шпоргалка / Элементы электронных устройств. Элементы электронных схем

1.2. Элементы электронных схем

Электронные устройства представляют собой соединение различных элементов. Примерами таких элементов служат резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы и многие другие. Все эти элементы характеризуются определенной зависимостью между током и напряжением. Эта зависимость часто может быть представлена вольтамперной характеристикой u(i) (илиi(u)), т.е. зависимостью напряжения от тока идущего через элемент. Однако в общем случае аргументом напряжения может служить не только ток, но также интеграл от тока по времени, производные повремении др.

Резисторы. Резисторы представляют собой один из наиболее распространенных элементов электронных схем. Изготовляются резисторы из проводящего материала (графита, тонкой металлической или графитовой пленки или провода), обладающего не высокой проводимостью.

Напряжение на резисторе прямо пропорционально величине тока (рис.1.1)

U = R·I.

Коэффициент пропорциональности между напряжением и током представляет собой сопротивление резистора R=U/I. СопротивлениеRизмеряется в Омах. Это формула выражает закон Ома. Резисторы характеризуются также допустимым отклонением величины сопротивления от номинальных величин в процентах, номинальным значением мощности рассеивания, температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), который характеризует изменение сопротивления резистора при изменении температуры и др. Более подробно ознакомиться с резисторами можно в приложении А.

При последовательном соединении резисторов общее сопротивление равно сумме сопротивлений резисторов: R=R1+R2+R3… .

При параллельном соединении резисторов общее сопротивление находится из формулы

1/R = 1/R1+1/R2+1/R3….

При параллельном соединении резисторов получаем сопротивление меньшее сопротивление, причем меньше наименьшего сопротивления из соединенных резисторов.

Мощность, рассеиваемая резистором или любым другим элементом, определяется как

P=U·I. Используя закон Ома, мощность, рассеиваемую резистором можно записать в виде:

P = I2·R или P = U2 / R.

Конденсаторы. Конденсаторы, как и резисторы, широко используются в электронных устройствах. В идеальном случае зависимость тока конденсатора от напряжения на нем описывается выражением

I = C(dU/dt).

Таким образом, ток конденсатора пропорционален не просто напряжению, а скорости изменения напряжения. Коэффициент пропорциональности С – это емкость конденсатора, которая измеряется в фарадах (Ф). Емкость величиной в 1 Ф очень велика, поэтому на практике имеют дело микрофарадами (мкФ), нанофарадами (нФ), пикофарадами (пФ). Емкость С определяет способность конденсатора накапливать заряд. Это видно из следующего свойства конденсатора:

Q = C·U.

Это означает, что конденсатор, имеющий емкость С фарад, к которому приложено напряжение Uвольт, накапливает зарядQкулон. Очевидно, что чем больше емкость конденсатора, тем больше заряда он может накопить при одном и том же напряжении.

Электрические характеристики конденсаторов зависят от типа диэлектрика между его обкладками. Широкое распространение получили следующие типы конденсаторов:

керамические, стеклоэмалевые, слюдяные с твердым неорганическим диэлектриком;
бумажные, металлобумажные, фторопластовые с твердым органическим диэлектриком;
электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлических с оксидным диэлектриком.

Основными параметрами конденсатора являются:

Номинальное значение емкости.
Допускаемое отклонение действительной емкости от номинального значения (в %).
Ток утечки – ток между обкладками конденсатора при постоянном напряжении ( в основном для оксидных конденсаторов).
Сопротивление изоляции или постоянная времени саморазряда.
Температурный коэффициент емкости ТКЕ, показывающий изменение величины емкости в зависимости от температуры.
Номинальное напряжение.

Более подробно с характеристиками конденсаторов можно познакомиться в приложении Б.

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей, т.е.

С = С1+С2+С3+ … .

Для последовательного соединения емкостей имеем такое же выражения, что и для параллельного соединения резисторов:

1/C= 1/C1+1/C2+1/C3+ … .

Индуктивности. Хорошим приближением индуктивного элемента или просто индуктивности является катушка индуктивности. В идеальном индуктивном элементе напряжение на индуктивности прямо пропорционально скорости изменения тока

U = L(dI / dt),

где L– коэффициент пропорциональности между напряжением и скоростью изменения тока и называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью. Индуктивность измеряется в генри (Гн). Обратите внимание, что индуктивностью называют элемент и коэффициент самоиндукции.

Индуктивность (элемент) имеет свойства, противоположные свойствам конденсатора. Так постоянное напряжение, приложенное к индуктивности, вызывает нарастание протекающего через него тока, причем изменение тока происходит по линейному закону. Если же пропустить постоянный ток через конденсатор, то это приведет к нарастанию напряжения по линейному закону.

Катушки индуктивности, как правило, имеют цилиндрическую или спиральную форму витков и выполняются как однослойными, так и многослойными. Для увеличения значений индуктивности применяют магнитопроводы. Материалом магнитопровода чаще всего служит железо или феррит. Магнитопровод может быть изготовлен в виде стержня, тора, или броневые сердечники. Изменение индуктивности катушки осуществляется с помощью изменения параметров магнитопровода путем перемещения подвижного сердечника.

Индуктивности главным образом используются в избирательных цепях, фильтрах электрических сигналов. Одна из разновидностей катушек индуктивностей носит название дросселей. Их основное назначение – обеспечить большое сопротивление для переменных токов и малое для постоянных или низкочастотных токов.

studfiles.net

1.2. Элементы электронных схем

Напряжение на резисторе прямо пропорционально величине тока (рис.1.1)

U = R·I.

При параллельном соединении резисторов общее сопротивление находится из формулы

1/R = 1/R1+1/R2+1/R3….

Мощность, рассеиваемая резистором или любым другим элементом, определяется как

P=U·I. Используя закон Ома, мощность, рассеиваемую резистором можно записать в виде:

P = I2·R или P = U2 / R.

I = C(dU/dt).

Q = C·U.

керамические, стеклоэмалевые, слюдяные с твердым неорганическим диэлектриком;
бумажные, металлобумажные, фторопластовые с твердым органическим диэлектриком;
электролитические, оксидно-полупроводниковые, оксидно-металлических с оксидным диэлектриком.

Основными параметрами конденсатора являются:

Номинальное значение емкости.
Допускаемое отклонение действительной емкости от номинального значения (в %).
Ток утечки – ток между обкладками конденсатора при постоянном напряжении ( в основном для оксидных конденсаторов).
Сопротивление изоляции или постоянная времени саморазряда.
Температурный коэффициент емкости ТКЕ, показывающий изменение величины емкости в зависимости от температуры.
Номинальное напряжение.

Более подробно с характеристиками конденсаторов можно познакомиться в приложении Б.

Емкость параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей, т.е.

С = С1+С2+С3+ … .

1/C= 1/C1+1/C2+1/C3+ … .

U = L(dI / dt),

studfiles.net

Элементы электронных устройств

Элементы электронных устройств. Закон Ома.

Простейшие элементы электронных устройств, это:

1) Конденсатор– устройство, способное накапливать энергию в электрическом поле.

Ток протекающий через конденсатор, пропорционален изменению напряжения в единицу времени.

2) Дроссельили катушка индуктивности – дроссель обладает так же способностью накапливать энергию, но не в электрическом, а в магнитном поле. Ведёт себя подобно конденсатору, за исключением того, что рассматривать нужно не напряжение, а ток.

Если подключить параллельно дроссель и конденсатор то получится колебательный контур.

3) Диод (p-n переход) – двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока

Pимеет электронную проводимость (лидирована донорной примесью)

Nимеет дырочную проводимость (лидирована акценнторной примесью)

Различают несколько разновидностей диодов:

4) Резистор— пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома.

Закон Ома гласит, что сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению (I=U/R)

а) Напряжение – это разность потенциалов.

б) Сопротивление – величина обратно пропорциональная проводимости.

Напряжение измеряется в Вольтах, сопротивление – в Омах.

Пассивные схемы. Резистивный делитель.

Делитель напряжения — устройство для деления постоянного или переменного напряжения.

Строится на основе активных, реактивных или нелинейных сопротивлений.

1) Делитель. В делителе сопротивления включаются последовательно.

Выходным напряжением является напряжение на отдельном участке цепи делителя.

2) Плечо. Участки, расположенные между напряжением питания и точкой снятия выходного напряжения называют плечами делителя.

а) Плечо нижнее. Плечо между выходом и нулевым потенциалом питания обычно называют нижним.

б) Плечо верхнее. Другое при этом называют верхним. В любом делителе два плеча.

3) Резисторный делитель. Делитель напряжения, построенный исключительно на активных сопротивлениях, называется резистивным делителем напряжения. Коэффициент деления таких делителей не зависит от частоты приложенного напряжения.

Делители, содержащие хотя бы одно реактивное сопротивление, делят напряжение в зависимости от частоты.

Простейший резистивный делительнапряжения представляет собой два последовательно включённых резистора R1 и R2, подключённых к источнику напряжения U.

Пассивные фильтры. ФНЧ.

1) Пассивный фильтр— электронный фильтр, состоящий только из пассивных компонент, таких как, к примеру, конденсаторы и резисторы.

Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования.

В отличие от активных фильтров в пассивных фильтрах не происходит усиления сигнала по мощности. Практически всегда пассивные фильтры являются линейными.

2) Использование. Пассивные фильтры используются повсеместно в радио- и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

3) Фильтр нижних частот (ФНЧ)— электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (или подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты.

Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

3) Отличие от ФВЧ. В отличие от него, фильтр высоких частот пропускает частоты сигнала выше частоты среза, подавляя низкие частоты.

4) Термины«высокие частоты» и «низкие частоты» в применении к фильтрам относительны и зависят от выбранной структуры и параметров фильтра.

5) Идеальный фильтр нижних частотполностью подавляет все частоты входного сигнала выше частоты среза и пропускает без изменений все частоты ниже частоты среза. Переходной зоны между частотами полосы подавления и полосы пропускания не существует. Идеальный фильтр нижних частот может быть реализован лишь теоретически

Пассивные фильтры. ФВЧ.

Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования.

2) Использование. Пассивные фильтры используются повсеместно в радио и электронной аппаратуре, например в акустических системах, источниках бесперебойного питания и т. д.

2) Фильтр верхних частот (ФВЧ)— электронный или любой другой фильтр, пропускающий высокие частоты входного сигнала, при этом подавляя частоты сигнала меньше, чем частота среза. Степень подавления зависит от конкретного типа фильтра.

3) Отличие от ФНЧ. В отличие от ФВЧ, фильтр низких частот пропускает частоты ниже частоты среза, подавляя высокие частоты.

5) Простейший электронный фильтр верхних частотсостоит из одного резистора и конденсатора. Произведение сопротивления на ёмкость (R×C) является постоянной времени для такого фильтра, которая обратно пропорциональна частоте среза в герцах.

Пассивные фильтры. Полосовой и режекторный фильтр.

Пассивные фильтры не требуют никакого источника энергии для своего функционирования.

3) Полосно-пропускающий фильтр (полосовой)— электронный или любой другой фильтр, который пропускает частоты, находящиеся в нужном диапазоне и вырезает все остальные частоты.

4) Полосно-заграждающий фильтр (режекторный) —электронный или любой другой фильтр, не пропускающий колебания некоторой определённой полосы частот, и пропускающий колебания с частотами, выходящими за пределы этой полосы.

5) Узкополосный.Заграждающий фильтр, предназначенный для подавления одной определённой частоты, называется узкополосным заграждающим фильтром или фильтром-пробкой.

Диод. Основные параметры и характеристики.

1) Диод- двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

- Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

2) Диоды бывают

электровакуумными (кенотроны),
газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны),
полупроводниковыми и др.

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

3) Полупроводниковые диодыиспользуют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости, либо между полупроводником и металлом (Диод Шоттки)

4) Ламповые диодыпредставляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду.

5) Различают несколько разновидностей диодов:

стабилитрон (используется для стабилизации)
варикап
фото и светодиоды (у фотодиода при освещении pnперехода на электронах возникает разность потенциалов. Светодиод при пропускании тока испускает фотоны.)

Однополупериодный выпрямитель.

1) Простейшая схемаоднополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода).

На выходе — пульсирующий постоянный ток.

2) На промышленных частотах(50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя.

3) Широкое применение.Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости.

4) Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Мостовой выпрямитель.

U2 - Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на нагрузке.

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Стабилитроны. Основные параметры и характеристики.

1) Стабилитрон(диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания.

2) Основные параметры:

Напряжение стабилизации – падение напряжения на контактах прибора в раб. реж.
Минимальный ток стабилизации – ток, при котором начин. пробой у стабилитрон
Максимальный ток стабилизации – ток, при котором начинается тепловой пробой.
Номинальный ток стабилизации.

Даже для диодов из одной партии напряжения стабилизации могут отличаться.

По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока.
Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

4) В основе работы стабилитрона лежат два механизма:

Параметрический стабилизатор напряжения.

1) Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных РТУ, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки.

В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.

Стабилизатором напряженияназывается устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатором токаназывается устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

Стабилизатор одновременно со своими основными функциями осуществляет и подавление пульсаций.

Качество работы стабилизатора оценивается коэффициентом стабилизации

3) Существуют два основных метода стабилизации:

Параметрический метод основан на использовании нелинейных элементов, за счёт которых происходит перераспределение токов и напряжений между отдельными элементами схемы, что ведёт к стабилизации.

Структурная схема параметрического стабилизатора состоит из двух элементов - линейного и нелинейного.

Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе кремниевых стабилитронов. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода. Обычно рабочую ветвь изображают при ином расположении осей.

Повышение мощности параметрического стабилизатора напряжения.

1) Недостатки стабилитрона. Стабилитрон может появляться при токах 20-30 мА. Его недостатками является потеря напряжения на балластном резисторе, низкий коэффициент стабилизации и большое выходное сопротивление.

2) Транзисторный стабилизатор. Поэтому чаще всего используют транзисторные фильтры с обратной связью, которая меняет сопротивление в транзисторах так, что выходные напряжения остаются постоянными.

Нагрузкой стабилизатораявляется базовая цепь транзистора и сопротивление. За счёт того, что эмиторный ток больше базового в десятки раз, в нагрузке протекают токи в сотни мА.
Если напряжение на входе растёт, оно начинает расти и на нагрузке. Увеличивается ток нагрузки. При этом уменьшается напряжение базы – эмитор.
Транзистор и нагрузка образуют делитель напряжений. В итоге выходное сопротивление составляет несколько Ом, а коэффициент стабилизации такой же.

3) Повышение мощности. Для повышения мощности можно использовать составной транзистор.

При этом ток стабилизации начинает измеряться в амперах. В схему добавляется переменный резистор с движка которого берётся опорное напряжение. Если ток базы регулирующего транзистора велик, то в схему вводят дополнительный усилитель постоянного тока..

Биполярный транзистор (БТ). Основные параметры и характеристики.

1) Принцип действия биполярного транзисторазаключается в том, что пн переход расположен настолько близко друг к другу, что происходит их взяимное смещение.

2) В биполярном транзисторе имеется три слоя:

Эмитор – слой с сильной электронной проводимостью
База – слой с дырочной проводимостью
Коллектор – слой со слабой электронной проводимостью.

К слоям приматывают внешнее напряжение так, что эмиторный переход в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Но так как пн переход расположен близко, ток переходов попавший из эмитора в базу доходит и до коллекторного перехода. У хороших транзисторов потери тока составляют доли процентов.

3) Токи в БТ.

Верхний ток – ток электронов из эмитора в коллектор. В эмиторе электронов много, поэтому ток большой. Попав в базу электроны продолжают движение за счёт диффузии. Но их концентрация около коллекторноо перехода будет мала, потому что там электроны сразу втягиваются в коллектор.
Дрейфовый – он вызывается тем, что напряжение к базе прикладывается сбоку => размер базы больше.
Электроны, которые встретились в базе с дырками и рекомбинировали. (это малый ток)
Диффузионный – ток дырок и базы в эмиторе.

4) Управляют транзистором, прикладывая некоторое напряжение к эмиторному переходу.

Выходной ток не зависит от напряжения на коллекторе, если оно больше нуля.

БТ. Схема с общим эммитером.

2) В биполярном транзисторе имеется три слоя:

Эмитор – слой с сильной электронной проводимостью
База – слой с дырочной проводимостью
Коллектор – слой со слабой электронной проводимостью.

3) Схемас общим эмитором. Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы, и напряжение на коллекторе, а выходными характеристиками будут ток коллектора и напряжение на эмиттере.

БТ. Схема с общим коллектором.

2) В биполярном транзисторе имеется три слоя:

Эмитор – слой с сильной электронной проводимостью
База – слой с дырочной проводимостью
Коллектор – слой со слабой электронной проводимостью.

3) Схема с общим коллектором.

Схема называется эмитерным повторителем, так как напряжение на эмиттере по полярности совподает с напряжением на входе и близко к нему по значению.

Выходное сопротивление эмиттерного повторителя зависит от сопротивления генератора и мало, когда сопротивление генератора мало. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя является его, в действительности, ценным свойством. Благодаря этому свойству его выходное сопротивление эквивалентно генератору напряжения, которое мало изменяется при изменении сопротивления нагрузки.

Транзисторный усилитель с ООС.
Дифференциальный транзисторный усилитель.

1) Дифференциальный усилитель- это широко известная схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов.

В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью.
Синфазный входной сигнал. Когда уровни сигналов на обоих входах изменяются одновременно, то такое изменение входного сигнала называют синфазным.
Дифференциальный или разностный входной сигнал называют еще нормальным или полезным.
Хороший дифференциальный усилитель обладает высоким коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС), который представляет собой отношение выходного полезного сигнала к выходному синфазному сигналу, при условии что полезный и синфазный входные сигналы имеют одинаковую амплитуду.

2) Применение. Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабые сигналы можно потерять на фоне шумов.

Примерами таких сигналов являются цифровые сигналы, передаваемые по длинным кабелям, звуковые сигналы, радиочастотные сигналы, напряжения электрокардиограмм, сигналы считывания информации из магнитной памяти и многие другие. Дифференциальный усилитель на приемном конце восстанавливает первоначальный сигнал, если синфазные помехи не очень велики. Дифференциальные каскады широко используют при построении операционных усилителей

Полевой транзистор.

Полевой транзистор состоит из трёх основных элементов:

Сток
Исток
Затвор

Между стоком и истоком прикладывается такое напряжение, что заряды выхода из истока попадают в сток. Из за наличия пн переходов область канала сужается. В основном через область объёмного заряда (ООЗ). К затвору прикладывается положительное напряжение, так что пн переходы смещены в обратном направлении. ООЗ расширяется, а канал сужается. Это приводит к уменьшению тока в канале. Входное сопротивление полевого транзистора очень велико в отличии от биполярного. Полевой транзистор управляется не током, а напряжением. При увеличении на затворе напряжения проходящий от истока в сток ток падает. И при некотором напряжении становится равным нулю. Это напряжение называется напряжением отсечки.

Операционный усилитель (ОУ). Основные параметры и характеристики.

Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Отличия реальных ОУ от идеального

Параметры по постоянному току

Ограниченное усиление
Ненулевой входной ток.
Ненулевое выходное сопротивление.
Ненулевое напряжение смещения
Ненулевое усиление синфазного сигнала

Параметры по переменному току

Ограниченная полоса пропускания.
Ненулевая входная ёмкость.
Ненулевая задержка сигнала.
Ненулевое время восстановления после насыщения

Нелинейные эффекты

Насыщение— ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).
Искажение входного П-образного сигналапри ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.
Ограниченная скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

ОУ. Инвертирующий усилитель.

1) ОУ. Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

- Применение ОУ.

2) Инвертирующий усилитель.

За счет резистора в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки Асхемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжении, которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами

Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор

Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю.

ОУ. Неинвертирующий усилитель.

- Применение ОУ.

2) Неинвертирующий усилитель.

В отличие от инвертирующего усилителя входное сопротивление неинвертирующего усилителя определяется входным дифференциальным сопротивлением ОУ.

Выходное сопротивление составляет несколько десятков-сотен Ом. Сумма сопротивлений (R1 +R2) должна быть такой, чтобы общий максимальный ток нагрузки ОУ с учетом этого сопротивления не превышал допустимого значения.

ОУ. Дифференциальный усилитель.

1) ОУОперационный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

- Применение ОУ.

studfiles.net

Часть 1. Элементы схемотехники.

Министерство образования

Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ.

Кафедра “Информационно-измерительной техника и технологии”

Ширин И.Я.

СХЕМОТЕХНИКА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

(учебное пособие)

Минск 2004

УДК

Рецензенты:

Доцент БНТУ, ктн, ст.н.с. С.Г. Шматин

Доцент БНТУ, ктн, В.И. Сергеев

Ширин И.Я.

Схемотехника аналоговых и цифровых устройств

Рассматривается широкий круг вопросов, связанных с изучением, расчётом, проектированием, исследованием и применением элементов и узлов, которые являются основой для построения аналоговых и цифровых устройств в области приборостроения и технологии безопасности.

Описывается дискретная элементарная база электронных устройств.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Пассивные элементы электронных устройств

1.1. Резисторы

1.2. Конденсаторы

1.3. Катушки индуктивности

2. Полупроводниковые диоды

2.1. Общие сведения о полупроводниках

2.2. Выпрямительные диоды

2.3. Стабилитроны

2.4. Варикапы

2.5. Импульсные диоды

2.6. Диоды с накоплением заряда и диоды Шотки

2.7. Туннельные диоды

2.8. Обращенные диоды

3. Биполярные транзисторы

3.1. Общие сведения

3.2. Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора

3.3. Статические характеристики

3.4. Основные параметры биполярных транзисторов

3.5. Эквивалентные схемы биполярных транзисторов

3.6. Частотные свойства транзисторов

4. Полевые транзисторы

4.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом

4.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором

4.3. Полевые транзисторы со встроенным каналом

4.4. Схемы включения и параметры полевых транзисторов

4.5. Эквивалентная схема и частотные свойства полевых транзисторов

5. Базовые логические элементы

5.1. Основные логические операции

5.2. Основные логические элементы

5.3. Электронные ключи

5.4. Базовые логические элементы на биполярных структурах

5.5. Базовые логические элементы на МДП- и КМДП- структурах

6. Триггеры

6.1. Общие сведения

6.2. Симметричный триггер на биполярных транзисторах

6.3. RS-триггеры на логических элементах

6.4. D-триггеры

6.5. JK-триггеры

6.6. T-триггеры

Часть 2. Практикумы по схемотехнике.

7. Задания для анализа типовых интегральных схем

7.1. Задание для анализа интегральной схемы триггера ТМ5

7.2. Задание для анализа интегральной схемы триггера ТВ15

7.3. Задание для анализа интегральной схемы мультивибратора АГ3

7.4. Задание для анализа интегральной схемы буферного элемента АП6

7.5. Задание для анализа интегральной схемы счетчика ИЕ4

7.6. Задание для анализа интегральной схемы счетчика ИЕ5

7.7. Задание для анализа интегральной схемы мультиплексора

7.8. Задание для анализа интегральной схемы регистра ИР8

7.9. Задание для анализа интегральной схемы шифратора ИВ1

7.10. Задание для анализа интегральной схемы дешифратора ИД4

7.11. Задание для анализа интегральной схемы сумматора ИМ1

8. Методика синтеза комбинационных схем

8.1. Элементы комбинационных схем

8.2. Общие принципы синтеза комбинационных схем

8.3. Синтез комбинационных схем в заданных базисах

8.4. Синтез схемы RS-триггера

9. Расчет электронных схем

9.1. Расчет усилителя на биполярном транзисторе

9.2. Расчет усилителя на полевом транзисторе

9.3. Расчет частотных характеристик усилителя

9.4. Расчет усилителя с последовательной ООС

9.5. Расчет усилителя с заданным режимом покоя

9.6. Расчет генераторов тока и напряжения

9.7. Расчет устройств на операционных усилителях

9.8. Расчет звеньев фильтров типа k

9.9. Расчет звеньев фильтров типа m

9.10. Расчет фильтра Баттерворта

9.11. Расчет фильтра Чебышева

9.12. Расчет активных RC-фильтров

9.13. Расчет схем сравнения

9.14. Расчет мультивибратора

9.15. Расчет стабилизатора напряжения

10. Исследования элементов и схем электронных устройств

10.1. Исследование статических характеристик логических элементов

10.2. Исследование динамических характеристик логических элементов

10.3. Исследование триггеров

10.4. Исследование регистров

10.5. Исследование цифровых счетчиков

10.6. Исследование сумматоров и арифметико-логических устройств

10.7. Исследование мультиплексоров

studfiles.net

Методы анализа и расчета электронных схем

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Н. С. Легостаев, К. В. Четвергов

МЕТОДЫ АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Учебное пособие

Томск «Эль Контент»

2012

УДК 621.38.061.001.24(075.8) ББК 32.85я73

Л387

Рецензенты:

Чепков В. В., канд. техн. наук, зав. лабораторией систем электропитания ФЛ ООО «Технологическая компания Шлюмберже» в г. Томске;Чернышев А. Ю., канд. техн. наук, доцент кафедры электропривода

и элетрооборудования Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Легостаев Н. С.

Л387 Методы анализа и расчета электронных схем : учебное пособие / Н. С. Легостаев, К. В. Четвергов. — Томск : Эль Контент, 2012. — 160 с.

ISBN 978-5-4332-0076-0

Рассмотрены общие положения моделирования, анализа и расчета электронных схем, вопросы формирования математических моделей аналоговых схем с активными электронными компонентами в операторной и временной формах, матричные и топологические методы анализа электронных схем. Приведены модели основных типов активных электронных компонентов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.38.061.001.24(075.8) ББК 32.85я73

ISBN 978-5-4332-0076-0	© Легостаев Н. С.,
	Четвергов К. В., 2012
	© Оформление.
	ООО «Эль Контент», 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение	5
1 Общие положения моделирования, анализа и расчета электронных
схем	7
1.1 Задачи проектирования электронных схем . . . . . . . . . . . . . . . . .	7

1.2Общие вопросы математического моделирования . . . . . . . . . . . . 9

1.3Классификация математических моделей . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4Этапы математического моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5 Методы реализации математических моделей . . . . . . . . . . . . . .	14
2 Математическое описание электронных схем	16

2.1Задачи проектирования электронных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2Топологические модели электронных схем . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Математические модели компонентов электронных схем . . . . . . . 35

2.4Полные уравнения электронных схем и их преобразования . . . . . . 45

3 Схемные функции и их анализ

3.1Понятие и виды схемных функций электронных схем . . . . . . . . . 66

3.2Формы представления схемных функций . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.3 Частотные и временные характеристики и их параметры . . . . . . .	72
4 Анализ линейных электронных схем операторными методами	78

4.1Определение схемных функций по матрично-векторнымпараметрам электронных схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.2Определение схемных функций электронных схем методом

сигнальных графов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5 Анализ электронных схем во временной области

115

5.1Математическое описание электронных схем в базисе переменных состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.2Реализация математических моделей в базисе переменных состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4 Оглавление

Литература	142
Приложение А Ответы на контрольные вопросы	143
Список условных обозначений и сокращений	149
Глоссарий	151

ВВЕДЕНИЕ

Анализ и расчет схемотехнических решений относятся к числу важнейших задач, решаемых при проектировании электронных устройств различного функционального назначения, включая устройства промышленной электроники. Постоянное усложнение функций, возлагаемых на электронные устройства, и повышение предъявляемых к ним требований диктует необходимость автоматизации проектно-расчетныхработ. В настоящее время разработано большое количество универсальных и специализированных программных комплексов, существенно расширяющих возможности моделирования, анализа и расчета электронных цепей, эффективное применение которых в значительной мере зависит от степени подготовки в области автоматизации схемотехнического проектирования и не сводится лишь к привитию навыков пользования этими программными комплексами. Наряду с задачами, при решении которых можно использовать универсальные программы, постоянно появляются задачи, на которые возможности существующих универсальных и специализированных программ не распространяются. В этих случаях приходится выполнять весь комплекс исследовательских работ от формирования математических моделей до разработки алгоритмов и программ их реализации, опираясь на знание математического аппарата теории электронных схем.

Методология моделирования, анализа и расчета электронных схем развивается по двум основным направлениям. Первое направление основано на использовании линейных математических моделей и операторных методов их реализации. Поскольку математический аппарат анализа и расчета линейных электронных схем обеспечивает решение широкого класса задач исследования электронных схем, данное направление остается актуальным до настоящего времени. Второе направление методологии исследования электронных схем связано с развитием и использованием наиболее универсальных методов анализа и расчета, направленных на реализацию нелинейных математических моделей.

Материал учебного пособия отражает оба направления методологии анализа электронных схем, связанных с применением и операторных, и временных математических моделей. При этом основное внимание уделяется матричным методам формирования и реализации математических моделей, наиболее пригодных к автоматизации.

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пиктограммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает определение или новое понятие.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает внимание. Здесь выделена важная информация, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает выводы. Здесь автор подводит итоги, обобщает изложенный материал или проводит анализ.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ, АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

1.1 Задачи проектирования электронных схем

Основу проектно-конструкторскойдеятельности бакалавра по направлению подготовки 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» составляет расчет и проектирование электронных приборов, схем и устройств различного функционального назначения в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования [4].

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Проектирование — это создание описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего технического объекта, на основе первичного описания этого объекта (технического задания).

.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Втехнике проектирования все величины, характеризующие технический объект, называют параметрами. Различают внутренние, внешние и выходные параметры.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Внутренние параметры W характеризуют отдельные компоненты проектируемого устройства.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Их разделяют на первичные внутренние(физико-технические)параметры, которые отражают конструктивно-технологические и электрофизические свойства

	Глава 1.	Общие положения
8	моделирования, анализа и расчета	электронных схем

компонентов, и вторичные внутренние (электрические) параметры, которые характеризуют соотношения между токами и напряжениями на полюсах компонентов схемы. К первичным относятся геометрические размеры отдельных полупроводниковых областей, электрические характеристики полупроводниковых материалов и т. д. К вторичным внутренним параметрам — сопротивления резисторов, емкости конденсаторов и т. п.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Внешние параметры Q характеризуют условия, в которых работает устройство (температура и влажность окружающей среды, начальное состояние устройства, параметры входного воздействия, конкретные значения времени или частоты, параметры нагрузки, уровень помех, радиации и т. п.)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Выходные параметры характеризуют количественные значениятехнико-экономическихпоказателей, определяемых функциональным назначением технического объекта как целостной системы.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Выходные параметры разделяют на первичные и вторичные.

Первичные выходные параметры (фазовые переменные) X характеризуют состояние электронного устройства: токи и напряжения на полюсах компонентов схемы, узловые напряжения, контурные токи, выходные напряжения и токи.

Вторичные выходные (схемные параметры, схемные функции) определяются отношениями фазовых переменных друг к другу. Вторичные выходные параметры зависят от структуры электронной схемы и внутренних параметров. Вторичные выходные параметры позволяют определить реакцию электронной схемы на внешние воздействия различных видов. Во временной области схемные параметры представляются в виде переходной и импульсной переходной характеристик, а в частотной — в виде частотных характеристик (АФЧХ, АЧХ, ФЧХ и др.). К выходным схемным параметрам относят также параметры названных характеристик: длительности задержек и фронтов выходных сигналов; входное и выходное сопротивления схемы в диапазоне частот или на фиксированной частоте; граничные частоты полосы пропускания; максимально допустимая величина помехи по входному воздействию; мощность рассеяния в элементах; амплитуда выходного сигнала или его среднее значение и др.

Все задачи, решаемые при проектировании, могут быть сведены к следующим основным видам: синтез структуры и параметров электронной схемы, расчет, анализ, параметрическая и структурная оптимизация.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Синтез — создание описания еще не существующего технического объекта на основе требований к выходным параметрам при заданных внешних параметрах.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2 Общие вопросы математического моделирования

При этом определение состава элементов электронной схемы и порядка их связей между собой носит название структурного синтеза, а определение значений внутренних параметров электронной схемы —параметрического синтеза.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Расчет электронной схемы представляет собой определение выходных параметров при известных постоянной структуре и значениях внутренних и внешних параметров.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Основными видами расчета электронных схем являются расчет статического режима (режима покоя), расчет частотных характеристик и расчет переходных процессов.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Анализ — определение изменений выходных параметров в зависимости от изменения внутренних или внешних параметров при известной постоянной структуре.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Анализ электронной схемы сводится к многократному решению задач расчета. К типовым видам анализа относится анализ чувствительности выходных параметров к изменениям внутренних или внешних параметров, а также статистический анализ, направленный на получение вероятностных оценок надежности схемы.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Оптимизация — поиск структуры и значений внутренних параметров электронной схемы, обеспечивающих наилучшие в заданном смысле значения выходных параметров при заданных внешних параметрах.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Выбор оптимальной структуры представляет собой структурную оптимизацию, а поиск оптимальных значений внутренних параметров при известной постоянной структуре —параметрическую оптимизацию.

1.2 Общие вопросы математического моделирования

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Моделирование — это способ исследования, основанный на замене реального объекта физическим или абстрактным объектоманалогом (моделью), изучении свойств этого аналога и переносе полученных результатов на исходный объект.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

	Глава 1.	Общие положения
10	моделирования, анализа и расчета	электронных схем

В зависимости от характера модели различают физическое (материальное) моделирование иматематическое моделирование [2].

Физическое моделирование предполагает, что в качестве модели используется материальный объект, поведение которого с достаточной точностью соответствует поведению исследуемого объекта.

При математическом моделировании модель представляет собой абстрактный образ реального объекта, выраженный в виде математических соотношений и условий.

В общем случае под математической моделью обычно понимается любое математическое описание, отражающее с требуемой точностью поведение реального объекта в заданных условиях и позволяющее определить все интересующие свойства этого объекта.

Основными требованиями, предъявляемыми к математическим моделям, являются требования адекватности, универсальности (полноты), достаточной простоты (экономичности), продуктивности, робастности и наглядности.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Адекватность — способность модели отражать заданные свойства моделируемого объекта с требуемой точностью.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Универсальность модели определяется числом и составом учитываемых в модели внешних и выходных параметров реального объекта.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Требование достаточной простоты (экономичности)означает возможность экономной реализации модели с приемлемой точностью современными средствами исследования.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Количественно экономичность математических моделей характеризуется затратами вычислительных ресурсов на их реализацию.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Требование продуктивности математической модели состоит в возможности определить в реальных условиях численные значения всех исходные данных, необходимых для реализации модели.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Робастность математической модели означает ее устойчивость относительно погрешностей в исходных данных.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

studfiles.net

Элементы электронных схем

Современные электронные схемы содержат в качестве нелинейных элементов большое количество функциональных компонентов, основанных на использовании свойств полупроводниковых материалов.

Полупроводниковые материалы (германий, кремний) по своему удельному электрическому сопротивлению ρ занимают место между проводниками и диэлектриками (ρ=10-3…108Ом-см). Разная величина проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков обусловлена разной величиной энергии, которую надо затратить на то, чтобы освободить валентный электрон от связей с атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Причем проводимость полупроводников в значительной степени зависит от наличия примесей и температуры.

В полупроводниках присутствуют подвижные носители зарядов двух типов: отрицательные электроны и положительные дырки.

Чистые (собственные) полупроводники в полупроводниковых приборах практически не применяются, так как обладают малой проводимостью и не обеспечивают односторонней проводимости. Подвижные носители заряда в собственных полупроводниках возникают обычно в результате термогенерации. Техническое применение получили так называемые примесные полупроводники, в которых в зависимости от рода введенной примеси преобладает либо электронная, либо дырочная проводимость. В зависимости от типа проводимости (основных носителей заряда) полупроводники подразделяются на полупроводники р-типа (дырочного типа) и n-типа (электронного типа). Концентрация основных носителей определяется концентрацией примеси и практически не зависит от температуры, так как уже при комнатной температуры все атомы примеси ионизированы, а число основных носителей, возникающих за счет генерации пар электрон-дырка, пренебрежительно мало по сравнению с общим числом основных носителей. В то же время концентрация неосновных носителей мала и сильно зависит от температуры, увеличиваясь в 2-3 раза при увеличении температуры на каждые 10°С.

Рассматриваемые электронные приборы представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Классификация электронных полупроводниковых приборов

Электронная схема — Википедия

Электронная схема — это сочетание отдельных электронных компонентов, таких как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды и транзисторы, соединённых между собой. Различные комбинации компонентов позволяют выполнять множество как простых, так и сложных операций, таких как усиление сигналов, обработка и передача информации и т. д.[1] Электронные схемы строятся на базе дискретных компонентов, а также интегральных схем, которые могут объединять множество различных компонентов на одном полупроводниковом кристалле. Соединения между элементами могут осуществляться посредством проводов, однако в настоящее время чаще применяются печатные платы, когда на изолирующей основе различными методами (например, фотолитографией) создаются проводящие дорожки и контактные площадки, к которым припаиваются компоненты[2].

Для разработки и тестирования электронных схем применяются макетные платы, позволяющие при необходимости быстро вносить изменения в электронную схему.

Раздел электроники, изучающий проектирование и создание электронных схем, называется схемотехника.

Обычно, при рассмотрении, электронные схемы классифицируются на аналоговые, цифровые, а также гибридные (смешанные).

Аналоговые схемы[править]

В аналоговых электронных схемах напряжение и ток могут изменяться непрерывно во времени, отражая какую-либо информацию. В аналоговых схемах существуют два базовых понятия: последовательное и параллельное соединения. При последовательном соединении, примером которого может быть новогодняя гирлянда, через все компоненты в цепочке течёт один и тот же ток. При параллельном соединении на выводах всех компонентов создаётся одно и то же электрическое напряжение, но токи через компоненты различаются: суммарный ток делится в соответствии с сопротивлением компонентов.

Простая схема, содержащая батарею, резистор и соединительные провода, демонстрирует применение законов Ома и Кирхгофа для расчёта электрической цепи

Основными элементами для построения аналоговых устройств являются резисторы (сопротивления), конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, а также соединительные проводники. Обычно аналоговые схемы представляются в виде принципиальных электрических схем. За каждым элементом закреплено стандартное обозначение: например, проводники обозначаются линиями, резисторы — прямоугольниками и т. д.

Электрические цепи подчиняются законам Кирхгофа:

алгебраическая сумма токов в любом узле цепи равна нулю;
алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура. Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.

При анализе реальных схем следует учитывать паразитные элементы: так, у реальных соединительных проводников существует сопротивление и индуктивность, несколько лежащих рядом проводников образуют ёмкость и т. д.

Цифровые схемы[править]

В цифровых схемах сигнал может принимать только несколько различных дискретных состояний, которые обычно кодируют логические или числовые значения[3]. В подавляющем большинстве случаев используется бинарная (двоичная) логика, когда одному определённому уровню напряжения соответствует логическая единица, а другому — ноль. В цифровых схемах крайне широкое применение находят транзисторы, из которых строятся логические ячейки (вентили): И, ИЛИ, НЕ и их различные комбинации. Также, на базе транзисторов создаются триггеры — ячейки, которые могут находиться в одном из нескольких устойчивых состояний, и переключаться между ними при подаче внешнего сигнала. Последние могут быть использованы как элементы памяти: например, SRAM (статическая оперативная память с произвольным доступом) сделана на их основе. Другой тип памяти — DRAM — основан на способности конденсаторов запасать электрический заряд.

Цифровые схемы по сравнению с аналоговыми той же сложности значительно проще в разработке и анализе. Это связано с тем, что логические ячейки на выходе выдают только определённые уровни напряжений, и разработчику не надо заботиться об искажениях, усилении, смещении напряжения и прочих аспектах, которые необходимо учитывать при разработке аналоговых устройств. По этой причине, на основе логических элементов могут создаваться сверхсложные схемы с огромной степенью интеграции элементов, содержащие на одном кристалле миллиарды транзисторов, стоимость каждого из которых получается ничтожно малой. Именно это во многом и определило развитие современной электроники.

Гибридные схемы[править]

Гибридные схемы объединяют элементы, относящиеся к аналоговой и цифровой схемотехнике. Среди прочих, к ним относятся компараторы, мультивибраторы, ФАПЧ, ЦАП, АЦП. Большинство современных радиоприборов и устройств связи используют гибридные схемы. К примеру, приёмник может состоять из аналоговых усилителя и преобразователя частот, после чего сигнал может быть преобразован в цифровую форму для дальнейшей обработки.

↑ Charles Alexander and Matthew Sadiku (2004). «Fundamentals of Electric Circuits» (McGraw-Hill).
↑ Richard Jaeger (1997). «Microelectronic Circuit Design» (McGraw-Hill).
↑ John Hayes (1993). «Introduction to Digital Logic Design» (Addison Wesley).

www.wikiznanie.ru