Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000
20.В чем отличие принципа работы полевого транзистора от биполярного? 21.Классификация полупроводниковых резисторов.
22.Где применяются варисторы?
23.Принцип работы фотоэлектрических приборов.
24.Какие приборы относятся к приборам с внешним фотоэффектом. 25.Поясните принцип работы фотодиода?
26.Что такое оптопары и область их применения?
27.Что представляет собой интегральная схема?
28. Классификация ИС.
29.Условное обозначение ИС.
30.На какие группы подразделяются индикаторные приборы?
31.Принцип работы ЖКИ?
32.Поясните принцип работы ВЛИ.
33.Назовите два принципа управления работой индикаторов.
41
3. АНАЛОГАВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
3.1. Расчет нелинейных электрических цепей.
Нелинейным элементом называется элемент, у которого зависимость между входными и выходными параметрами носит нелинейный характер. Нелинейный элемент характеризуется нелинейностью характеристик. (рис. 40).
U |
П |
I |
0 |
|
|
|
|||
Uп |
|
|
|
|
Uп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β |
Iп |
|
I |
|
|
|
|
U |
U |
α |
I |
|
A |
|
|
|
|
||
|
|
Ugo |
|
|
|
Iп |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис 40 Вольт-амперная характеристика |
Рис 41 В А Х диода |
|
||
нелинейного резистора
С помощью ВАХ резистора можно определить его статистическое Rст и динамическое Rдин сопротивления в точке П:
Rдин = Un = tgβ ; |
Rст = Un = tgα , |
In |
In |
где Un и In – напряжение и ток в точке П;
ДU и I – конечные приращения напряжения и тока.
Обычно все электрические цепи, включающие ЭУ, являются нелинейными. Цепи, в которых нет электронных устройств, могут быть линейными и нелинейными. Расчет нелинейных электрических цепей достаточно сложен, так как нужно решать систему нелинейных уравнений.
Поэтому на практике для расчета нелинейных электрических цепей используются графоаналитические методы, а именно линеаризации, кусочно- линейной аппроксимации, эквивалентных преобразований и метод пересечения характеристик.
Метод линеаризации заключается в замещении нелинейного элемента линейной схемой, справедливой для ограниченного диапазона тока и напряжения. Такое замещение нелинейного элемента позволяет описывать электрическую цепь с помощью системы линейных уравнений.
42
U = Ug0 + I × Rдин
где Ug0 – пороговое напряжение диода; Rдин – динамическое сопротивление.
Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в том, что
заданная нелинейная характеристика заменяется ломаной прямой с несколькими точками излома. Например, ВАХ полупроводникового диода (рис. 42) легко поддается кусочно-линейной аппроксимации. ВАХ диода может быть разбита на три области: прямой участок (DC), обратное смещение (АЕ) и область пробоя (АВ). Каждая из этих областей близка к линейной. Поэтому ВАХ диода может быть представлена тремя отрезками: С’D; AE’ и A’B.
|
|
J |
|
|
Ugo |
|
|
|
|
D |
|
Rдин |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
Uпроб |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A1 |
|
|
C |
U |
|
Rобр |
|
|
1 |
|
|||
|
|
|
C |
|
|
|
A |
E |
|
Ugo |
|
|
Is |
E1 |
Is |
|
|
|||
B |
2 |
|
|
|
Uпроб |
Rпроб |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
б) |
|
Рис. 42 ВАХ полупроводникового диода (а), эквивалентные схемы |
|||||
|
|
|
|
участков 1-3 (б) |
|
|
Прямая ветвь может быть аппроксимирована линейной функцией
Uпр = Ug0 + I × R дин ,
Аналогично может быть аппроксимирован линейный участок в области обратного смещения (участок ЕА) и в области пробоя (участок АВ), когда к диоду приложено обратное напряжение.
Метод эквивалентных преобразований заключается в замене группы нелинейных элементов одним нелинейным элементом. Параметры такого элемента и режим работы могут быть определены графическим путем. Например, необходимо рассчитать электрическую цепь из последовательно соединенных линейных и нелинейных резисторов R1, R2 и R3 (рис 43). Необходимо определить ток в цепи Iвх и падение напряжения на резисторах U1, U2 и U3. Для схемы согласно закону Кирхгофа можно записать:
43
Iвх = I1 = I2 = I3; |
Uвх = U1 + U2 + U3 |
Зная ВАХ всех резисторов, |
входящих в схему, строим ВАХ |
эквивалентного сопротивления Uэкв(1). Проводим горизонтальную прямую на уровне Uвх до пересечения с ВАХ эквивалентного сопротивления. Точка А определяет параметры цепи, т.е. ток в цепи Iвх и падение напряжения на резисторах U1, U2 и U3.
|
R1 |
R2 |
|
|
|
U |
Uэкв(I |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Uвх |
|
|
||
|
U1 |
U2 |
|
|
|
А |
|
|
Uвх |
U3 |
Uвх |
Rэкв |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||
|
I |
|
R3 |
|
Iвх |
U1 |
UR1 (I) |
|
|
вх |
|
|
|
U3 |
UR3 |
(I) |
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
UR2 |
(I) |
|
|
Iвх |
I |
а) |
б) |
в) |
|
Рис. 43 Схема с последовательным соединением резисторов (а), эквивалентная схема (б), |
|
||
|
ВАХ (в). |
|
|
Метод пересечения характеристик применяется для анализа цепей с двумя последовательно включенными элементами, которые могут быть линейными и нелинейными. В основу метода положено то, что суммарное
напряжение на последовательно включенных элементах определяется внешним источником напряжения Uвх и не зависит от тока, протекающего в цепи. Для цепи из двух элементов (рис. 44) справедливо выражение: Iвх = IR1 = IR2
Uвх = U1 + U2
|
R 1(I) |
|
|
U1 |
|
Uвх |
R2(I) |
U2 |
|
Iвх |
|
I |
R1 |
(I) |
|
||
|
|
R2(I) |
|
|
U |
I |
R2(I) |
R1(I) |
|
|
|
IВХ |
A |
|
U1 |
U2 |
U |
|
UВХ |
|
а) б) в)
Рис. 44. Схема цепи (а), ВАХ нелинейных элементов (б), решение методом пересечения характеристик (в).
Решение задачи заключается в том, что одна из характеристик (например R2(I)) зеркально развертывается и перемещается относительно начала
44
координат на величину U=Uвх. Точка пересечения ВАХ элементов А дает искомый ток в цепи Iвх и падение напряжения на элементах U1 и U2.
В качестве примера рассчитаем цепь, содержащую последовательное соединение полупроводникового диода и резистора при Uвх= 5В и R2=1 кОм
(рис 45)
J ma
|
Uд |
|
|
|
|
U |
6 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
J= Rвх 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iвх |
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвх |
|
R |
|
U2 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||
|
Iвх |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uд |
U2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а) |
|
|
|
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
Рис. 45. Схема нелинейной цепи (а), решение (б) методом пересечения характеристик |
|||||||||||||||
I ma |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Строим ВАХ диода (1) и |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
нагрузочную прямую |
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх=Uд+IR (2) по двум точкам: |
|||||
Iвх мах |
|
В |
|
|
|
|
|
|
|
Iвх=0 и Ug=0. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Точка пересечения |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
характеристик – А определяет |
|||||
Iвх |
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
ток в цепи: Iвх=4 мА, Ug=1,2 В и |
|||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
U2=3,8 В. |
|
|
|
||
Iвх мin |
|
С |
|
|
|
|
|
|
|
|
Если на входе |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
нелинейных цепей действуют |
|||||||
|
|
|
Uвх. min. |
U |
|
Uвх. max |
|
одновременно постоянная и |
|||||||
|
|
|
|
|
переменная составляющие тока, |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
U |
то используется метод |
|||||
|
Ugmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
наложения. В этом случае |
|||||
|
|
|
|
|
Uвх |
|
|
|
вначале определяется режим по |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
постоянному току, а затем |
||||||
|
Ug 0 |
|
|
U20 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
производится расчет по ее |
|||||||
|
Ugmax |
|
|
|
|
|
|
|
|
переменной составляющей. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Например, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх = U0 + Umaxsinщt ; U0= 5 |
|||||
Рис. 46. Графоаналитический расчет нелинейной |
B, |
Umax= 2 B, |
R2= 1 кОм. |
||||||||||||
|
|
|
|
цепи |
|
|
|
|
|
|
|
Вначале |
определяется |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
45 |
|
|
|
|
|
|
|