Промышленная электроника. Аналоговые электронные устройства, используемые в элементах автоматики
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 272
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1297-1
Артикул: 815366.01.99
Даны сведения о полупроводниковых элементах, на основе которых выполняются современные электронные устройства. Отдельные главы посвящены рассмотрению микроэлектронных усилителей. Описаны устройства, позволяющие генерировать электрические сигналы разной формы, а также устройства аналоговой информатики, позволяющие осуществлять математические операции без использования стеков памяти и процессоров. Для студентов электротехнических направлений. Может быть полезно специалистам в области промышленной электроники, схемотехники, приборостроения.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
А. Н. Брысин, С. А. Микаева ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕМЕНТАХ АВТОМАТИКИ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023 1
УДК 621.382 ББК 32.844.1 Б89 Р е ц е н з е н т ы : профессор кафедры цифровых и аддитивных технологий Института перспективных технологий и индустриального программирования Российского технологического университета (МИРЭА) д-р техн. наук, проф. П. Н. Шкатов; заведующий базовой кафедрой источников света Института электроники и светотехники Национального исследовательского Мордовского государственного университета (ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева») д-р техн. наук, доц. А. А. Ашрятов Брысин, А. Н. Б89 Промышленная электроника. Аналоговые электронные устройства, используемые в элементах автоматики : учебное пособие / А. Н. Брысин, С. А. Микаева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 272 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1297-1 Даны сведения о полупроводниковых элементах, на основе которых выполняются современные электронные устройства. Отдельные главы посвящены рассмотрению микроэлектронных усилителей. Описаны устройства, позволяющие генерировать электрические сигналы разной формы, а также устройства аналоговой информатики, позволяющие осуществлять математические операции без использования стеков памяти и процессоров. Для студентов электротехнических направлений. Может быть полезно специалистам в области промышленной электроники, схемотехники, приборостроения. УДК 621.382 ББК 32.844.1 Печатается в авторской редакции ISBN 978-5-9729-1297-1 Брысин А. Н., Микаева С. А., 2023 Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 2
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .......................................................................................................................................... 6 1. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ ................................................... 9 1.1.Структура и энергетические зоны полупроводников ..................................................... 9 1.2.Примесные полупроводники ........................................................................................... 14 1.3. Основные параметры полупроводников ........................................................................ 17 1.4. Проводимость полупроводников .................................................................................... 20 1.5. Структура и основные свойства p-n-перехода ............................................................... 21 1.6. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода .............................................................. 27 1.7. Емкости p-n-перехода ...................................................................................................... 30 1.8. Обратный ток p-n-перехода ............................................................................................. 31 1.9. Пробой p-n-перехода ....................................................................................................... 33 Вопросы к главе 1 .................................................................................................................... 35 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ ........................................................................................... 37 2.1. Силовые диоды ................................................................................................................. 37 2.2. Опорные диоды ................................................................................................................. 38 2.3. Диоды ВЧ и СВЧ .............................................................................................................. 40 2.4. Варикапы ........................................................................................................................... 42 2.5. Туннельные диоды ........................................................................................................... 43 2.6. Генераторные диоды ........................................................................................................ 46 2.7. Фотодиоды ........................................................................................................................ 48 2.8. Светодиоды ....................................................................................................................... 52 2.9. Источники питания электронных устройств ................................................................. 54 2.9.1. Однополупериодный выпрямитель .......................................................................... 55 2.9.2. Мостовая схема выпрямителя ................................................................................... 56 2.9.3. Внешняя характеристика выпрямителя .................................................................. 57 2.10. Сглаживающие фильтры................................................................................................ 58 2.11. Стабилизаторы напряжения .......................................................................................... 60 Вопросы к главе 2 .................................................................................................................... 60 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ .................................................................................................. 62 3.1. Принцип действия ............................................................................................................ 62 3.2. Вольт-амперные характеристики .................................................................................... 65 3.3. Усилительные параметры и эквивалентные схемы ...................................................... 69 3.4. Частотные параметры ...................................................................................................... 75 3.5. Транзисторы ВЧ и СВЧ ................................................................................................... 78 3.6. Режимы работы ................................................................................................................. 81 3.8. Лавинные транзисторы и тиристоры .............................................................................. 87 Вопросы к главе 3 .................................................................................................................... 89 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ........................................................................................................... 90 4.1. Полевой транзистор с p-n-переходом ............................................................................. 90 4.2. Транзистор со статической индукцией .......................................................................... 98 4.3. МДП-транзистор ............................................................................................................... 99 4.4. Разновидности полевых транзисторов ......................................................................... 106 4.5. Прибор с зарядовой связью ........................................................................................... 108 4.6. Главные недостатки полевых транзисторов ................................................................ 110 3
4.7. Составные транзисторы ................................................................................................. 111 Вопросы к главе 4 .................................................................................................................. 112 5. УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ТРАНЗИСТОРАХ ........................................................ 113 5.1. Общие сведения .............................................................................................................. 113 5.2. Основные параметры и характеристики ...................................................................... 115 5.3. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) ............. 118 5.4. Стабилизация режима покоя каскада на биполярном транзисторе .......................... 125 5.5. Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общей базой (ОБ) .................. 127 5.6. Эмиттерный повторитель .............................................................................................. 129 5.7. Разновидности эмиттерных повторителей ................................................................... 132 5.8. Усилительный каскад на полевом транзисторе с общим истоком (ОИ) ................... 133 5.9. Истоковый повторитель ................................................................................................. 139 5.10. Фазоинверсный и каскадный усилители .................................................................... 142 5.11. Усилители на биполярных и полевых транзисторах ................................................ 145 Вопросы к главе 5 .................................................................................................................. 146 6. УСИЛИТЕЛИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ .................................................................................... 148 6.1. Общие сведения .............................................................................................................. 148 6.2. Последовательная обратная связь по напряжению ..................................................... 152 6.3. Последовательная обратная связь по току ................................................................... 156 6.4. Параллельная обратная связь по току .......................................................................... 162 6.5. Параллельная обратная связь по напряжению ............................................................ 164 6.6. Комбинированная ООС ................................................................................................. 169 6.7. Паразитные обратные связи в многокаскадных усилителях с ООС ......................... 170 6.8. Дополнительные сведения по обратным связям ......................................................... 172 Вопросы к главе 6 .................................................................................................................. 174 7. УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ ......................................................................................................... 176 7.1. Общие сведения .............................................................................................................. 176 7.2. Классы усиления ............................................................................................................. 176 7.3. Однотактные усилители мощности .............................................................................. 179 7.4. Двухтактные усилители с трансформаторной связью ................................................ 183 7.5. Бестрансформаторные усилители мощности .............................................................. 186 Вопросы к главе 7 .................................................................................................................. 190 8. ОСНОВЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ...................................................................... 191 8.1. Усилители постоянного тока: общие сведения ........................................................... 191 8.2. Дрейф нуля усилителя.................................................................................................... 192 8.3. Однотактные усилители прямого тока ......................................................................... 193 8.4. Усилители с преобразованием ...................................................................................... 196 8.5. Дифференциальные усилители ..................................................................................... 199 8.6. Схемы включения дифференциального усилителя ..................................................... 204 8.7. Коэффициент ослабления синфазного сигнала ........................................................... 207 8.8. Разновидности дифференциальных усилителей ......................................................... 208 8.9. Точностные параметры .................................................................................................. 211 8.10. Операционные усилители ............................................................................................ 213 8.11. Параметры операционных усилителей ....................................................................... 219 8.12. Обратные связи в операционных усилителях ............................................................ 223 8.13. Операционный усилитель и схемы на его основе ..................................................... 225 8.13.1. Неинвертирующий усилитель .............................................................................. 225 8.13.2. Инвертирующий усилитель .................................................................................. 226 4
8.13.3. Выбор компонентов схемы инвертирующего усилителя .............................. 228 8.13.4. Дифференциальные усилители на ОУ ............................................................... 228 8.13.5. Параметры дифференциального усилителя ...................................................... 230 8.13.6. Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ ............................................................... 231 8.13.7. Избирательный усилитель .................................................................................... 234 8.14. Инструментальный (измерительный) усилитель ...................................................... 235 8.15. Работа операционного усилителя без обратной связи .............................................. 236 8.15.1. Принцип работы компаратора ............................................................................. 236 8.15.2. Триггер Шмитта ...................................................................................................... 240 8.15.3. Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта ...................................................................................................................... 241 Вопросы к главе 8 .................................................................................................................. 242 9. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ........................................ 243 9.1. Принципы создания колебаний в генераторах ............................................................ 243 9.2. Принцип построения импульсных генераторов на ОУ .............................................. 244 9.3. Автоколебательный мультивибратор на ОУ ............................................................... 245 9.4. Улучшение параметров мультивибратора ................................................................... 247 9.5. Ждущий мультивибратор (одновибратор) ................................................................... 248 9.6. Генераторы гармонических сигналов ........................................................................... 250 9.7. Генератор напряжения треугольной формы ................................................................ 253 9.8. Генератор напряжения пилообразной формы ............................................................. 255 9.9. Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина .................................. 256 9.10. Улучшение параметров генератора Вина .................................................................. 257 9.11. Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающими RC-цепями .............. 258 Вопросы к главе 9 .................................................................................................................. 259 10. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ КАК ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ ........................................................................................................................... 260 10.1. Интегратор .................................................................................................................... 260 10.2. Дифференциатор ........................................................................................................... 260 10.3. Логарифмирующий преобразователь ......................................................................... 261 10.4. Экспоненциальный преобразователь ......................................................................... 262 10.5. Инвертирующий аналоговый сумматор ..................................................................... 263 10.6. Смеситель сигналов ...................................................................................................... 264 10.7. Инвертирующий сумматор с усилением .................................................................... 265 10.8. Усредняющий сумматор .............................................................................................. 265 10.9. Компенсация напряжения смещения .......................................................................... 266 Вопросы к главе 10 ................................................................................................................ 267 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................................................... 269 5
ПРЕДИСЛОВИЕ Главный творческий прорыв состоялся не тогда, когда я пытался изобрести транзистор, а когда конструировал установку для экспериментов с поверхностными явлениями в точечных транзисторах. Внезапно до меня дошло, что экспериментальная структура и есть транзистор. Именно она и была запатентована как плоскостной транзистор. Я был удручен тем, что, зная все необходимое для этого изобретения, я целый год не мог соединить части целого - до тех пор, пока не появился раздражитель в лице точечного транзистора. Уильям Шокли Электроника - область науки и техники, изучающая физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах, электрические характеристики и параметры этих приборов, принципы построения и свойства устройств с их использованием. Современный уровень развития наряду с насыщением различными электронными устройствами научно-исследовательских, оборонных, промышленных и других объектов делает ее доступной широкому кругу потребителей. Понимание физических принципов электронных приборов сейчас также актуально, как и понимание физических явлений в середине прошлого века. Транзистор - «управляемое сопротивление» - прибор, изначально создаваемый не для преобразования, а именно для управления сложными электрическими, впоследствии электронными и микроэлектронными узлами и компонентами, основа как ячейки самой быстрой статической памяти, так и драйвера управления шаговыми двигателями. Классический и до конца не познанный электронный прибор. Мы ждем широкого внедрения оптических транзисторов, транзисторов, использующих квантовые эффекты, но даже в принципиально новых конструктивных решениях усилительных элементов будут заложены принципы управления, изложенные в этом пособии. В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработки цифровой информации и ее отображение, и т. п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами. Элементарная база электроники включает в себя пассивные (не преобразующие электрическую энергию) и активные (преобразующие электрическую энергию) элементы. В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первые электронные устройства (конец XIX-XX века) выполнялись на электровакуумных приборах (электронных лампах). С середины ХХ века широкое применение 6
нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последнюю четверть ХХ века основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие пластинку полупроводника с размещенными на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со временем их изобретения (США, 1959 г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки миллионов транзисторов и других элементов. Один из первых значительных шагов на пути развития электроники сделал американский изобретатель Л. де Форест, предложивший в 1906 г. первый усилительный электронный элемент - ламповый триод. В 1920 г. О. В. Лосевым был впервые использован полупроводниковый элемент для получения усиления и генерации электрических сигналов. Однако из-за отсутствия теории протекания нелинейных процессов в полупроводниках электроника до середины 40-х годов практически оставалась «чисто» ламповой. Только развитие интересных исследований по физике полупроводников и полупроводниковых элементов, среди которых одно из ведущих мест занимали работы немецкого физика В. Шоттки, разработавшего теорию контакта металл - полупроводник, который широко используется в современной полупроводниковой электронике. Особо выделим основополагающее изобретение американского инженера Г. Блэка по использованию отрицательной обратной связи. Сейчас любому технически грамотному человеку понятно, что без отрицательных обратных связей даже невозможно представить себе современную электронику. Однако в относительно недалеком по времени 1928 г. патентное ведомство США назвало это фундаментальное предложение «глупой затеей». В 1948 г. американские физики Дж. Бардин и В. Браттейн обнаружили эффект усиления тока в полупроводниковой структуре с двумя р-п-переходами. Это революционное событие в электронике привело к созданию В. Шокли биполярного транзистора - основного и на сегодняшний день активного (усилительного) элемента полупроводниковой электроники. В дальнейшем электроника стала развиваться очень быстрыми темпами: ежегодно появлялись новые типы полупроводниковых приборов, улучшалась технология их изготовления, создавались различные устройства информационной и энергетической электроники и т. д. Электроника становится незаменимой помощницей во многих областях производства и науки, обороны и космических исследований. В конце шестидесятых годов появляются первые изделия микроэлектроники - интегральные схемы (микросхемы), которые быстро совершенствовались и стали основными изделиями современной электроники. Современная электроника - это полупроводниковая электроника. Сегодняшний этап ее развития характеризуется быстро растущей степенью интеграции; уже созданы интегральные схемы, содержащие на одном полупроводниковом кристалле более 106 элементов. В перспективе развития полупроводниковой электроники намечается функциональное укрупнение конструктивных еди7
ниц за счет использования новых физических явлений, позволяющих с помощью простых нерасчленяемых структур осуществить функции, обычно реализуемые с помощью многоэлементной сложной цепи или устройства. Реализация такого принципа соответствует появлению новых типов изделий полупроводниковой электроники. Они и представляют собой новый этап развития электроники - функциональную электронику. Предлагаемая вниманию читателей книга содержит 10 глав. В первых четырех главах сообщаются необходимые сведения о полупроводниковых элементах, на основе которых выполняются современные электронные устройства. Последующие четыре главы посвящены рассмотрению разнообразных, прежде всего микроэлектронных усилителей. В девятой главе рассмотрены устройства, позволяющие генерировать электрические сигналы разной формы. В десятой главе рассмотрены устройства аналоговой информатики, позволяющие осуществлять математические операции без использования стеков памяти и процессоров. Книга является адаптированным вариантом [2-4] с учетом требований, предъявляемых к освоению курса по дисциплине «электроника». В книге использованы фрагменты лекций, читаемых авторами в течение многих лет в Московском институте радиотехники, электроники и автоматики. Авторы благодарны Игумнову Д. В., Серову В. Н., Осинцеву О. Н., Бабенко В. П. и другим преподавателям, в разные годы работавшие на кафедре электроники, за тот вклад в развитие электроники, который они внесли. Их работы приведены в списке литературы в конце книги. 8
1. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ 1.1.Структура и энергетические зоны полупроводников В абсолютном большинстве случаев устройства современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводниками обычно называют материалы, удельное сопротивление которых больше, чем у проводников (металлов), но меньше, чем у изоляторов (диэлектриков). Сразу следует заметить, что различие между полупроводниками и диэлектриками только количественное, тогда как различие между полупроводниками и металлами более принципиальное - качественное. Полупроводники являются разновидностью диэлектриков: можно сказать, что они являются диэлектриками с уменьшенным удельным сопротивлением, тогда как с металлами у них значительно меньше общего. Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное электрическое сопротивление полупроводников при комнатной температуре лежит в пределах 10-3-1010 ОмÂсм. В качестве полупроводниковых веществ используется кремний (Si), германий (Ge) (элементы IV группы периодической системы Менделеева), а также селен, арсенид галлия, фосфид галлия, и др. Особенностью полупроводников отличительной от металлов и диэлектриков является их способность в широких пределах менять свою проводимость при изменении внешних энергетических воздействиях (температуры, света, электромагнитного поля, механических деформаций и т. д.). Электропроводимость чистых однородных полупроводников при температуре, отличной от абсолютного нуля, обусловлена попарным образованием (генерацией) свободных носителей заряда - электронов и дырок. При сообщении полупроводнику определенной энергии один из электронов вырывает из узла связи кристаллической решетки и становится свободным, а освободившееся в узле решетки место приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Это вакантное для электронов место кристаллической решетки получило название дырки. Наряду с генерацией носителей заряда при их хаотичном движении происходит процесс рекомбинации - воссоединение (исчезновение) пары носителей заряда при встрече свободного электрона с дыркой. Устанавливается динамическое равновесие между количеством возникающих и исчезающих пар, и при неизменной температуре общее количество свободных носителей заряда остается постоянным. При приложении к проводнику внешнего электрического поля движение свободных зарядов упорядочивается, электроны и дырки движутся во взаимно противоположных направлениях вдоль силовой линии электрического поля. Электропроводность чистого проводника называется собственной. 9
При обычных температурах количество свободных электронов и дырок в чистом полупроводнике невелико и составляет 1016-1018 в 1 см 3 вещества. Такой полупроводник по своим электрическим свойствам приближается к диэлектрикам. Электрические свойства полупроводников существенно изменяются при введении в них определенных примесей. В качестве примесей используются элементы III и V групп периодической системы Менделеева. Введение, например, в кремний (элемент IV группы) в качестве примеси атомов мышьяка (элемент V группы) создает избыток свободных электронов за счет пятого валентного электрона на внешней оболочке атомов примеси. Удельное электрическое сопротивление такого полупроводника значительно уменьшается, в нем будет преобладать электронная электропроводность, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа. Носители заряда, концентрация которых выше (в данном случае это электроны), называется основными носителями, а с меньшей концентрацией (дырки) - неосновными. Введение атомов примеси III группы (например, индия) создает дырочную электропроводность, в результате чего образуется полупроводник p-типа, здесь дырки - основные носители заряда, а электроны - неосновные. Примеси элементов V группы называют донорными, а примеси элементов III группы - акцепторными. На практике важное значение имеет область на границе соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа. Эта область называется электроннодырочным переходом, или p-n-переходом. Такой p-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа. На основе использования полупроводниковых материалов с различным типом электропроводности создают полупроводниковые диоды, транзисторы, тиристоры и другие приборы. В частности, из полупроводника, равномерно легированного примесями, изготовляют полупроводниковые резисторы. В зависимости от типа примесей и конструкции получаются линейные резисторы, сопротивление которых остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов, либо резисторы, сопротивление которых зависит от таких управляющих параметров, как напряжение (варисторы), температура (терморезисторы), освещенность (фоторезисторы), механические деформации (тензорезисторы), магнитное поле (магниторезисторы) и др. Основными материалами при производстве полупроводниковых приборов являются кремний и германий. Из-за различий по физическим свойствам этих материалов, приборы изготовление на основе Si, более стойкие к воздействию к изменению внешней температуры, но обладают меньшем быстродействием. Приборы на основе Ge более чувствительны к изменению внешней температуры, но обладают большим быстродействием. Для того чтобы представить особенности полупроводниковых материалов, следует рассмотреть их структуру и энергетические зоны. 10