Основы электроники Курс лекций
Е.С. Шаньгин
УГАТУ 2008
УДК
ББК
Ш21
Шаньгин Е.С.
Ш21 Основы электроники: Учеб. пособие. – Уфа, изд-во УГАТУ, 2007, – 168 с.
Рассмотрены основные полупроводниковые приборы и наиболее широко используемые устройства как аналоговой, так и цифровой электроники. Описаниям характеристик и параметров приборов предшествуют необходимые сведения по физическим явлениям, используемым в работе приборов.
Учебное пособие предназначено для студентов второго курса специальности 552800- Информатика и вычислительная техника (подготовка дипломированного бакалавра техники и технологии).
ISBN ББК
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение …………………………………………………………………
7
2. Элементы электронных схем.…………………………………………..
17
3. Биполярные транзисторы……………………………………………….
30
4. Полевые транзисторы …………………………………………………..
37
41
6. Оптоэлектронные приборы……………………………………………..
46
7. Операционные усилители ……………………………………………..
56
8. Интегральные микросхемы …………………………………………….
61
9. Аналоговые электронные устройства …………………………………
64
10. Линейные схемы на основе операционных усилителей ……………
79
11. Усилители постоянного тока …………………………………………
89
12. Электронные фильтры ………………………………………………..
100
13. Генераторы гармонических колебаний ……………………………..
109
14. Вторичные источники питания ………………………………………
113
15. Цифровая и импульсная электроника ………………………………..
121
16. Комбинационные цифровые устройства …………………………….
133
17. Цифровые запоминающие устройства ………………………………
147
18. Устройства для формирования и аналого-цифрового
преобразования сигналов …………………………………………….
151
Литература …………………………………………………………………
170
1. Введение
Электроника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных проблем в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.
Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными.
Обратимся к идеализированной системе управления некоторым объектом (рис. 1.1).
Рис.1.1. Структурная схема системы управления
Электрические сигналы, содержащие информацию о контролируемых величинах, вырабатываются соответствующими датчиками. Эти сигналы фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Затем они обрабатываются микропроцессором, который может взаимодействовать с ЭВМ. Формируемые микропроцессором сигналы управления преобразуются в аналоговую форму с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), усиливаются и подаются на силовые электронные устройства, управляющие исполнительными устройствами, непосредственно воздействующими на объект.
Рассмотренная система содержит электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами (фильтры, усилители, силовые электронные устройства), цифровыми сигналами (микропроцессор, ЭВМ), а также устройства, осуществляющие преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно. Характеристики электронных устройств определяются прежде всего характеристиками составляющих их элементов.
Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.
В сороковых годах ХХ века масса электронного оборудования тяжелых самолетов приближалась к 1000 кг (без учета энергетического оборудования, необходимого для электропитания аппаратуры). Так, например, электронная аппаратура одной только системы вооружения на самолетах американской фирмы «Боинг» за десятилетие с 1949 по 1959 г. усложнилась в 50 раз. На самолетах выпуска 1959 года электронная схема этой системы содержала уже 100 000 элементов.
Основным показателем совершенства электронной аппаратуры является плотность упаковки, т. е. количество элементов схемы в 1 см3 действующего устройства. Если, например, основным элементом электронного устройства являются лампы, то можно достигнуть плотности 0,3 эл/см3. С учетом этого для размещения современной ЭВМ потребуется объем в несколько тысяч кубических метров. Кроме того, нужна мощная энергетическая установка для питания такой машины.
Создание
в конце 40-х годов ХХ века полупроводниковых
элементов (диодов и транзисторов) привело
к появлению нового принципа конструирования
электронной аппаратуры – модульного.
Основой при этом является элементарная
ячейка-модуль, стандартный по размерам,
способу сборки и монтажу. При этом
плотность упаковки возросла до 2,5 эл/см
Дальнейшее совершенствование полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других элементов, уменьшение их размеров привели к созданию микромодулей. Плотность упаковки при этом превышала 10 эл/см3. Микромодули завершили десятилетнюю эпоху транзисторной электроники и привели к возникновению интегральной электроники или микроэлектроники.
В
схемотехническом отношении интегральная
электроника часто не отличается от
транзисторной, так как в интегральной
схеме можно выделить все элементы
принципиальной схемы устройства, но
размеры этих элементов очень малы
(примерно 0,5–1 мкм). Технология изготовления
интегральных схем позволила резко
повысить плотность упаковки, доведя ее
до тысяч элементов в 1 см
С
практической точки зрения электроника
занимается созданием электронных
приборов и устройств, в которых
взаимодействие электронов с
электромагнитными полями используется
для передачи, обработки и хранения
информации. Наиболее характерные виды
таких преобразований – генерирование,
усиление, передача и прием электромагнитных
колебаний с частотой до 1012Гц,
а также инфракрасного, видимого,
ультрафиолетового и рентгеновского
излучений (10
В электронике исследуются взаимодействия электронов как с макрополями в рабочем пространстве электронного прибора, так и с микрополями внутри атома, молекулы или кристаллической решетки.
Электроника опирается на многие разделы физики – электродинамику, классическую и квантовую механику, физику твердого тела, оптику, термодинамику, а также на химию, металлургию, кристаллографию и другие науки. Используя результаты этих и ряда других областей знаний, электроника, с одной стороны, ставит перед другими науками новые задачи, чем стимулирует их дальнейшее развитие, с другой – создает новые электронные приборы и устройства и тем самым вооружает науки качественно новыми средствами и методами исследования.
Практические задачи электроники:
разработка электронных приборов и устройств, выполняющих различные функции в системах преобразования и передачи информации в системах управления, в вычислительной технике, а также в энергетических устройствах;
разработка научных основ технологии производства электронных приборов и технологии, использующей электронные и ионные процессы и приборы для различных областей науки и техники.
Электроника играет ведущую роль в научно-технической революции. Внедрение электронных приборов в различные сферы человеческой деятельности в значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению производительности физического и умственного труда, улучшению экономических и экологических показателей производства. На основе достижений электроники развивается промышленность, выпускающая электронную аппаратуру для различных видов связи, автоматики, телевидения, радиолокации, вычислительной техники, систем управления технологическими процессами, приборостроения, а также аппаратуру светотехники, инфракрасной техники, рентгенотехники и др.
Радиоэлектроника, или как я начал её постигать / Habr
Добрый день, уважаемое сообщество.Меня все время удивляли люди, которые понимают в радиоэлектронике. Я всегда их считал своего рода шаманами: как можно разобраться в этом обилии элементов, дорожек и документации? Как можно только взглянуть на плату, пару раз «тыкнуть» осциллографом в только одному ему понятные места и со словами «а, понятно» взять паяльник в руки и воскресить, вроде как почившую любимую игрушку. Иначе как волшебством это не назовёшь.
Расцвет радиоэлектроники в нашей стране пришёлся на 80-е годы, когда ничего не было и все приходилось делать своими руками. С той поры прошло много лет. Сейчас у меня складывается впечатление, что вместе с поколением 70-х уходят и знания с умением. Мне не повезло: половину эпохи расцвета меня планировали родители, а вторую половину я провёл играя в кубики и прочие машинки. Когда в 12 лет я пошёл в кружок «Юный техник» — это были не самые благополучные времена, и ввиду обстоятельств через полгода пришлось с кружком «завязать», но мечта осталась.
По текущей деятельности я программист. Я осознаю, что найти ошибку в большом коде ровно тоже самое, что найти «плохой» конденсатор на плате. Сказано — сделано. Так как по натуре я люблю учиться самостоятельно — пошёл искать литературу. Попыток начать было несколько, но каждый раз при начале чтения книг я упирался в то, что не мог разобраться в базовых вещах, например, «что есть напряжение и сила тока». Запросы к великому и ужасному Гуглу также давали шаблонные ответы, скопированные из учебников. Попробовал найти место в Москве, где можно поучиться этому мастерству — поиски не закончились результатом.
Итак, добро пожаловать в кружок начинающего радиолюбителя.
Я люблю учиться и узнавать что-то новое, но просто знания мне мало. В школе мне привили навык «теорему нельзя выучить — её можно только понять» и теперь я несу это правило по жизни. Окружающие, конечно, смотрят с недоумением, когда вместо того, чтобы взять готовые решения и сложить по-быстрому их воедино я начинаю изобретать свои велосипеды. Второй довод для написания статьи — это мысль «если ты понимаешь предмет — ты можешь его с лёгкостью объяснить другому». Ну что ж, попробую сам понять и другим объяснить.
Первая моя цель, прямо как по книгам — аналоговый радиоприёмник, а там пойдем и в цифру.
Сразу хочу предупредить — статья написана дилетантом в радиоэлектронике и физике и является скорее рассуждением. Все поправки буду рад выслушать в комментариях.
Итак, чем что такое напряжение, ток и прочее сопротивление? В большинстве случаев для понимания электрических процессов приводят аналогию с водой. Мы не будем отходить от этого правила, правда с небольшими отклонениями.
Представим трубу. Для контроля некоторых показателей мы включим в неё несколько счётчиков расхода воды, манометров для измерения давления, и элементы, которые мешают току воды.
В электрическом эквиваленте схема будет выглядеть примерно так:
Напряжение
Курс физики нам говорит, что напряжение — это разность потенциалов между двумя точками. Если перекладывать определение на нашу трубу с водой, то потенциал — это давление, т. е. напряжение — это разница давлений между двумя точках. Этим и объясняется принцип его измерения вольтметром. Получается, что если попытаться измерить напряжение в двух соседних точках трубы, где нет никаких сопротивлений движению воды (отсутствуют краны и сужения, внутренним трением воды о стенки трубы мы пока пренебрежём) и давление не меняется — то разница давлений в этих двух точках будет равна нулю. Если же сопротивление присутствует, происходит снижение давления (в электрическом эквиваленте падение напряжения), то мы получим величину напряжения. Сумма напряжений на всех элементах равна напряжению на источнике. Т.е. если сложить показания всех вольтметров на нашей схеме, мы получим напряжение батареи.
Например, будем считать, что наша батарея даёт напряжение 5 вольт и резисторы имеют сопротивление 100 и 150 Ом. Тогда по закону Ома U=IR, или I=U/R, получаем, что по цепи течёт ток с силой I=5/250=20мА. Так как сила тока во всей цепи одинакова (пояснения чуть дальше), из того же закона Ома следует, что первый вольтметр покажет U=0,02*100=2В, а второй U=0,02*150=3В.
Сила тока
Из того же курса физики известно, что это количество заряда за единицу времени. В водяном эквиваленте — это сама вода, а её измеритель, амперметр — есть счётчик воды. Опять таки становится понятно, почему амперметр подключается в разрыв цепи. Если его подключить на место, например, вольтметра V1, то образуется новая цепь, из которой будет исключено сопротивление R1, а значит как минимум мы получим некорректные значения (что будет «как максимум»станет понятно чуть позже). Вернёмся к нашей водичке — подключение амперметра параллельно любому из элементов означает, что часть воды пойдёт по основной трубе, а другая часть пойдёт через счётчик — и как раз этот счётчик будет врать.
Ах, да, о цепи. В большинстве литературы что мне попадалось фраза о том, что батарейки являются лишь источником напряжения, и только сопротивления являются источником тока. Как же так? Как сопротивление может являться источником чего-то ещё, кроме как источником сопротивления (тепло пока не в счёт)? Все верно, если опираться на закон Ома I=U/R, однако сколько не прикладывай сопротивление, ток не появится, пока не будет источника напряжения и замкнутой цепи (ровно как если заткнуть справа нашу трубу пробкой что не делай — счётчики воды будут молчать)!
Сопротивление в цепи просто должно присутствовать, ведь если оно равно нулю — сила тока устремится в бесконечность. Такую ситуацию мы видим при «замыкании» — искры это и есть очень большая сила тока, а если точнее теплота, равная Q=(I^2)Rt (формула действительна при постоянной силе тока и сопротивления).
Ещё одно важное замечание — при рассмотрении расчёта напряжения и силы тока я не нашёл уточнений, что в замкнутой цепи на всех участках сила тока будет одинаковой. Т.е. все счётчики будут крутиться с одной скоростью и показывать одни и те же значения. По сути, количество тока, который прошёл по цепи аналогичен количеству «воды», вышедшей из трубы.
Сопротивление
Пожалуй, самое простое явление для объяснения. Вернувшись к нашей трубе, сопротивление — это есть все возможные сужения и краны. Согласно тому, что мы разобрали выше — при повышении сопротивления уменьшается ток во всей цепи и понижает напряжение на концах сопротивления. Или снова в водяных реалиях — закрытие нашего крана на пол оборота вызовет уменьшение расхода воды на всех счётчиках и пропорциональное (в зависимости от сопротивления) снижение давления на манометрах.
Так куда же все падает и уменьшается? Вот здесь аналогия с водой неоднозначна, так как в случае с электричеством «излишки» превращаются в тепло и рассеиваются. Количество теплоты, которое при этом выделяется, снова можно рассчитать формулой Q=(ΔI^2)Rt (снова при постоянном сопротивлении). Если поделить количество теплоты на время, получим мощность, которую нужно применить при выборе самого резистора P=Q/t=(ΔI^2)R.
Курить не круто!Когда я ходил в кружок Юный техник более старшие товарищи проводили «эксперименты» с прикуриванием от электричества. Для этого они брали блок питания, подключали к нему резисторы малой мощности и повышали напряжение. Повышали до тех пор, пока он не раскалялся до красна, как автомобильный прикуриватель. После этого, практически через мгновение резистор «перегорал» и отправлялся в мусорное ведро.
С постоянным током все понятно, а переменный?
Переменный ток, как таковой в радиоэлектронике используется редко. Его как минимум делают постоянным и в большинстве случаев снижают. Видимо по этому в попадавшейся мне литературе про него практически не говорится.
В чем же его отличие? C обывательской точки зрения, в малом — направление тока в нем меняется. Здесь аналогия с трубой не совсем уместна, первое что приходит в голову — шейкер для коктейлей (жидкость при смешивании в нем гуляет туда-сюда). Нам в радиоэлектронике нужно знать, как идёт ток в нашей цепи, чтобы получить от него то, что мы хотим.
Следующее, с чем я пошёл разбираться — полупроводники. Дырки? Электроны? Ключевой режим? Каскады? Полевой транзистор, то тот, который нашли в поле? Пока ничего не понятно…
Основы радиотехники и радиоэлектроники для радиолюбителей
Современный быт невозможно представить без радиоэлектронных приборов, таких как компьютер, телевизор и прочих девайсов. Все они могут со временем сломаться. Порой наступает разочарование, когда приходится платить приличные деньги за мелкий ремонт радиотехники. Возникает желание познать основы радиоэлектроники для начинающих.
Мастерская радиолюбителя
Основы электроники
Постигать радиотехнику нужно с изучения законов электрических процессов. Теоретический материал должен закрепляться домашними опытами создания простейших схем. Приобрести справочную литературу совсем нетрудно.
Пользуясь информацией в сети, можно найти видео радиолюбительских курсов. Без знания основных радиоэлементов невозможно разобраться даже в простейшей схеме детекторного радиоприёмника. В справочнике «Радиотехника для начинающих» приведены самые употребляемые радиоэлементы, из которых состоят печатные платы современных электронных устройств.
Нужно знать и владеть способами создания печатных плат. Необходимо получить знание о том, как эффективно применять пайку радиодеталей. Опыт в создании самодельных простейших электронных схем постепенно приведёт к овладению самостоятельным конструированием печатных плат.
Обратите внимание! Не обязательно покупать справочники. В сети публикуется много материала для начинающих радиолюбителей, которые можно скачать на свой компьютер. Видео уроки для начинающих любителей радиоэлектроники принесут много пользы.
Для определения характеристик электрических токов, протекающих на определённых участках схем и через сами радиодетали, нужно иметь измерительные приборы. Начинающему радиолюбителю достаточно приобрести компактный мультиметр.
Составляющие элементы
Для того чтобы получилась удобная мастерская радиолюбителя, достаточно выбрать для стола хорошо освещённый угол комнаты. На стене возле примыкающей стороны стола надо поместить несколько электрических розеток. Кроме того, понадобится следующее:
- электронные устройства;
- основные измерительные приборы;
- инструменты и материалы.
Электронные устройства
Регулируемый блок питания
В первую очередь надо обзавестись регулируемым блоком питания. Блок подключают к бытовой электросети. Переменный ток преобразуется в постоянный с напряжением от 3 до 12 вольт. Устройство состоит из трансформатора, выпрямителя и стабилизатора.
Регулируемый блок питания
Трансформатор
Его вторичная обмотка понижает напряжение тока, который поступает на первичную катушку из электросети, с 220 до 12 вольт. Обе обмотки трансформатора надёжно изолированы друг от друга. Поэтому попадание высокого напряжения на вторичную обмотку в случае пробоя первой катушки абсолютно исключено.
Выпрямитель
Пониженное переменное напряжение поступает на диодный мостик выпрямителя. Переменный ток теряет возвратную способность и преобразуется в постоянный электрический поток. Для исключения пульсации напряжения на выходе ток протекает через электролитический конденсатор.
Стабилизатор
Основой стабилизатора выступает микросхема МС34063. Радиодеталь оснащена узлом, защищающим от перегрузки и короткого замыкания в цепи.
Многофункциональная розетка
Многофункциональное питающее устройство позволяет создать максимально комфортные условия работы радиолюбителя. В процессе сборки и монтажа радиосхем часто требуется подключение одновременно нескольких потребителей, как сетевого, так и постоянного тока напряжением 12 вольт.
Многофункциональная розетка
В корпусе многофункционального оборудования встроен общий выключатель для всех разъёмов. Также устройство снабжено блоком преобразователя переменного тока.
Дополнительная информация. Многофункциональную розетку можно приобрести в готовом виде. Начинающему радиолюбителю будет интересно собрать такое устройство своими руками.
Основные измерительные приборы
К основным измерительным приборам относятся амперметр, вольтметр и омметр. Как правило, приборы занимают довольно много места на рабочем столе. Выходом из этого положения будет приобретение мультиметра (тестера). Цифровое устройство заменяет собой сразу все три прибора.
Что такое мультиметр
Тестер оснащён жидкокристаллическим экраном. Прибором измеряют переменные и постоянные характеристики токов в разных диапазонах. Универсальное устройство может измерить постоянное и переменное напряжение, силу постоянного тока, величину сопротивления. Мультиметром тестируют диоды и конденсаторы, а также другие радиоэлементы.
На передней панели находятся:
- ЖК-дисплей. Он показывает значения величин различных характеристик тока в цифровом изображении.
- В центре находится вращающийся диск с указателем. Его устанавливают напротив метки требуемого режима измерения.
- Вокруг диска расположены следующие обозначения:
- OFF – прибор выключен;
- ACV – измерение переменного напряжения;
- DCV – то же постоянного напряжения;
- DCA – измерение величины постоянного тока;
- Ω – замер сопротивления.
- В гнездо COM вставляют наконечник чёрного провода.
- Гнездо «10АDC» красного провода служит для измерения напряжения или тока до 10 ампер.
- Разъёмом «VRmA» пользуются для замера токов до 200 mA.
- Для определения сопротивления служит гнездо со знаком «Ω».
- Клеммное отверстие под знаком « ▬►▌▬» используется для проверки электроцепи на разрыв.
Мультиметр
Важно! При использовании приборов надо помнить, что чёрный провод должен быть всё время подключён к гнезду COM со знаком «-». Если щупы перепутать местами, то сгорит плавкий предохранитель измерительного устройства.
Инструменты и материалы
Рабочий стол радиолюбителя должен быть укомплектован необходимыми инструментами и материалами.
Инструменты
Самые необходимые инструменты составляют следующий набор:
- Паяльник.
- Индукционная паяльная станция.
- Паяльный фен.
- Сопутствующие приспособления.
Паяльник
Главным орудием радиомастера является паяльник. Без овладения искусством пайки схем и радиодеталей невозможно постичь для начинающих радиолюбителей основы радиотехники. Для новичка лучше начинать сразу пользоваться импульсным паяльником.
Электроинструмент практически моментально нагревается до температуры плавления припоя. Его жало в виде изогнутой проволоки позволяет наносить расплавленный металл точно в место пайки.
Индукционная паяльная станция
Станция снабжена паяльником, в котором отсутствует передающий нагревательный элемент. Ферромагнитная поверхность жала является продолжением монолитного сердечника из меди. Стержень своим концом входит в индукционную катушку.
Система станции рассчитана на постоянную поддержку уровня нагрева жала паяльника. Это позволяет избежать лишнего расхода электроэнергии и не допустить перегрева в зоне пайки.
Достигнув определённого уровня температуры, ферромагнитная оболочка сердечника перестаёт воспринимать переменное магнитное поле индукционной катушки, и жало начинает остывать. Падение температуры восстанавливает свойства ферромагнитного покрытия, и нагрев сердечника возобновляется.
Паяльный фен
Термофен для радиолюбителей появился сравнительно недавно. Прибор нагнетает через узкое сопло раскалённый воздух в место пайки. Его температура достигает уровня плавления припоя. С помощью паяльного фена легко удаляют пайку или монтируют радиодеталь на печатной плате.
Спираль из нихромной проволоки охватывает цилиндр воздуховода. Чтобы избежать потери тепла, спираль сверху оборачивают слюдой или другим теплоизолятором. Воздушный поток создаёт встроенный вентилятор.
Термофен
Сопутствующие приспособления
Для фиксации деталей используют различные зажимы, минитиски и струбцины. Делают платформы из деревянной планки, в которой фрезой вырезают углубления под чашечки для свечей. Их заполняют флюсом, припоем и медной стружкой для очистки жала паяльника. Набор надфилей, кусачки и скальпель всегда пригодятся в работе радиолюбителя.
Материалы
Вот примерный список материалов для начинающего радиотехника:
- текстолит для изготовления печатных плат;
- жидкость для травления;
- припой и флюс;
- салфетки или медная стружка.
Букварь начинающего телемастера
Желание освоить мастерство ремонта телевизоров является стимулом освоения основ радиотехники для начинающих. В сети интернет публикуется много материалов, где информация выстроена в виде букваря для начинающих телемастеров.
Телемастер за работой
Здесь расскажут о том, как устроен современный телевизор, ознакомят с методиками определения и устранения неисправностей. Изучая информацию, новичок сможет понять устройство телевизионного прибора, его структурную схему, узнать о модулях и узлах аппарата и про их взаимодействие.
Наряду с этим, на рынке печатной продукции можно найти книги, выпущенные в форме букваря для начинающих телемастеров. Это удобная форма подачи необходимой информации для новичка в радиотехнике.
Меры предосторожности
В работе радио,- и телемастера нужно избегать рисков воздействия опасного для жизни и здоровья человека напряжения. Нельзя оставлять включёнными приборы и инструменты, покидая рабочее место. Надо пользоваться единым выключателем, который прерывает электропитание всей системы энергообеспечения рабочего стола радиомастера.
Для новичка есть все возможности овладеть радиоделом. В средствах массовой информации всегда можно найти нужный справочный материал. Рынок радиотехники предоставляет широкий выбор электронных устройств, инструментов, материалов и измерительных приборов.
Видео
Радиотехника и Электроника. Учебные материалы и Лекции
Принципы теории и построения ламповых и транзисторных генераторов с независимым возбуждением и автогенераторов, вопросы стабилизации частоты, основные методы формирования радиосигнала — амплитудная, однополосная, угловая и импульсная модуляции.
Классификация радиотехнических сигналов, основы теории детерминированных и случайных сигналов, показано преобразование сигналов линейными и нелинейными цепями, дан теоретический материал по оптимальной и дискретной фильтрации сигналов.
Изучение принципов и особенностей работы полупроводниковых приборов, аналоговых и цифровых узлов и устройств.
Формирование знаний, умений и навыков по анализу и синтезу электрических цепей, расчету реакций цепи на аналоговые и дискретные воздействия.
Основные понятия и определения, технические показатели усилителей. Обратная связь и её влияние на параметры усилителя. Схемы каскадов на биполярных и полевых транзисторах. Выходные каскады усилителя (ВКУ). Основные методы высокочастотной коррекции и др.
Получение знаний по общим вопросам энергообмена в электронных СВЧ и квантовых приборах. Знание основных функциональных возможностей и областей применения этих приборов. Приобретение навыков работы с учебной и справочной литературой по приборам СВЧ и ОД.
Получение знаний по физическим основам полупроводниковых материалов, изучении процессов происходящих в различных электронных приборах, их характеристики и параметры, приобретение умений расчета их основных параметров по характеристикам.
Конспекты лекций, все лекции — Электроника и схемотехника
все лекции по электронике
Comments
- Please sign in or register to post comments.
Preview text
1. Полупроводниковые приборы Полупроводниковыми называются приборы, действие которых основано на использовании свойств веществ, занимающих по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельная электропроводность полупроводников s = 102…10-8 См/м (у проводников s = 104…103 См/м, у диэлектриков s < 10-8 См/м). Согласно зонной теории, к полупроводникам относятся вещества, ширина запрещенной зоны DW которых не превосходит 3 эВ. Электрические свойства полупроводников зависят от внешних условий: температуры, освещенности, внешних полей и др. Характерной особенностью полупроводников является повышение их электропроводности с увеличением температуры и при введении примесей. В качестве веществ, используемых для изготовления полупроводниковых приборов, широко используются германий Ge, кремний Si (элементы четвертой группы таблицы Менделеева) и арсенид галлия GaAs. Они имеют монокристаллическую структуру и кристаллическую решетку алмазного типа: каждый атом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Атомы удерживаются в узлах решетки за счет валентных электронов. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами — по одному от каждого атома. Такая связь между атомами называется ковалентной. Каждый атом указанных выше веществ на наружной оболочке имеет четыре валентных электрона. Поэтому каждый атом образует четыре ковалентных связи с четырьмя ближайшими от него атомами. В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет восемь электронов и становится полностью заполненной. Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую решетку имеют все химически чистые беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля (–273°С). В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов. Суть ковалентной связи атомов полупроводников поясняется рис. 1.1 Рисунок 1.1. 1.2. Электропроводность полупроводников Электропроводность полупроводников, как и других твердых тел, определяется направленным движением электронов под действием внешнего электрического поля. Существенные отличия электропроводности полупроводников от проводников и диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм, показанных на рис. 1.2. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная зона, 3 — запрещенная зона. Рисунок 1.2. У проводников запрещенная зона отсутствует. Как видно из рисунка, зона проводимости и валет пая зона частично перекрываются. При этом образуется свободная зона, имеющая свободные энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические уровни. Это определяет возможность их перемещения под действием внешнего электрического поля и хорошую электропроводность металлов. В полупроводниках валентная зона и зона проводимости разделены неширокой запрещенной зоной (DW = 0,67эВ для Ge; 1,12 эВ для Si; 1,41 эВ для GaAs). Под действием внешнего электрического поля, теплового, светового и другого излучений возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные энергетические уровни, а в зоне проводимости появляются свободные электроны, называемые электронами проводимости. Этот процесс называют генерацией пар носителей, а не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне — дыркой. Рисунок 1.3. Здесь по оси абсцисс отложена вероятность Р заполнения электронами соответствующих энергетических уровней Минимальное значение энергии зоны проводимости обозначено 1УП, максимальное значение энергии валентной зоны — IVB. При температуре абсолютного нуля ( — 273 С) все валентные уровни заполнены с вероятностью, равной Р=1, а вероятность заполнения любого уровня зоны проводимости равна нулю. Это показано на рис. 1.3 ломаной линией 1. При комнатной температуре часть валентных электронов переходит в зону проводимости, поэтому вероятность заполнения электронами валентной зоны оказывается несколько меньше единицы, а вероятность заполнения электронами зоны проводимости более нуля (кривая 2). Уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, а вероятность заполнения этого уровня равна 0,5. Однако поскольку он находится в запрещенной зоне, то практически электроны не могут стабильно находиться на этом уровне. Прямая 3 на рис. 1.3 характеризует теоретические случаи, когда температура стремится к бесконечности. В этом случае вероятность заполнения любого разрешенного уровня стремится к 0,5. Из-за малой ширины запрещенной зоны у полупроводников даже при комнатной температуре наблюдается заметная проводимость. У диэлектриков из-за большой ширины запрещенной зоны проводимость при этом крайне мала. Если внешнее электрическое поле отсутствует, то в полупроводнике наблюдается хаотическое тепловое движение электронов и дырок. В электрическом поле движение электронов и дырок становится упорядоченным. Проводимость полупроводника обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок. В полупроводнике различают проводимости n-типа (от слова negative — отрицательный), обусловленную движение электронов, p-типа (от слова positive — положительный), обусловленную движением дырок. Плотность тока в полупроводнике J [А/см2] равна сумме электронной Jn и дырочной Jp составляющих: , (1.1.) где mn — подвижность электронов, mp — подвижность дырок; qe — заряд электрона, Е — напряженность электрического поля. Подвижность [м2/(В·с)] характеризует среднюю скорость перемещения носителей заряда под действием электрического поля напряженностью 1 В/м: . Подвижность зависит от вида полупроводника и типа носителей заряда. У носителей n-типа она выше, чем у носителей p-типа. Как видно из приведенной выше формулы, электропроводность полупроводника зависит от подвижности носителей заряда, а также их концентрации. Введение примесей в полупроводник существенно изменяет его проводимость. Введение в четырехвалентный полупроводник пятивалентной примеси, например фосфора (F), позволяет получить донорную проводимость (n-типа). Введение трехвалентной примеси, например бора (В), позволяет получить полупроводник с акцепторной проводимостью (p-типа). Энергетические диаграммы полупроводников n- и p-типа показаны на рис. 1.4, а. Рисунок 1.4. В отличие от собственного полупроводника у полупроводника n-типа кривая распределения Ферми — Дирака и уровень Ферми смещаются вверх. Это объясняется тем, что атомы примеси обладают энергетическими уровнями, отличающимися от уровней собственного полупроводника. Пятивалентные примеси имеют энергетические уровни валентных электронов вблизи зоны проводимости собственного полупроводника. Величина DWn = Wn — WF мала (около 0,05 эВ), поэтому даже при комнатной температуре почти все электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости. Концентрация электронов в зоне проводимости полупроводника n-типа определяется выражением nn = Nд + nl » Nд, где Nд — концентрация доноров. где Dn и Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно. Коэффициент диффузии равен числу носителей заряда, диффундирующих за одну секунду через единичную площадку при единичном градиенте концентрации. Знак «минус» в формуле означает, что диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации, а так как дырки имеют положительный заряд, то диффузионный ток будет положительным при dp/dx<0. Коэффициенты диффузии зависят от типа полупроводника, концентрации примесей, температуры и состояния кристаллической решетки. Например, при комнатной температуре для германия Dn » 100 см 2/с, Dр» 47 см2/с для кремния Dn » 30 см2/с, Dp »13cм2/c. Коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей заряда соотношением Эйнштейна: Общий ток в полупроводнике может содержать четыре составляющие: . Концентрация носителей заряда в электронном объеме полупроводника может изменяться за счет генерации и рекомбинации носителей, а также при возбуждении полупроводника (например, при освещении, действии внешнего электрического или магнитного поля). При возбуждении полупроводника концентрация подвижных носителей заряда — электронов (n) и дырок (p)- превышает равновесную концентрацию (n0 и p0). Это приводит к увеличению проводимости полупроводника. Электроны или дырки проводимости, не находящиеся в термодинамическом равновесии, называются неравновесными носителями заряда. После прекращения действия возбуждающего фактора избыточные концентрации носителей заряда (например, электронов Dn = n — n0) стремятся к нулю в результате процесса рекомбинации. При этом главную роль играют особые центры рекомбинации — ловушки, обладающие локальными энергетическими уровнями в запрещенной зоне. Они способны захватить электрон из зоны проводимости и дырку из валентной зоны, осуществляя их рекомбинацию. Такими ловушками являются дефекты кристаллической решетки внутри и на поверхности полупроводника. Скорость уменьшения концентрации неравновесных носителей заряда вследствие рекомбинации характеризуется временем жизни неравновесных носителей заряда tн: , где tоб — объемное время жизни неравновесных носителей заряда; tпов — поверхностное время жизни неравновесных носителей заряда. Объемное время жизни уменьшается с ростом плотности дефектов решетки. Увеличение концентрации примесей в полупроводнике также уменьшает tоб. Максимальное значение tоб имеет собственный полупроводник. На поверхности полупроводника имеется большое количество различных дефектов, которым соответствуют в запрещенной зоне незанятые энергетические уровни, играющие роль ловушек. Скорость поверхностной рекомбинации зависит от геометрии полупроводника, состояния поверхности и подвижности носителей заряда. Спад начальной избыточной концентрации Dn(0) во времени подчиняется экспоненциальному закону . Следовательно, время жизни неравновесных носителей можно определить интервалом времени, за которое избыточная концентрация уменьшается в е раз. Результирующая скорость спада избыточной концентрации в полупроводнике . Здесь n/tн представляет собой скорость рекомбинации и зависит от мгновенного значения избыточной концентрации носителей заряда, а n0/tн — скорость генерации носителей заряда, которая зависит от равновесной концентрации носителей заряда. Величина tн является временем жизни избыточных носителей, одинаковым для электронов и дырок и близким к времени жизни неосновных носи гелей. Зная время t н, можно определить среднее расстояние, которое проходят носители заряда. Оно называется диффузионной длиной L. Так, для электронов . Концентрация носителей заряда зависит от координаты X и времени t. Скорость изменения концентрации носителей заряда зависит от избыточной концентрации, ее градиента и пространственной производной градиента. Эту зависимость можно найти, решая уравнение непрерывности. Для потока дырок в полупроводнике n-типа оно имеет вид: . Дивергенция вектора плотности потока характеризует скорость накопления (или рассасывания) носителей заряда в элементарном объеме полупроводника, Электронно-дырочные переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов (в диодах и полевых транзисторах используются по одному p-n переходу, в биполярных транзисторах — два p-n перехода, в тиристорах — три p-n перехода). Поэтому очень важным является понимание физических явлений и электрических свойств p-n перехода. Формирование p-n-перехода. Предположим, что p-n переход образован электрическим контактом полупроводников n- и p-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 1.5, a).На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок. Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, возникает диффузионный ток электронов из p-области в n-область. А из-за того, что концентрация дырок в pобласти выше, чем в n-области, возникает диффузионный ток дырок из p-области в nобласть. В результате диффузии основных носителей заряда в граничном слое происходит рекомбинация. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами. Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд, обусловленный положительными ионами. На рис. 1.5, б показано распределение концентраций дырок p(x) и электронов n(x) в полупроводнике. В граничном слое образуется электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как показано на рис. 1.5, а. Рисунок 1.5. Рисунок 1.6. Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Теперь любой электрон, проходящий из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в электронную область. Аналогично любая дырка, проходящая из p-области в n-область, также попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить ее обратно в дырочную область. Внутреннее поле является ускоряющим для неосновных носителей. Если электроны p-области вследствие, например, хаотического теплового движения попадут в зону pn перехода, то внутреннее поле обеспечит их быстрый переход через приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n переход дырки n-области. Для них внутреннее поле также является ускоряющим. Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток направлен встречно диффузионному току основных носителей заряда. Если к полупроводнику не прикладывается внешнее напряжение, то результирующий ток через p-n переход отсутствует: . Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов UK (рис. 1. 5, в). Эта разность потенциалов препятствует перемещению основных носителей заряда, т. е. создает потенциальный барьер. Для того чтобы преодолеть потенциальный барьер электрон должен обладать энергией W = qeUK. С увеличением потенциального барьера диффузионный ток должен убывать. Толщина слоя h, в котором действует внутреннее электрическое поле, мала и определяет толщину p-n перехода (обычно h < 10-6 м). Однако сопротивление этого слоя велико, поскольку он обеднен основными носителями заряда. Поэтому его часто называют запирающим. При одинаковых концентрациях носителей зарядов в p- и n-областях полупроводника толщина p-n перехода образуется из двух равных частей hp и hn(см. рис. 1.5, а). В общем случае справедливо соотношение Nаhp = Nдhn. (1.6.) Контактная разность потенциалов и толщина р-n-перехода зависят от концентрации доноров и акцепторов: ; (1.7) , (1.8.) где с — диэлектрическая проницаемость. Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток Iр постепенно спадает в n-области до нуля. ПCСодержание курса лекций
1.Общая характеристика задач радиоэлектроники.
1.1.Введение
1.1.1.Предмет радиоэлектроники
1.1.2.Информация, сообщение, сигнал
1.1.3.Диапазон радиоволн и частот
1.1.4.Классификация радиосистем и решаемых ими задач
1.1.5.Обобщенная схема системы передачи информации
1.2.Модели сигналов, помех и систем в современной теории связи
1.2.1.Классификация сигналов и помех
1.2.2.Помехи
1.2.3.Модели канала связи
2.Характеристики детерминированных сигналов.
2.1.Общие сведения
2.1.1.Описание сигналов
2.1.2.Энергетические характеристики сигналов
2.1.3.Гармоническое колебание
2.1.4.Задачи
2.2.Спектральные характеристики периодических сигналов
2.2.1.Обобщенный ряд Фурье
2.2.2.Тригонометрический ряд Фурье
2.2.3.Действительный частотный спектр сигнала
2.2.4.Комплексный ряд Фурье и спектр сигнала
2.2.5.Распределение мощности в спектре периодического сигнала
2.2.6.Огибающая спектра периодического сигнала
2.2.7.Пример: периодическая последовательность прямоугольных импульсов
2.2.8.Задачи
2.3.Чаcтотные характеристики непериодических сигналов
2.3.1.Пара преобразований Фурье. Спектральная плотность сигнала
2.3.2.Связьмежду огибающей спектра периодического сигнала и спектральной плотностью непериодического сигнала той же формы
2.3.3.Распределение энергии в спектре непериодического сигнала
2.3.4.Примеры. Одиночный прямоугольный импульс. Экспоненциальный импульс. Гауссов импульс
2.3.5.Задачи
2.4.Свойства преобразований Фурье
2.4.1.Линейная комбинация сигналов
2.4.2.Сдвиг сигнала во времени
2.4.3.Изменение масштаба времени
2.4.4.Смещение спектра сигнала
2.4.5.Произведение двух сигналов
2.4.6.Произведение спектров двух сигналов
2.4.7.Дифференцирование и интегрирование сигналов
2.4.8.Взаимная заменяемость частоты и времени в преобразованиях Фурье
2.4.9.Ширина спектра и длительность сигнала
2.4.10.Спектральная плотность основных тестовых сигналов
2.4.11.Задачи
2.5.Операторная форма представления сигналов
2.5.1.Преобразование Лапласа на плоскости комплексной частоты
2.5.2.Основные свойства преобразования Лапласа
2.5.3.Определение оригинала по изображению
2.5.4.Задачи
2.6.Корреляционные функции сигналов
2.6.1.Взаимная и автокорреляционные функции сигнала
2.6.2.Связь между автокорреляционной функцией и спектром сигнала
2.6.3.Примеры
2.6.4.АКФ периодического сигнала
2.6.5.Задачи
2.7.Радиосигналы
2.7.1.Общие определения
2.7.2.Амплитудно-модулированные сигналы
2.7.3.Радиосигналы с угловой модуляцией
2.7.4.Амплитудно-частотная модуляция
2.7.5.Узкополосный сигнал
2.7.6.Аналитический сигнал
2.7.7.Задачи
3.Линейные цепи при произвольных воздействиях.
3.1.Передаточные характеристики линейной цепи
3.1.1.Классификация методов анализа прохождения сложных сигналов через линейные цепи
3.1.2.Частотная передаточная характеристика цепи
3.1.3.Переходная и импульсная характеристики цепи
3.1.4.Операторная передаточная характеристика цепи
3.1.5.Связь между передаточными характеристиками цепи
3.1.6.Задачи
3.2.Частотный метод анализа
3.2.1.Обоснование частотного метода
3.2.2.Условия неискаженной передачи сигнала линейным четырехполюсником
3.2.3.Чаcтотные фильтры. Классификация и основные параметры
3.2.4.Простейшие фильтры первого порядка
3.2.5.Простейшие дифференцирующие и интегрирущие цепи
3.2.6.Простейшие фильтры второго порядка
3.2.7.Прохождение амплитудно-модулированных колебаний через колебательную систему
3.2.8.Прохождение частотно-модулированных колебаний через колебательную систему
3.2.9.Задачи
3.3.Анализ прохождения сигнала с помощью интегралов наложения (временной метод)
3.3.1.Интегралы Дюамеля (наложения)
3.3.2.Апериодические цепи при импульсном воздействии
3.3.3.Колебательные цепи при произвольном воздействии
3.3.4.Задачи
3.4.Операторный метод
3.4.1.Сущность операторного метода
3.4.2.Примеры применения операторного метода
4.Элементы статистической радиотехники.
4.1.Случайные процессы в радиотехнике
4.1.1.Статистическая модель системы передачи информации
4.1.2.Случайные события, функции, процессы. Общие определения
4.1.3.Параметры и характеристики случайных процессов
4.1.4.Виды случайных процессов
4.1.5.Примеры случайных процессов
4.1.6.Задачи
4.2.Спектральные характеристики случайных процессов
4.2.1.Энергетический спектр случайного сигнала
4.2.2.Широкополосный случайный процесс. Белый шум
4.2.3.Узкополосный случайный процесс
4.2.4.Задача
4.3.Корреляционные характеристики случайного процесса
4.3.1.Связь ковариационной функции с энергетическим спектром
4.3.2.Взаимная корреляционная функция двух случайных процессов с нулевым средним
4.3.3.Задача
4.4.Прохождение случайных сигналов через линейные цепи с постоянными параметрами
4.4.1.Преобразование характеристик случайного сигнала в линейных цепях
4.4.2.Спектральная плотность мощности и корелляционная функция случайного процесса на выходе линейной цепи
4.4.3.Дифференцирование и интегрирование случайного процесса
4.4.4.Нормализация случайного процесса в узкополосных линейных цепях
4.4.5.Задачи
4.5.Основы теории обнаружения и различения сигнала на фоне помех
4.5.1.Постановка задачи оптимального приема
4.5.2.Критерии оптимального обнаружения сигнала
4.5.3.Оптимальное обнаружение полностью известного сигнала
4.5.4.Обнаружение сигнала со случайными параметрами
4.5.5.Оптимальное различение полностью известных сигналов
4.5.6.Оценка параметров сигнала
4.6.Основы теории оптимальной (согласованной) фильтрации
4.6.1.Оптимальный фильтр
4.6.2.Механизм работы оптимального фильтра
4.6.3.Спектральные характеристики оптимального фильтра
4.6.4.Отношение сигнал — шум на выходе оптимального фильтра
4.6.5.Оптимальные сигналы
4.6.6.Задачи
4.7.Обобщенная линейная фильтрация
4.7.1.Принципы обобщенной линейной фильтрации
4.7.2.Кепстр мощности
4.7.3.Кепстральный анализ
4.7.4.Задачи
5.Основы синтеза линейных цепей.
5.1.Введение
5.1.1.Задачи и этапы синтеза линейных цепей
5.1.2.Характеристики и функции цепи и связь между ними
5.2.Синтез двухполюсников
5.2.1.Свойства обобщенных входных функций
5.2.2.Критерии физической осуществимости
5.2.3.Реализация двухполюсника по заданной входной функции
5.2.4.Синтез реактивных двухполюсников
5.2.5.Задачи
5.3.Синтез четырехполюсников
5.3.1.Свойства обобщенных передаточных функций
5.3.2.Синтез четырехполюсника по заданной частотной характеристике
5.3.3.Синтез фильтров нижних частот
5.3.4.Синтез различных фильтров на основе ФНЧ
5.3.5.Задачи
6.Дискретная обработка сигналов.
6.1.Дискретизация аналоговых сигналов.
6.1.1.Структурная схема цифровой обработки сигналов
6.1.2.Дискретизация аналоговых сигналов. Ряд Котельникова
6.1.3.Спектр дискретизированного сигнала
6.1.4.Дискретизация узкополосного сигнала
6.1.5.Задачи
6.2.Цифровая фильтрация.
6.2.1.Принцип дискретной фильтрации
6.2.2.Передаточная характеристика цифрового фильтра
6.2.3.Примеры цифровых фильтров
6.2.4.Цифровой согласованный фильтр
6.2.5.Задачи
7.Основы теории информации и кодирования.
7.1.Информация, сообщение, сигнал
7.1.1.Общие сведения
7.1.2.Понятия о кодировании
7.1.3.Помехоустойчивость
7.2.Кодирование сообщений
7.2.1.Код. Общие понятия
7.2.2.Дискретизация и квантование
7.2.3.Импульсно-кодовая модуляция
7.2.4.Корректирующие коды
7.2.5.Задача
8.Прохождение детерминированных сигналов через активные линейные цепи
8.1.Нелинейные пассивные и активные элементы радиоэлектронных средств
8.1.1.Двухполюсные нелинейные элементы
8.1.2.Многополюсные нелинейные элементы
8.1.3.Статические и динамические параметры нелинейного элемента
8.1.4.Аппроксимация характеристик резистивного нелинейного элемента
8.1.5.Задачи
8.2.Усилители как активные линейные четырёхполюсники
8.2.1.Общие сведения
8.2.2.Классификация усилителей
8.2.3.Основные показатели и характеристики усилителя
8.3.Усилители низкой частоты
8.3.1.Основная схема усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером
8.3.2.Графический анализ усилительного каскада с ОЭ
8.3.3.Схема замещения транзистора с общим эмиттером
8.3.4.Эквивалентная схема каскада с ОЭ, частотная характеристика
8.3.5.Двухкаскадный УНЧ
8.3.6.Задачи
8.4.Резонансный усилительный каскад
8.4.1.Принципиальная схема каскада
8.4.2.Выбор рабочей точки и графический анализ
8.4.3.Эквивалентная схема каскада
8.4.4.Частичное включение к контуру транзистора
8.4.5.Задачи
8.5.Обратные связи в усилителях
8.5.1.Основные сведения и классификация
8.5.2.Основное соотношение
8.5.3.Параметры усилителя с ОС
8.5.4.Характеристики усилителей с ООС
8.5.5.Задачи
8.6.Усилители постоянного тока
8.6.1.Общие сведения
8.6.2.Принципиальная схема и основные параметры ДК
8.7.Операционный усилитель
8.7.1.Общие
сведения
8.7.2.Понятие идеального
операционного усилителя
8.7.3.Функциональные схемы на ОУ
8.7.4.Активные RC-фильтры
8.7.5.Задача
9.Функциональные преобразования сигналов в нелинейных электронных цепях
9.1.Воздействие гармонического и квазигармонического сигнала на НЭ с кусочно-линейной ВАХ
9.1.1.Режимы работы НЭ
9.1.2.Спектр выходного тока при гармоническом сигнале на входе
9.1.3.Усилители мощности низкой частоты
9.1.4.Усилитель мощности высокой частоты
9.1.5.Умножитель частоты
9.1.6.Амплитудный детектор
9.1.7.Диодный амплитудный детектор
9.1.8.Задачи
9.2.Воздействие бигармонического сигнала на НЭ с кусочно-линейной ВАХ
9.2.1.Общие сведения о сигналах
9.2.2.Амплитудный модулятор
9.2.3.Преобразователь частоты
9.2.4.Задача
9.3.Преобразование сигналов в НЭ с полиномиальной ВАХ
9.3.1.Преобразование гармонического сигнала. Спектр тока
9.3.2.Квадратичный амплитудный детектор
9.3.3.Умножитель частоты
9.3.4.Преобразователь частоты
9.3.5.Амплитудный модулятор
9.3.6.Амплитудный модулятор с параметрическим изменением крутизны
9.3.7.Задачи
10.Автогенераторы гармонических колебаний
10.1.Автогенераторы с внешней обратной связью
10.1.1.Структурная схема автогенератора
10.1.2.Механизм возбуждения
10.1.3.Линейная модель возбуждения автогенератора
10.1.4.Анализ стационарного режима автогенератора
10.1.5.Мягкий и жесткий режимы самовозбуждения автогенератора
10.1.6.Принцип построения схем автогенераторов
10.1.7.Кварцевые автогенераторы
10.1.8.Задача
10.2.Автогенераторы с внутренней обратной связью
10.2.1.Принцип работы
10.2.2.Генератор на туннельном диоде
10.2.3.Задача
10.3.Автогенераторы низкой частоты
10.3.1.Принцип построения схем
10.3.2.Автогенераторы с RC фазосдвигающими цепочками
10.3.3.Мостовая схема
10.3.4.Задача
11.Угловая модуляция и детектирование
11.1.Устройства угловой модуляции
11.1.1.Связь частотной и фазовой модуляции
11.1.2.Частотная модуляция в автогенераторе
11.1.3.Косвенная частотная модуляция с помощью фазового модулятора
11.1.4.Задача
11.2.Детектирование сигналов с угловой модуляцией
11.2.1.Структурные схемы частотного и фазового детекторов
11.2.2.Одноконтурный частотный детектор
11.2.3.Двухконтурный частотный детектор
11.2.4.Двухконтурный частотный детектор на связанных контурах
11.2.5.Фазовые детекторы
12.Параметрические цепи
12.1.Параметрические элементы
12.1.1.Общие сведения
12.1.2.Нелинейная емкость как параметрический элемент
12.2Параметрические усилители и генераторы
12.2.1.Принцип параметрического усиления
12.2.2.Одноконтурный параметрический усилитель
12.2.3.Параметрическое возбуждение колебаний
13.Воздействие случайных сигналов на нелинейные цепи
13.1.Преобразование случайного процесса в безинерционных нелинейных элементах
13.1.1.Общие замечания
13.1.2.Воздействие гауссовского шума на элемент с симметричной квадратичной характеристикой
13.1.3.Воздействие гауссовского процесса на нелинейный элемент с кусочно-линейной аппроксимацией
13.1.4.Преобразование спектра случайного процесса в безинерционном нелинейном элементе
13.2.Примеры определения характеристик случайного процесса на выходе нелинейной цепи с фильтром
13.2.1.Воздействие узкополосного шума на “линейный” амплитудный детектор
13.2.2.Воздействие суммы гармонического сигнала и узкополосного гауссовского шума на амплитудный детектор
13.2.3.Воздействие суммы гармонического сигнала и узкополосного гауссовского шума на частотный детектор
13.2.4.Задачи
Начинающим | Электроника для всех
Иногда нужно измерять амплитуду сетевого напряжения, или частоту или еще какие параметры. Вот как у меня тут — перед включением компрессорной установки надо убедиться, что напряжение в сети не ниже номинальной. Иначе движок не стартанет, а вентили могут не встать в нужное положение. Главная сложность тут в том, что крайне желательно иметь гальваническую развязку от сетевого напряжения. Т.е. напрямую измерять сетевую напругу через простой делитель может быть черевато.
▌Измерить толщину сиськи
Изначально в проекте было заложено вот такое решение:
На резистора гасится большая часть напряжения, стабилитрон стоит тут больше для подстраховки и в качестве обратного диода для противоположной полуволны. На деле он не особо нужен.
Ну, а дальше все просто. У оптопары h21L1M внутри стоит триггер Шмитта, т.е. есть некоторый гистерезис на включение и выключение. Включается он при токе через его светодиод примерно в 1мА, а выключается на токе 0.8мА.
Если посмотреть осциллограмму тока на светодиоде, сняв ее с резистора R35, то увидим такую картину для 220 вольт:
Разрешение 50мВ на деление, триггер стоит на 80мВ по спаду.
Включаться он должен на 100мВ, а выключаться на 80мВ, что будет 1мА и 0.8мА соответственно. Курсорами выделены моменты включения и выключения. Разница по времени, dx = 8.38ms
Если снизить напряжение до 110 вольт, то:
dx уменьшится до 6.94ms т.е. А что такое миллисекунда для микроконтроллера тикающего на мегагерцовых частотах? Да колоссальная величина! Замерить ее точно таймером в режие захвата не составляет проблем. Дальше сунуть в память таблицу соответствия и, казалось бы, все круто? Да, но не совсем…
Решение дешевое, простое. Но не слишком точное. А в ряде случаев его вообще не получится применить.
Вся проблема в том, что длительность у нас от амплитуды зависит косвенно. В идеальном мире оно бы проканало, но современные сети, особенно промышленные, сильно засраны разными импульсными потребителями.
Вроде всяких там, сварочников, инверторов, мощных приводов и прочего. Что искажает форму синуса. Делая его вообще каким-то непотребным. А если это не синус, а херня какая-то, то все эти наши красивые построения основанные на таймингах пролетают. Во-первых, точность падает катастрофически, а она изначально была так себе. Во-вторых, калибровать придется каждый раз под новую сеть, раз и навсегда таблицы в память не забить. Ну и форма синуса зависит вовсе не от вас, а от ООО «Сварщик каннибал» расположенную в соседнем цехе.
Так что 220 вольт от 110 вы еще отличите, а вот о точности хотя бы до 5 вольт можно позабыть. Но в некоторых случаях большего и не требуется.
Мне же внезапно потребовалось. Поэтому начинаем переделывать исходный проект, доставшийся мне от предшественника.
(далее…)
Read More »
