Конспект лекций (3,4 семестр) для студентов 1 курса
 Скачать 0.72 Mb.
|
|
5.2 Полевые транзисторы Полевые транзисторы – это полупроводниковые приборы с управляемым каналом для тока ОНЗ. Полевой транзистор содержит 3 электрода: Исток – электрод, через который в канал втекают НЗ, создающие ток канала; Сток – электрод, через который НЗ вытекают из канала; Затвор – управляющий электрод, регулирующий поток НЗ в канале. Полевой транзистор относится к однополярным транзисторам, т.к. в нем используется движение НЗ только одного знака (через канал движутся либо электроны, либо дырки). НЗ в полевом транзисторе движутся от Истока к Стоку через канал под действием продольного электрического поля, создаваемого напряжением . Затвор управляет величиной тока канала с помощью поперечного электрического поля, создаваемого напряжением . Наличие этих 2-х полей объясняет название “полевой транзистор”. Полевые транзисторы бывают: Полевые транзисторы С изолированным затвором (МОП – транзисторы) металл оксид полупроводник С управляющим p-n переходом (с p-n затвором) С наведенным каналом Со встроенным каналом Полевой транзистор с p-n затвором L – длина канала; d – толщина канала На кремниевой подложке p+-типа создается тонкий слой n-типа, выполняющий функцию канала. Канал – слаболегированная область. На концах канала создают сильнолегированные (низкоомные) n+-области Истока и Стока. Эти области делают низкоомными, чтобы уменьшить потери полезного сигнала (на малом сопротивлении будет и малое падение полезного напряжения). Область Затвора (p+-область) также является сильнолегированной. Подложка используется как второй Затвор или подключается к Затвору. Рассмотренный полевой транзистор имеет n-канал, существуют транзисторы с p-каналом. Обозначение: Принцип действия полевого транзистора с n-каналом На Сток подается положительный потенциал относительно Истока. Считаем, что . Под действием этого напряжения ОНЗ (электроны) движутся от Истока к Стоку, образуя ток канала . Для эффективной работы транзистора p-n переходы, с помощью которых происходит управление этим током, должны быть смещены в обратном направлении. При подключении к переходам обратного напряжения (минус на Затворе, плюс на Истоке) переходы расширяются, следовательно, канал сужается, и ток канала уменьшается. Таким образом, изменяя напряжение на Затворе , можно управлять током канала. При определенном напряжении произойдет смыкание переходов, и ток канала станет равным нулю – транзистор запирается. Характерным для полевого транзистора является очень малый ток в цепи Затвора (Затвор образует с каналом обратно смещенный переход, обладающий большим сопротивлением). В электрических схемах Затвор обычно является входным электродом, поэтому полевой транзистор обладает высоким входным сопротивлением: – достоинство. ВАХ полевого транзистора с p-n затвором Выходные (стоковые) характеристики – это зависимость тока стока от стокового напряжения при постоянном напряжении на затворе, т.е. при . IС,mA отсечка, насыщение UЗИ=0 геометрическое место т очек насыщения - насыщение UЗИ=-1В п арабола (у=х2) насыщение UЗИ=-2В 0 UСИ, В Стоко-затворные (передаточные) характеристики- это зависимость тока стока от напряжения затвора при постоянном стоковом напряжении, т.е. при . IС,mA IСmax UСИ =10В UЗИ,В 0 UОТС МОП – транзисторы МОП-транзисторы были разработаны в 1962г. В отличие от полевого транзистора с p-n затвором, у МОП транзистора Затвор изолирован слоем диэлектрика, в результате чего входное сопротивление МОП-транзисторов очень велико (достигает величины 1014 Ом) – достоинство. МОП-транзистор с наведенным каналом Исток и Сток выполнены в виде сильнолегированных -областей в слаболегированной подложке -типа ( ). Подложка соединена с Истоком. Затвор представляет собой тонкую пленку алюминия, напыленную на поверхность диэлектрика (двуокись кремния). При подаче на Затвор достаточно большого отрицательного напряжения (“минус” на Затворе, “плюс” на Истоке и Подложке) в кристалле возникает сильное поперечное поле , которое “вытягивает” электроны из-под Затвора вглубь кристалла. Таким образом, под Затвором увеличивается концентрация дырок, т.е. изменяется тип электропроводности (с n на p) – происходит так называемая инверсия. Инверсия происходит при напряжении . Возникший тонкий слой p-типа и образует канал, который изолируется от кристалла значительным по толщине обратно смещенным переходом. С ростом отрицательного напряжения концентрация дырок в канале, а, значит, и его проводимость возрастают, что соответствует режиму обогащения. В режиме обеднения (“плюс” на Затворе) такой транзистор работать не может, т.к. не будет изоляции канала от кристалла незначительным по толщине прямо смещенным переходом. Обозначение: Стрелка – это Подложка. В данном случае Подложка и Исток соединены. ВАХ МОП-транзистора с наведенным p-каналом Стоковые (выходные) характеристики при . IС,mA UЗИ=-10В насыщение UЗИ=-8В UЗИ=-6В 0 UСИ, В UНАС При происходит перекрытие канала, транзистор входит в режим насыщения – рабочий режим. Чем больше отрицательное напряжение на Затворе , тем выше концентрация дырок в канале и его проводимость, т.е. тем больше ток канала (тем выше идет характеристика). Стоко-затворные (передаточные) характеристики при . IС ,mA UСИ=-5В UЗИ, В 0 UПОРОГ а) . При этом канал не образуется, и ток канала . б) Возникает p-канал, и ток канала растет с ростом напряжения на Затворе. МОП - транзисторы со встроенным каналом Канал создается в таких транзисторах технологически – отличие от МОП-транзисторов с наведенным каналом. Обозначение: ВАХ МОП-транзистора со встроенным n-каналом IС,mA обогащение 2 UЗИ=+1В 1 UЗИ=0 3 обеднение UЗИ=-1В 0 UСИ, В IС ,mA UСИ=5В обеднение обогащение -UЗИ, В 0 +UЗИ, В UОТС Напряжение Затвора может быть как положительное, так и отрицательное. а) Пусть (поперечное поле отсутствует). Если при этом на Сток подать положительный потенциал относительно Истока, то через канал потечет ток (характеристика 1). б) Пусть Под действием поперечного поля (см. рисунок) в канал будут поступать электроны из кристалла, проводимость канала возрастет, т.е. ток канала увеличится (характеристика 2 идет выше характеристики 1). Этот режим соответствует режиму обогащения. в) Пусть Поперечное поле будет направлено в противоположную сторону. Под действием этого поля электроны будут вытягиваться из канала вглубь кристалла, следовательно, проводимость и ток канала уменьшаются (характеристика 3 идет ниже характеристики 1). Такой режим транзистора называют режимом обеднения. Таким образом, МОП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения, в отличие от транзисторов с наведенным каналом, которые работают только а режиме обогащения. Достоинства полевых транзисторов:: Высокое входное сопротивление ( достигает 1014 Ом). Бесконечно большое усиление по току ( ). коэффициент усиления по току 0 Малый уровень собственных шумов. (Наиболее шумящими процессами являются генерация и рекомбинация – образование или исчезновение пары: электрон + дырка. В полевом транзисторе эти процессы отсутствуют, т.к. через их каналы двигаются заряды только одного знака). Высокая температурная стабильность, позволяющая исключить специальные меры температурной стабилизации рабочего режима. Хорошая развязка между входом и выходом ( ). Малый разброс параметров. Недостатки: Малый коэффициент усиления по напряжению (несколько единиц). Это связано с тем, что полевой транзистор в рабочем режиме (в режиме насыщения) имеет очень большое сопротивление, на котором теряется значительная часть полезного напряжения. IС А ∆IС ∆UСИ 0 UСИ 0 МОП-транзисторы боятся статического электричества. 6 Буквенно-цифровое обозначение диодов, транзисторов 6.1 Буквенно-цифровое обозначение (БЦО) диодов БЦО диодов содержит 4 элемента: 1-й элемент - (буква или цифра) указывает материал полупроводника: Г (1) – германий (Ge) К (2) – кремний (Si) А (3) – соединения галлия (например, арсенид галлия – GaAs) И (4) – соединения индия (например, фосфид индия – InP) Буква ставится, если диод предназначен для бытовой аппаратуры. Цифра означает военную приемку, т.е. если диод предназначен для спецтехники. 2-й элемент - (буква) указывает область применения, например: Д – выпрямительные или импульсные диоды В – варикапы Л – свето-диоды И – туннельные диоды С – стабилитроны, стабисторы А – СВЧ – диоды и т.д. 3-й элемент – трехзначное число, так называемая серия. Серия указывает назначение или электрические свойства диода, например: (101 ÷ 199) – выпрямительные диоды малой мощности (201 ÷ 299) – выпрямительные диоды средней мощности (301 ÷ 399) – мощные выпрямительные диоды (401 ÷ 499) – ВЧ – диоды (501 ÷ 599) – импульсные диоды и т.д. Вторая и третья цифра серии указывают порядковый номер разработки. 4-й элемент – (буква от А до Я) характеризует технологический разброс параметров. Пример 1: 2Д503Б 2 – кремниевый диод с военной приемкой Д – импульсный диод (т.к. далее следует цифра 5) 503 – серия 03 – номер разработки Б – разброс параметров Пример 2: 3И101А 3 – диод с военной приемкой из арсенида галлия И – туннельный диод 101 – серия 01 – номер разработки А – разброс параметров 6.2 Буквенно-цифровое обозначение стабилитронов БЦО стабилитронов состоит из четырех элементов: Первый элемент – буква “K” (для стабилитронов бытовой техники) или цифра “2” (для стабилитронов с военной приемкой). Этот элемент указывает на материал полупроводника, т.е. на кремний (Si). Второй элемент – буква “C” (указывает, что данный прибор является стабилитроном). Третий элемент – трехзначное число (серия). Первая цифра серии указывает на мощность стабилитрона. По второй и третьей цифрам серии определяют номинальное напряжение стабилизации. 1 2 3 Маломощные 4 5 6 Средней мощности 7 8 9 Мощные В таблице указаны первые цифры серии. Четвертый элемент – буква (указывает группу по разбросу параметров). Пример1: КС182А К – кремниевый, бытовой С – стабилитрон 182 – серия 1 – маломощный, А – разброс параметров Пример2: 2С620А 2 – кремниевый, с военной приемкой С – стабилитрон 620 – серия 6 – средней мощности, А – разброс параметров 6.3 БЦО транзисторов БЦО транзисторов состоит из четырех элементов: 1-й элемент - (буква или цифра) указывает материал полупроводника: Г (1) – германий (Ge) К (2) – кремний (Si) А (3) – соединения галлия (например, арсенид галлия – GaAs) И (4) – соединения индия (например, фосфид индия – InP) Буква ставится, если транзистор предназначен для бытовой аппаратуры. Цифра означает военную приемку, т.е. если транзистор предназначен для спецтехники. (Первые элементы БЦО транзисторов и диодов одинаковы.) 2-й элемент – буква «Т» (присваивается биполярным транзисторам) или буква «П» (присваивается полевым транзисторам). 3-й элемент – трехзначное число (серия). Первая цифра серии характеризует мощность и частотный диапазон: 1 2 3 Маломощные 4 5 6 Средней мощности 7 8 9 Мощные НЧ СЧ ВЧ Вторая и третья цифра серии означает порядковый номер разработки. 4-й элемент – буква, характеризующая разброс параметров. Пример: КТ315А Пример:2П901А К – кремниевый, бытовой 2 – кремниевый, с военной приемкой Т – биполярный транзистор П – полевой транзистор 315 – серия 901 - серия 3 – маломощный, высокочастотны 9 – мощный, высокочастотный 15 – номер разработки 01 – номер разработки А – разброс параметров А – разброс параметров 7 Внутренний и внешний фотоэффект 7.1 Внутренний фотоэффект Поток фотонов нельзя рассматривать как непрерывный поток. Он представляет собой поток отдельных порций энергии – квантов. При облучении полупроводника таким потоком фотоны отдают свою энергию валентным электронам, освобождая их от ковалентных связей. Если эта энергия превышает ширину запрещенной зоны, то электроны смогут перейти из ВЗ в ЗП, т.е. возникнет фотогенерация (ее еще называют внутренним фотоэффектом). Фотогенерация – это процесс образования пар электрон + дырка в полупроводнике при его электромагнитном облучении. Возникшие в результате фотогенерации НЗ увеличивают проводимость полупроводника. Проводимость, вызванная действием фотонов, называется фотопроводимостью. Р ассмотрим собственный полупроводник: W hv Ө ni Ө nф Wп генерация фотогенерация W Wв Өpi Ө pф ∆W – ширина запрещенной зоны; pi, ni – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе генерации; pф, nф – концентрация дырок и электронов, образованных в процессе фотогенерации. У металлов явление фотопроводимости отсутствует, т.к. у них огромна концентрация свободных электронов (N 1022 1/см3) и не может заметно возрасти под действием облучения. 7.2 Внешний фотоэффект Внешний фотоэффект – это появление фото-ЭДС в p-n переходе при его электромагнитном облучении. p n ОНЗ Ө ОНЗ + - + ННЗ Ө - + ЕВН ННЗ - PV + – Поток падающих на p-n переход фотонов вызывает фотогенерацию пар носителей заряда, т.е. возникает внутренний фотоэффект. Образовавшиеся при этом носители заряда под действием внутреннего поля ЕВН начинают перемещаться: дырки двигаются по направлению поля, а электроны – против. В результате этого перемещения в p-области скапливаются положительные заряды, а в n-области – отрицательные. Возникает разность потенциалов. Если к такому переходу подключить микровольтметр, то прибор покажет какое-то напряжение, которое и является фото-ЭДС. Фото-ЭДС – это разность потенциалов, возникающая в результате разделения внутренним полем перехода носителей заряда, образовавшихся за счет электромагнитного облучения перехода. 8 Лазеры Существование лазера предсказал писатель Алексей Толстой в своем произведении «Гиперболоид инженера Гарина». Лазеры бывают: твердотельные, жидкостные, газовые (в зависимости от состояния рабочего вещества). 8.1 Принцип работы лазера Для эффективного использования света желательно получить синхронное (одновременное) и синфазное (одинаковое по фазе) излучение атомов, т.е. так называемое когерентное излучение. Пусть имеется цепочка возбужденных атомов. Атом считается возбужденным, если электрон в нем перешел со своей основной орбиты на более высокую за счет получения дополнительной энергии, например, за счет поглощения света (световой энергии), под влиянием температуры (тепловой энергии), при ударе в атом внешнего электрона (кинетической энергии) и т.д. Пусть внешний фотон (т.е. порция световой энергии, называемая квантом) ударяется в крайний атом по направлению вдоль цепочки. Это вызовет излучение фотона из этого атома, т.е. возникнет уже два фотона. Один из них ударит в следующий атом и т.д. - имеем «принцип домино». В результате световой поток усиливается в огромное число раз. Теоретически коэффициент усиления может достигать гигантского значения – 1020. Причем, двигаться эта огромная армия фотонов, имеющих одинаковую энергию, будет в одном направлении, т.е. излучение будет когерентным! Постоянное подведение к основному веществу дополнительной энергии (для возбуждения большого количества атомов и получения когерентного излучения) называется накачкой. Рассмотренный примитивный вариант усилителя света получил название лазер – от начальных букв английского выражения, в переводе означающего «усиление света с помощью вынужденного излучения». 8.2 Особенности лазерного излучения Малая расходимость пучка. С помощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку диаметром 0,5 мкМ (для видимого света). При этом угол расходимости будет равен 10-7 радиан. Если такой луч послать на Луну, расстояние до которой составляет 384 000 км, то он высветит пятно диаметром всего 30 М. Высокая монохроматичность. В идеале лазерное излучение имеет одну-единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Реально лазерное излучение занимает очень узкую полосу частот, примерно 10-3 Гц. возможность регулирования длительности излучения. Длительность излучения можно регулировать от сколь угодно длительных до сверхкоротких импульсных вспышек (например, 10-15Сек). Импульсы света такой малой длительности имеют огромную мощность, поэтому вещества, освещенные таким лазером, нагреваются до очень высоких температур, а значит, очень часто возникает необходимость их охлаждения. Напряженность электрического поля в луче может достигать 1011 В/см. Под действием такого сильного поля у многих веществ происходит ионизация атомов: они расщепляются на электроны и положительные ионы. 8.3 Лазеры на гетероструктурах Особое значение имеют гетероструктурные лазеры, которые не требуют охлаждения и работают при комнатной температуре. Этими проблемами занимался академик Жорес Иванович Алферов, получивший в 2000г. за выдающиеся открытия в области гетероструктур Нобелевскую премию. Гетеропереходом называется переход, образованный между двумя полупроводникамис различной шириной запрещенной зоны. Полупроводники должны иметь близкие кристаллические структуры, например переходы, созданные из так называемых «твердых растворов»: AlGaAs-GaAs, InP-GaInAs и т.д. Этим гетеропереходы отличаются от гомопереходов. Гомопереход – это переход, созданный на основе одного полупроводника с различной проводимостью (например, контакт кремния с электронной и дырочной проводимостью). Рассмотрим p-n гетеропереход, у которого ширина запрещенной зоны n-полупроводника больше, чем у p-полупроводника: n p WП` W П Ө W` WВ` W W В W> W` Как видно из энергетической диаграммы такого перехода, высота энергетического барьера для электронов, движущихся из n-области в p-область ( ) гораздо меньше энергетического барьера для дырок, движущихся из p-области в n-область ( ). Поэтому при подаче на такой гетеропереход прямого напряжения будет преобладать инжекция электронов, т.е. получится односторонняя инжекция. Этим гетеропереход принципиально отличается от гомоперехода. Гетеропереход может быть создан на основе полупроводников одного типа проводимости (p-p+ или n-n+). p p+ WП` W` W П Ө WВ` W В W W< W` Высота энергетического барьера для электронов (ННЗ), переходящих из p в p+-область, будет значительной, т.е. в базе (p+-область) не будут накапливаться ННЗ, следовательно, не требуется время на их рассасывание, а значит, повышается быстродействие (переключение прибора, построенного на таком переходе, будет значительно быстрее.) Использование двойных гетероструктур (ДГС), таких как p-n-n+ или n-p-p+ позволили получить сверхинжекцию и, тем самым, увеличить коэффициент усиления и повысить КПД. Применение гетеропереходов: а) Гетеропереходы n-n+ и p-p+ применяются для создания: сверхскоростных интегральных микросхем; малошумящих сверхвысокочастотных полевых транзисторов, которые используются в системах спутникового телевидения. б) Свойство односторонней инжекции в p-n гетеропереходе используется для создания биполярных гетероструктурных транзисторов, на основе которых работают усилители в мобильных телефонах. в) Солнечные элементы на основе гетероструктур широко используются в космосе (космическая станция «Мир» проработала на таких солнечных элементах 15 лет, пока не была затоплена в океане). г) С помощью гетероструктур можно изменять параметры полупроводниковых кристаллов (ширину запрещенной зоны, эффективную массу НЗ и их подвижность, показатель преломления, энергетический спектр и т.д.), т.е. искусственно создавать новые типы полупроводников – гетерополупроводники. 8.4 Применение лазеров а) Полупроводниковые лазеры на основе двойных гетероструктур (ДГС), работающие при комнатной температуре, т.е. не требующие охлаждения, стали основой волоконно-оптической связи. Волоконные световоды представляют собой кабели из специального стекла или прозрачной пластмассы и обладают высокой прозрачностью и очень малым затуханием лазерного луча. Если к волоконному световоду присоединить с одного конца полупроводниковый лазер, а с другого – фотоприемник, то получится волоконно-оптическая линия связи. Волоконные световоды позволяют экономить цветные металлы, из которых производятся обычные металлические кабели, имеют малую массу, не подвержены коррозии, не окисляются. б) Лазер на основе ДГС присутствует почти в каждом доме в виде проигрывателя лазерных компакт-дисков (CD), являясь устройством считывания информации с диска. в) Лазеры на гетероструктурах используют для преобразования инфракрасного излучения (невидимого) в видимое (например, зеленое). г) Лазерные диоды на основе гетероструктур широко используются в: дисплеях; современных светофорах; устройствах декодирования товарных ярлыков; лампах тормозного освещения в автомобилях; лазерных указках. д) Лазерные лучи применяются: для точных геодезических измерений; для сварки; для резки сверхпрочных материалов и пробивания отверстий; для изготовления микросхем. е) Лазерное излучение используется: в локаторах, имеющих гораздо бо̀льшую точность, чем радиолокатор; при швартовке судов (лазерный лоцман). ж) На использовании лазерного излучения основана голография (область науки, занимающаяся получением объемных изображений). Примером голографии может служить стереофильм. з) Лазеры эффективно применяются в медицине: в качестве скальпеля (Лазерным скальпелем можно делать «бескровные» операции, т.к. световое излучение попутно еще и «прижигает» кровеносные сосуды. Такой скальпель не требует стерилизации, воздействие его на ткань происходит очень быстро и безболезненно); для лечения глазных болезней (с помощью лазера приваривают к глазному дну отслоившуюся сетчатку, удаляют катаракту, выжигают глазные опухоли, лечат глаукому); в стоматологии лазер используется в качестве бормашины (действует быстрее и безболезненно, избирательно разрушает пораженную кариесом зубную ткань); в терапии (эффективное лечение лазером незаживающих ран, переломов, очищение кровеносных сосудов от холестериновых бляшек и т.д.); в хирургии с помощью лазерного луча дробят камни в почках на мелкие частички, которые выходят естественным путем, не доставляя человеку болезненных ощущений; сверхкороткие импульсы лазерного излучения дают возможность изучать детали строения и функционирования молекул ДНК и, тем самым, влиять на процессы наследственности (с помощью лазерной технологии была получена клонированная овечка Долли); большинство современной диагностической медицинской аппаратуры является лазерной. и) Широкое применение нашли лазеры в военной промышленности: приборы ночного видения; дальномеры; снайперские винтовки; ракеты с лазерным наведением; В г.Саров запущена лазерная установка «Искра-6», позволяющая моделировать в лабораторных условиях термоядерный взрыв. Таким образом, не надо производить дорогие и опасные для экологии ядерные испытания где-то в океане или под землей, тем более, что наша страна подписала договор о нераспространении ядерного оружия и о прекращении ядерных взрывов. Но изучать, проводить исследования термоядерной реакции в мирных и военных целях мы, в силу действия этого договора, тоже не могли. Теперь этот вопрос решен. к) Активно использует лазеры шоу-бизнес (лазерные шоу). л) С помощью лазеров изучается процесс фотосинтеза в растениях, т.е. преобразование солнечной энергии в химическую. м) Широко распространены лазеры в компьютерной технике (лазерные принтеры, CD-ROMы) и т.д. Усилительные устройства 9.1 Структурная схема усилителя Устройство, предназначенное для усиления мощности электрических сигналов, называется усилителем. Т.к. мощность сигнала на выходе усилителя (по определению) больше, чем на входе, то по закону сохранения энергии усилитель должен включать в себя источник энергии. Таким источником энергии является источник питания. Энергия источника питания в усилителе преобразуется в энергию усиленных колебаний под действием небольшой энергии источника сигнала, в качестве которого могут выступать: генератор, микрофон, фотоэлемент, выходной сигнал предыдущего каскада и т.д. Потребителем энергии усиленного сигнала является нагрузка (например, акустическая система, электронно-лучевая трубка, входное сопротивление следующего каскада). В качестве усилительного элемента может выступать транзистор, лампа, некоторые виды диодов и т.д. Таким образом, структурная схема усилителя имеет вид: Источник сигнала Усилительный элемент Нагрузка PВХ PВЫХ Источник питания РВЫХ>PВХ Усиление – это нелинейное преобразование, при котором энергия источника питания преобразуется в энергию усиленных колебаний, закон изменения которых определяется законом изменения входного сигнала. 10.2 Классификация усилителей По форме усиливаемых сигналов усилители делятся на: аналоговые усилители (усиливают непрерывные во времени сигналы); импульсные усилители (усиливают импульсные сигналы). По диапазону усиливаемых частот: усилители постоянного тока (УПТ) – усиливают постоянный и медленно меняющийся во времени ток; усилители переменного тока (усиливают переменный ток). В свою очередь усилители переменного тока подразделяются по полосе усиливаемых частот на: а) широкополосные усилители (ШПУ); б) узкополосные (резонансные) усилители. По диапазону усиливаемых частот усилители переменного тока делятся на: а) НЧ усилители; б) СЧ усилители; в) ВЧ усилители; г) СВЧ усилители. 3. По уровню выходной мощности усилители делятся на: усилители малой мощности; усилители мощности. 4. В зависимости от нагрузки усилители бывают: резистивные; трансформаторные; резонансные. 5. В зависимости от межкаскадных связей: RC-усилители; с трансформаторной связью; с непосредственной связью (выход одного каскада непосредственно связан со входом другого). 6. По типу усилительного элемента: транзисторные усилители; ламповые; параметрические; магнитные; квантовые и т.д. 10.3 Показатели качества усилителя Основными показателями качества усилителя являются: Входные и выходные параметры Коэффициенты усиления Линейные искажения Нелинейные искажения Динамический диапазон Уровень собственных шумов Входные и выходные параметры К входным параметрам усилителя относятся: ЭДС источника сигнала; внутреннее сопротивление источника сигнала; входной ток; входное напряжение; входная мощность; входное сопротивление. К выходным параметрам усилителя относятся: выходной ток; выходное напряжение; выходная мощность; выходное сопротивление; сопротивление нагрузки. Входное сопротивление идеального усилителя равно бесконечности. При этом весь входной сигнал от источника сигнала поступает на вход усилителя (нет потерь на внутреннем сопротивлении источника сигнала). Выходное сопротивление идеального усилителя равно нулю. При этом весь выходной сигнал отдается усилителем в нагрузку (нет потерь на выходном сопротивлении усилителя). Если выполняется условие: , то говорят: «Усилитель работает в режиме согласования». Коэффициенты усиления Коэффициенты усиления показывают, во сколько раз сигнал на выходе усилителя больше сигнала на входе. Существуют 3 вида коэффициентов усиления. 1. Коэффициент усиления по мощности: [раз] Коэффициент усиления по току: [раз] 3. Коэффициент усиления по напряжению: [раз] Линейные искажения Линейные искажения возникают за счет наличия в схеме частотно-зависимых линейных элементов – индуктивностей и емкостей ( ; ). Введем понятие «амплитудно-частотная характеристика» (АЧХ). АЧХ – это зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты входного сигнала. КU идеальная АЧХ КU0 0,707КU0 реальная АЧХ 0 FН ПП FВ f ПП – полоса пропускания; FН- нижняя частота полосы пропускания; FВ- верхняя частота полосы пропускания. Реальная и идеальная АЧХ совпадают только на средних частотах. На нижних и верхних частотах реальная АЧХ имеет завалы (КU уменьшается). Уровень определяет диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления по напряжению уменьшается в допустимых пределах. Этот диапазон частот называется полосой пропускания усилителя (ПП). ПП – диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления по напряжению уменьшается в допустимых пределах. По АЧХ определяют амплитудно-частотные искажения (АЧИ). Искажение – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного. АЧИ – это нарушение соотношения между амплитудами спектральных составляющих входного сигнала при прохождении этого сигнала через усилитель. Другими словами: спектральные составляющие входного сигнала усиливаются неодинаково по амплитуде. АЧИ отсутствуют, если все спектральные составляющие входного сигнала усиливаются в одинаковое число раз, т.е. если КU не зависит от частоты. Уравнение идеальной АЧХ: . Количественно АЧИ оцениваются коэффициентом амплитудно-частотных искажений: [раз], где - максимальное значение коэффициента усиления; - текущее значение коэффициента усиления. Кроме АЧИ усилитель вносит еще фазо-частотные искажения (ФЧИ). ФЧИ – это нарушение соотношения между начальными фазами спектральных составляющих входного сигнала при прохождении этого сигнала через усилитель. Другими словами: при прохождении через усилитель спектральные составляющие входного сигнала приобретают разные временные задержки. ФЧИ количественно оцениваются по фазо-частотной характеристике (ФЧХ). ФЧХ – это зависимость фазового сдвига, вносимого усилителем, от частоты входного сигнала. Уравнение идеальной ФЧХ: (2), где - фазовый сдвиг, вносимый усилителем; – частота входного сигнала; - время задержки входного сигнала. Из выражения (2) вытекает: в идеальном усилителе все спектральные составляющие входного сигнала имеют одну и ту же временную задержку. В ыражение (2) является уравнением прямой, проходящей через начало координат: f 0 идеальная ФЧХ Таким образом, ФЧИ будут отсутствовать, если фазовый сдвиг, вносимый усилителем, линейно зависит от частоты входного сигнала. Обычно ФЧХ строят отдельно для нижних и верхних частот. Н Ч: ВЧ: π/2 f -π/2 f - фазовые искажения на нижних и верхних частотах. ФЧИ определяют по отклонению реальной ФЧХ от идеальной, т.е. касательной, проведенной через начало координат. На НЧ эта касательная совпадает с осью частот. Идеальная ФЧХ в логарифмическом масштабе будет уже не прямой линией, а логарифмической кривой. Поэтому сравнивают реальную ФЧХ с касательной. ФЧИ на слух не воспринимаются, поэтому они в усилителях звуковой частоты не учитываются, а учитываются в видеоусилителях. АЧИ в усилителях звуковой частоты искажают тембр звучания, в видеоусилителях – уменьшают четкость изображения. Нелинейные искажения Искажения формы входного сигнала, вызываемые нелинейностью ВАХ усилительного элемента, называется нелинейными искажениями. Нелинейные искажения вызываются нелинейными элементами (транзисторы, лампы). Рассмотрим проходную характеристику (зависимость выходного тока от входного напряжения): IВЫХ проходная IВЫХ характеристика выходной ток А t 0 UВХ 0 Т/2 Т входное Положительная полуволна выходного н апряжение Т/2 тока явно не равна отрицательной полуволне Т t Если на вход усилителя подается гармонический сигнал (синусоида) с частотой , то за счет нелинейности ВАХ усилительного элемента на выходе получится искаженный сигнал (негармонический), который можно представить в виде постоянной составляющей и суммы гармоник (синусоид), т.е. разложить в ряд Фурье: п остоянная составляющая первая гармоника вторая гармоника третья гармоника - угловая частота Спектр входного и выходного сигнала будет выглядеть: SВХ f f SВЫХ f 2f 3f 4f f Гармоники выше четвертой не учитываются из-за малости амплитуд. Таким образом, нелинейные искажения сопровождаются обогащением спектра новыми спектральными составляющими – высшими гармониками. Линейные искажения обогащением спектра не сопровождаются. Если входной сигнал - колебание сложной формы, то кроме высших гармоник появляются так называемые комбинационные частоты (суммарные и разностные): . Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений: где амплитуда напряжения (тока) первой гармоники; - амплитуда напряжения (тока) второй гармоники и т.д. В звуковых усилителях нелинейные искажения воспринимаются как хрип или дребезжание. Динамический диапазон Динамический диапазон усилителя определяют по амплитудной характеристике (АХ). АХ – это зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения. идеальная АХ В реальная АХ А 0 Идеальная АХ – это прямая линия, проходящая через начало координат, угол наклона которой определяется из выражения: . Реальная АХ совпадает с идеальной только на участке АВ. При отсутствии входного сигнала ( ) . Таким образом, нижний загиб АХ обусловлен наличием собственных шумов в усилителе. При малой амплитуде входного сигнала шумы на выходе усилителя могут превысить полезный сигнал, что недопустимо. Малый уровень шумов имеют полевые транзисторы, наибольшими шумами обладают ламповые усилители. При большой амплитуде входного сигнала сказывается нелинейность ВАХ усилительного элемента – появляется верхний загиб АХ. Таким образом, верхний загиб АХ обусловлен нелинейными искажениями. Для нормальной работы усилителя (участок АВ) необходимо выполнение условий: Динамический диапазон усилителя – это отношение максимальной амплитуды выходного напряжения к его минимальной амплитуде в пределах линейной части АХ, т.е.: [раз] или [дБ]. Динамический диапазон человеческого голоса . Динамический диапазон симфонического оркестра . Динамический диапазон усилителей . Собственные шумы усилителя Усилитель усиливает не только полезный сигнал, но и нежелательные колебания, возникающие внутри него, называемые собственными шумами или помехами. Основные шумы: Фон – это колебания с частотой питающей сети (50Гц) или кратной ей. Возникают за счет плохой фильтрации выпрямителей. Избавиться от этих помех можно, используя качественный выпрямитель. Наводки – помехи, обусловленные действием электро-магнитных полей. Избавиться от этих помех можно с помощью экранирования. Микрофонный эффект – преобразование механических колебаний элементов схемы в электрические, проходящие на выход усилителя. Избавиться от этих помех можно с помощью амортизатора. Таким образом, с указанными выше шумами можно эффективно бороться. Тепловые шумы– обусловлены наличием хаотического теплового движения НЗ внутри любого проводника или элемента схемы. Эти шумы трудно устранимы. Наиболее сильно сказываются шумы первого каскада, т.к. усиливаются всеми последующими каскадами. Количественно шумы оцениваются отношением сигнал/шум: . В усилителях высокого класса отношение: . 10.4 Обратная связь в усилителях Передача части мощности сигнала с выхода усилителя на его вход называется обратной связью. Структурная схема усилителя с ОС: Вх. Вых. – коэффициент усиления усилителя без цепи ОС – коэффициент передачи цепи обратной связи Произведение называют петлевым усилением, а замкнутый контур, образованный усилителем и цепью ОС –петлей обратной связи. Выражение называют глубиной ОС. Виды обратной связи Обратная связь, созданная специально для улучшения технических показателей усилителя, называется искусственной ОС. Обратная связь, возникшая самопроизвольно (через паразитные емкости, общий источник питания и т.д.), называется паразитной ОС. Эта связь нежелательна, ее стараются устранить. Если напряжение обратной связи совпадает по фазе с входным напряжением, связь называется положительной. Положительная обратная связь (ПОС) применяется в генераторах. Если напряжение обратной связи противофазно входному напряжению, связь называется отрицательной. Отрицательная обратная связь (ООС) применяется в усилителях. Влияние ООС на показатели качества усилителя Наличие ООС в усилителях приводит: к уменьшению нестабильности режима; к уменьшению линейных искажений; к уменьшению нелинейных искажений; к уменьшению шумов; к возможности изменения входного и выходного сопротивления усилителя. Таким образом, наличие ООС улучшает вышеперечисленные показатели качества усилителя. Недостаток: ООС уменьшает коэффициет усиления по напряжению, что компенсируется увеличением числа каскадов. АЧХ усилителя без ООС и с ООС выглядят: КU без ООС КUO 0,707КUO КUO` 0,707КUO` с ООС 0 f ПП ПП` ПП`>ПП |