Дисциплина: Э

лектроника и схемотехника

Лектор:

Валерий Петрович Довгун

доктор технических наук, профессор

АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ:

Лекции, практические задания, лабораторные работы

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА:

1 . Подготовка к выполнению и защите лабораторных работ.

2 . Самостоятельное изучение отдельных разделов курса.

Электротехника и электроника

2

Рекомендуемая литература

1.

Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.

2.

Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб.

пособие: в 2-х ч. Ч. 1 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 270 с.

3.

Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб.

пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.

Электротехника и электроника

4

Первые компьютеры Электротехника и электроника

5

Первые компьютеры Электротехника и электроника

6

Электрические свойства полупроводников

Полупроводниками

диэлектриков. называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и В отличие от металлов в полупроводниках носители заряда возникают при повышении температуры или поглощении энергии от другого источника.

В полупроводниках электропроводность осуществляется двумя различными видами движения электронов. Проводимость полупроводников можно менять в широких пределах, добавляя ничтожно малые количества примесей.

7

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

Структура кристалла кремния

Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей.

Электротехника и электроника

8

Электрические свойства полупроводников

При освобождении электрона в кристаллической решетке появляется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами получили название

дырок

.

Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов, что равносильно перемещению положительного заряда. 9

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

В полупроводнике имеются два типа носителей заряда – электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (

n

типа) и дырочной проводимости (

р

типа). Для увеличения проводимости чистых полупроводниковых материалов применяют называемых примесями.

легирование –

добавление небольших количеств посторонних элементов, Используются два типа примесей. Примеси первого типа – пятивалентные – состоят из атомов с пятью валентными электронами. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами.

10

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

Структура кристалла кремния, легированного пятивалентным материалом (фосфором)

11

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

Атом фосфора называют

донором

, поскольку он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике являются

основными носителями,

а дырки –

неосновными носителями

. Основные носители имеют отрицательный заряд, поэтому такой материал называется полупроводником

n-

типа. В качестве донорных примесей для германия и кремния используют фосфор, мышьяк, сурьму.

12

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов. Это создаст в ковалентной связи дырку.

Структура кристалла кремния, легированного трехвалентным материалом

13

Электротехника и электроника

Электрические свойства полупроводников

А

томы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются

акцепторами

. Дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником

р-

типа. В качестве акцепторных примесей в германии и кремнии используют бор, алюминий, галлий, индий.

14

Электротехника и электроника

Вольт-амперная характеристика р–n-перехода

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется

р

–

n

переходом. Поскольку концентрация электронов в

n

области значительно больше их концентрации в

p

области, происходит диффузия электронов из

n

области в

p

область. В

n-

области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров.

Одновременно происходит диффузия дырок из

p

области в

n

область. За счет этого приграничная

р-

область приобретает отрицательный заряд, обусловленный отрицательно заряженными ионами акцепторов.

15

Электротехника и электроника

Вольт-амперная характеристика р–n-перехода

Прилегающие к

р

–

n

электрическое поле переходу области образуют слой объемного заряда, обедненный основными носителями. В слое объемного заряда возникает контактное

E k

, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую.

16

Электротехника и электроника

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – двухполюсный прибор, имеющий один

p –n

переход.

Упрощенная структура диода Электрод диода, подключенный к

p

области, называют

анодом

(А), а электрод, подключенный к

n

области –

катодом

(К).

Электротехника и электроника

17

Полупроводниковые диоды

Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттер.

эмиттером

. Функции эмиттера может выполнять как катод, так и анод. Область с низкой концентрацией примесей называют

базой

. База имеет значительно большее объемное сопротивление, чем Условное графическое обозначение диода 18

Электротехника и электроника

Полупроводниковые диоды

Вольт-амперная характеристика диода

Электротехника и электроника

19

Полупроводниковые диоды

Идеальная ВАХ

p –n

перехода описывается выражением

I



I

0 

e U Vt

  1 , Здесь:

Vt k



kT e

– температурный потенциал; –постоянная Больцмана;

T e

– абсолютная температура в градусах Кельвина; – заряд электрона. При комнатной температуре (20  C)

Vt

 25 .

2 мВ Для упрощения расчетов полагают, что при комнатной температуре

Vt

 25 мВ .

.

20

Электротехника и электроника

Полупроводниковые диоды

Ток

I

0 называют

тепловым, или обратным, током насыщения

. Величина этого тока зависит от материала, площади

p–n -

перехода и от температуры.

Типичные значения приблизительно на 7 

I

0 : от 10 -12 до 10 -16 А. Обратный ток диода зависит от температуры. У кремниевых диодов он удваивается при увеличении температуры С. На практике считают, что обратный ток кремниевых диодов увеличивается в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10  С.

21

Электротехника и электроника

Полупроводниковые диоды

Если прямое напряжение перехода

U

> 0.1 B, то

e U Vt

 1 , и уравнение диода можно записать в упрощенном виде:

I



I

0

e U Vt



I

0

e

40

U

.

Электротехника и электроника

22

Анализ цепей с диодами

•

Основная трудность, возникающая при анализе цепей с диодами:

ВАХ диода нелинейна в середине рабочей области.

Простейшую модель диода можно получить, полагая прямое напряжение и обратный ток равными нулю. Такой элемент называют

идеальным диодом

. Поведение идеального диода описывается уравнениями:

U I

  0 0 , ,

U I

  0 0 .

; Мощность идеального диода при любой полярности приложенного напряжения равна нулю:

p



ui

 0 23

Электротехника и электроника

Анализ цепей с диодами

Вольт-амперная характеристика идеального диода образована двумя отрезками прямых, совпадающих с осями координат

U

,

I

.

Когда диод смещен в прямом направлении, он эквивалентен короткому замыканию. При обратном напряжении идеальный диод подобен разрыву.

Электротехника и электроника

24

Анализ цепей с диодами

Более точная модель диода:

Электротехника и электроника

25

Анализ цепей с диодами

При анализе цепей с идеальными диодами можно использовать следующую процедуру.

1. На первом шаге полагаем, что все диоды смещены в прямом направлении, и заменяем их короткими замыканиями.

2. Анализируем полученную схему и определяем направления токов через диоды. Если направление тока, полученное в результате расчета, совпадает с прямым током диода, оставляем короткое замыкание, если нет – заменяем его разрывом.

3. Анализируем цепь, полученную на втором шаге, и находим фактические значения напряжений и токов.

26

Электротехника и электроника

Выпрямители

Выпрямители преобразуют переменное напряжение питающей сети в пульсирующее однополярное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной ВАХ. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Однополупериодный выпрямитель

27

Электротехника и электроника

Выпрямители

Напряжения на входе и выходе однополупериодного выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения

U

ср 

U

вх m   2

U

вх   0 .

45

U

вх

Электротехника и электроника

Максимальное обратное напряжение на диоде

U

обр max  2

U

вх  

U

ср 28

Выпрямители

Двухполупериодный выпрямитель с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора

u

1

VD

2

Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод

VD

1, а в отрицательный – диод

VD

2.

29

Электротехника и электроника

Выпрямители

Напряжение на нагрузке Средние значения тока и напряжения нагрузки I

н  2 

I

2

m

;

U

н  2

U

 2 

m

 2 

U

2   0 .

9

U

2

Электротехника и электроника

30

Выпрямители

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Tp

u 1 u 2 VD

1

VD

2

VD

3 R

VD

4

u н

31

Электротехника и электроника

Выпрямители

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры Емкостный фильтр (

С

фильтр) в схеме однополупериодного выпрямителя Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения происходит за счет периодической зарядки конденсатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки

С

(когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Электротехника и электроника

32

Выпрямители

Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя

33

Электротехника и электроника

Выпрямители

На интервале времени

t

1 конденсатор заряжается. –

t

2 диод открыт и На интервале

t

2 –

t

3 диод закрыт и конденсатор разряжается через сопротивление

R

н Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения

f

-

U r



U m fR

н

С

частота входного напряжения Амплитуда пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя

U r

 2

U m fR

н

С

34

Электротехника и электроника

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя

p –n

переходами

n –p–n- транзистор

Электротехника и электроника

35

Биполярные транзисторы

p –n–p- транзистор

Электротехника и электроника

36

Биполярные транзисторы

Структура биполярного транзистора p n n

Электротехника и электроника

37

Биполярные транзисторы

Активный режим работы биполярного транзистора I

к  

I

э  – коэффициент передачи тока эмиттера.

У интегральных транзисторов  = 0.99

–0.995

I

э 

I

к 

I

б 38

Электротехника и электроника

Биполярные транзисторы

Режим отсечки: I

э 

I

б  0

U

бэ  0 .

6

В

Режим насыщения: U

кэ  0 .

4

В

Электротехника и электроника

39

Характеристики биполярных транзисторов

Входная характеристика Выходные характеристики I

б

I

к , мА

I

б = 40 мкА

I

б = 20 мкА

U

бэ

I

б = 0

U к

э , В 40

Электротехника и электроника

I

б

Модели биполярных транзисторов

Линеаризованные характеристики биполярного транзистора I

к

U

бэ

I

б4

I

б3

I

б2

I

б1

I

б = 0

U

кэ 41

Электротехника и электроника

Модели биполярных транзисторов

Модель биполярного транзистора для активного режима

К К Б

I

б

Е

0 Э

Электротехника и электроника

I

б Б

I

б

Е

0 Э

I

б 42

Модели биполярных транзисторов

Модель биполярного транзистора для режима насыщения

Электротехника и электроника

43

Усилительный каскад на биполярном транзисторе Электротехника и электроника

44

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

С

1

С

2 Делитель напряжения

R

1 –

R

2 определяет положение рабочей точки эмиттерного перехода.

R

э -

С

э

–

цепь отрицательной обратной связи.

Резистор

R К

преобразует изменение тока коллектора в выходное напряжение.

45

Электротехника и электроника

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Анализ для постоянной составляющей

46

Электротехника и электроника

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Эквивалентная схема для постоянной составляющей E

б 

R

1

R

2 

R

2

E

к

R

б 

R

1

R

1

R

2 

R

2

I

б 

Ток базы R

б 

E

б

R

э  

E

0   1 

Электротехника и электроника

I

к 

Ток коллектора



I

б 

R

б  

E

б

R

э   

E

0   1  47

Усилительный каскад на биполярном транзисторе

Схема замещения для переменной составляющей Выходное напряжение u

вых  

g m R

к

R

н

e

вх

Электротехника и электроника

48

Полевые транзисторы

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, в котором регулирование тока осуществляется изменением проводимости проводящего канала с помощью поперечного электрического поля Электроды полевого транзистора – исток (И), сток (С) и затвор (З).

Управляющее напряжение прикладывается между затвором и истоком 49

Электротехника и электроника

Полевые транзисторы

Классификация полевых транзисторов 1. С управляющим

p –n

канала диэлектриком.

переходом; 2. С металлическим затвором, изолированным от Приборы второго типа называют МОП-транзисторами.

50

Электротехника и электроника

Полевой транзистор с управляющим p–n- переходом

Р Р

+ 51

Электротехника и электроника

Полевой транзистор с управляющим p–n- переходом

Выходные характеристики U

зи

=

–1 В

U

зи

=

–2 В

U

зи

=

–3 В 52

Электротехника и электроника

Полевой транзистор с управляющим p–n- переходом

Передаточная характеристика

При напряжении затвор-исток, равном напряжению отсечки

U

отс ток стока близок к нулю.

У

n

канального ПТ напряжение затвор-исток отрицательно.

Электротехника и электроника

53

МОП-транзистор с индуцированным каналом Электротехника и электроника

54

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Выходные характеристики Режимы полевого транзистора:

линейный; насыщения; отсечки.

Электротехника и электроника

55

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Линейный (триодный) режим работы МОП транзистора I

к  

I

б

U

 зи

R

б 

U

 0  

E

б

R

э   

E

0   1 

I

с

Ток стока



b

 

U

зи 

U

0 

U

си  2 0 .

5

U

си 

Электротехника и электроника

56

МОП-транзистор с индуцированным каналом

b

– удельная крутизна МОП-транзистора: 

b

 

C

0 .

W L

– приповерхностная подвижность носителей,

C

0 – удельная емкость затвор-канал,

L

– длина,

W

– ширина канала.

57

Электротехника и электроника

МОП-транзистор с индуцированным каналом

При малых значениях напряжения сток-исток

I

с   зи 

U

0 

U

си При малых значениях

U

си канал МОП-транзистора эквивалентен линейному резистору.

Величина

b



U

зи 

U

0  – проводимость канала Сопротивление канала:

R

си 

b



U

зи 1 

U

0 

Электротехника и электроника

58

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Режим насыщения МОП-транзистора U

зи 

U

0

U

си 

U

нас 

U

зи 

U

0

Ток стока I

с  1 2

b



U

зи 

U

0  2 59

Электротехника и электроника

МОП-транзистор с индуцированным каналом

Передаточная характеристика МОП-транзистора U

0 – напряжение отсечки

Электротехника и электроника

60

МОП-транзистор с встроенным каналом Электротехника и электроника

61

МОП-транзистор с встроенным каналом

Выходные характеристики I c ,

мА

U

зи

=

1 В

U

зи

=

0 В

U

зи

=

–0.5 В

U

зи

=

–1 В

U

зи

=

–2 В

U

cи

,

В 62

Электротехника и электроника

МОП-транзистор с встроенным каналом

Передаточная характеристика I

с

I

с нач

U

отс

Электротехника и электроника

U

зи 63

Модели МОП-транзисторов

Квадратиная модель МОП-транзистора U

зи

U

c и

I

c =

f

(

U

зи )

Электротехника и электроника

I

с  1 2

b



U

зи 

U

0  2 64

Модели МОП-транзисторов

Квадратичная модель МОП-транзистора

Q

g m

 2

bI

с

Электротехника и электроника

или

g m



U

зи 2

I

с 

U

0 65

Усилитель на полевом транзисторе с управляющим p–n-переходом Электротехника и электроника

66

Усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом Электротехника и электроника

67

Усилитель на МОП-транзисторе с индуцированным каналом

Схема замещения для режима малого сигнала

R

г

u

вх

R

12

u

зи

R R

н

u

вых Выходное напряжение

u

вых  

g m R

с

R

н

u

вх Коэффициент усиления переменной составляющей напряжения

K U

 

g m R

с

R

н 68

Электротехника и электроника

Усилители

Классификация усилителей

1.

По диапазону усиливаемых частот – усилители низких частот (УНЧ), усилители постоянного тока (УПТ), усилители высоких частот (УВЧ), избирательные усилители.

2.

По функциональному назначению – усилители напряжения, тока, мощности.

3.

По характеру усиливаемого сигнала – усилители непрерывных и импульсных сигналов.

69

Электротехника и электроника

Усилители

Структура усилительного устройства

Электротехника и электроника

70

Усилители

Параметры усилителей

Основной количественный параметр – коэффициент усиления (коэффициент передачи).

• Коэффициент усиления напряжения

K U



U



U

 вых вх • Коэффициент усиления тока • Коэффициент усиления мощности

K I



I

 вых

I

 вх

K P



P

вых

P

вх 

K U K I

71

Электротехника и электроника

Усилители

Коэффициент передачи усилителя – комплексная функция частоты:

K



K

 

e j

 Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты называют

амплитудно-частотной характеристикой

(АЧХ).

зависимость аргумента коэффициента усиления от частоты –

фазочастотная характеристика

(ФЧХ).

72

Электротехника и электроника

Усилители

Примерный вид амплитудно-частотной характеристики усилителя K

(

f

)

K

0 0,7

K

0

f

01

f

02

f

Полоса пропускания ограничена частотами среза  01 и  02 На частотах среза коэффициент усиления напряжения составляет

K

0 мощности равен 2  0 .

5 0 , 707

K

0 .

K

0 , а коэффициент усиления 73

Электротехника и электроника

Усилители

Логарифмические частотные характеристики

Коэффициент усиления удобно измерять в логарифмических единицах – децибелах:

K U K I K P

 20 lg

K U

 20 lg

K I

 10 lg

K P

Если АЧХ усилителя построена в логарифмическом масштабе, ее называют

логарифмической амплитудно-частотной характеристикой

(ЛАЧХ или ЛАХ).

74

Электротехника и электроника

Обратные связи в усилителях

Обратной связью

называют процесс передачи сигнала из выходной цепи во входную.

Цепь, обеспечивающую эту передачу, называют

цепью обратной связи

.

Петля, или

контур обратной связи,

состоит из прямого пути, образуемого активным элементом, и обратного пути, образуемого цепью обратной связи.

75

Электротехника и электроника

Обратные связи в усилителях

Пример: усилитель, охваченный цепью обратной связи

U U U U R R

Цепь обратной связи – делитель напряжения, образованный резисторами

R

1 ,

R

2 .

Электротехника и электроника

76

Обратные связи в усилителях



Выходное напряжение усилителя:



U

вых 

KU d

.

Напряжение обратной связи U

ос 

R

1

R

1 

R

2

U

вых  

U

вых

R

1

R

1 

R

2 – коэффициент передачи цепи обратной связи.

Напряжение на входе усилителя U d



U

вх 

U

ос  1  1 

K U

вх

Электротехника и электроника

77

Обратные связи в усилителях

Выходное напряжение U

вых  1 

K



K U

вх

Коэффициент передачи усилителя, охваченного обратной связью, K

ос 

U

вых

U

вх  1 

K



K

Произведение 

K

– коэффициент петлевого усиления, Величина 1  

K

– глубина обратной связи 78

Электротехника и электроника

Дифференциальные усилители

Дифференциальный усилитель (ДУ) – симметричная схема с двумя входами и двумя выходами U U U U U

79

Электротехника и электроника

Дифференциальные усилители

Сигналы на входе дифференциального усилителя представляют в виде суммы

дифференциальной

и

синфазной

составляющих:

U

вх 1

U

вх 2  

U

сф

U

сф  

U U

д д 2 2 Дифференциальный сигнал равен разности входных напряжений:

U

д 

U

вх 1 

U

вх , 2 а синфазный – их полусумме:

U

сф 

U

вх 1  2

U

вх 2 80

Электротехника и электроника

Дифференциальные усилители

Источник сигнала на входе дифференциального усилителя можно представить эквивалентной схемой, показанной на рисунке 81

Электротехника и электроника

Дифференциальные усилители

Параметры дифференциального усилителя Коэффициент усиления дифференциального сигнала К

д 

u

вых

u

д

Коэффициент усиления синфазного сигнала К

сф 

u

вых

u

сф

Коэффициент ослабления синфазного сигнала: К

осс 

К

д

К

сф

Электротехника и электроника

82

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах Электротехника и электроника

83

Дифференциальный усилитель на биполярных транзисторах

Коэффициенты усиления дифференциального сигнала К

д 1  

К

д 1 

u

вых 1

u

д    2 

R

0

R

к 

R э



Для симметричного выхода К

д   

R

0

R

к 

R э



Коэффициент усиления синфазного сигнала К

сф 1 

К

сф 2   

R

к 2

R

0

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К

осс 

К

д

К

сф  

R

э

R J



r э

 84

Электротехника и электроника