Автоматика и электроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Полупроводники и их свойства. Электропроводность полупроводников

Полупроводники - кристаллы, электропроводимость которых лежит между электропроводимостью диэлектриков и проводников и имеет совершенно другую зависимость от температуры.

Естественные полупроводники - кремний, германий. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Из-за малости интервала запрещённой зоны и под действием тепла часть электронов может быть переведена из валентной зоны в зону проводимости.

В примесных полупроводниках в зависимости от зоны проводимости может преобладать либо дырочная, либо электронная проводимость.

Если в 5-ти валентный кремний ввести 4-ёх валентный фосфор, то 4 валентных электрона примесного атома примут участие в возникновении ковалентной связи, а пятый окажется избыточным. Он легко превращается в свободный. Увеличение концентрации свободных электронов приводит к рекомбинации дырок, и их становится в значительной степени меньше. => Основные носители - электроны. Такие примеси называют n - типа (электронного типа). Неосновными дырки.

При введении в кремний (4-х валентный) 3-х валентный атом бора, то 3 атома образуют ковалентную связь, а для четвёртой связи атом примеси забирает электрон из другой связи - образуются дырки. Таким образом увеличивается концентрация дырок, что приводит к уменьшению концентрации электронов. Такая проводимость р - типа (дырочного типа).

По-моему, но не уверен (примесные, примеры).

Полупроводники - кристаллы, электропроводимость которых лежит между электропроводимостью диэлектриков и проводников и имеет совершенно другую зависимость от температуры.

Естественные полупроводники - кремний, германий. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Из-за малости интервала запрещённой зоны и под действием тепла часть электронов может быть переведена из валентной зоны в зону проводимости.

В примесных полупроводниках в зависимости от зоны проводимости может преобладать либо дырочная, либо электронная проводимость.

Если в 5-ти валентный кремний ввести 4-ёх валентный фосфор, то 4 валентных электрона примесного атома примут участие в возникновении ковалентной связи, а пятый окажется избыточным. Он легко превращается в свободный. Увеличение концентрации свободных электронов приводит к рекомбинации дырок, и их становится в значительной степени меньше. => Основные носители - электроны. Такие примеси называют n - типа (электронного типа). Неосновными дырки.

При введении в кремний (4-х валентный) 3-х валентный атом бора, то 3 атома образуют ковалентную связь, а для четвёртой связи атом примеси забирает электрон из другой связи - образуются дырки. Таким образом увеличивается концентрация дырок, что приводит к уменьшению концентрации электронов. Такая проводимость р - типа (дырочного типа).

2. Образование p-n перехода. Выпрямительные диоды. Стабилитроны. Варикапы, туннельные диоды, фотодиоды, светодиоды. Их основные характеристики и параметры

Образование p-n-перехода

При соприкосновении двух полупроводников в приграничном слое происходит воссоединение дырок и электронов. Образуется слой, лишенный свободных носителей (толщиной l), он обладает высоким сопротивлением и называется запирающим слоем. Контактная разность потенциалов Езап.

Запирающий слой препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда (Iдр).

Дрейфовый ток Iдр при движении через p-n-переход снижает контактную разность потенциалов (Езап). Это позволяет некоторой части основных носителей преодолеть потенциальный барьер, появляется диффузионный ток Iдиф. Он направлен навстречу дрейфовому.

диф = Iдр

Диод - двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов - выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Выпрямительные диоды

Работа выпрямительного диода объясняется свойствами электрического p-n-перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, - так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер).

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4 - 0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым).

При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p-n-перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный - неосновными носителями заряда. Положительный (прямой) ток диод пропускает в направлении от анода к катоду.

Видимый излом вольт-амперной характеристики диода (ВАХ) в начале координат связан с различными масштабами токов и напряжений в первом и третьем квадранте графика.

Стабилитрон это тоже диод, но предназначен он не для выпрямления переменного тока, хотя и может выполнять такую функцию, а для стабилизации, т.е. поддержания постоянства напряжения в цепях питания радиоэлектронной аппаратуры. По устройству и принципу работы кремниевые стабилитроны широкого применения аналогичны плоскостным выпрямительным диодам. Но работает стабилитрон не на прямом участке вольт -- амперной характеристики, как выпрямительные или высокочастотные диоды, а на обратной ветви вольт -- амперной характеристики, где незначительное обратное напряжение вызывает значительное увеличение обратного тока через прибор.

Варикап -- это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость барьерной емкости pp-nn-перехода от обратного напряжения.

Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение смещения, можно дистанционно и практически безынерционно менять их емкость. Варикапы применяют для перестройки частоты колебательных контуров и фильтров, усиления и генерации СВЧ сигналов или автоподстройки частоты.

Принцип работы варикапа основан на свойствах барьерной емкости pp-nn-перехода, причем при увеличении обратного напряжения на переходе его емкость уменьшается. Эта емкость имеет относительно высокую добротность, низкий уровень собственных шумов и не зависит от частоты вплоть до миллиметрового диапазона. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле:

C=C01?UВцк?vC=C01?UВцк,

где C0C0 -- начальная емкость варикапа (при UВUВ = 0), UВUВ -- напряжение на варикапе, цкцк -- контактная разность потенциалов.

Туннельный диод -- полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором при приложении напряжения в прямом направлении, туннельный эффект проявляется в появлении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике.

Фотодиод -- приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Светодиод или светоизлучающий диод (LED) -- полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

3. Биполярные транзисторы. Принцип действия, характеристики, параметры

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База - слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию - впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции.

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора - концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока.

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

Основное соотношение для токов транзистора

Ток коллектора можно выразить как Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база - эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

4. Система h-параметров биполярного транзистора

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры.

Входное сопротивление транзистора для переменного сигнала (при закороченном выходе: u₂=0):

Аналогично

- коэффициент обратной связи по напряжению.

Режим работы при i₁=0 называют холостым ходом на входе.

Далее

- коэффициент передачи тока,

- выходная проводимость.

При этом

Коэффициенты h_ij определяются опытным путем. Параметры, соответствующие схеме с общим эмиттером, обозначаются буквой «э», а схеме с общей базой - буквой «б».

5. Динамический режим работы биполярного транзистора и выбор рабочей точки

Динамическим называется режим, при котором изменение входных электрических величин вызывает изменение всех остальных величин усилительного элемента (БПТ). Для реализации динамического режима необходимо в цепь выходного тока включить сопротивление R?0, тогда при изменении U_вхи I_вх будет изменятся I_вых, U_вых.

Очевидно, чтобы была возможность варьировать изменения в цепь выходного электрода нужно включить источник питания постоянного тока, предназначенный для обеспечения I_вых0?0.

Второй закон Кирхгофа для выходной цепи:

6. Схема включения транзисторов

Три схемы включения:

1) С Общей Базой (ОБ):

Вход ЭБ; Выход КБ; Схема не обеспечивает усиления по току, но усиливает напряжение. Входное сопротивление малое.

2) С Общим Эмитером (ОЭ):

Вход БЭ; Выход КЭ; Обеспечивает усиление по току и напряжению. Входное сопротивление больше, чем у схемы с ОБ.

3) С Общим Коллектором (ОК):

Вход БЭ; Выход Е_п-КЭ; Усиливает ток, но не усиливает напряжение.

7. Полевые транзисторы. Разновидности. Принцип действия. Характеристики и параметры

Физические основы работы полевого транзистора

Полевым (униполярным) транзистором называют электронное устройство, в основе которого лежит принцип использования зарядов только одного знака, т.е. электронов или дырок. Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала под действием электрического поля, а не потенциала напряжения, что является основным отличием полевого транзистора от биполярного. По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом. Транзисторы с встроенным и индуцированным каналом так же относятся к разновидности МДП транзисторов.

Устройство полевого транзистора: а - с p-n переходом; б - с изолированным затвором и встроенным каналом; в - с изолированным затвором и индуцированным каналом.

Работа полевых транзисторов основана на движении основных носителей в полупроводнике.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Данный транзистор состоит из основного канала полупроводника n-типа, изготовленного из пластины кремния с омическими выводами с каждого конца. Канал образован методом диффузии (введением легированного материала) и образует тончайший слой с дырочной проводимостью. Канал заключен между двумя электродами p-типа, соединенными между собой. Таким образом, n-канал образует два p-n перехода, расположенных параллельно направлению тока. Вывод, через который поступают носителя заряда, называют истоком (И), а электрод, откуда заряд вытекает - стоком (С). Оба p-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (З). Существуют два типа канала. Положительный заряд протекает через канал с p проводимостью, а отрицательный заряд проходит через канал с n проводимостью. На рисунке ниже представлен полевой канал с отрицательной проводимостью, управляемый полем положительной полярности. В данном случае через канал от истока к стоку передвигаются электроны. Подобную конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p типа. транзистор полупроводник диэлектрик

Управляющее или входное напряжение (Uзи) подается между затвором и истоком. Это напряжение для обоих p-n переходов является обратным. В выходную цепь, в которую так же входит канал транзистора, подключается напряжение Uси положительным полюсом к стоку.

Способность управления транзистором объясняется тем фактором, что при изменении напряжения Uзи будет изменяться ширина p-n переходов, которые представляют собой участки в полупроводнике, которые обеднены носителями заряда. Так как p-слой c меньшим сопротивлением имеет большую концентрацию примесей по сравнению с n-слоем, то управление изменением ширина канала происходит за счет более высокоомного n-слоя. При этом изменяется сечение, и проводимость токопроводящего канала (Ic - ток стока) от истока к стоку.

Особенность работы полевого транзистора заключается во влиянии напряжения Uзи и Uси на проводимость канала. Влияние подводимых напряжений отображает рисунок ниже.

На рисунке: А) напряжение прикладывается только к входной управляющей цепи. Изменение Uзи управляет сечением канала по всей ширине, однако, выходной ток Ic=0 из-за отсутствия напряжения Uси. Б) Присутствует только напряжение канала, управляющее напряжение отсутствует и начинает протекать ток Ic. Создается падение напряжения на стоковом электроде, в результате пропускная способность канала сужается и при некотором значении границы p-n переходов смыкаются. Повышается внутреннее сопротивление канала и ток Ic далее не способен проходить. В) В этом варианте на рисунке показано суммарное значение напряжений, когда канал напряжения Uси заперт малым управляющим напряжением Uзи. При подаче этого напряжения происходит расширение n области и начинает протекать ток Ic.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП и МОП)

В этих транзисторах затворный электрод отделен от канала тонким изолирующим слоем из окиси кремния. Отсюда другое название этих транзисторов - МОП-транзисторы (структура металл - окисел - полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Проникновения управляющего поля в канал не затруднено, но ток затвора сильно уменьшается и не зависит от полярности приложенного напряжения к затвору. МДП-транзисторы (структура металл - диэлектрик - полупроводник) выполняют из кремния. Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

- По встроенному каналу течет ток Iс при отсутствии напряжения Uзи. Его значением можно управлять в сторону уменьшения, подав положительное напряжение Uзи, если транзистор с p-каналом и отрицательное напряжение, если транзистор с n-каналом. Другими словами - закрыть транзистор управляющим обратным напряжением.

- В индуцированном канале, если отсутствует напряжение Uзи ток между стоком и истоком очень мал. При подаче управляющего напряжения ток Iси увеличивается.

Итак, управляющее напряжение при его подаче на затвор транзистора с встроенным каналом - закрывает транзистор, в индукционном канале - открывает транзистор.

8. Тиристоры: структура, принцип действия, схема замещения

Тиристор (от греч. thyra - дверь) является переключающим прибором. Тиристор - полупроводниковый прибор с четырехслойной p-n-p-n-структурой с тремя последовательными p-n-переходами, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении. Структура диодного тиристора показана на рисунке.

Структура диодного тиристора

Крайние области структуры зовытся p- и n-эмиттеры, а области, примыкающие к среднему переходу - p- и n-базы. Эмиттерные переходы являются силовыми и называются катодом и анодом. Переход П1 является эмиттерным или катодным, П2 - коллекторным, П3 - эмиттерным или анодным. Структуру тиристора можно представить в виде схемы замещения, состоящей из транзисторов Т1 и Т2 типа n-p-n и p-n-p.

База и коллектор транзистора Т1 соединены соответственно с базой и коллектором транзистора Т2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи. Если к аноду тиристора подключить плюс источника питания, а к катоду - минус, то переходы П1 и П3 будут смещены в прямом, а П2 - в обратном направлении. Таким образом напряжение источника питания окажется приложенным к переходу П2 и будет определяться выражением I=I_к0 / [1 - (б₁+б₂)], где I_к0 - обратный ток перехода П2, б₁ и б₂ - коэффициенты усиления. Из выражения следует, что ток I зависит от б₁ и б₂ и резко возрастает, когда их сумма приближается к единице. Коэффициенты б₁+б₂ зависят от тока эмиттера, напряжения на коллекторном переходе и ряда других факторов.

9. Разновидности тиристоров, характеристики и параметры. Применение. Электронные лампы и электронно-лучевые трубки. Принцип действия. Характеристики и параметры электрвакуумных диодов, триодов, тетродов и пентодов

Многие видели тиристоры в гирлянде «Бегущий огонь», это самый простой пример описываемого устройства и как оно работает. Кремниевый выпрямитель или тиристор очень похож на транзистор. Это многослойное полупроводниковое устройство, основным материалом которого является кремний, чаще всего в пластиковом корпусе. Из-за того, что его принцип работы очень схож с ректификационным диодом (выпрямительные приборы переменного тока или динисторы), на схемах обозначение часто такое же -- это считается аналог выпрямителя.

Cхема гирлянды бегущий огонь

Бывают:

· ABB запираемые тиристоры (GTO),

· стандартные SEMIKRON,

· мощные лавинные типа ТЛ-171,

· оптронные (скажем, ТО 142-12,5-600 или модуль МТОТО 80),

· симметричные ТС-106-10,

· низкочастотные МТТ,

· симистор BTA 16-600B или ВТ для стиральных машин,

· частотные ТБЧ,

· зарубежные TPS 08,

· TYN 208.

Но в это же время для высоковольтных аппаратов (печей, станков, прочей автоматики производства) используют транзисторы типа IGBT или IGCT.

Но, в отличие от диода, который является двухслойным (PN) трехслойного транзистора (PNP, NPN), тиристор состоит из четырех слоев (PNPN) и этот полупроводниковый прибор содержит три p-n перехода. В таком случае, диодные выпрямители становятся менее эффективными. Это хорошо демонстрирует схема управления тиристорами, а также любой справочник электриков (например, в библиотеке можно бесплатно почитать книгу автора Замятин).

Тиристор - это однонаправленный преобразователь переменного тока, то есть он проводит ток только в одном направлении, но в отличие от диода, устройство может быть сделано для работы в качестве коммутатора разомкнутой цепи или в виде ректификационного диода постоянного электротока. Другими словами, полупроводниковые тиристоры могут работать только в режиме коммутации и не могут быть использованы как приборы амплификации. Ключ на тиристоре не способен сам перейти в закрытое положение.

Кремниевый управляемый выпрямитель является одним из нескольких силовых полупроводниковых приборов вместе с симисторами, диодами переменного тока и однопереходными транзисторами, которые могут очень быстро переключаться из одного режима в другой. Такой тиристор называется быстродействующим. Конечно, большую роль здесь играет класс прибора.

Применение тиристора

Назначение тиристоров может быть самое различное, например, очень популярен самодельный сварочный инвертор на тиристорах, зарядное устройство для автомобиля (тиристор в блоке питания) и даже генератор. Из-за того, что сам по себе прибор может пропускать как низкочастотные, так и высокочастотные нагрузки, его также можно использовать для трансформатора для сварочных аппаратов (на их мосте используются именно такие детали). Для контроля работы детали в таком случае необходим регулятор напряжения на тиристоре.

Принцип работы электронно-лучевой трубки построен на испускании электронов отрицательно заряженным термокатодом, которые затем притягиваются положительно заряженным анодом и собираются на нем. Это принцип работы старой электронной лампы с термокатодом.

В ЭЛТ высокоскоростные электроны испускаются электронной пушкой. Они фокусируются электронной линзой и направляются к экрану, который ведет себя как положительно заряженный анод. Экран покрыт изнутри флуоресцирующим порошком, который начинает светиться под ударами быстрых электронов. Электронный пучок (луч), испускаемый электронной пушкой, создает неподвижное пятно на экране. Для того чтобы электронный пучок оставил след (линию) на экране, его нужно отклонять как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях -- Х и Y.

Методы отклонения пучка

Существует два метода отклонения пучка электронов в ЭЛТ. В электростатическом методе используются две параллельные пластины, между которыми создается разность электрических потенциалов. Электростатическое поле, возникающее между пластинами, отклоняет электроны, попадающие в область действия поля. В электромагнитном методе пучок электронов управляется магнитным полем, создаваемым электрическим током, протекающим через катушку. Применяются два набора управляющих катушек (в телевизорах они называются отклоняющими катушками). Оба метода обеспечивают линейное отклонение.

Однако метод электростатического отклонения имеет более широкий частотный диапазон, именно поэтому его применяют в осциллографах. Электромагнитное отклонение лучше подходит для высоковольтных трубок (кинескопов), работающих в телевизорах, и к тому же более компактно в реализации, поскольку обе катушки располагаются в одном и том же месте вдоль горловины телевизионной трубки.

Конструкция ЭЛТ

Показаны различные электроды и соответствующие им потенциалы. Электроны, испускаемые катодом (или электронной пушкой), проходят через небольшое отверстие (апертуру) в сетке. Сетка, потенциал которой отрицателен по отношению к потенциалу катода, определяет интенсивность или число испускаемых электронов и, таким образом, яркость пятна на экране.

Затем электронный пучок проходит сквозь электронную линзу, фокусирующую пучок на экран. Конечный анод А₃имеет потенциал в несколько киловольт (по отношению к катоду), что соответствует диапазону сверхвысоких напряжений (СВН). Две пары отклоняющих пластин D₁ и D₂ обеспечивают электростатическое отклонение пучка электронов в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно.

Вертикальное отклонение обеспечивают Y-пластины (пластины вертикального отклонения), а горизонтальное -- Х-пластины (пластины горизонтального отклонения). Входной сигнал подается на Y-пластины, которые отклоняют электронный пучок вверх и вниз в соответствии с амплитудой сигнала.

Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят овысоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа менее 100 мкПа (высокий вакуум). В ионных приборах давление 133 * 10^-3 Па (10^-3 мм рт. ст.) и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Есть еще группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпускаются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные токи -- электрические импульсы.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- исверхвысокочастотные.

Электронные лампы, имеющие два электрода -- катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называются кенотронами. Лампы, имеющие помимо катода и анода электроды в виде сеток, с общим числом электродов от трех до восьми, -- это соответственно триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками называются многоэлектродными. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод -- пентод, двойной диод -- пентод и др.).

Основные ионные приборы -- это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ионные разрядники и др.

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные трубки),передающие телевизионные трубки, осциллографические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

В группу фотоэлектронных приборов входятэлектровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) ифотоэлектронные умножители. К электроосветительнымприборам следует отнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентные лампы.

Особое место занимают рентгеновские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.

Электровакуумные приборы классифицируются еще по типу катода (накаленный или холодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический, комбинированный), по роду охлаждения (естественное, илилучистое, и принудительное -- воздушное, водяное, паровое)

10. Оптроны: приемники излучения и излучающие приборы. Разновидности оптронов, структура, применение

Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются родник также приемник излучения (светоизлучатель также фотоприемник) с тем либо иным видом оптической также электрической связи промеж ними, конструктивно связанные друг с ином.

Принцип действия оптронов всякого вида основан на следующем. В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в фотоприемнике, навыворот, световой сигнал вызывает электрический отклик.

Практически распространение получили лишь только оптроны, у которых имеется прямая оптическая союз от излучателя к фотоприемнику дополнительно, как будто правило, исключены все виды электрической связи промеж этими элементами.

По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят похоже "элементарный оптрон") представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего также фотоприемного элементов, промеж которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая электрическую изоляцию промеж входом также выходом. Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из одной либо нескольких оптопар также электрически соединенных с ними одного либо нескольких согласующих либо усилительных устройств.

Таким образом, в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи, в котором в то и пора осуществлена электрическая (гальваническая) развязка входа также выхода.

Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К_i , определяемым отношением выходного также входного сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F. Практически взамен F измеряют длительности нарастания также спада передаваемых импульсов t_нар(сп) либо граничную частоту. Возможности оптрона как будто элемента гальванической развязки характеризуются максимальным напряжением также сопротивлением развязки U_разв также R_развтакже проходной емкостью C_разв.

Входной блок вынужден обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), маленьким значением "порогового" входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.

11. Знакоцифровые индикаторы. Назначение. Разновидности: жидкокристаллические, газонаполненные, электролюминесцентные. Принцип работы. Особенности применения

Цифровой индикатор -- прибор для отображения значения числовой величины в цифровом виде.

Имеют фиксированный набор элементов отображения (сегментов), расположенных как произвольно, так и сгруппированных по несколько цифр.

· Жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ) -- индикаторы на основе жидких кристаллов, обычно способны отображать достаточно много информации (в том числе графической) -- стоимость индикатора мало зависит от количества сформированных сегментов ЖК, а только от размера пластины. Широкое распространение приобрели из-за крайне низкого энергопотребления собственно индикатора. Низкое потребление жидкокристаллических индикаторов реализуется только в режиме отражения при работе в условиях высокой освещённости. При низкой освещённости приходится применять подсветку либо светодиодную, либо люминесцентную. При применении подсветки возможно два режима работы: отражение и просвет. Эти режимы работы отличаются направлением поляризации поляризационных плёнок, наклеиваемых на жидкокристаллический индикатор. Из-за применяемого материала (стекло) обладают недостаточной механической прочностью (хрупки).

· Вакуумно-люминесцентные индикаторы -- используют явление люминесценции при бомбардировке люминофора электронами с небольшой энергией (единицы и десятки электронвольт).

· Газоразрядные индикаторы -- на сегодняшний день применяются редко, используют тлеющий разряд.

12. Классификация ИС. Гибридные и полупроводниковые ИС. Понятие о БИС. Система обозначений

Наиболее распространенная классификация по конструктивно-технологическим признакам, так как в названии микросхем содержится информацию о ее конструкции и технологии изготовления.

По К-Т признакам ИС делятся на :

- полупроводниковые

- пленочные

- гибридные

Полупроводниковая ИС - все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме или поверхности полупроводникового материала.

Пленочная ИС - все элементы и межэлементные соединения выполнены из пленок (R, C, L); в зависимости от толщины пленок и способов создания элементов микросхем делятся на тонко- и толсто- пленочные (тонко- толщина пленки не больше 1 микрона; толсто- толщина от 10 до 70 микрон).

Гибридные ИС - активные элементы- навесные дискретные полупроводники .в качестве пассивных элементов - пленочные (R, C, L) и соединяющие их пленочные проводники; основа -диэлектрическая подложка.

Совмещенные микросхемы - все активные и часть пассивных do по полупроводниковым технологиям, пассивные по тонкопленочной.

Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводникового материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых ИМС.

Кристалл - это часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы ИМС, межэлементные соединения и контактная площадка.

Базовый кристалл ИС - это часть полупроводниковой пластины с определенным набором сформированных элементов, в том числе электрически соединенных или не соединенных между собой, используемые для создания ИС путем изготовления межэлементных соединений.

Базовый матричный кристалл ИМС с регулярным в виде матрицы расположением базовых ячеек.

По конструктивно-технологическому признакуразличают корпуса:

а) металлостеклянные (стеклянное или металлическое основание, соединенное с металлической крышкой с помощью сварки; выводы изолированы стеклом);

б) металло-полимерные (подложка с элементами и выводами помещается в металлическую крышку, после чего осуществляется герметизация путем заливки компаундом);

в) металлокерамические (керамическое основание, соединенное с металлической крышкой с помощью сварки или пайки); г) керамические (керамическое основание и крышка, соединенные между собой пайкой);

д) пластмассовые (пластмассовое основание, соединенное с пластмассовой крышкой опрессовкой).

Каждый вид корпуса характеризуется габаритными и присоединительными размерами, числом выводов и расположением их относительно плоскости основания корпуса. Выводы микросхем могут лежать в плоскости основания корпуса (планарные выводы) или быть перпендикулярными ему (штыревые выводы). Планарные выводы по сечению, как правило, прямоугольные, штыревые -- круглые или прямоугольные. Основной недостаток как корпусных микросхем, так и построенных на них устройств -- большой объем вспомогательных конструктивных элементов.

13. Усилители. Характеристика и параметры. Принцип построения

Усилители - это преобразователи энергии пост поля, создаваемого ист питания, в энергию вых сигнала на нагр-ке. Управление этим процессом осущ. Ист. питания.

Разновидности усилителей:

- УТ, УН, УМ.

Любой усилитель - это управляемый источник. М.б. по току, напр-ю, след-но обеспечивать разные коэф передачи: Ki, Ku, Kp=Ki*Ku.

- если на вх подан импульсный сигнал, то это У имп сигн-в.

- если вх сигнал м. меняться от 0 до , то это ид УПТ.

- если раб диап от 0 до w в. гр., на кот коэф передачи падают в 2 раз, то это УПТ.

- если этот диап от w н. гр. до w в. гр., то это У~Т.

- раб диап в разных диапазонах частот=> У частот.

- если w в. гр.>> w н. гр. - широкополосный У,

- если w в. гр. и w н. гр. близки, то узкополосный У (избирательный У)

Особенности:

1) УПТ и У~Т различаются схемно, т.к. для обеспеч-я раздел-я по пост сост-й д.б. соотв эл-ты. Для связи м/у звеньями в У~Т исп RC связь или транзисторы, а УПТ не содержат разд эл-тов. М/у ист и У, м/у У и нагр есть непоср связь. Статич режим сохр-я => его надо передавать=>особ-ть: необходимость согласования по уровням (по статич режиму) как звеньев внутри У, так и с ист вх сигнала и нагрузкой. Для этого исп двухполярное питание, а внутри У схемы сдвига уровня.

2) в УПТ в силу непоср связи м/у звеньями передаётся как полезный сигнал, так и паразитные сигналы (фоны, шумы, наводки и т.д.) Наличие этих нежелат сигналов вызывает дрейф нуля в УПТ. Дрейф нуля - это выходной сигнал, появляющийся в схеме при отсутствии сигнала на входе. Есть также и приведённый дрейф: Uвх.др= Uвых.др /Ku.

3) для любого усилителя хар-на зав передачи: Uвых=f(Uвх), но для У~Т она идёт из нуля, а для УПТ не из нуля.

- УПТ должны строиться так, чтобы дрейф был min,

- в УПТ пред звено всегда влияет на статич режим послед. Чтобы его убрать вводят спец сх сдвига по пост уровню.

Классы усиления:

Работу У эл-та удобно хар-ть вел-ной угла , кот равен Ѕ периода сигнала в вых цепи У. В зав-ти от различают 5 режимов работы У - классы усиления. В лин сх наиболее употребимы: А, В, АВ. Также есть C и D

В реж класса А р.т. Т нах на середине линейного участка динамич хар-ки Iк=f(Uбэ) и А-да вх сигнала такова, что вых ток протекает в течении всего периода входного сигнала, т.е. отсечка отсутствует. Угол =.

В реж класса B р.т. нах в нач динамич хар-ки и вых ток Т течёт в течение Ѕ периода вх сигнала (=/2). КПД в режиме В высок (78,5%) => его применяют в мощных 2-х тактных У.

Режим АВ - промежуточный м/у А и В. При малых и средних вх сигналах он обладает св-вами режима А, а при большом вх сигнале - режима В. КПД меньше, чем в реж В.

При работе в классе С нач смещение и положение р.т. выбирается т.о., чтобы </2. При этом ток покоя равен 0. Этот режим является для аналоговых устройств более экономичным, т.к. при остутствии вх сигнала Т почти не потр мощности. Режим С исп в высокочастотных одно и двухтактных УМ с резонансными контурами, эффективно фильтрующие высшие гармоники.

В режиме D Т работает как ключ.

14. Режимы работы (классы усиления А, В, С)

Современная классификация режимов работы усилителей достаточно запутана. Традиционно классы усилителей различались по положению рабочей точки на статических характеристиках усилительного прибора. Позднее добавили классификацию усилителей по режиму работы: ключевой и токовый режимы работы. Наиболее распространенная классификация усилителей приведена на рисунке.

Классификация усилителей

Режим работы усилителя определяется положением рабочей точки на характеристике прямой передачи по току усилительного прибора, такого как биполярный или полевой транзистор, электронная лампа. Достаточно часто режим работы усилителя называется классом работы. Выбор рабочей точки может значительно влиять на основные характеристики усилителя, такие как коэффициент усиления, нелинейные искажения и к.п.д.

При определении класса усилителя пользуются идеализированной статической характеристикой усилительного прибора. При этом реальная проходная характеристика заменяется кусочно-линейной аппроксимацией, как это показано на рисунке.

Идеализированная статическая характеристика усилительного прибора

В зависимости от положения рабочей точки на характеристике прямой передачи усилительного прибора и формирования тока коллектора (анода, стока) различают следующие виды аналоговых (токовых) режимов:

1. усилитель класса A -- рабочая точка выбирается в середине линейного участка статической характеристики

2. усилитель класса B -- рабочая точка выбирается в начале линейного участка статической характеристики

3. усилитель класса C -- рабочая точка выбирается ниже начала линейного участка статической характеристики (усиление только ЧМ сигналов)

Работа усилителя в ключевом режиме значительно отличается при усилении низкочастотного сигнала и высокочастотного узкополосного сигнала. В отечественной литературе эти режимы не различаются. Просто в литературе, ориентированной на низкочастотную усилительную технику и в литературе, ориентированной на радиочастотное применение ключевой режим описывается по разному. В зарубежных изданиях в зависимости от частоты усиливаемого сигнала различают следующие виды ключевых режимов:

1. класс D -- транзистор работает в ключевом режиме

o звуковые усилители класса D -- для сохранения формы звукового сигнала используется ШИМ или УД-модуляция

o высокочастотные усилители мощности класса D -- дополнительная модуляция не требуется, она уже присутствует в усиливаемом сигнале. При этом амплитуда неизменна, информация содержится в частоте и фазе сигнала

2. усилитель класса E -- это узкополосный усилитель, в котором при помощи согласующих цепей добиваются, чтобы ток через усилительный прибор протекал при нулевом напряжении. Переключение осуществляет высокочастотная несущая. Применим только для угловых видов модуляции.

3. усилитель класса F -- это узкополосный усилитель в котором рабочая точка выбирается в начале линейного участка, как для класса B, а в качестве нагрузки используется многоконтурный фильтр, формирующий прямоугольное напряжение на коллекторе.

При работе с высокочастотными узкополосными сигналами можно реализовать более высокий к.п.д. по сравнению с классическим режимом работы усилителя класса B. Это достигается подчеркиванием высокочастотных гармоник на коллекторе или стоке транзистора. Этот метод хорошо описан в отечественной литературе, однако в зарубежной литературе он получил название класс F.

Следует отметить, что усилители классов C, E, F предназначены для усиления узкополосных высокочастотных сигналов с высоким к.п.д. Усилители классов A, B, D используются для усиления низкочастотных широкополосных сигналов, таких как звуковые сигналы, телевизионные или цифровые сигналы в BaseBand диапазоне. При этом класс B может быть использован только в двухтактных каскадах. Усилители класса A могут использоваться и для усиления высокочастотных сигналов если более важным параметром усилителя является его линейность и коэффициент шума. Усилители класса B тоже могут использоваться для усиления высокочастотных сигналов.

15. Схемы температурной стабилизации усилителей (эмиттерная и коллекторная)

Борьба за температурную стабильность - задача технологии полупроводниковых приборов. Однако содействовать повышению стабильности можно и при разработке аппаратуры путем выбора схемы, которая обеспечивает постоянство исходного режима. Разумеется, схемная стабилизация не устраняет температурных влияний на величины параметров транзистора.

Способ называется коллекторной стабилизацией. По сравнению с прежней схемой здесь произведен перенос сопротивления R₁ от источника питания к коллектору (конечно, с выбором заново величины этого сопротивления). Физический смысл коллекторной стабилизации заключается в следующем: если при повышении температуры возрастает ток в цепи коллектора, то увеличивается падение постоянного напряжения на сопротивлении R_к, а смещающее напряжение на сопротивлении R₁ уменьшается и ток базы падает. Этим самым оказывается ограниченным и увеличение тока коллектора. При охлаждении транзистора и уменьшении коллекторного тока процесс автоматической регулировки идет в обратном направлении. Величину сопротивления R₁ следует выбирать из очевидного соотношения:

Коллекторная схема стабилизации исходного режима имеет тот недостаток, что через сопротивление R₁ устанавливается обратная связь между выходом и входом; усиленный сигнал, попадая обратно на вход, снижает коэффициент усиления и входное сопротивление каскада.

Более совершенна схема, называемая схемой эмиттерной стабилизации. В ней для питания базы подключен к зажимам источника E делитель напряжения R₁R₂, постоянный ток через который должен быть приблизительно в 5 раз больше исходного тока базы, выбранного для транзистора. Тогда смещение в цепи базы окажется приблизительно равным падению напряжения на сопротивлении R₂ и будет достаточно стабильным. Однако при изменении температуры могут изменяться токи в цепях эмиттера и коллектора, что нежелательно. С целью их стабилизации в цепь эмиттера включается сопротивление R_э; на этом сопротивлении создается дополнительное смещение между базой и эмиттером, действующее противоположнонапряжению, выделенному на сопротивлении R₂, что видно из направлений токов. И если ток эмиттера возрастет, то падение напряжения на сопротивлении R_э увеличится, а отрицательное смещение на базе уменьшится, что приведет к снижению токов эмиттера и коллектора. Для устранения обратной связи по переменному току стабилизирующее сопротивление R_эблокируется конденсатором C_э большой емкости (не менее десятка микрофарад). Недостатком описанной схемы нужно считать дополнительный расход тока в делителе.

16. Разновидности обратных связей и способы их организации. Влияние на работу усилителя

Под обратной связью в усилителях понимают передачу части выходного сигнала обратно на вход усилителя. Различают внутреннюю и внешнюю обратные связи (ОС).

Внутренняя ОС обусловлена, как правило, паразитными внутренними связями в устройстве. Физически паразитная внутренняя связь осуществляется через сопротивления потерь, с помощью магнитных и электрических полей. Она возникает при изготовлении устройства и ее практически невозможно регулировать. Внутренняя обратная связь часто приводит к искажению характеристик устройства и даже к его самовозбуждению.

Внутренняя ОС описывается параметрами обратной связи в четырехполюсниках: Y₁₂, Z₁₂, Н₁₂ и т.д. На практике рекомендуется использовать устройства с минимальной внутренней обратной связью.

Внешняя обратная связь создается специально включенными четырехполюсниками обратной связи. Параметры обратной связи в этом случае можно легко регулировать. В зависимости от способов соединения усилителя и четырехполюсника обратной связи различают четыре вида внешней обратной связи:

1) последовательную ОС по напряжению;

2) параллельную ОС по напряжению;

3) параллельную ОС по току;

4) последовательную ОС по току.

На практике наиболее часто применяется последовательная ОС по напряжению. Выходное напряжение усилителя в этом случае поступает на вход цепи ОС, а выходное напряжение четырехполюсника ОС вводится на входе усилителя последовательно с входным сигналом.

Рассмотрим влияние обратной связи на коэффициент усиления усилителя с последовательной ОС по напряжению. Выходное напряжение усилителя равно:

,

где - коэффициент усиления исходного усилителя. Выходное напряжение поступает на вход цепи ОС.

В свою очередь, выходное напряжение цепи ОС равно:

,

где b - коэффициент передачи четырехполюсника ОС.

Напряжение на входе усилителя равно сумме входного напряжения и напряжения, поступающего от четырехполюсника ОС:

.

Следовательно, напряжение на выходе усилителя можно представить в виде:

.