|
|
Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов направления 550200 (Автоматизация и управ. Б.И. Дубовик. Конспект лекций по электронике для студентов напра. Конспект лекций для студентов направления 550200 (Автоматизация и управление) специальности
Министерство образования Российской Федерации
Тульский государственный университет
Кафедра систем автоматического управления
Б.И.ДУБОВИК
к.т.н., доцент
ЭЛЕКТРОНИКА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов
направления 550200 (Автоматизация и управление)
специальности 210500 (Системы управления летательными аппаратами) , 071800 (Мехатроника)
Формы обучения очной
Тула 1999
Лекция № 1. Введение. Электрические сигналы.
План лекции.
1. Роль электроники в научно-техническом прогрессе;
2. Основные определения. Аналоговые и цифровые сигналы;
3. Основные параметры сигналов;
4. Классификация сигналов.
Введение.
За последние 30 лет произошло активное обновление технических средств цифровой и аналоговой электроники. Появилась интегральная схемотехника, созданы средние и большие интегральные схемы, микропроцессоры. В последнее время трудно найти какую-либо отрасль науки и техники, развитие которой не было бы связано с вопросами эффективного применения современных средств интегральной схемотехники. Как правило, применение подобных средств способствует научно-техническому прогрессу и говорит об уровне развития данной технической отрасли.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю. Первый ее период связан с простейшими передатчиками ключевого действия и, способными воспринимать их сигналы приемниками, которые появились в начале нашего века. Затем наступила эпоха вакуумных ламп, которая ознаменовала собой возможность претворения в жизнь смелых идей. Сейчас мы являемся свидетелями нового этапа развития электроники, связанного с появлением элементов на твердом теле и характеризующегося неиссякаемым потоком новых ошеломляющих достижений. Технология изготовления больших интегральных схем (БИС) дает возможность производить такие кристаллы кремния, на основе которых создают калькуляторы, вычислительные машины и т.п.
В настоящее время невозможно представить себе не только научные исследования, но и повседневную жизнь без электронной аппаратуры. Электроника стала неотъемлемой частью нашей жизни. В быту и на производстве, в научно-исследовательском институте и конструкторском бюро – всюду мы сталкиваемся с электроникой. Именно она позволяет создать современные вычислительные машины, мощные источники электромагнитных волн, и аппаратуру выполняющую тончайшие операции. Электронная аппаратура широко используется не только специалистами, но и многочисленным отрядом инженерно-технических и научных работников, не имеющих радиотехнической подготовки. Чтобы рационально использовать ее необходимые знания по электронике.
Предлагаемый курс лекций имеет своей целью дать необходимую подготовку по современной электронике и радиоэлектронике.
Электрические сигналы.
Сигналом является любая физическая переменная величина, значение которой или ее изменение во времени содержит информацию. Эта информация может относиться к речи и музыке, например, в радиопередаче, или к таким физическим величинам как температура воздуха в комнате, скорость движения автомобиля и т.д. Физическими переменными, которые могут нести информацию в электрических системах, являются напряжение и ток. Поэтому, когда мы будем говорить в дальнейшем о сигнале, то значит будем подразумевать напряжение или ток.
Рис. 1.1. Схема для измерения температуры.
Сигналы могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговый сигнал переносит информацию в виде непрерывного изменения во времени напряжения или тока. Примером аналогового сигнала служит напряжение, создаваемое на спаях термопары, находящихся при разных температурах (рис. 1.1).
При изменении разности температур между спаями изменяется величина напряжения на концах термопар. Таким образом, напряжение дает аналоговое представление разности температур (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Графики изменения разности температур и напряжения.
Другим видом сигнала является цифровой сигнал. Он может принимать значения в пределах двух дискретных областей. Такие сигналы используются для представления информации типа “включено-выключено" или "да-нет". Например, терморегулятор на утюге вырабатывает цифровой сигнал для управления нагревателем. Когда температура утюга падает ниже предварительно установленного значения, переключатель регулятора замыкает контакты и включает нагреватель. Как только температура утюга становится достаточно высокой, переключатель дает цифровое представление изменения температуры: "включено" соответствует состоянию "утюг слишком остыл", а "выключено" – "утюг слишком нагрелся.
Современная радиоэлектроника имеет дело с самыми разными сигналами и для их классификации вводят 3 основных параметра: длительность, динамический диапазон и ширину спектра сигнала. Всякий сигнал, являющийся некоторой временной функцией имеет начало и конец. Длительностью сигнала называют интервал времени, в течение которого он существует. Динамическим диапазоном сигнала называют отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной. Динамический диапазон выражается обычно в [дб], т.е. 10 lg (Pmax/Pmin)
В реальных условиях минимальная мощность сигнала ограничена уровнем помех, который она всегда должна превышать. Наконец, для сравнения характера различных сигналов вводят понятие СПЕКТРА. Для этого сигнал представляют в виде суммы некоторых эталонных колебаний, и по ним судят о характере реального сигнала. Такими эталонными колебаниями могут быть самые различные временные функции, но наиболее часто применяют гармонические. При этом, если спектр напряжения или тока (т.е. сигнала) содержит только постоянную составляющую, то говорят, что в данном случае имеем дело с постоянным напряжением или током. Примером источника постоянного тока служит батарея. Если же спектр напряжения или тока содержит одну гармонику, то в этом случае имеют дело с переменным сигналом, изменяющимся по синусоидальному закону.
Синусоидальный сигнал.
Такой сигнал имеет вид, представленный на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Синусоидальный сигнал.
Величина пикового значения Up называется амплитудой волны. Синусоидальная форма волны является периодической, т.е. она повторяется. Время полного цикла обозначено буквой Т и называется периодом синусоидальной волны. С периодом связано понятие частота, обозначаемое f. Соотношение между частотой и периодом имеет вид: f = 1/T. Единицей частоты является герц (Гц). 1 Гц = 1 цикл/сек. Выражение, объединяющее информацию об амплитуде и частоте для напряжения, показанного на рисунке, имеет вид:
Каждый раз, когда угол 2ft увеличивается на 2 рад. или 360 град., форма волны повторяется. Отсюда можно определить круговую частоту, обозначаемую через:
Единица измерения круговой частоты – радиан/секунда (т.е. частота, равная 1 Гц ) соответствует круговой частоте 2 рад/с. С пиковой амплитудой связана величина, которая называется СРЕДНЕ КВАДРАТИЧНОЙ (ЭФФЕКТИВНОЙ) амплитудой и часто применяется для обозначения синусоиды. Среднеквадратичная амплитуда равна корню квадратному из усредненного по времени значения квадрата величины сигнала данной формы. Для синусоиды эффективная амплитуда Uэфф и пиковая Uр связаны следующим образом:
Следовательно, синусоида в уравнении (1.1) может быть записана в виде:
Имея дело с синусоидальными сигналами, удобно вместо амплитудных значений использовать эффективные. Например, напряжение в энергосети, питающей дома, предприятия, изменяется с частотой 50 Гц по синусоидальному закону. Считают, что это напряжение равно 220 В. Значит, амплитудное пиковое напряжение в линии составляет:
Кроме синусоидального сигнала, часто используются другие типы сигналов.
Прямоугольный (меандровый) сигнал.
Такой сигнал имеет вид, представленный на рис.1.4.
Рис. 1.4. Меандровый сигнал.
Как и синусоидальный прямоугольный сигнал характеризуется амплитудой и частотой. Для такого сигнала эффективное значение равно просто амплитуде. Форма реального прямоугольного сигнала отличается от идеального прямоугольника. Обычно в электромагнитной схеме время нарастания сигнала tн составляет от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд.
Линейно-меняющиеся сигналы.
Линейно-меняющийся сигнал – это напряжение, возрастающее (или убывающее) с постоянной скоростью. Примером такого сигнала является пилообразное напряжение (рис. 1.5) и сигнал треугольной формы (рис. 1.6).
рис. 1.5. Пилообразный сигнал.
рис. 1.6. Сигнал треугольной формы.
Импульсные сигналы.
рис. 1.7. Периодический импульсный сигнал.
Импульсные сигналы характеризуются амплитудой и длительностью. Если импульсы периодически повторяются, то в этом случае говорят о частоте повторения и о скважности импульсов. Скважность импульсов равна отношению длительности импульса к периоду повторения (рис. 1.7.)
Импульсы могут иметь положительную и отрицательную полярность (пьедестал) (рис. 1.8).
рис. 1.8. Импульсные сигналы различной полярности.
Сигнал шумов.
Сигналы шумов являются теми сигналами, которые мешают нормальной работе приборов и устройств, ограничивая их возможности. Например, минимальные напряжения и токи, которые могут быть измерены электронными приборами (вольтметрами и амперметрами) ограничены уровнем шума, действующим на вход прибора совместно с измеряемым сигналом. Одним из наиболее распространенных типов шумовых сигналов является белый шум с гауссовским распределением в ограниченном спектре частот. Шумовой сигнал такого типа генерирует, например, резистор, он создает неприятности при всевозможных измерениях, в которых требуется высокая чувствительность.
Модулированные сигналы.
Если спектр сигнала содержит много гармоник, то в этом случае имеем дело со сложными периодическими колебаниями.
Примерами таких сигналов могут служить, например, амплитудно-модулированные сигналы, и частотно-модулированные сигналы. Амплитудно-модулированные сигналы описываются выражением:
Спектр такого сигнала состоит из трех гармоник.
Частотно-модулированные сигналы описываются выражением вида:
где m – индекс частотной модуляции. Этот сигнал можно также представить в виде суммы простейших гармоник. Однако в этом случае при достаточно больших m число гармоник может достигать больших значений по сравнению со случаем сигнала с амплитудной модуляцией.
В заключение отметим также, что сигналы классифицируют по ряду признаков. Прежде всего выделяют первичные и вторичные сигналы. К первичным относятся сигналы, наблюдаемые на входе и выходе радиоэлектронной системы, кo вторичным – все остальные сигналы, формируемые внутри радиоэлектронной системы и служащие для согласования характеристик сигнала и системы.
Различают также полезные сигналы и помехи. Помехой называют любое воздействие, которое накладывается на полезный сигнал, и затрудняет его прием. Одни и те же сигналы в одном случае могут быть полезными, в другом – помехами или наоборот. Например, если рассматривать многоканальную измерительную систему, в которой имеется несколько измерительных преобразователей, то при снятие информации с первого измерительного преобразователя полезным будет сигнал только этого преобразователя, а сигналы остальных преобразователей будут помехами.
Лекция № 2. Полупроводниковые диоды.
План лекции.
1. Модель диода;
2. Максимальная рассеиваемая мощность;
3. Классификация диодов;
4. Примеры использования диодов.
Полупроводниковый диод является двухполюсником, содержащим один р-n – переход. (рис. 1.4.1).
рис. 1.4.1. Структура диода.
Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение; при этом через диод протекает прямой ток. При обратном смещении катод более положителен, чем анод: обратный ток при этом ограничен малым током насыщения.
Теоретический анализ р-n – перехода дает простое уравнение, которое точно описывает работу диода как при прямом, так и при обратном смещении:
(1.3)
где:
i – ток, протекающий через диод;
U – напряжение на диоде (В);
I0 – обратный ток насыщения диода;
q – заряд электрона ( Кл);
k – постоянная Больцмана ( Дж/К);
T – абсолютная температура (градусы Кельвина).
Заметим, что величина kT/q имеет размерность напряжения и при комнатной температуре это напряжение равно:
kT/q = 26 mВ (при 300 К)
Проведем анализ выражения (1.3).
Рассмотрим сначала случай, когда полярность напряжения U со ответствует прямому смещению на диоде. При изменении U от 0, на некотором интервале значений U (от 0 до Uпор) ток, протекающий через диод будет мал и будет мало изменятся. Затем при U > Uпор появляется заметный ток, который значительно изменяется при малых изменениях напряжения U. Например, при комнатной температуре прямой ток возрастает в 10 раз при каждом увеличении U на 60 мВ.
Типичные значения порогового напряжения для германиевых диодов равны 0,2 – 0,3 В, для кремниевых 0,6 – 0,7 В (рис. 1.4.2).
рис. 1.4.2. Вольтамперная характеристика германиевого и кремниевого диодов.
Рассмотрим теперь случай, когда U имеет полярность соответс твующую обратному смещению на диоде. Как видно из выражения (1.3) при увеличении обратного напряжения на диоде ток, достигнув значения обратного тока насыщения, остается постоянным. При этом электрическое поле в области объемного заряда растет. Увеличение напряженности электрического поля приводит к увеличению скорости подвижных носителей, пересекающих область объемного заряда и создающих обратный ток. В некоторый момент скорость носителей становится такой, что при соударении вырываются добавочные электроны из ковалентных связей в области объемного заряда; при этом возникают дырки и свободные электроны. Эти новые носители увеличивают обратный ток и могут в свою очередь при соударении порождать дополнительные подвижные электроны и дырки. Этот процесс, называемый ЛАВИННЫМ РАЗМНОЖЕНИЕМ, приводит к очень быстрому нарастанию обратного тока – к пробою. Обратное напряжение, которое может выдержать диод до наступления пробоя, называется максимальным обратным напряжением диода.
рис. 1.4.3. Вольтамперная характеристика стабилитрона.
Пробой сильно влияет на ВАХ диода. Так, если требуется, чтобы диод не пропускал обратного тока, следует выбирать прибор, обратное напряжение которого больше, чем напряжение в схеме, которое может быть подано на диод в обратном направлении.
Максимальная рассеиваемая мощность.
При использовании диодов следует соблюдать осторожность и не допускать слишком больших напряжений или токов, которые могли бы испортить диод. Основным недостатком любого элемента электрической схемы является его разогрев. В резисторных элементах рассеиваемая мощность переходит в тепло, которое увеличивает температуру элемента. Максимальная температура, которую может выдержать прибор, характеризует его способность отдавать выделившееся тепло в окружающую среду и определяет максимально допустимую мощность рассеяния для прибора. Максимальная температура прибора зависит от нескольких факторов: от изменения свойств полупроводника с температурой, плавления припоев, применяемых при изготовлении диодов, механического разрушения структуры вследствие неравных коэффициентов теплового расширения. Для кремниевых диодов максимальная температура составляет около 200 С, а для германиевых редко превышает 100 С. Способность отдавать тепло зависит от конструкции прибора и от способа его крепления.
Улучшение теплоотдачи достигается при монтаже приборов на ребристый теплоотвод и при применении принудительного воздушного охлаждения. Так или иначе, приборы и их арматура способны рассеивать определенную мощность без превышения максимально допустимой температуры.
Максимально допустимая мощность рассеяния Ррmax, ограничивает величину произведения тока на напряжение в приборе
Если построить график этого соотношения на плоскости напряжение-ток, то получим гиперболу в первом и третьем квадрантах, определяющую границы допустимой мощности рассеивания в приборе (рис. 1.4.4).
Рис.1.4.4. Границы рабочих областей на вольтамперной характеристике диода
Если рабочая точка диода пересекает эту границу и выходит из области безопасной работы, то прибор перегревается и его функционирование нарушается.
Классификация диодов.
По назначению диоды делятся на:
1. Выпрямительные.
2. Детекторные, преобразовательные, переключающие.
3. Стабилитроны.
4. Варикапы.
По основным физическим процессам диоды делят на: лавинопролетные и туннельные.
Для выпрямительных (или силовых) диодов основными являются их статические параметры, характеризующие вентильные свойства: сопротивление в прямом и обратном направлениях, а также допусти мое обратное напряжение.
Диоды второй группы высокочастотные. Характерной особенностью их конструкции является малая площадь р-n – перехода. Поэтому здесь широко применяют различные типы точечных диодов или плоскостные диоды с р-n – переходами очень малой площади.
Основными для таких диодов, кроме статических, являются параметры, характеризующие их инерционность: емкость диода, индуктивность выводов, время восстановления обратного сопротивления.
Стабилитроны работают в области пробоя, т.е. при обратных напряжениях, без разрушения. В области пробоя ток через диод почти не зависит от напряжения. Простая линейная модель диода в области пробоя содержит только батарею, напряжение которой равно напряжению пробоя диода. Поэтому если в каком-то месте схемы требуется поддерживать постоянное напряжение, то можно использовать диод, работающий в области пробоя. Диоды, предназначенные для этого вида работы, называют еще ОПОРНЫМИ диодами или диодами Зенера.
Промышленные опорные диоды имеют напряжение пробоя от 2.4 до 200 В. Условное обозначение стабилитронов представлено на рис. 1.4.5.
рис. 1.4.5. Условное обозначение стабилитронов.
Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное значение напряжения стабилизации Uст, минимально и максимально допустимые значения тока стабилизации и стабильность номинального напряжения Uст (рис. 1.4.6)
рис. 1.4.6 Вольтамперная характеристика стабилитрона.
Варикапы – это приборы с электрически управляемой емкостью. Ос новными параметрами варикапов являются максимальная, минимальная и номинальная емкости Смах, Смin, Сном.
Туннельные диоды отличаются тем, что в них используется по лупроводниковый кристалл с высокой концентрацией примесей (в тысячи раз больше, чем у обычных диодов). Возникновение тока в р-n – переходе определяется двумя процессами: туннельным эффектом и диффузией. Туннельный эффект заключается в том, что благодаря волновым свойствам, присущим электрону, существует некоторая вероятность перехода электрона через потенциальный барьер р-n – перехода без потерь энергии. Максимум туннельного эффекта наблюдается при прямом напряжении порядка 100 мВ. ВАХ имеет вид, представленный на рис. 1.4.7.
рис. 1.4.7 Вольтамперная характеристика туннельного диода.
Особенности:
1. не наблюдается вентильного эффекта (туннельный диод обладает высокой проводимостью и при обратном напряжении);
2. в области небольших положительных напряжений имеется участок, который характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Основные параметры: напряжение и ток пика Uп и iп, напряжение и ток впадины Uв и iв и напряжение раствора Uр.
Примеры использования диодов.
1) Выпрямление сигналов.
рис. 1.4.8. Диодные выпрямители.
Сигнал на выходе схемы будет получен лишь в том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не менее 0,6 В. Это накладывает определенные ограничения на разработку схемы, но известны приемы, с помощью которых их можно преодолеть.
Прямое напряжение на диоде Д2 компенсируется за счет диода Д1, обеспечивающего смещение величиной 0.6 В. Это смещение определяет порог проводимости для Д2.
2) Диодные вентили.
Еще одна область применения диодов основана на их способности пропускать большее из двух напряжений, не оказывая влияния на меньшее. Схемы, в которых используется это свойство, объединены в семейство логических схем. Рассмотрим схему с резервной батареей питания – она используется в устройствах, которые должны работать непрерывно даже при отключеньях питания (например, электронные часы) (рис. 1.4.9).
рис. 1.4.9. Схема с резервным источником питания.
3) Диодные ограничители.
рис. 1.4.10. Диодный ограничитель.
В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения сигнала, можно воспользоваться схемой, показанной на рисунке:
Благодаря диоду выходное напряжение не может превышать значения +5,6 В, при этом наличие диода никак не сказывается на меньших значениях напряжения (в том числе и на отрицательных).
Единственное условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя.
Восстановление сигнала по постоянному току в случае емкостной связи по переменному току можно выполнить следующей схемой:
|
|
|
Скачать 0.94 Mb.