Файл: С.Н. Гринфельд Физические основы электроники уч. пособие.doc

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 29.07.2024

Просмотров: 570

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

С.Н. Гринфельд физические основы электроники

1. Электропроводность полупроводников

1.1. Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел

1.2. Электропроводность собственных полупроводников

1.3. Электропроводность примесных полупроводников

1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

2. Электронно-дырочный переход

2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

2.4. Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода

3.1. Общие характеристики диодов

3.2. Виды диодов

4. Полупроводниковые транзисторы

4.1. Биполярные транзисторы

4.1.1. Общая характеристика

4.1.2. Принцип действия транзистора

4.1.3. Схемы включения транзисторов

4.1.5. Влияние температуры на статические характеристики бт

4.16. Составной транзистор

4.2. Полевые транзисторы

4.2.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом Структура и принцип действия пт

Характеристики птуп

Параметры птуп

Эквивалентная схема птуп

Схемы включения полевого транзистора

Температурная зависимость параметров птуп

4.2.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Структуры пт с изолированным затвором

Статические характеристики мдп-транзистора с индуцированным каналом

Статическая характеристика передачи (или сток – затвор)

Статические характеристики мдп-транзистора со встроенным каналом

Максимально допустимые параметры полевых транзисторов

5. Тиристоры

5.1. Классификация тиристоров

5.2. Диодные тиристоры (динисторы)

5.3. Триодные тиристоры

5.4. Симметричные тиристоры (симисторы)

5.5. Зависимость работы тиристора от температуры

6. Усилители

6.1. Классификация, основные характеристики и параметры усилителей

6.2. Искажения в усилителях

6.3. Обратные связи в усилителях

6.3.1. Виды обратных связей

6.3.2. Влияние последовательной отрицательной ос по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя

6.3.3. Влияние отрицательной ос на нелинейные искажения и помехи

6.3.4. Влияние отрицательной ос на частотные искажения

6.3.5. Паразитные ос и способы их устранения

6.4. Усилители низкой частоты

6.5. Каскады предварительного усиления

6.5.1. Каскад с оэ

6 Рис. 6.21. График разрешенной области надежной работы транзистора.5.2. Стабилизация режима покоя каскада с оэ

6.5.3. Работа каскада с оэ по переменному току

6.5.4. Каскад с ок

6.5.5. Усилительный каскад на полевом транзисторе

6.5.6. Схема с ос (истоковый повторитель)

7. Усилители постоянного тока

7.1. Определение усилителя постоянного тока. Дрейф нуля

7.2. Однотактные усилители прямого усиления

7.3. Дифференциальные усилители

7.3.1. Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов

7.3.2. Схемы включения дифференциального усилителя

7.3.3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала

7.3.4. Разновидности дифференциальных усилителей

8. Определение и основные характеристики операционных услителей

8.1. Устройство операционных усилителей

8.2. Характеристики операционных усилителей

Усилительные характеристики

Дрейфовые характеристики

Входные характеристики

Выходные характеристики

Энергетические характеристики

Частотные характеристики

Скоростные характеристики

8.3. Классификация оу

8.4. Применение операционных усилителей

Неинвертирующий усилитель на оу

Повторитель напряжения

И Рис. 8.12. Схема инвертирующего усилителянвертирующий усилитель

Инвертирующий сумматор

У Рис. 8.14. Схема усредняющего усилителясредняющий усилитель

Внешняя компенсация сдвига

Дифференциальный усилитель

Неинвертирующий сумматор

Интегратор

Дифференциатор

Логарифмический усилитель

Усилители переменного напряжения

9. Устройства сравнения аналоговых сигналов

9.1. Компараторы

9.2. Мультивибратор

10. Микроэлектроника

10.1. Основные определения

10.2. Типы Интегральных схем

10.2.1. Классификация ис

10.2.2. Полупроводниковые ис

10.2.3. Гибридные ис

10.3. Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов

ЛабораторНые рабоТы Лабораторная работа 1 исследование статистических характеристик биполярного транзистора

О Рис. 1. Схема исследования характеристик транзистора по схеме с оЭписание лабораторной установки

Порядок выполнения работ

Лабораторная работа 2 исследование однокаскадного усилителя с общим эмиттером

Описание лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Лабораторная работа 3 дифференциального усилителя постоянного тока

Описание лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Контрольная работа

Задание

Последовательность расчета усилителя

Последовательность Расчета усилителя в области низких частот

Экзаменационные вопросы

Литература

Содержание

Софья наумовна гринфельд физические основы электроники Учебное пособие

681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

8. Определение и основные характеристики операционных услителей

Свое название операционные усилители (ОУ) получили из-за того, что первоначально применялись для выполнения математических операций сложения, вычитания, умножения и деления. Первые ОУ, использующиеся в аналоговых вычислительных машинах на лампах, работали с напряжениями порядка 100 В.

Интегральные ОУ унаследовали прежнее название от своих предшественников и очень широко распространены в аналоговой схемотехнике. В настоящее время ОУ выполняются, как правило, в виде монолитных интегральных микросхем и по своим размерам и цене практически не отличаются от отдельно взятого транзистора. Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции.

Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования. Благодаря практически идеальным характеристикам операционных усилителей реализация различных схем на их основе оказывается значительно проще, чем на отдельных транзисторах.

Операционный усилительэто высококачественный универсальный многокаскадный УПТ с дифференциальным входом, по своим характеристикам приближающийся к идеальному усилителю.

Считают, что коэффициент усиления дифференциального напряжения бесконечно велик и не зависит от частоты сигнала, коэффициент усиления синфазного сигнала равен нулю; сопротивление по обоим входам бесконечно велико, отсутствует сдвиг нуля выходного напряжения и его дрейф, скорость изменения выходного напряжения бесконечно велика, выходное сопротивление равно нулю.

Эти свойства даже теоретически полностью не могут быть достигнуты, так как большая часть из них требует бесконечной мощности выходного сигнала при малых геометрических размерах полупроводниковой структуры. Поэтому в каждом случае можно говорить лишь о доступной степени приближения к идеальным свойствам.

8.1. Устройство операционных усилителей

Операционный усилитель (рис. 8.1), выполненный в виде интегральной микросхемы, имеет в своем составе: дифференциальный входной каскад (ДВК), промежуточные каскады усиления (ПКУ) и выходной каскад (ОК).


Дифференциальный каскад обеспечивает: большой коэффициент усиления по отношению к разности входных сигналов (дифференциальному сигналу), малый коэффициент усиления относительно синфазных помех, малый дрейф нуля и большое входное сопротивление.

За входными каскадами следует один или несколько промежуточных, они обеспечивают уменьшение напряжения покоя на выходе каскада до близкого к нулю значения и большое усиление по напряжению и по току. Усиление по напряжению необходимо для получения высокого общего коэффициента усиления по напряжению, а усиление по току – для обеспечения тока, достаточного для работы оконечного каскада. В качестве промежуточных каскадов используют дифференциальные или однополюсные каскады.

Оконечный (выходной) каскад обеспечивает: малое выходное сопротивление и достаточную мощность сигнала для низкоомной нагрузки, большое входное сопротивление каскада. Последнее необходимо для сохранения большого коэффициента усиления напряжения промежуточных каскадов. В качестве оконечного каскада обычно используют сложный эмиттерный повторитель.

Л

Рис. 8.2. Варианты обозначений ОУ на принципиальных электрических схемах: 1 – инвертирующий вход; 2 – неинвертирующий вход;

3 – выход; 4 и 5 – выводы для подключения источника питания

юбой ОУ (рис. 8.2) имеет не менее пяти выводов: два входных (инвертирующий и неинвертирующий), два вывода для подключения питания и один выходной вывод. Многие ОУ дополнительно имеют несколько выводов, не несущих функциональной нагрузки (вспомогательные), к которым подключаются цепи коррекции АЧХ (метки FC), цепи для подключения элементов балансировки по постоянному току (метки NC), а также вывод металлического корпуса () для соединения с общим проводом устройства, в которое входит в ОУ.

Питание схемы осуществляется от двух источников +Uпи –Uпс одинаковым напряжением. Источники питания имеют общую точку. При двух источниках питания упрощается схемотехника и технология изготовления не только выходного каскада, но и входного. Два источника питания позволяют увеличить входное сопротивление дифференциального каскада, так как при двух источниках питания можно обойтись без резисторных делителей в базовых цепях или цепях затворов входных транзисторов, уменьшающих входное сопротивление каскада.


Рассмотрим устройство операционного усилителя на примере усилителя К140УД1 (рис. 8.3). Для К140УД1 характерно наличие двух дифференциальных усилительных каскадов. Первый: на транзисторах Т1, Т2и Т3, вход (Вх 1) – неинвертирующий, вход (Вх 2) – инвертирующий. При этом если используется только один вход, второй соединяется с выводом 4 через сопротивление R = Rист. сиг., так как R1 вх.= R2 вх.

Пара Т3 - R3выполняет роль стабилизатора тока, подавляя синфазные сигналы усилителя. Второй дифференциальный каскад на транзисторах Т5и Т6имеет несимметричный выход с коллектора Т6, а транзистор Т4включается по схеме диода. Он стабилизирует общую работу обоих каскадов. Схема сдвига уровня построена на транзисторах Т7Т8и резисторах R10, R9, R12.

Сдвиг уровня выполняется делителем, состоящим из резистора R9и цепи Т8, R10, R12. Схема сдвига уровня подключена к несимметричному выходу второго каскада. Подключение выполняется через эмиттерный повторитель на базе Т7. Такое построение схемы сдвига уровня имеет не только большое входное сопротивление, но и малый входной ток, равный току базы Т7. Из этого получается, что можно увеличивать R5. В результате получаем высокий коэффициент усиления на втором каскаде.

Выходной каскад построен на эмиттерном повторителе на базе Т9. С помощью резистора R10 и транзистора Т8 вводится положительная обратная связь для компенсации ослабления сигнала, которое вносится схемой сдвига. Диод Д1 защищает оконечные транзисторы от перегрузки при высоком значении входного сигнала. Питание подается от двух источников по 6,3 В, включенных последовательно, или от одного источника 12,6 В.

О

Рис. 8.3. Микросхема операционного усилителя К140УД1

перационные усилители этой серии используются как усилители постоянного и переменного тока в полосе частот от 0 до 20 МГц. Когда требуется усиление широкополосного сигнала, этот усилитель охватывается глубокой обратной связью. При этом коэффициент усиления практически не зависит от параметров усилителя, и определяется лишь характеристиками обратной связи. Это верно лишь в данном диапазоне частот.


8.2. Характеристики операционных усилителей

ОУ характеризуются усилительными, входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми,частотными и скоростными характеристиками.

Усилительные характеристики

Коэффициент усиления (KU) равен отношению приращения выходного напряжения к вызвавшему это приращение дифференциальному входному напряжению при отсутствии обратной связи (ОС). Он изменяется в пределах от 103до 106.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики(рис. 8.4). Их представляют в виде двух кривых, относящихся соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам. Характеристики снимают при подаче сигнала на один из входов при нулевом сигнале на другом. Каждая из кривых состоит из горизонтального и наклонного участков.

Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного), либо закрытого транзисторов выходного каскада. При изменении входного напряжения на этих участках выходное напряжение усилителя остается постоянным и определяется напряжениями +Uвых max)-Uвых max. Эти напряжения близки к напряжению источников питания.

Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Этот диапазон называется областью усиления. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ:

KU=Uвых/Uвх.

Большие значения коэффициента усиления ОУ позволяют при охвате таких усилителей глубокой отрицательной обратной связью получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Амплитудные характеристики (см. рис. 8.4), проходят через нуль. Состояние, когда Uвых= 0 при Uвх= 0,называется балансом ОУ. Однако для реальных ОУ условие баланса обычно не выполняется. При Uвх= 0 выходное напряжение ОУ может быть больше или меньше нуля:

Uвых= +Uвыхили Uвых= -Uвых).


Дрейфовые характеристики

Напряжение (Uсмо), при котором Uвых = 0, называется входным напряжением смещения нуля (рис. 8.5). Оно определяется значением напряжения, которое необходимо подавать на вход ОУ для получения нуля на выходе ОУ. Обычно составляет не более единиц милливольт. Напряжения Uсмо и ∆Uвых (∆Uвых = Uсдв - напряжение сдвига) связаны соотношением:

Uсмо= ∆Uвых/ КU.

Основной причиной появления напряжения смещения является существенный разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада.

Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного напряжения смещения. Дрейф входного напряжения смещения – это отношение изменения входного напряжения смещения к изменению окружающей температуры:

Eсмо=Uсмо/Т.

Обычно Eсмосоставляет 1...5 мкВ / °С.

Передаточная характеристика ОУ для синфазного сигнала показана на (рис. 8.6).Из него видно, что при достаточно больших значениях Uсф (соизмеримых с напряжением источника питания) коэффициент усиления синфазного сигнала (Ксф) резко возрастает.

Используемый диапазон входного напряжения называется областью ослабления синфазного сигнала. Операционные усилители характеризуетсякоэффициентом ослабления синфазного сигнала осс)отношением коэффициента усиления дифференциального сигнала (Кuд) к коэффициенту усиления синфазного сигнала (Кu сф).

Косс = Кuд / Кu сф.

Коэффициент усиления синфазного сигнала определяется как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного сигнала). Коэффициент ослабления синфазного сигнала обычно выражается в децибелах.