.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Усилители постоянного тока

 Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления сигналов, медленно изменяющихся во времени, т.е. сигналов, эквивалентная частота которых приближается к нулю. Поэтому УПТ должны обладать амплитудночастотной характеристикой.

Для передачи медленно изменяющегося сигнала по тракту усиления необходимы непосредственная (по постоянному току) связь источника входного сигнала с входной цепью усилителя и аналогичная связь между усилительными каскадами. Наличие непосредственной связи обусловливает особенности задания точки покоя транзисторов в УПТ.

В УПТ отсутствуют элементы, предназначенные для отделения усилительных каскадов по постоянному току. В связи с этим выходное напряжение определяется здесь не только усиленным полезным сигналом, но и ложным сигналом, создаваемым за счет изменения во времени параметров режимов каскадов по постоянному току.

Самопроизвольное изменение выходного напряжения УПТ при неизменном напряжении входного сигнала называется дрейфом усилителя. Причинами дрейфа являются нестабильность напряжений питания схемы, температурная и временная нестабильности параметров транзисторов и резисторов.

 27.1. Усилители постоянного тока с преобразованием напряжения

 Один из способов снижения дрейфа основан на двойном преобразовании усиливаемого напряжения. Структурная схема такого усилителя приведена на рисунке 27.1.

В модуляторе М медленно изменяющееся входное напряжение Uвх преобразуется в переменное напряжение с частотой от 50 Гц до 20 МГц. Переменное напряжение U1 усиливается обычным усилителем переменного напряжения (УПН).

Напряжение U2 с выхода усилителя подается на демодулятор Д, который преобразует его в напряжение Uвых, совпадающее по форме с напряжением Uвх. Так как усилитель переменного напряжения не имеет дрейфа, его дрейф определяется только дрейфом модулятора. Дрейф демодулятора можно не принимать во внимание, поскольку на его вход подается сравнительно большое напряжение, порядка нескольких вольт.

Из временных диаграмм напряжений Uвх, Uвых, U1, U2 и Uвых (рис. 27.2) ясно назначение модулятора и демодулятора.

 


 Uвх Uвых Rн

Рис. 27.1

 


 Рис. 27.2 Рис. 27.3

Модулятор предназначен для преобразования медленно изменяющегося входного напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна входному напряжению, причем при изменении знака входного напряжения изменяется фаза переменного напряжения.

Существует много различных схем модуляторов. Наиболее распространенными из них являются:

модулятор с вибропреобразователем;

модулятор на транзисторах.

Модулятор с вибропреобразователем представляет собой маломощный электромагнитный контактор, периодически (с частотой тока, питающего катушку электромагнита) подключающий входное напряжение то к верхней, то к нижней (по схеме) половине первичной обмотки трансформатора (рис. 27.3) При этом ток в первичной обмотке изменяет направление. Во вторичной обмотке трансформатора возникает переменное напряжение. Обычно применяется повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации до 10, поэтому амплитуда напряжения U1 в несколько раз больше входного напряжения.

Достоинство вибропреобразователя небольшой дрейф, который определяется в основном термоэ.д.с. контактной пары и может быть снижен до 0,01 0,1 мкВ/ч (0,1 0,5 мкВ/сут). Входное сопротивление равно 110 кОм. Рассмотренный модулятор часто используют в усилителях автоматических мостов и потенциометров.

Схема модулятора на микросхеме К1КТ011А приведена на рисунке 27.4.

Полупроводниковая интегральная микросхема К1КТ011А представляет собой транзисторный прерыватель, предназначенный для коммутации слабых электрических сигналов переменного и постоянного токов. Она состоит из двух кремниевых транзисторов типа , используемых в инверсном включении (эмиттер в качестве коллектора). Микросхема К1КТ011А включается в коммутируемую цепь параллельно выводами 3 и 7. Выводы 2 и 6 являются управляющими, вывод 5 общий.

 


Рис. 27.4

 Управляющее опорное напряжение Uоп обычно в виде импульсов прямоугольной формы подается между общим выводом 5 и управляющими выводами 2 и 6. Когда на коллекторные переходы транзисторов подается прямое открывающее переход) напряжение, ключ открыт и сопротивление между выводами 3 и 7 мало, когда же на коллекторные переходы подается обратное напряжение, ключ закрыт и сопротивление между выводами 3,7 велико.

 Временные диаграммы модулятора на микросхеме К1КТ011А приведены на рисунке 27.4.

 


Рис. 27.4

 При положительной полярности напряжения Uоп (рис. 27.4б) микросхема закрыта (ее сопротивление велико) и напряжение , при отрицательной полярности опорного напряжения открыта (ее сопротивление мало) и U’ = 0. Таким образом, на выходах 3,7 микросхемы образуется последовательность модулированных импульсов напряжения (рис. 27.4в) с огибающей, соответствующей входному напряжению. Конденсатор связи  не пропускает постоянную (и низкочастотную) составляющую напряжения, и напряжение на выходе модулятора имеет симметричную форму.

 Дрейф модулятора на микросхеме К1КТ011 не превышает 50 мкВ в диапазоне температур от 10 до700С.

27.2 Детекторы модулированного переменного импульсного тока.

В качестве модуляторов обычно используют демодуляторы с вибропреобразователями или демодуляторы на транзисторах.

На рисунке 27.5 приведена схема демодулятора на микросхеме К1КТ011. На вход демодулятора поступают переменное модулированное напряжение U2 (рис. 27.6а) и опорное напряжение Uоп (рис. 27.6б). На резисторе  R2 напряжение состоит из однополярных импульсов

 


Рис. 27.5

(рис. 27.6 в), проходящих через открытую микросхему К1КТ011. Выходное напряжение после резистивноемкостного фильтра.  соответствует по форме входному (рис. 27.6 г).

 


 Рис. 27.6

 При частоте опорного напряжения fоп = 50 Гц УПТ усиливает напряжение частотой от нуля до 310 Гц (рисунок 27.6).

 Контрольные вопросы:

1. Что такое модулятор и какую функцию он выполняет ?

2. Нарисуйте электрическую схему модулятора.

 3. Объясните принцип работы модулятора с преобразователем.

 4. Объясните принцип работы модулятора основанный на транзисторах.

 5. Расскажите о детекторах модулированного переменного импульсного тока.

Параметры быстродействия транзистора

Время переключения транзистора складывается из совокупности составляющих:

времени переноса носителей через базу

 T1 = Wbn2/ k1×Dnb; (2.82)

времени переноса носителей через компенсированную область коллекторного перехода

 T2 = Wcb/(2×Vn); (2.83)

времени заряда емкостей физико-топологической модели, соответствующих эмиттерно-базовому, коллекторно-базовому и изолирующему переходам.

В формулах (2.82), (2.83) коэффициент k1 ≥ 2,43 учитывает ускоряющее поле активного слоя базы, коэффициент Dnb есть коэффициент диффузии носителей в базе, Vn ≈ 107см/сек — средняя скорость носителей в коллекторном переходе. Учет влияния сопротивлений электродов и емкостей переходов на процесс переключения осуществляется расчетом переходного процесса для электрических схем замещения транзистора. Вариант Т-образной схемы замещения транзистора представлен на рисунке 2.27. На схеме обозначения сопротивлений Re1, Re2, Rb1, Rb2, Rc1, Rc2 и конденсаторов Ceb1, Ccb1, Ccb2, Ccp соответствуют расчетным значениям элементов структурной и физико-топологической модели. На рисунке 2.27 символами Б,Э,К,П обозначены электроды база, эмиттер, коллектор, пластина соответственно.


Примечание. Сопротивления схемы замещения соответственно определяются по выражениям:

Re1 = Rke +R90; Re2= Ft/Ie; Rb1=R□b2×Le/(3×Be) — слой активной базы;

Rb2 = Rkb + (Rvb — объемное сопротивление пассивного слоя базы от контакта к базе до слоя активной базы); Rc1= R20+R33+R43+R73; Rc2 = Rkc+R10 — объемные и контактное сопротивления коллектора по модели рисунка 2.24.

Обозначениям конденсаторов схемы замещения соответствуют:

Сeb1— полная емкость перехода эмиттер-база;

Сcb1— барьерная емкость перехода коллектор-база области под донной площадью эмиттера (емкость активной базы);

Cb2 — барьерная емкость перехода коллектор-база области за пределами донной площади эмиттера (емкость пассивной базы);

Ccp — полная барьерная емкость перехода коллектор — пластина кристалла.

 Инерционность переноса носителей в базе и коллекторном переходе учитывается соответствующим описанием коэффициента «α» управляемого генератора тока «α×Ie». Коэффициент «α» задается выражением вида

 α =α0×{exp[–p(0.2×T2)]}/[1+p(T1+T2)]. (2.84)

Для приближенных оценок быстродействия время переклю-чения тока транзистором можно характеризовать суммой

 Тпер = Т1+Т2 + √ (Твх2 + Твых2), (2.85)

где  Твх ≈ Сеb1×Re2 (т.к.Re2 << Rb1+Rb2) — время заряда входной емкости по схеме замещения;

Твых ≈ √{[(Cb1+Cb2)×(Rb1+Rb2)]2+[(Rc1+Rc2)×Ccp]2} — время заряда емкостей выходной цепи схемы замещения.

Схема замещения транзистора с отображенными в ней элементами физико-топологической модели предпочтительна для оценки длительности процессов переключения в прикладных применениях транзистора. Причиной тому является существенное влияние на переходные процессы, которое оказывают подключаемые к транзистору внешние радиоэлементы. В современных условиях контроль переходных процессов в электронных устройствах поддерживается разнообразными пакетами моделирования электронных схем и процессов распространения в них электрических сигналов. Рабочим материалом для таких программных «инструментов» служат топология электрических схем и значения параметров объединенных схемами радиоэлементов. Схема замещения транзистора вполне может рассматриваться как один из объектов такого рабочего материала.


На главную