрооперациями.
Программный способ характеризуется следующими
особенностями: для выполнения каждой операции
используются свои схемы, распределение переменных
по входам и выходам не изменяется в процессе
работы и порядок работы их определяется схемой
соединения, т. е. реализация микроопераций достига-
ется за счет однажды соединенных между собой
логических схем. Это значит, что практически не-
возможно изменить систему команд после изготовле-
ния микропроцессора. Поэтому такие микропроцес-
соры называются с жесткой логикой управления.
Недостатком этого способа является то, что он
специализирован на решение задач только одного
типа и что число схем в МП резко увеличивается с
ростом сложности поставленной задачи.
249
Микропрограммный способ управления имеет сле-
дующие особенности: однотипные операции выполня-
ются одним блоком, но в разное время; распре-
деление переменных по входам и выходам блоков
изменяется в процессе решения задачи; порядок
выполнения операций определяется программой. При
микропрограммном способе в схему управления
вводится оперативное запоминающее устройство
(ОЗУ). Каждой микрооперации соответствует своя
микрокоманда. Набор микрокоманд и последователь-
ность их реализации обеспечивают выполнение лю-
бой сложной операции. При микропрограммном спо-
собе управления с усложнением поставленной задачи
объем оборудования мало увеличивается и, если
требуется, легко изменить программу вычислений.
Программа—упорядоченный набор команд для
выполнения определенной задачи. В программе мо-
жет быть часть—подпрограмма, которая использу-
ется несколько раз в процессе ее выполнения.
Подпрограмма записывается только один раз и
используется машиной по специальной команде —
прерыванию команды. Это позволяет укоротить
запись всей программы.
Подпрограмма удобно хранится в запоминающем
устройстве — стековой памяти. Стек — область памя-
ти, в которой временно сохраняется информация,
необходимая для осуществления возврата в прог-
рамму после выполнения подпрограммы. Стек пред-
ставляет собой совокупность ячеек памяти, в которых
выборка информации идет в обратном порядке ввода,
т. е. если информация записана последней, то ее
можно выбрать только первой, а не в любом
порядке. Например, в программе несколько раз
нужно вычислить выражение Xх. В стек вначале
вводится X, затем Y, после чего в конце вычисления
вводится результат. Результат записан последним, а
он нужен для дальнейших вычислений, поэтому
результат считывается первым.
§ 8.6. МИкТ’ОПРОЦЕССОРЫ С ЖЕСТКОЙ
И ГИБКОЙ ЛОГИКОЙ
Рассмотрим архитектуру микропроцессора с жест-
кой логикой (рис. 8.14).
Такой микропроцессор с жесткой логикой со дер-
250
жит АЛУ (арифметиче-
ско-логическое устройст-
во), УУ (устройство уп-
равления) и блок реги-
стров. Работа всех схем
микропроцессора синхро-
низируется импульсами,
вырабатываемыми гене-
ратором тактовых им-
пульсов (ГТИ).
Блок регистров состо-
ит из регистров общего
назначения (РОН), реги-
стров адреса и команды,
где хранятся код опера-
ции КОп и адрес, ре-
гистров для кратковре-
менного хранения чисел,
Рис. 8.14
участвующих в операции, и регистра хранения резуль-
тата вычисления.
РОН повышают быстродействие операций, в них
могут храниться операнды или адреса операндов.
Микропроцессор может выполнять операции над
содержимыми РОН или над содержимыми ячеек
памяти, адреса которых указаны в РОН.
Все соединения произведены многоразрядными
(многопроизводными) шинами. Шина, по которой
поступают адреса, называется адресной (ША), шина
управления (ШУ) необходима для передачи сигналов
управления, а по шине чисел (ШЧ) поступают числа.
При управлении работой УУ учитывает результат
выполнения вычислений по каждой команде. После
действия АЛУ первая цифра вычисления может быть
О или 1. Это является признаком, и он записывается в
регистр признаков и передается в УУ.
Запоминающим устройством (ЗУ) программ (ко-
манд) является постоянное запоминающее устройство
(ПЗУ). Для хранения чисел используется оперативное
запоминающее устройство (ОЗУ). ПЗУ для МП с
жесткой логикой программируется на заводе-изгото-
вителе путем нанесения соответствующих масок при
изготовлении, причем программы тщательно отра-
ботаны.
Разница между ОЗУ и ПЗУ заключается в
следующем. ОЗУ—устройство, в которое можно
251
записать данные и из которого их можно считывать
(например, числа). ПЗУ — устройство, из которого
можно считывать только заранее записанную двоич-
ную информацию.
В состав вычислительного устройства входит
набор микросхем вспомогательного назначения, обес-
печивающих сопряжение МП с ПЗУ и ОЗУ, а также с
внешними устройствами самого различного назначе-
ния, принципа действия и режима работы. Такие
устройства называются интерфейсами (контролле-
рами).
ОЗУ используется для записи (загрузки) в МП
новых данных и программ и для хранения новых
результатов или данных, полученных в процессе
работы. ПЗУ используется для хранения программ
или данных, которые будут часто использоваться
процессором (например, констант). Это избавляет от
необходимости загружать программу или данные в
ОЗУ каждый раз при включении. Информация в ОЗУ
хранится в форме электрических сигналов, поэтому
она при отключении питания не сохраняется. В ПЗУ
информация при отключении питания сохраняется.
В микропроцессорах с программным (жестким)
управлением логические связи в УУ закреплены так,
что каждому коду команды соответствует своя
система управляющих сигналов. Изменение или нара-
щивание списка команд не допускается. Поэтому при
необходимости выполнить операции, которые не
внесены в список, требуется подпрограмма. Каждая
подпрограмма составляется из группы разрешенных
дтя микропроцессора команд.
По такому принципу выполнен микропроцессор
К580ИК80. Он может обрабатывать число в 1 байт.
Микропроцессоры с гибкой логикой (рис. 8.15) отли-
чаются от микропроцессоров с жесткой логикой по
принципу построения устройства управления УУ.
В состав УУ у МП с микропрограммным управле-
нием входит запоминающее устройство с записан-
ными в нем микрокомандами ЗУМК. По этим
микрокомандам (МК) производятся сложение, вычи-
тание и другие простейшие операции. Каждая МК
выполняется за один такт и называется микроопе-
рацией. В ЗУМК микрокоманды составляют микро-
программу, их может быть несколько, ЗУМК нахо-
дится в ПЗУ.
252
Микропроцессор с ми-
кропрограммным управле-
нием имеет АЛУ с реги-
стром-накопителем (PH),
который называют акку-
мулятором, РОН и УУ.
УУ состоит из ЗУМК, бло-
ка формирования адреса
МК (Б АМК) и регистра ми-
крокоманд (РМК), пред-
назначенного для кратко-
временного запоминания
той МК, которую надо вы-
полнить. В коде микро-
команды содержится ад-
рес только того числа,
которое будет выбрано
из ЗУ. Другое число,
участвующее в операции,
предварительно засыла-
ется в PH. В него же
Рис. 8.15
засылается и результат действия. Для того чтобы
вход и выход АЛУ не были подсоединены к одной и
той же точке схемы, ставится развязывающая схема,
которая называется буфером акуумулятора. Работа
АЛУ неосуществима без регистра временного хра-
нения данных — сверхоперативного внутреннего ЗУ
(СОЗУ) чисел. В качестве его используется РОН.
АЛУ может получить числа из внешнего ЗУ. Для
этого необходимо поочередно подключиться к ячей-
кам памяти ЗУ и выбрать по адресу необходимую ин-
формацию, т. е. произвести электронную коммутацию
ЛП. Электронная коммутация осуществляется специ-
альной схемой, называемой мультиплексором (кол-
лектором), в соответствии с управляющим сигналом.
Сведения об адресах выбираемых чисел находятся
в коде МК. После выполнения в АЛУ операции,
заданной КО, результат посылается в аккумулятор
(PH). Затем выбирается из ЗУМК следующая по
порядку МК, исполняется и т. д. Одним из способов
формирования адреса следующей МК является при-
нудительный. Он заключается в том, что этот адрес
указывается в предыдущей МК, код МК имеет
структуру (КОп, адрес числа, адрес МК) и передается
в БАМК по цепи, показанной на рис. 8.15 пунктиром.
253
Рис. 8.16
Стремление повысить быстродействие МП приве-
ло к совмещению во времени независимых микро-
операций. Способ выполнения микропрограмм, при
котором осуществляется наложение нового цикла на
предыдущий, называется конвейерным. Длительность
цикла для МП589 составляет 150 нс. Микропроцессор
работает с числами конечной длины (разрядности).
Микропроцессор К580ИК80 может работать с числа-
ми в 1 байт (8 битов).
Микропроцессоры с наращиваемой разрядностью
обрабатываемых чисел составляются из несколь-
ких функциональных узлов. Основным узлом яв-
ляется центральный процессорный элемент (ЦПЭ),
допускающий объединение с другими ЦПЭ для
формирования процессора с требуемой разрядно-
стью.
Необходимость совместного применения МП с
другими функциональными узлами в виде БИС
обусловливает целесообразность изготовления МП в
комплекте с этими БИС так, чтобы была обеспечена
их совместимость по электрическим и другим пара-
метрам. Такие комплекты называются микропроцес-
сорными комплектами БИС.
На рис. 8.16 приведена структура микроЭВМ,
реализованной на микросхемах. На рисунке обозна-
чены шина адресов (ША), шина чисел (ШЧ), шина
сигналов управления (ШУ), устройство ввода и
выводы информации (УВВ) для связи с периферийны-
ми устройствами.
Количество проводов в шинах такое, сколько
разрядов в обрабатываемых числах. Направление
стрелок показывает направление информации от
схемы к схеме.
254
§ 8.7. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ БИС
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОМПЛЕКТОВ
В соответствии с ГОСТом, устанавливающим
структуру БИС, буква К, входящая в обозначение
БИС, указывает, что она входит в микропроцессор-
ный комплект. Четыре цифры указывают номер
серии, следующие за ними две буквы говорят о
назначении микросхемы. Например, имеется БИС
К1800ВУ1. Это значит, что схема входит в микро-
процессорный комплект (буква К) серии 1800 и
выполняет функции арифметическо-логического бло-
ка. БИС этой серии обладают сверхвысоким быстро-
действием (тактовая частота 36 МГц) и поэтому
применяются в высокопроизводительных вычисли-
тельных системах. Буквы ВР обозначают блок регист-
ров общего назначения, ВУ — управления выбором
следующего адреса и т. д.
Каждое изделие имеет характеристики, по кото-
рым оцениваются их свойства. К числу таких
характеристик МП БИС относятся: разрядность
обрабатываемых чисел; быстродействие; число основ-
ных команд; емкость памяти; число внутренних РОН;
электрические параметры; состав комплекта МП
БИС; тип корпуса.
От разрядности чисел зависят возможности МП.
Чем выше разрядность обрабатываемых чисел, тем
шире можно использовать МП для решения раз-
личных задач. У МП К580 разрядность равна 8 бит, а
у однокристального К581—16. У МП К588 и К589
разрядность можно увеличивать, это позволяет стро-
ить вычислительные средства с различной длиной
обрабатываемых чисел. Быстродействие характеризу-
ется временем одного цикла. У большинства МП
ГТИ работают при частотах 1—2 МГц и длитель-
ность цикла 1—2 мкс. Например, МП К589 име-
ет тактовую частоту 10 МГц (длительность цикла
150 нс), а К1800—36 МГц (длительность порядка
40 нс). От числа команд зависит удобство со-
ставления программы. Обычно их 70—100, но у
К582—4608.
Адресуемая емкость памяти определяется коли-
чеством ячеек памяти, в которых одновременно
хранятся числа. Для получения хранящегося числа
нужно знать код ячейки. Пусть число разрядов
255
кода 8, тогда адресуемая емкость памяти равна
числу разных комбинаций — 28 = 256. Микропроцессор
К580ИК имеет разрядность адресной шины 16,
значит, по этой шине можно обеспечить доступ к
запоминающему устройству по 216 = 65 536 адре-
сам. Для сокращения записи принято обозначение
210 = 1 К, поэтому принято считать, что у МП
К58ОИК адресная емкость 64К.
Типичное число внутренних регистров общего
назначения от 8 до 16, но может быть и больше. Они
составляют внутреннюю память, в которой и хра-
нится оперативная информация. Это увеличивает
производительность МП, так как сокращается число
обращений к внешней памяти.
К электрическим параметрам относятся потребля-
емая мощность, число и номинальное напряжение
источников питания, уровни логических 0 и 1 и др.
Самое низкое потребление электрической энергии у
К588, оно равно 5 мВт.
В комплект МП БИС могут входить до де-
сятков БИС. Вообще МП вместе с УУ, ЗУ и
другими схемами можно выполнить на одном кри-
сталле со степенью интеграции от 50 до 100 тыс.
элементов на кристалле. Но пока выпускаются
комплекты МП БИС. В комплекты могут входить
БИС, существенно улучшающие основные показа-
тели МП. Например, самая длительная операция,
ограничивающая скорость обработки, это умно-
жение. Для убыстрения этого процесса выпущена
БИС К587ИКЗ—арифметический расширитель для
аппаратного выполнения умножения. Дополнение
комплектов МП специализированными БИС значи-
тельно расширяет их функциональные возможности и
области применения. Микропроцессоры выпускают в
корпусах, имеющих от 16 до 48 выводов, рас-
положенных планарно или нормально к плоскости
монтажа.
На основе микропроцессорных комплектов БИС
разработаны и серийно выпускаются несколько се-
мейств микроЭВМ. Применение микроЭВМ «Элект-
роника С5» в программных абонентских пунктах дало
возможность сократить в 1,5 раза стоимость аппа-
ратуры, в 3 раза уменьшить габаритные размеры и
потребляемую мощность, в 10 раз повысить на-
дежность.
256
§ 8.8. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА
Область применения микропроцессоров и их ха-
рактеристики полностью зависят от запоминающего
устройства (ЗУ), которое состоит из ячеек памяти.
Ячейка, элемент памяти — минимальная часть запо-
минающего устройства, в которой хранится наимень-
шее число данных. В запоминающих устройствах
хранятся программы работы, исходные данные, про-
межуточные и окончательные результаты, константы,
табличные данные и т. д.
Запоминающие устройства подразделяются на
постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), опера-
тивные запоминающие устройства (ОЗУ), сверхопе-
ративные запоминающие устройства (СОЗУ), буфер-
ную, местную или локальную память.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) хра-
нит программы, микропрограммы, подпрограммы,
константы, табличные данные.
В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ)
хранимая информация постоянно меняется по ходу
решения задачи — это активная память. Обращение к
ОЗУ заложено в командах программы.
За счет сверхоперативного запоминающего уст-
ройства (СОЗУ) у зечичивается быстродействие маши-
ны и уменьшается загрузка основной памяти мик-
ропроцессора. Эта память — быстродействующая и
строится на регистрах.
Буферная память — резерв для хранения информа-
ции для внешних устройств ввода — вывода инфор-
мации. Она согласовывает разницу в быстродействии
различных устройств.
Местная или локальная память освобождает про-
цессор от временного храпения кодов операции,
команд, операндов и промежуточных результатов.
Запоминающие устройства классифицируются и по
способам поиска адреса: на адресные, когда каждая
ячейка памяти отыскивается по соответствующему
номеру, и с произвольным допуском по поиску
признака, заданного в содержании машинного слова,
и используются для поиска свободных ячеек памяти.
Память может быть энергозависимая и энерго-
независимая. В энергонезависимой памяти информа-
ция при нарушениях в работе системы питания не
9—815
257
разрушается, а в энергозависимой — разрушается.
Очевидно, что команды программы необходимо
запоминать в какой-либо энергонезависимой памяти.
Запись программы на бумаге, на магнитной ленте
относится к энергонезависимой памяти. Полупровод-
никовая оперативная память, если для нее не пре-
дусмотрен резервный аккумуляторный источник пи-
тания, энергозависима.
Запоминающие устройства характеризуются быст-
родействием, длительностью выполнения одной опе-
рации, скоростью записи или чтения, емкостью.
Емкостью, как известно, называется количество
информации, которая может записываться, считы-
ваться и храниться в запоминающем устройстве.
Емкость ЗУ измеряется в битах, байтах, кило- и
мегабайтах: 1 килобайт = 1024 = 2*0 байт или '100 К =
= 102400 байт.
Блоком памяти называется область памяти, рав-
ная 2 К.
Сама микросхема памяти содержит выполненные
в одном полупроводниковом кристалле матрицу-на-
копитель, представляющую собой совокупность эле-
ментов памяти, и функциональные узлы, необходи-
мые для управления матрицей-накопителем, усиления
сигналов при записи и считывании, обеспечения
режима синхронизации.
Элементом памяти может быть триггер или
конденсатор. Триггер применяется в статических
запоминающих устройствах, а конденсатор — в дина-
мических. Элемент памяти хранит только 1 бит
информации. В матрице на пересечении строк и
столбцов расположены элементы памяти ЭП. В мик-
росхеме К155РУ1 имеется 4 строки (ш=4) и 4
столбца (и = 4) (рис. 8.17), поэтому общее число
элементов памяти ши = 4-4 = 16. Для обращения к
нужному элементу памяти необходимо возбудить
адресные шины строки и столбца, на пересече-
нии которых находится необходимый элемент. На
всех других адресных шинах должен быть сиг-
нал нулевого уровня. Адресные шины строчек обо-
значены Xj—х4, а адресные шины столбцов —
yt — у4. Такая система адресации называется двухко-
ординатной. Сигналы выборки формируются дешиф-
ратором кода адреса. Дешифратор может быть
внешним или внутренним.
258
W0 W;
Вход
Рис. 8.17
В элемент памяти записывается или с него
считывается 0 или 1. Запись или считывание произво-
дится по информационным (разрядным) шинам.
Разрядные шины соединяются с усилителями записи
и считывания’ которые формируют сигналы с требуе-
мыми параметрами. Разрядные шины обмениваются
информацией с выбранным элементом памяти, хотя
они соединены со всеми элементами накопителя.
Одни и те же разрядные шины используются для
записи и считывания, поэтому операции записи и
считывания разделяются по времени.
Для хранения четырехразрядного числа необходи-
мо иметь 4 матрицы-накопителя (рис. 8.18). Адресные
входы их соединяются параллельно и подключаются
к дешифратору. На рис. 8.18 буквами хх —х4 и уг— у4
обозначены адресные входы строк и столбцов; Wo,
и Fo, Fj—-вход и выход микросхемы.
Так как матрица-накопитель одной микросхемы
содержит 16 элементов памяти, то при параллельном
включении четырех таких схем получают запоминаю-
щее устройство, которое одновременно может хра-
нить 16 четырехразрядных чисел (16x4 бит). Для
адресации этих чисел необходимо иметь 16 различных
259
Рис. 8.18
адресных сигналов; это можно получить при четырех-
элементном коде адреса. Например, при коде адре-
са 0000 сигналы единичного уровня появятся на
шинах Xj и у1, которыми во всех микросхемах
выбирают ЭПц. В первой схеме запишется 1 разряд
числа, во второй — 2 и т. д. Часть запоминающего
устройства, предназначенная для хранения многораз-
рядного числа, называется ячейкой памяти. Так
можно создать ячейки памяти и для 8-, 16-, 32-раз-
рядных чисел. Для построения запоминающего уст-
ройства кроме необходимого количества матриц-на-
копителей, дешифратора нужны перед входом де-
шифратора и перед информационными входами ре-
гистры для кратковременного хранения информации
и другие устройства управления. Обыкновенно в
большинстве микросхем памяти матрица-накопитель
и все необходимые устройства управления выпол-
няются в одном кристалле.
Микроэлектронные ОЗУ разделяются на стати-
ческие и динамические. Статические запоминающие
устройства способны хранить информацию длитель-
ное время при выключении источника питания.
В динамических запоминающих устройствах для
сохранения информации она должна периодически
перезаписываться (регенерироваться).
Работу статического ОЗУ рассмотрим на примере
микросхемы К564РУ2 (рис. 8.19). Матрица такого
ОЗУ состоит из 16x 16 = 256 элементов памяти, т. е.
организация накопителя 256 х 1 бит. Основой элемен-
та памяти является триггер. Для обращения к ОЗУ
260
Матрица 16*j6
Рис. 8.19
необходимо подвести сигнал, разрешающий работу
(ВМ— выборка микросхемы), к информационным
входу и выходу и восьмиразрядный код адреса к
адресным входам дешифраторов.
Дешифратор столбцов управляет ключами выбор-
ки столбцов, которые в свою очередь вырабатывают
сигналы, соединяющие выбранный элемент памяти и
шину ввода—вывода числа. Сигналом «запись—счи-
ть вание» устанавливается режим работы микро-
схемы.
При поступлении единичного уровня сигналов
3 — С и ВМ открывается схема ввода информации.
Через шину ввода-—вывода и открытый ключ вы-
борки столбца информация через вход D поступает в
выбранный элемент памяти.
При нулевом уровне сигнала и при сигнале ВМ
открывается схема вывода информации на выход F.
При отсутствии сигналов 3 — С и ВМ выход
микросхемы отключается от внешней шины.
Рассмотренная микросхема имеет емкость 256 х
х I бит, цикл длится 1500 нс, при хранении ин-
формации потребляется 0,4 мкВт/бит, при работе
50 мкВт/бит.
Динамические ОЗУ для сохранения записанной
информации нуждаются в периодической перезаписи
(регенерации). Принцип действия динамического опе-
261
Сигналы управления
Рис. 8.20
ративного запоминающего устройства рассмотрим на
примере микросхемы К565РУ1 (рис. 8.20), имеющей
емкость 4096 х 1 бит, время цикла 400 нс, потребление
5 мкВт/бит при хранении и 175 мкВт/бит при обра-
щении.
Эта микросхема выполнена на одном кристалле и
содержит матрицу-накопитель 64 x 64 = 4096 элемен-
тов памяти, 64 усилителя считывания, два шести-
разрядных регистра для хранения кода адреса, два
дешифратора (строк и столбцов) с 64 выходами
каждый, ключи выборки строк и столбцов, устройст-
во ввода — вывода и устройство управления и синхро-
низации. Устройство управления и синхронизации
состоит из четырех формирователей Фх — Ф4 управ-
ляющих сигналов.
Эта схема имеет две части матрицы-накопителя по
32 х 64 элементов памяти в каждой. Между ними
включены усилители. Элементом памяти служит
конденсатор, который подключается с помощью
ключевой схемы на транзисторе к разрядной шине.
При совпадении выходного сигнала дешифратора
262
столбца и управляющего сигнала Ф3 открыва-
ются ключи выборки столбцов и шины ввода —-
вывода соединяются с выбранной разрядной ши-
ной— производится -считывание или запись инфор-
мации.
Микросхема управляется четырьмя си налами
(код адреса, тактовый ТС, выборки микросхемы ВМ
и записи — считывания 3 — С).
Сигналы адреса (выборки элемента памяти) посту-
пают на регистры строк (а0...а5) и столбцов (а6...«11),
и выбирается элемент памяти с требуемым но-
мером. Обращение к матрице по адресным входам
разрешается тактовым сигналом ТС. Код адреса
после записи в регистрах дешифруется. Одновре-
менно запускается формирователь Ф1 и через него
Ф2, которые управляют выбором строки, кроме
того, сигнал cbj через селектор строк подключа-
ет к конденсаторам опорных элементов разрядные
шины. В связи с тем что собственная электри-
ческая емкость шин больше емкости запоминаю-
щего конденсатора, изменение потенциала разряд-
ной шины при подключении ее к запоминающему
конденсатору будет незначительным. Поэтому не-
обходим очень чувствительный усилитель считы-
вания. Таким усилителем является дифференциаль-
ный усилитель, а для его работы необходим опорный
уровень напряжения.
Сигнал Ф2 включает усилитель считывания и
происходит регенерация (восстановление) информа-
ции во всех элементах памяти выбранной строки.
При сигнале ВМ запускается формирователь Ф3 и
через него формирователь Ф4, которые коммутируют
цепи вывода информации и шины ввода — вывода с
разрядной шиной через транзисторные ключи, и
информация считывается. С окончанием тактового
сигнала ТС все узлы микросхемы возвращаются в
исходное состояние.
При построении модуля динамического оператив-
ного запоминающего устройства ОЗУ необходима
регенерация. Число циклов регенерации равно числу
строк в матрице. Этот цикл идет при отсутствии
разрешающего сигнала ВМ. Для осуществления реге-
нерации необходимо иметь счетчик, мультиплексор
(коммутатор), триггер и генератор регенерации, син-
хронизированный тактовым сигналом.
263
§ 8.9. СТАТИЧЕСКИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Статические запоминающие устройства наиболее
распространены в микропроцессорных системах.
На рис. 8.21 приведена упрощенная схема ячейки
памяти на биполярных транзисторах. Ячейка памяти
выполнена на многоэмиттерных транзисторах и, как
видно из схемы, представляет собой статический
триггер. Для образования триггера два многоэмит-
терных транзистора охвачены обратными связями.
Установка на «1» и сброс триггера осуществляются
подачей сигнала на соответствующий вход. Если
триггер установлен на «1», то это значение сохраняет-
ся в нем до подачи сигнала «Сброс» или до
включения питания.
Один из транзисторов в триггере открыт, другой
закрыт, противоположное состояние соответствует
другой двоичной цифре. В режиме хранения и.л близко
к и0, а их или м2 занимают промежуточное между м0
и их значение. При этом один транзистор насыщен,
другой закрыт, токи и i2 малы и почти не
отличаются друг от друга.
Для определения состояния триггера напряжения
иг и и2 сохраняют, а напряжение ма выравнивают с
щ. Токи в нижних эмиттерах уменьшаются, но ток
верхнего эмиттера открытого транзистора увеличи-
вается и разница между токами верхних эмиттеров
усилителем обнаруживается.
Если при равенстве напряжений ил = иг напряжение
щ сделать нулевым, а и2 единичным, то триггер пере-
ключится. В этой схеме верхние эмиттеры являются и
входами и выходами схемы. Подача или снятие на-
пряжения на вход ма позволяет выбрать те триггеры,
состояние которых на-
до определить или изме-
нить.
Если напряжение ил
сделать равным иг, а иг
и и2 оставить прежними,
то ток нижних эмиттеров
уменьшается, но в цепи
верхнего эмиттера откры-
того транзистора ток уве-
личивается. Разница то-
ков i± и i2 в дальнейшем
Рис. 8.21
264
ЗАП
VT1
Рис. 8.22
в матрицу по
усиливается. Для переключе-
ния триггера в нужное состоя-
ние одно из входных напряже- В о—
ний делают нулевым, а другое
единичным при 1^ = 1^.
Для определения состояния
триггера служит вход иа. Та-
кие ячейки памяти объединяются
столбцам и строкам на кристалле. Аналогично
статическая память строится и на МОП-транзис-
торах.
Ячейка динамической МОП-памяти проще
(рис. 8.22). В такой ячейке входные емкости затворов
являются конденсаторами—запоминающими элемен-
тами. При подаче сигнала ЗАП (запоминание) вход-
ная емкость (на рисунке конденсатор С) заряжается
напряжением на входе D. Это напряжение высокое,
когда записывается «1», и низкое при «О». После
записи «1» конденсатор разряжается некоторое время
через транзистор VT2. Это время и есть время
хранения информации, оно мало (порядка нескольких
миллисекунд). Для длительного хранения информа-
ции требуется регенерация, т. е. повторная запись.
Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) —
очень важная составляющая часть микропроцессор-
ной системы. Это такая память, информация в
которой изменению не подлежит. Она выгодна там,
где микропроцессорная система выполняет одну и ту
же программу. Для смены программы необходимо
сменить кристалл ПЗУ. Постоянное запоминающее
устройство проще всего создается с использованием
дешифратора •— устройства, преобразующего входной
код в сигнал в отдельной выходной линии, и
нескольких диодов (рис. 8.23).
В схеме на входе четыре горизонтальные линии и
восемь вертикальных линий на выходе. Это значит,
что постоянное запоминающее устройство содержит
четыре восьмиразрядных слова, т. е. его общий
объем — 4x8 = 32 бита.
Диоды установлены в тех местах, где должны
храниться биты, имеющие значения логического нуля.
Если на дешифратор 2x4 (где 2 — входа, а
4 — выхода) подается сигнал «О» на верхнюю линию
(строку), то на выходных вертикальных линиях в
пересечениях с верхней линией, гд установлены
265
Выходные данные
Содержимое ПЗУ
Слова ДВоичное
представление
УДО УД1 УД2 УДЗ УД4 УД5 УДО УД7
00 0 1 0 1 0 1 0 1
01 0 0 1 0 1 0 1 0
10 1 1 1 1 0 0 0 0
11 0 0 0 1 0 0 0 1
Рис. 8.23
диоды УД1, УД2, УД4, УД6, формируется сигнал
логического нуля и слово «00» будет записано в
двоичном представлении так: 01010101.
Такие ПЗУ изготовляются в виде БИС в серийном
производстве. БИС ПЗУ применяются в игрушках с
микропроцессорным управлением, телевизионных иг-
рах, ЭВМ бытового назначения.
В некоторых случаях требуется осуществить прог-
раммирование на месте пользования микропроцес-
сором. Для этого применяются программированные
постоянные запоминающие устройства. БИС ПЗУ
имеют накопитель с запоминающим элементом и все
те же основные блоки, что и ПЗУ.
В накопителе (рис. 8.24) имеется пережигаемая
плавкая перемычка 1. Когда все перемычки целы, то с
любого выхода будет считываться «0». Если через
выбранные диоды пропустить импульсы тока, то
плавкая перемычка разрушится и часть диодов будет
отключена от разрядных шин, и с этих выходов будет
сниматься «1». Этот процесс называется программи-
рованием и осуществляется внешним устройством —
266
программатором ПЗУ. В
некоторых масочных на-
копителях вместо пере-
жигаемой перемычки ста-
вится диод, включенный
встречно основному дио-
ду, при этом в накопи-
теле записана логическая
«1». Если на выбранные
шины слов и разрядов
подать напряжение соот-
ветствующей полярности,
достаточное для лавин-
ного прибоя программи-
рующего диода, то он
замкнется накоротко, что
логическому «О».
Рис. 8.24
будет соответствовать
Иногда нужно перепрограммировать носитель
информации, т. е. стереть ее и записать новую. Такие
постоянные запоминающие устройства называются
репрограммированными (РПЗУ). В этом случае
в качестве запоминающего элемента используется
МДП-транзистор. Запоминающей средой является
элемент конструкции транзистора, где хранится ин-
формация — заряд.
Запоминающей средой могут быть границы разде-
ла многослойного диэлектрика или объем затвора
МДП-транзистора, где заряд хранится на ловушках.
Так как запоминающая среда РПЗУ электрически
изолирована, то заряд в ней оказывается «захва-
ченным» и информация сохраняется даже после
отключения питания. Этот заряд вызывает появление
в МДП-транзисторе инверсного канала и поэтому
транзистор открыт. Так как запись информации
проводится электрическим путем, часть элементов
накопителя МДП-транзисторов будет (при подаче
логического «О» на вход линии) открыта, что соот-
ветствует записи «О», а часть закрыта, что соот-
ветствует записи «1».
Стирание информации в РПЗУ может осуществ-
ляться электрическим путем и с помощью какого-ли-
бо излучения, например ультрафиолетового.
При изготовлении БИС в кристалле получают
АЛУ, общую регистровую память, несколько рабочих
регистров, мультиплексоры, позволяющие работать
267
при самых разнообразных интерфейсах, и програм-
мируемую при изготовлении логическую матрицу —
ПЛМ. Команды, запрограммированные на ПЛМ,
обеспечивают большую универсальность в примене-
нии, что позволяет создавать самые разнообразные
существующие машины без потери программной
совместимости и без увеличения затрат на програм-
мное обеспечение.
§ 8.10. МИКРОПРОЦЕССОР К580
Микропроцессор К580 с «жестким» управлением.
Он представляет собой БИС, реализованную на крем-
ниевом кристалле размером около 30 мм в корпусе с
40 выводами и содержит около 5000 транзисторов.
Микропроцессор (рис. 8.25) имеет память ПЗУ с
ОЗУ общей емкостью до 64 байт. При обращении к
памяти используются 16-разрядные адреса. В МП
К580 разделены шины адреса и данных, имеется
канал прямого доступа к памяти. Тактовая частота
2 МГц. К580 питается от трех источников электро-
питания (±5 и +12 В). Микропроцессор рассчитан на
сопряжение с самыми разнообразными устройствами.
Длина слова микропроцессора — 8 разрядов. МП
К58О выполняет 70 команд.
Адресная
шина
Рис. 8.25
268
В комплект БИС МП К580 входят статическое
ОЗУ, ПЗУ, системный контроллер, интерфейс вхо-
да— вывода и др.
Микропроцессор К580 имеет три шины: 8-разряд-
ную двунаправленную шину данных (ШД), 16-разряд-
ную адресную шину (ША) и шину управления (ШУ).
Внутренняя шина данных — магистраль, по которой
обмениваются данными все подключенные к ней
блоки МП. Одновременно по ней может осущест-
вляться обмен только между двумя блоками. Так,
блоки МП, подключенные к ШД, разделяют эту шину
во времени.
Шина управления содержит линии для передачи
управляющих сигналов, признаков состояния процес-
сора и периферийных устройств, линий синхрониза-
ции передачи информации и др.
Микропроцессор состоит из блока регистров,
арифметическо-логического устройства (АЛУ) буфер-
ных схем и управляющего устройства.
Рассмотрим их состав и назначение.
Блок регистров содержит 8-разрядный ре-
гистр-аккумулятор, регистры общего назначения
(РОН), обозначенные буквами В, С, Д, Е; регистр
признаков F, регистр указатель стека УС, сдвоенны i
регистр косвенного адреса HL.
В регистрах общего назначения хранятся опе-
ранды, промежуточные и конечные результаты, адре-
са и индексы при адресациях.
Регистр-аккумулятор—источник одного из опе-
рандов и место, где фиксируется результат операции.
На использование аккумулятора указывает код опе-
рации. Для повышения производительности некото-
рые МП имеют несколько аккумуляторов. Исполь-
зование аккумулятора и РОН уменьшает количество
обращений к памяти, что повышает быстродейст-
вие МП.
Регистр HL позволяет иметь команды с косвенной
адресацией, т. е. без указания номера регистра,
хранящего исполнительный адрес.
Регистры временного хранения данных Т, W и Z
кратковременно хранят операнды и результаты вы-
полнения операций, что позволяет микропроцессору
реализовать обмен содержания регистров.
Буферные регистры позволяют простейшими ап-
паратными средствами выполнять, передавать дан-
269
ные между регистрами, аккумуляторами и памятью.
Они построены по принципу динамического хранения.
Арифметическо-логическое устройство
(АЛУ) выполняет арифметические и логические опе-
рации над 8-разрядными числами в процессе межре-
гистровых пересылок. К одному из входов АЛУ
всегда подключен аккумулятор, к другому через
регистр Т может быть подключен любой из общих
регистров.
АЛУ непосредственно связано с регистром приз-
наков, в соответствующих разрядах которого фикси-
руются особенности выполнения каждой операции.
Это упрощает программные переходы в зависимости
от состояния одного ити нескольких триггеров
признаков. АЛУ имеет собственно регистр временно-
то хранения Т. Он используется тогда, когда один из
общих регистров используется в одной операции и в
качестве регистра-операнда и в качестве регистра-ре-
зультата.
В АЛУ есть схема десятичного корректора, кото-
рый под воздействием специальной команды резуль-
тат выполнения двоичной операции интерпретирует
как результат выполнения десятичной арифметики.
Арифметическо-логическое устройство реализует
простейшие арифметические и логические операции
(сложение, вычитание, сдвиги, сравнение, логическое
умножение и т. п.). Все сложные операции (умноже-
ние, деление, вычленение элементарных функций и
др.) выполняются по подпрограммам.
Стековая память позволяет реализовать безадрес-
ное задание операндов. Стек — группа последователь-
но пронумерованных ячеек памяти, снабженных ука-
зателем стека. В указателе стека автоматически при
записи и считывании устанавливается номер (адрес)
последней запятой ячейки стека. При операции записи
в стек слово помещается в следующую по порядку
свободную ячейку стека, а при считывании из
стека — извлекается последнее поступившее в него
слово. Это реализуется автоматически, поэтому при
операциях со стеком возможно безадресное задание
операнда. Стековая адресация используется при рабо-
те с подпрограммами и при прерывании.
Буферные схемы. Для логического и электри-
ческого разделения внутрипроцессорной шины дан-
ных и внешней, системной шины ШД предназначен
270
двунаправленный буфер шины данных. Эта схема
обеспечивает на выходе состояния «О» , «1» и полное
электрическое отключение от нагрузки, что обеспе-
чивает реализацию магистрального принципа межмо-
дульных связей в МП-системе.
Во время выполнения операции в МП, не связан-
ных с обменом с внешними по отношению к МП
устройствами, буферная схема отключается от шины
данных.
Буферная схема шины адреса (ША) — однонаправг
лена, передает данные, адреса команд и номера
периферийных устройств в систему. Выход буфера
адреса, так же как и буфера данных, может отклю-
чаться. Отключение необходимо, так как к памяти
могут обращаться по системной шине адреса не
только МП, но и некоторые из периферийных
устройств (пульт оператора, контроллер прямого
доступа к памяти).
В МП в зависимости от сложности команды цикл
команд идет за несколько машинных циклов. Один
машинный цикл требуется МП для одного обращения
к памяти или устройству ввода — вывода. Машинный
цикл может состоять из 5—7 тактов. В начале
машинного цикла в управлении синхронизацией гене-
рируется сигнал синхронизации. Каждый такт машин-
ного цикла образует пару сигналов тактирования (р15
(р2, поступающих от внешнего генератора.
Команда представляет собой двоичное число
(двоичный код). В состав команды входит код
операции КОп. Он определяет действие команды и
адреса операндов, над которыми производится дейст-
вие. Длина команды может быть 1, 2, 3 байта (1 байт
занимает 8 двоичных разрядов, 1 байт = 8 бит). Шина
адреса имеет восемь двоичных разрядов, и поэтому
для записи и хранения команды из 2 или 3 байтов
используются еще два регистра временного хранения.
Микропроцессор выполняет команды:
1) пересылки (для передачи данных из одного
регистра в другой);
2) арифметических операций (суммировать содер-
жимое аккумулятора с содержимым регистра и
результат поместить в аккумулятор);
3) логических операций (например, выполнить
операцию И над содержимым регистра общего
назначения и содержимым аккумулятора);
271
4) перехода (например, «Передать управление ко-
манде, размещенной по данному адресу»);
5) операционную («Остановить текущую програм-
му до появления запроса прерывания»).
Все команды записываются в мнемоническом
коде. Например, команда остановки программы
записывается HLT.
Для ввода в микроЭВМ эти команды пред-
ставляются в двоичном коде специальными аппа-
ратными и программными средствами с помо-
щью программы-транслятора. Программы для ми-
кроЭВМ составляют на универсальных языках про-
граммирования, а затем уже с помощью специ-
альной программы транслятора на входной язык
микроЭВМ.
Микропроцессорный комплект серии К580 состоит
из пятнадцати БИС.
Микропроцессор КР580ИК80А—центральный про-
цессор, имеет разрядность данных 8, число команд 78,
максимальную емкость внешней (адресуемой) па-
мяти 64 кбайт, 256 адресуемых внешних устройств
ввода — вывода, тактовую частоту 2 МГц.
§ 8.11. ИНТЕРФЕЙС МИКРОПРОЦЕССОРОВ
И МИКРОЭВМ
Все устройства микропроцессора и ЭВМ соеди-
нены в единое целое. Эти устройства обмениваются
гес ермаштей, управляющими сигналами по шинам и
шняям сигналов. Все устройства должны быть между
юбой согласованы (сопряжены) по своим пара-
метрам.
Совокупность шин и линий сигналов (информа-
(ионных, осведомительных и управляющих), обеспе-
швающая соединение групп устройств МП и ЭВМ,
1азывается интерфейсом.
Рассмотрим схему интерфейсных связей микро-
|роцессора с устройствами ввода—вывода (УВВ)
I оперативным запоминающим устройством (ОЗУ)
рис. 8.26). Для связи МП с УВВ используется пять
рупп шин. Код выбора (адреса) устройства пере-
велся по шине (группе шин) 1, по шине 2 — сигнал
правления считыванием — записью, по шине 3—сиг-
ал запроса на прерывание, шины 4 и 5 используются
ля передачи данных от МП к УВВ и обратно.
72
Для связи МП с ОЗУ ис-
пользуется тоже пять групп
шин. По группе шин 6 переда-
ется адрес в ОЗУ, шина 7
нужна для управления чтени- р g26
ем—записью, по сигналам на
шине 8 принимаются команды в процессор, а шины 9
и 10 обеспечивают передачу данных из МП в ОЗУ и
обратно. Все связи осуществляются через выводы
корпуса МП.
Если к микропроцессорной системе подключено
несколько УВВ, любое из них в произвольный
момент времени может потребовать обслуживания.
Запуск программы обслуживания УВВ состоит в
подаче и обработке запросов на прерывание. После
появления запроса на прерывание МП завершает
выполнение текущей команды, после чего произво-
дится запись в стек содержимого счетчика команд.
В счетчик загружается содержимое двух определен-
ных областей памяти, затем выбирается команда из
памяти, адрес которой определяется содержимым
этих областей, выполняется программа обработки
прерывания. После выполнения программы обработ-
ки прерывания поступает команда возврата. При
выполнении команды возврата из стека извлекается
старое значение счетчика команд и продолжается
выполнение прерванной команды, начиная с команды,
перед реализацией которой произошло прерывание.
В МП получили широкое распространение ма-
гистральные структуры связей. К ним подключены
входы и выходы электронных узлов. Электронные
узлы обладают такими свойствами, что подключение
их к информационной магистрали не образует корот-
козамкнутых связей и низкоомных нагрузок. Входные
сигналы записей данных при наличии управляющего
сигнала «разрешение записи» передаются в регистр и
вызывают работу триггеров только по переднему
фронту сигнала синхронизации. Управление выходны-
ми каскадами триггеров регистра осуществляется
сигналом «Разрешение задачи». Сброс триггеров
регистра происходит импульсом синхронизации при
подаче сигнала «Разрешение установки нуля». Опе-
.рация передачи «Регистр—регистр» идет после уста-
новки уровней управляющих сигналов по импульсу
синхронизации.
273
Единая информативная магистраль МП системы
связывает между собой два устройства и функцио-
нально состоит из информационных магистралей,
адресов, данных и сигналов управления.
Магистраль адресов. Она однонаправленная,
только микропроцессор может выработать адрес,
передаваемый в системе информации, он генерирует
код адреса, в это время остальные устройства,
подключенные к магистрали адресов, выполняют
непрерывно микрооперацию опознания кода адреса.
Количество шин магистрали адресов совпадает с
разрядностью передаваемого кода адреса.
Магистраль данных. Она двунаправленна,
обеспечивает все возможности системы. МП, ОЗУ,
дисплеи могут воспринимать или передавать данные.
Магистраль управления. Некоторые шины
УВЕ и МП генерируют управляющие сигналы,
предназначенные для синхронизации и определения
операций устройств. Эти сигналы передаются одно-
направленными шинами по магистрали управления.
Все сигналы управления согласованы с сигналами
синхронизации. Они задают начало и последователь-
ность срабатывания устройств системы, блоков и
узлов внутри всех кристаллов БИС. Для задания
синхронизирующих импульсов применяется кварцо-
занный генератор. В микропроцессорных системах
тнформация может передаваться тремя способами.
При первом способе (программно-управляемая
зередачи по инициативе процессора) передача идет по
•оответствующей команде, записанной в программе
зроцессора, идет от памяти к процессору и обратно
рис. 8.27).
Второй способ (программно-управляемая передача
ю запросу прерывания от периферийного устройства
ТУ) показан на рис. 8.28.
Микропроцессор во время выполнения программы
о запросу прерывания отвлечен от своей основной
рограммы. Для быстрого ввода, вывода данных и
чистки микропроцессора от управления этими опера-
Рис. 8.27
НП ПУ
Рис. 8,28
Ч
циями используется тре-
тий способ (прямой до-
ступ к памяти) (рис. 8.29).
ОЗУ
МП
Контрол-
лер ПДП
i ПУ
При прямом досту- рис g29
пе к памяти осуществля-
ется обмен данными между ОЗУ и ПУ. Пря-
мой доступ к памяти (ПДП) повышает ско-
рость ввода — вывода информации и общую произ-
водительность МП системы. По требованию про-
цессора или ПУ контроллер ПДП задает раз-
мер передаваемого блока данных и область па-
мяти, используемой при передаче, формирует ад-
реса ячеек ОЗУ, участвующих в передаче, под-
считывает число байт, передаваемых через интер-
фейс, и определяет момент завершения операции
ввода—вывода.
В микропроцессорных системах и микроЭВМ,
построенных на однокристальных 8-, 16-разряд-
ных микропроцессорах К580 и К1810, используется
системный интерфейс И-41, упрощенная структурная
схема которого приведена на рис. 8.30. Интерфейс
представляет собой унифицированную шину из функ-
ционально объединенных линий, по которым пере-
даются необходимая информация и управляющие
Рис. 8.30
275
сигналы, для функционирования ЭВМ, и электро-
питание.
Интерфейс содержит всего 72 линии. Из них 20
линий адреса, 16 — данных, 8 — запроса прерывания,
сигналы управления и др. Эти линии разделены на
три шины: адреса с 16 линиями для памяти емкостью
64 кбайт и с 4 резервными для расширения емкости
памяти; данных с 8 двунаправленными линиями и 8
резервными для работы с 16-разрядными МП; уп-
равления с 36 линиями.
В любой момент при передаче информации
участвуют два устройства (одно из них передает,
другое принимает). Передающее ведущее устройст-
во— активно, задатчик. Приемное ведомое устройст-
во— пассивно, исполнитель. Задатчик, начиная (ини-
циируя) передачу, занимает шины интерфейса, вы-
ставляет адрес исполнителя на шину адреса, зада-
ет направление передачи (ввод—вывод, чтение —
запись), выдает информацию исполнителю или при-
нимает ее из него.
Задатчиком могут быть все устройства, кроме
памяти, а исполнителем все устройства, подключен-
ные к интерфейсу. Одно и то же устройство может
быть и исполнителем, и задатчиком. При обращении
к памяти процессор — задатчик, а при обработке
запроса прерывания — исполнитель.
В МП-системе может быть несколько источников
запроса прерывания и поэтому между запросами
должны быть приоритетные отношения. Блок при-
оритетных прерываний (БПП) выделяет из посту-
пивших запросов наиболее важный, и по его управ-
ляющему сигналу МП временно прекратит выполне-
ние текущей программы и передаст управление
другой программе. Одновременно может возни-
кать несколько запросов прерывания и необходи-
мо определить наиболее приоритетный. Это уста-
навливает схема «Арбитр». Схема формирования
сигналов ’ интерфейса (ФСИ) создает сигналы, под-
тверждающие прерывание, и сигналы для работы
адаптера.
Разнообразные периферийные устройства сопряга-
ются с МП-системой посредством небольшого числа
унифицированных интерфейсных БИС. Путем про-
граммирования выполняемых ими функций достига-
ется высокая универсальность.
2'6
В простейших случаях используются адресуемые
регистры ввода — вывода (их называют порты). Пере-
программирование их ограничено. При управлении
простым периферийным устройством, выполняющим
лишь несколько операций, наиболее эффективно при-
менение портов. Например, управлять через порт
периферийным устройством можно командами вво-
да — вывода.
При построении микропроцессорных систем ис-
пользуется магистрально-модульная организация. Она
состоит в том, что отдельные микропроцессорные
средства выполнены в виде законченных модулей
БИС, которые объединены в систему с помощью шин
(магистралей), разделенных устройствами (модулями)
во времени при передаче информации. В них исполь-
зуются унифицированные, т. е. не зависящие от
периферийных устройств, команды ввода —вывода
данных. В специальных блоках управления (адаптерах
и контроллерах) унифицированные данные и команды
преобразуются в коды и сигналы для отдельных ПУ.
Периферийные устройства через них подключаются к
общим шинам микропроцессора.
Набор линий и шин, схемы подключения, сигналы
и алгоритмы передачи информации создают унифи-
цированный интерфейс.
Разнообразные периферийные устройства посред-
ством небольшого количества унифицированных ин-
терфейсных БИС сопрягаются с микропроцессорной
системой.
Эти БИС программированы по выполняемым
функциям. Они универсальны. Функциональное назна-
чение интерфейсных БИС устанавливается подачей на
них управляющих сигналов, приходящих от датчиков
(внешних источников), или от микропроцессора, а
также путем коммутации их управляющих входов.
В простейших случаях при управлении простым ПУ
используются адресуемые буферные регистры вво-
да-вывода (порты). Если же микропроцессорная си-
стема содержит сложные периферийные устройства,
которые выполняют много разнообразных операций,
необходимы периферийные программированные уст-
ройства (ППА). В их состав входит регистр управле-
ния. Микропроцессор через него осуществляет про-
граммированное управление периферийными устрой-
ствами. ППА — универсальное средство управления,
277
которое может использоваться почти для всех су-
ществующих периферийных устройств ввода — вы-
вода.
§ 8.12. ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ
Микропроцессоры используются в качестве цент-
ральных процессоров вычислительных систем общего
назначения. На рис. 8.31 приведена структурная схема
микроЭВМ. Кроме работы в ЭВМ микропроцессоры
могут выполнять управление и контроль за прибо-
рами, системами отопления, управление дорожными
светофорами и другими процессами. Во всех этих
примерах микропроцессор работает в режиме реаль-
ного времени, что подразумевает независимо от
центрального процессора ответные реакции, системы
согласуются по времени с имеющими место реаль-
ными физическими процессами. В этом режиме в
качестве входных данных используются такие физи-
ческие величины, как скорость, температура, напря-
жение и т. д. Эти переменные — непрерывные вели-
чины, и их называют аналоговыми. Перед вводом в
микропроцессор необходимо их преобразовать с
помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП)
в дискретные величины — цифры (например, в дво-
Рис. 8.31
278
Входы
Температура окружа-
ющей среды ____________
Положение дроссельной
заслонки ___
Мгновенное положение
коленчатого Вала
разряжение во всасывающем
трубопроводе ___
Температура двигателя _____
Рис. 8.32
ичный код). После обработки данные их выводят из
машины и преобразуют обратно из цифровых в
аналоговые величины преобразователем ЦАП.
Для применения МП необходимо в него ввести
данные с различных датчиков и получить ответную
реакцию в виде управляющих сигналов.
На рис. 8.32 приведена система зажигания авто-
мобиля. Микропроцессор в системе зажигания непре-
рывно управляет временем зажигания горючей смеси
по входным данным, добиваясь при этом оптималь-
ного расхода топлива, минимального загрязнения
выхлопными газами в любой момент времени.
Микропроцессоры для контроля и управления
находят широкое применение в области медицины и
здравоохранения. Они могут проверять функциониро-
вание различных органов пациента, обеспечивать
непрерывный контроль за его состоянием, анализи-
ровать полученные данные.
Микропроцессоры распространены в электронных
и телевизионных играх. В торговых системах МП
управляет кассовым аппаратом, выполняет вычисле-
ние цены, ежедневную выручку, передает данные в
центральный процессор для общего управления тор-
говлей. Микропроцессоры находят широкое примене-
ние и в авиации. На 8.33 приведена структурная схема
использования МП для управления полетом са-
молета.
§ 8.13. ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА МИКРОЭВМ
К периферийным устройствам микроЭВМ отно-
сятся устройства ввода — вывода данных, устройст-
ва для реализации внешней памяти микроЭВМ и
устройства, обеспечивающие связь микроЭВМ с опе-
279
Рис. 8.33
ратором или управляемым объектом. Каждое пери-
ферийное устройство состоит из периферийного аппа-
рата и устройства управления им (контроллера).
ПУ связано с центральным процессором через конт-
роллер. Устройства ввода — вывода могут быть авто-
матические (ввод и вывод идет без участия человека)
и неавтоматические для передачи и приема данных
между человеком и ЭВМ.
Автоматические устройства ввода — вывода в уп-
равляющих ЭВМ непосредственно связаны с объек-
том управления различными датчиками, реагирующи-
ми на изменение параметров объекта управления. Эти
изменения представляются непрерывными (аналого-
выми) величинами. Аналоговые величинь преобразу-
ются в цифровые с помощью аналого-цифровых
преобразователей АЦП, так как ЭВМ работают с
дискретными величинами.
Результаты работы ЭВМ преобразуются обратно
(цифроаналоговыми преобразователями) и поступают
на различные исполнительные механизмы объекта.
К неавтоматическим устройствам ввода — вывода
относятся пульты управления, пишущие машинки,
экранные пульты (дисплеи, диалоговые терминалы),
бухгалтерские машины и др. У пультов имеется
клавиатура, с помощью которой человек вводит
данные для обработки. В некоторых неавтомати-
280
ческих устройствах имеются устройства для отобра-
жения информации—дисплеи. Основным назначени-
ем дисплея является ввод данных, программы ди-
ректив в ЭВМ и ее отображение из памяти вычисли-
тельной машины. Двойное использование дисплеев —
в качестве устройств ввода и вывода информации —
позволяет применять их при общении с ЭВМ. Иногда
дисплеи встраиваются в аппаратуру.
В дисплее экран похож на экран обычного
телевизионного приемника. Иногда используется и
телевизор в качестве дисплея. В дисплее имеется
электронно-лучевая трубка, на которой и отобража-
ется информация. Частота кадровой развертки в дис-
плеях 50 Гц, поэтому изображение на экране не дро-
жит. Имеются алфавитно-цифровые и графические
дисплеи. Буквы, цифры и некоторые специальные
символы воспроизводятся на экране. В буферной
памяти дисплея запоминаются не сами символы, а их
коды и отображение генерируемых генератором сим-
волов. Графический дисплей может высвечивать на
экране любые графики и рисунки, иногда и в цветном
изображении. Введение цвета повышает изобрази-
тельные возможности как графического, так и алфа-
витно-цифрового дисплея.
Пульт управления дисплеем содержит индикато-
ры, ручки регулировки и клавиатуру. С пульта
управления можно управлять ходом вычислительного
процесса на ЭВМ, вводить и редактировать инфор-
мацию на экране, записывать ее в память машины и
считывать из памяти. Индикаторы информируют о
готовности дисплея к работе и о режиме его работы.
Ручками регулировки устанавливается необходи-
мая яркость, контрастность, фокусировка информа-
ции на экране. В некоторых пультах управления
имеется световое перо, которым можно вводить
любую графическую информацию.
Дисплей — алфавитно-цифровое устройство ото-
бражения. Вместе с присоединенной к нему клавиату-
рой позволяет обмениваться информацией с вычисли-
тельной машиной, изменять или стирать данные на
экране, возвращать отредактированные данные для
хранения в ЭВМ.
Для того чтобы знать, где появится очередной
символ, на экране дисплея имеется специальный
символ — курсор. При включении курсор автомати-
281
чески помещается на экране в крайней верхней
позиции. Его положение можно изменить клавиату-
рой или программно. Дисплей имеет звуковую
сигнализацию, которая включается по сигналу из
ЭВМ или при перемещении курсора из последней
позиции на экране в первую.
Дисплей с помощью клавиатуры может: записы-
вать и изменять символы; стирать группы символов;
стирать все символы (кроме курсора); сдвигать текст
строки влево с вычеркиванием одного символа;
сдвигать текст строки вправо с вставкой одного
символа; перемещать курсор по шагам, непрерывно
пли скачкообразно. На рис. 8.34 схематично изобра-
жен пульт управления дисплеем.
К авиатура дисплея управляет его работой и име-
ет 84 клавиши. Из них 8 клавишей управляют переме-
щением курсора (они обозначены стрелками f, ->);
четыре ряда по 12 клавишей используются для вве-
дения букв алфавита и цифр, а длинная нижняя кла-
виша служит для получения пробела между словами;
8 функциональных клавиш необходимы для стирания
с экрана — СТИР ЭКР, стирания ввода—СТИР ВВ,
стирания до конца поля — СТИР КП, дублирования —
ДУБЛ, обозначения метки конца поля — МТКП,
вставки — ВСТАВ, вычеркивания — ВЧРК, сброса —
СБРОС. Для выбора регистров используются пять
клавиш (ФВР, BP, HP, СБ, ФСБ). Для программного
функционирования используются клавиши ПФ1 —
ПФ 12; для ввода — клавиши ВВОД и ВЫЗОВ ТЕ-
СТА. Заштрихованные клавиши дублируют символ
слева направо и от верхней строки к нижней.
Индикатор СЕТЬ загорается при включении пита-
ния. Для включения дисплея в работу надо специаль-
ный ключ поставить вначале в положение ОТКЛ, а
затем повернуть в положение ВКЛ. Как загорятся
индикаторы ВКЛ и ВВОД ЗАПРЕЩЕН, ключ необхо-
димо повернуть в положение РАБОТА, при этом
индикатор ВВОД ЗАПРЕЩЕН погаснет, индикатор
СИСТ. ДОСТУПНА загорится и в верхнем левом
углу экрана появится курсор. Это показывает, что
система стала доступной для работы.
Для получения на экране строчной буквы необхо-
димо нажать клавишу СБ, для ее фиксации необхо-
димо нажать клавишу ФСБ. На клавишах нанесены
два знака: один вверху клавиши, другой — внизу. Для
282
Рис. 8.34
того чтобы на экране получился верхний знак,
нажимаются две клавиши: знака и ВР (верхний
регистр), если же нужен нижний, нажимаются кла-
виши знака и HP (нижний регистр). При фиксации
регистра ВР на пульте загорается лампочка ВР.
Клавиши ПФ1—ПФ 12 позволяют программно
закреплять операции, которые чаще всего исполь-
зуются. Это повышает эффективность работы дис-
плея. При нажатии любой из этих клавиш блоки-
руется клавиатура дисплея и загорается лампочка
ВВОД ЗАПРЕЩЕН. После набора символов на
экране они хранятся в памяти терминала. При
нажатии клавиши ВВОД набранная информация
вводится в ЭВМ.
При проверке работы терминала техническим
персоналом используется клавиша ВЫЗОВ ТЕСТА.
Кроме алфавитно-цифровых используются и гра-
фические дисплеи, на которых воспроизводятся лю-
бые графики и рисунки в цветном изображении. С
ними можно проводить разнообразные операции:
повороты, перемещения, изменение масштабов.
В некоторых случаях приходится решать задачи с
большим объемом информации, ЭВМ в этих случаях
оборудуется внешней памятью — внешними запоми-
нающими устройствами. Они допускают считывание
и запись информации. К таким устройствам отно-
сится и терминал. Через устройства ввода в память
вносятся программы, исходные и другие данные.
Внешние запоминающие устройства представляют
собой устройства на перемещающейся магнитной
среде, где каждая запись имеет адрес, по которому
осуществляется прямой доступ к записанным данным.
В микроЭВМ применяются гибкие магнитные дис-
плеи. Для записи информации и считывания ее слу-
жат магнитные головки. В больших ЭВМ применя-
ются накопители на магнитных барабанах и постоян-
ных магнитных дисках, собранных в пакеты, и др.
Гибкий магнитный диск — это тонкий пластико-
вый диск диаметром 203 мм с нанесенным магнит-
ным покрытием. Выпускаются и миниатюрные гибкие
магнитные диски диаметром 133 мм.
При повышенной плотности записи 200 бит/мм
емкость диска может достигать 3,5 Мбит.
В ЭВМ единой серии может применяться 130
различных устройств ввода. Наиболее известные из
284
них используют в качестве носителей информации
перфокарты и перфоленты. Перфокарты готовятся
вручную на клавишных перфораторах путем пробив-
ки отверстия в прямоугольнике из плотного картона
размером 187,3x82,5 мм, толщиной 0,18 мм. Другой
носитель информации — это перфолента шириной
17,5 или 25,4 мм с числом дорожек (пробивок в
ряды) 5 и 8. Информация с карт и лент счи-
тывается фотосчитывающей головкой при протяж-
ке ленты.
Для вывода информации используются алфавит-
но-цифровые печатные устройства (создают твердую
копию решения), различные электронные табло и
индикаторы. Графическая информация может выво-
диться на графопостроитель, самописцы — с несколь-
кими (цветными) чернильными перьями. В некоторых
случаях используются различные управляющие уст-
ройства, синтезаторы речи и т. д.
Контрольные 1 опросы
1. Что такое микропроцессор?
2. Каково назначение микропроцессора?
3. Что такое микроЭВМ?
4. Назначение микропроцессора в микроЭВМ.
5. Какая разница между ПЗУ и ОЗУ?
6. Для чего нужны шины микроЭВМ?
7. Записать число 32,5 в двоичном коде.
8. Какое число записано двоичным кодом 101111,01?
9. Назвать основные логические элементы.
10. Для чего нужны внутренние регистры в микропроцессорах?
11. В чем заключается разница между 4- и 16-разрядными
микропроцессорами?
12. В чем отличие микропроцессоров с гибкой и жесткой
логикой?
13. Назвать основные параметры БИС микропроцессорных
комплектов.
14. Какая разница между энергозависимой и энергонезави-
симой памятью?
15. В каких единицах измеряется емкость памяти?
16. Сколько нужно иметь матриц накопителей для хранения
трехразрядного числа?
17. В чем отличие динамических и статических ОЗУ?
18. Какая особенность программированных ПЗУ?
19. Для чего нужно АЛУ в микропроцессорах К580?
20. Как работает стековая память?
21. Что такое интерфейс?
22. Для чего нужна магистраль управления в интерфейсе?
23. Как осуществляется прямой доступ к памяти?
24. Для чего нужны периферийные устройства микроЭВМ?
25. Укажите назначение дисплея в микроЭВМ.
285
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Общая электротехника с основами электроники//?. А. Гав-
рилюк, Б. С. Гершунский, А. В. Ковальчук, Ю. А. Куницкий,
А. Г. Шаповаленко.— М.: Высшая школа, 1980.
2. Ушаков В. Н. Основы радиоэлектроники.— М.: Высшая
школа, 1979.
3. Прохорский А. А. Основы автоматики и телемеханики.—
М.: Высшая школа, 1988.
4 Справочник по полупроводниковым диодам, транзисто-
рам и интегральным схемам/Под ред. Н. Н. Горюнова.— М.:
Энергия, 1985.
5. Справочник по интегральным микросхемам/Под ред.
Б. В. Тарабрина.— М.: Энергия, 1984.
6. Артамонов Б. И., Бокуняев А. А. Источники электропи-
тания радиоустройств.— М.: Энергоиздат, 1982.
7. Микропроцессоры/Под ред. Л. Н. Преснухина. В 3-х кн.—
М.: Высшая школа, 1986.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................ 3
Глава 1. Электровакуумные и газоразрядные приборы.... 4
§ 1.1. Общие сведения об электронных процессах ......... 5
§ 1.2. Двухэлектродные лампы ........................... 12
§ 1.3. Трехэлектродные лампы .......................... 16
§ 1.4. Многоэлектродные и комбинированные лампы ....... 22
§ 1.5. Электрические разряды в газах .................. 23
§ 1.6. Газоразрядные приборы с самостоятельным разрядом 25
Контрольные вопросы .............................. 30
Глава 2. Полупроводниковые приборы ..................... 31
§2.1. Электропроводность полупроводников .............. 31
§ 2.2. Электронно-дырочный переход и его свойства ..... 35
§ 2.3. Полупроводниковые диоды ........................ 39
§ 2.4. Биполярные транзисторы ........................ “51
§ 2.5. Полевые транзисторы ............................ 32
§ 2.6. Тиристоры ...................................... 73
Контрольные вопросы ........................... 80
Глава 3. Фотоэлект онные приборы ....................... 81
§ 3.1. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы ....... 82
§ 3.2. Полупроводниковые фотоэлементы ................. 87
Контрольные вопросы ............................. 99
Глава 4. Электронные выпрямители и стабилизаторы..... 99
§4.1. Схемы выпрямления ............................. 100
§ 4.2. Сглаживающие фильтры .......................... 112
§ 4.3. Управляемые выпрямители ....................... 115
§ 4.4. Стабилизаторы напряжения ...................... 117
§ 4.5. Стабилизаторы тока ............................ 120
§ 4.6. Преобразователи постоянного напряжения ........ 121
Контрольные вопросы ............................ 123
Глава 5. Электронные усилители ...................... 124
§ 5.1. Схемы усилителей электрических сигналов ....... 125
§ 5.2. Основные технические показатели усилителей электри-
ческих сигналов ..................................... 128
§ 5.3. Принцип работы усилителя низкой частоты на тран-
зисторах ............................................ 133
§ 5.4. Выходные каскады усилителей ................... 142
§ 5.5. Обратная связь в усилителях ................... 152
§ 5.6. Импульсные и избирательные усилители .......... 157
§ 5.7. Усилители постоянного тока .................... 162
§ 5.8. Электронные реле .............................. 169
Контрольные вопросы ............................ 171
287
Глава 6. Электронные генераторы и измерительные приборы ... 173
§6.1. Колебательный контур ........................ 174
§ 6.2. Генераторы ГС-типа .......................... 176-
§ 6.3. Генераторы ЛС-типа ............................ 179
§ 6.4. Переходные процессы в ЛС-цепях .............. 180_
§ 6.5. Импульсные генераторы ......................... 182
§ 6.6. Электронные стрелочные и цифровые вольтметры. 187
§ 6.7. Электронный осциллограф ....................... 191
Контрольные вопросы ............................ 199
Глава 7. Интегральные схемы микроэ ектроиики ......... 199
§ 7.1. Полупроводниковые интегральные микросхемы
(ПИМС) ............................................... 201
§ 7.2. Гибридные интегральные микросхемы (ГИМС) ...... 207
§ 7.3. Другие виды интегральных микросхем и система
обозначений .......................................... 213
§ 7.4. Применение интегральных микросхем ............. 215
§ 7.5. Новые направления развития микроэлектроники ... 225
Контрольные вопросы ...................... 227
Глава 8. Микропроцессоры в микроЭВМ ................. 227
§ 8.1. Понятие о микропроцессорах и микроЭВМ ................. 229
§ 8.2. Устройство и работа микроЭВМ ................. 230
§ 8.3. Арифметическое обеспечение микропроцессоров и
микроЭВМ ..................................................................................... 234
§ 8.4. Логическое обеспечение микропроцессоров и мик-
роЭВМ .............................................. 240
§ 8.5. Архитектура микропроцессора . 247
§ 8.6. Микропроцессоры с жесткой и гибкой логикой. 250
§ 8.7. Основные параметры БИС микропроцессорных комп-
лектов ............................................. 255
§ 8.8. Полупроводниковые запоминающие устройства .................................................. 257
§ 8.9. Статические запоминающие устройства ........................................................ 264
§ 8.10. Микропроцессор К58О ....................................................................... 268
§ 8.11. Интерфейс микропроцессоров и микроЭВМ ..................................................... 272
§ 8.12. Применение микропроцессоров ............................................................... 278
§ 8.13. Периферийные устройства микроЭВМ .......................................................... 279
Контрольные вопросы .......................................................................... 285
Список литературы .................................................................................. 286