Полупроводники, усилители и выпрямители

Введение

Актуальность работы. Полупроводниками называется особая группа веществ, обладающих электрической проводимостью, меньшей, чем у проводников электрического тока, но большей, чем у изоляторов.
К этой группе веществ относятся окислы, сернистые соединения и сплавы некоторых металлов, а также селен, германий, кремний и некоторые другие химические элементы. Характерной особенностью полупроводников является их свойство резко изменять величину электрической проводимости под влиянием ряда внешних факторов: температуры, давления, освещения, наличия посторонних примесей и т. д. На этом свойстве основано применение полупроводников в установках температурной сигнализации, в радиотехнике и для других разнообразных целей. Особый интерес представляют усилители и выпрямители.
Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителей заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности напряжения, приложенного ко входу выпрямителя. Существуют разновидности полупроводниковых выпрямителей, отличающиеся количеством диодов и схемой их включения
Объект исследования: полупроводники, усилители и выпрямители.
Предмет исследования: особенности полупроводников.
Цель работы: рассмотреть полупроводники усилители и выпрямители.
- рассмотреть усилители;
- описать выпрямители.
1. Усилители
Наиболее распространенными аналоговыми электронными преобразователями являются усилители электрических сигналов. Они применяются для повышения уровня весьма слабых сигналов непосредственно с датчиков, обеспечения требуемой мощности для работы силовых исполнительных агрегатов и множества других приложений. На основе усилителей строится большинство функциональных аналоговых устройств, выполняющих преобразование сигналов (фильтрацию, изменение спектра, коррекцию формы), а также математические операции (суммирование, интегрирование, дифференцирование, нелинейную обработку).
Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения интенсивности сигнала без изменения его формы. Преобразование сигнала s(t) в идеальном усилителе описывается соотношением
sу (t) = K s(t – tз),
где K – коэффициент преобразования, tз – интервал времени задержки. Сигнальная модель усилителя представляет собой четырехполюсник с выделенными парами входных и выходных зажимов (рис. 1,а).
Рис. 1. Усилитель (а) и блок – схема его формальной макромодели
Для обеспечения функции усиления без искажений четырехполюсник должен быть линейным элементов с параметрами, не зависящими от формы сигнала и его уровня при заданных внешних условиях. Реальные полупроводниковые элементы электронных устройств являются нелинейными и обладают инерционными свойствами, что приводит к искажению сигналов при их преобразовании. Для описания изменения формы и спектра сигналов служат характеристики усилителя. Нелинейные искажения можно рассчитать с помощью статических входной Uвх(Iвх), выходной Uвых(Iвых) и проходной Uвых(Uвх) характеристик. Динамические свойства усилителей характеризуют зависимостью комплексного коэффициента передачи от частоты, а также переходной или импульсной функциями во временной области. Наибольшее распространение в усилительной технике получили амплитудно-частотная и переходная характеристики, типичный вид которых приведен на рис. 2.
Рис. 2. Амплитудно-частотная (а) и переходная (б) характеристики усилителя
Расчет электронных цепей с усилителями выполняется с использованием их схемных макромоделей, синтезированных на основе паспортных данных или экспериментальных характеристик. Типичная формальная макромодель усилителя содержит входной (Вх. Б), выходной (Вых. Б), и функциональный (ФБ) блоки (рис. 1,б), воспроизводящие соответствующие статические характеристики (входную, выходную, проходную). Для воспроизведения динамических свойств в соответствующие блоки макромодели включают емкостные элементы, формирующие заданные частотные характеристики или временные зависимости.
Технические свойства усилителя определяются системой многочисленных параметров, среди которых можно выделить:
• функциональные электрические (коэффициенты передачи напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления, граничные частоты полосы усиливаемых частот, динамический диапазон усиливаемых сигналов, входная и выходные емкости);
• эксплуатационные (напряжение электропитания и потребляемый ток, уровень выходной мощности, диапазон изменения температуры и влажности окружающей среды);
• конструктивно-технологические (тип исполнения и корпус, масса и габариты, способ охлаждения, наличие внешних элементов),
• пользовательские (надежность, стоимость).
Параметры усилителей можно разделить на основные, присущие всем типам усилителей и индивидуальные, зависящие от особенностей приборов в соответствии с их классификацией. К основным относятся базовые статические параметры (Ku, Ki, Kp, Rвх, rвых), граничные частоты полосы пропускания (fн, fв); в полосе пропускания динамический диапазон амплитуд синусоидального входного напряжения , причем значение Umax ограничено допустимыми нелинейными искажениями сигнала, а Umin определяется заданным превышением сигнала над уровнем собственных шумов. Усилители можно классифицировать по различным признакам

. По роду сигналов усилители подразделяют на преобразователи непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов. Динамические свойства усилителей гармонических сигналов описывают в частотной области с использованием спектральных параметров частотной характеристики (рис. 2,а): полосы пропускания при заданном уровне неравномерности АЧХ, например, ± 3 дБ, граничных частот полосы пропускания, максимального значения коэффициента передачи и частоты ему соответствующей. По диапазону частот усиливаемых сигналов различают широкополосные (апериодические) и узкополосные (резонансные) усилители. В соответствии с положением полосы пропускания на оси частот выделяют усилители постоянного тока с полосой пропускания от нулевой частоты, низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные. Параметры импульсных усилителей связывают, как правило, с его переходной функцией, характеризуемой временами задержки tз и нарастания tн, значениями выброса δ и спада Δ за время максимальной длительности импульса tи (рис. 2,б).
Физический эффект, заложенный в принцип действия усилителя, состоит в преобразовании электроэнергии источника питания в управляемую с помощью входного сигнала небольшой мощности энергию, которая отдается нагрузке. Процесс преобразования неуправляемой мощности источника Pи в имеющую заданные параметры мощность выходного сигнала при воздействии входного сигнала с мощностью P1 < P2, для своего описания требует более сложных моделей, учитывающих взаимосвязь параметров электропитания с сигнальными величинами. Расчет динамического диапазона усиления базируется на расчете внутренних шумов компонентов усилителя с использованием модели, учитывающей источники внутренних шумов и позволяющей анализировать характеристики случайных процессов. Таким образом, в зависимости от поставленных задач при анализе и синтезе усилительных устройств применяется совокупность моделей различной степени сложности. Большинство усилителей реализуется на основе каскадной структуры, базирующейся на представлении его комплексного коэффициента передачи в виде произведения коэффициентов передачи отдельных каскадов
Kу(jω) = K1(jω) K2(jω)… KN(jω).
Если параметры каскадов выбраны таким образом, чтобы минимизировать их взаимное влияние, то допустим подход к формированию ЛАЧХ усилителя путем сложения ЛАЧХ отдельных каскадов. Такой подход существенно упрощает синтез и анализ характеристик. Выбор числа каскадов, их элементной базы и характеристик позволяет получить самые разнообразные усилители для конкретных приложений. Для удобства синтеза выделяют типы каскадов (входные, промежуточные, выходные), предназначенные для решения специфических задач. Входной каскад (предварительный усилитель) обеспечивает согласование усилителя с источником сигнала и фактически определяет шумовые параметры всего усилителя и его динамический диапазон. Промежуточные каскады формируют требуемые частотные характеристики и обеспечивают заданное усиление напряжения. Выходной каскад (усилитель мощности) согласует параметры усилителя с нагрузкой во всем диапазоне ее изменения и выдает необходимую мощность выходного сигнала.
Наряду с транзисторными каскадами усилитель содержит вспомогательные цепи (стабилизированные источники напряжения и тока, схемы межкаскадной связи), которые влияют на параметры усилителей.
В многокаскадном усилителе связь между каскадами может осуществляться через разделительные конденсаторы, с помощью трансформатора или непосредственно. Каждый способ имеет достоинства, недостатки и области применения. Трансформатор может обеспечить хорошее согласование в диапазоне частот, но на низких частотах имеет большие габариты и поэтому применяется крайне редко в основном для подключения низкоомных датчиков к входу предварительного усилителя. Разделительные конденсаторы снижают коэффициент усиления в низкочастотной области и не могут использоваться в усилителях медленно изменяющихся (квазипостоянных) сигналов. В интегральных микросхемах усилителей применяется непосредственная (гальваническая) межкаскадная связь со схемами выравнивания уровней постоянных составляющих без разделительных конденсаторов. Основным недостатком многокаскадных полупроводниковых усилителей является существенная зависимость параметров полупроводниковых компонентов от температуры и других дестабилизирующих факторов. Для снижения влияния внешних воздействий на характеристики усилителей применяются различные схемотехнические приемы (симметрирование каскадов, компенсация воздействий). При групповой технологии в микроэлектронике удается реализовать близко расположенные компоненты с высокой степенью идентичности параметров, что позволяет уменьшить действие дестабилизирующих факторов за счет симметрирования схем.
Вместе с тем основным способом построения усилителей с высокой стабильностью характеристик служит использование свойств отрицательной обратной связи. Исходная схема усилителя выполняется с существенной избыточность значений параметров (высоким входным сопротивлением, очень большим коэффициентом усиления, широкой полосой усиливаемых частот) и требуемые параметры устройства получают введением местных и общих цепей прямой и обратной передачи сигналов. Указанный подход позволил разработать универсальные усилители, с помощью которых строятся практически все аналоговые преобразователи сигналов