Электровакуумные приборы

СХЕМОТЕХНИКА

ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

 

Учебно-методическое пособие

 

Воронеж

Издательский дом ВГУ

2019

УДК 621.3(075.8)

ББК 32.85я7

К523

Авторы:

В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков, Е.Н. Бормонтов

 

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,

заведующий кафедрой радиофизики ВГУ Ю.Э. Корчагин,

 

доктор физико-математических наук,

доцент кафедры электроники ВГУ Г.К. Усков

 

Клюкин В.И.

К523      Схемотехника электронных устройств: учебно–методическое пособие / В.И. Клюкин, Ю.К. Николаенков, Е.Н. Бормонтов; Воронежский государственный университет. – Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2019. – 174 с.

 

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета. Материал пособия охватывает широкий круг вопросов – от физических основ построения элементной базы электронной техники до практического использования ее функциональных блоков: усилителей, компараторов, перемножителей, аналогоцифровых и цифроаналоговых преобразователей, генераторов и источников питания. При этом особое внимание уделено возможности реализации этих устройств средствами интегральных технологий. Рекомендуется для самостоятельной работы студентов 3 и 4 курсов физического факультета, обучающихся по направлениям: 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника, 03.03.03 – Радиофизика.

УДК 621.3(075.8)

ББК 32.85я7

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 5

1. ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ.. 7

1.1. Электровакуумный диод. 8

1.2 Электровакуумный триод: характеристики и применение. 12

1.3 Многосеточные ЭВ лампы.. 16

1.4. ЭВП со скоростным управлением.. 20

1.5. Газоразрядные (плазменные) приборы.. 21

1.6. Контрольные вопросы и задания. 22

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.. 25

2.1. Физические основы полупроводниковой электроники. 25

2.2. Полупроводниковые диоды.. 28

2.3. Биполярные транзисторы.. 31

2.4. Униполярные (полевые) транзисторы.. 36

2.5. Силовые полупроводниковые приборы.. 39

2.6. Контрольные вопросы.. 44

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.. 45

3.1. Классификация и основные характеристики усилителей. 45

3.2. Однокаскадные усилители. 47

3.3. Двухкаскадные усилители. 52

3.3.1. Каскодный усилитель. 53

3.3.2. Дифференциальный каскад. 55

3.3.3. Токовое зеркало. 59

3.4. Обратная связь в электронных устройствах. 60

3.5. Контрольные вопросы и задания. 63

4. БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АИС И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. 65

4.1. Операционные усилители. 66

4.2. Аналоговые компараторы напряжений. 77

4.3. Аналоговые перемножители напряжений. 80

4.4. Контрольные вопросы и задания. 89

5. ПРЕЦИЗИОННЫЕ АНАЛОГОВЫЕ ИС.. 92

5.1. Активные RC – фильтры.. 92

5.2. Активные преобразователи сопротивлений. 102

5.3. Аналого – цифровые ИС.. 106

5.3.1. Цифроаналоговые преобразователи. 106

5.3.2. Аналогоцифровые преобразователи. 110

5.4. Контрольные вопросы и задания. 118

6. ГЕНЕРАТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ.. 122

6.1. Принципы построения автогенераторов. 122

6.2. Генераторы гармонических сигналов. 125

6.2.1. LC –генераторы.. 125

6.2.2. RC –генераторы.. 128

6.3. Генераторы релаксационных колебаний. 129

6.4. Кварцевые генераторы.. 130

6.5. Контрольные вопросы.. 132

7. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УТРОЙСТВ.. 134

7.1. Выпрямители. 134

7.2. Стабилизаторы напряжения и тока. 136

7.2.1. Параметрические стабилизаторы напряжения. 137

7.2.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения. 138

7.2.3. Стабилизаторы тока с заземленной и незаземленной нагрузкой. 139

7.3. Импульсные источники питания. 141

7.4. Контрольные вопросы.. 143

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 144

П1. СИГНАЛЬНЫЕ ГРАФЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ. 144

П1.1. Основные определения. 145

П1.2. Решение графов. Формулы Мезона. 148

П1.3. Построение графов электрических цепей. 150

П1.4. Расчеты функций ЭЦ при помощи графов. 153

П1.5. Контрольные вопросы и задания. 156

П2. СИСТЕМЫ С ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ.. 159

П2.1. Структура и функционирование системы ФАПЧ.. 159

П2.2. Применение устройств с ФАПЧ.. 167

П2.2.1. Синтезатор сетки стабильных частот на основе одного опорного кварцевого генератора 167

П2.2.2. Детектор частотномодулированных сигналов. 168

П2.2.3. Система ФАПЧ, встроенная в ПЛИС 5578ТС024. 169

П2.3. Контрольные вопросы.. 171

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 172

ВВЕДЕНИЕ

 

Практически развитие электронной техники (ЭТ) началось с открытия явления электромагнитной индукции (М. Фарадей) и связано с именами крупных отечественных и зарубежных ученых – Ленца Э., Попова А.С., Котельникова В.А., Шеннона К., Шокли У., Алферова Ж.И. и других. В настоящее время ЭТ вышла за рамки техники связи и обработки данных, проникая во все новые области науки и техники, чему в значительной степени способствуют успехи технологий микро– и наноэлектроники.

Элементной базой ЭТ, помимо пассивных компонентов, являются (в широком смысле) активные электронные приборы (ЭП), использующие движение электрических зарядов в электрических и/или магнитных полях. Принцип действия большинства ЭП достаточно прост и сводится к управлению плотностью, скоростью и направлением движения электронного (ионного) потока, движущегося в вакууме, газе, полупроводнике или электролите, т.е. создание любого ЭП требует решения, по меньшей мере, двух проблем: 1) получение направленного потока электрических зарядов; 2) организации энергетически эффективного управления этим потоком.

Номенклатура ЭП достаточно велика, однако подавляющее их число делится на два основных класса: электровакуумные и полупроводниковые приборы, описанию принципов действия и области применения которых посвящены первый и второй разделы. В третьем разделе рассмотрены структура и характеристики электронных усилителей, включая повторители напряжения и тока, одно– и двухкаскадные усилители, а также типы обратных связей и их влияние на выходные параметры устройств.

Дальнейший материал пособия ориентирован, прежде всего, на методы проектирования и применения аналоговых интегральных схем (АИС), составляющих основу современной аналоговой электронной техники. Так, в разделе 4 представлены методы построения и особенности функционирования базовых элементов АИС – операционных усилителей (ОУ) и аналоговых перемножителей напряжения (АПН), а также их применение для выполнения операций сложения, вычитания, умножения, деления, дифференцирования, интегрирования, модулирования и детектирования электрических сигналов. Раздел 5 посвящен описанию прецизионных АИС, параметры которых требуют тщательной настройки и повышенной устойчивости к влиянию дестабилизирующих факторов, – активных фильтров, преобразователей импеданса, аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. В разделе 6 изложены сведения, касающиеся принципов проектирования и стабилизации выходных параметров генераторов электрических сигналов, включая LC –, RC – и кварцевые генераторы, а в разделе 7 – методы реализации стабилизированных источников тока и напряжения, ориентированных на использование в ИС. В приложениях рассмотрены основные положения теории сигнальных графов, особенно эффективные при определении входных и передаточных функций аналоговых устройств, а также современные системы фазовой автоподстройки частоты, чаще всего используемые в качестве встроенных IP (Intellectual Property) – блоков ПЛИС.

При этом, несмотря на краткость изложения, рассмотренный материал (включая практические задания) может быть полезен как студентам вузов, так и работникам научных и промышленных организаций.

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ

 

Электровакуумные приборы основаны на явлении электронной эмиссии (ЭЭ) – излучении электронов с поверхности твердых или жидких тел при сообщении им энергии, превышающей работу выхода А_вых (~ несколько эВ), которая, в основном, зависит от расстояния между атомами в кристаллической решетке (чем больше расстояние, тем меньше А_вых). Различают следующие виды ЭЭ:

- термоэлектронная эмиссия, когда дополнительная энергия электронам сообщается путем нагревания тела;

- электростатическая эмиссия, которая возникает за счет большой напряженности электрического поля у поверхности тела;

- фотоэлектронная эмиссия, при которой поверхность тела подвергается освещению или рентгеновскому облучению;

- вторичная эмиссия, образующаяся при бомбардировке первичными электронами поверхности тела, когда из него выбиваются вторичные электроны.

В большинстве электронных приборов для создания электронного потока используется термоэлектронная эмиссия из специального электрода, называемого катодом. Ток термоэлектронного катода зависит от температуры, его плотность определяется уравнением Ричардсона – Дешмэна:

                                                    (1.1)

где A =120 А·см^-2·К^-2; T – абсолютная температура; j ₀ = W / q – удельная работа выхода электронов из катода; j_T = kT / q – тепловой потенциал; k = 1.38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана; q – заряд электрона. Эффективность катода характеризуется отношением предельного тока катода к мощности, затрачиваемой на его нагрев до рабочей температуры, и измеряется в мА/Вт.

Катоды бывают прямого и косвенного накала. Катоды прямого накала выполняют из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, тантал в виде проволочек, ленточек, стерженьков. Они экономны и безынерционны, но применяются только для постоянного тока. Катоды косвенного накала состоят из тугоплавкой нити внутри тонкостенного цилиндра, покрытого металлом с малой работой выхода (например, барием). Сравнительные характеристики катодов из вольфрама и бария приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Материал	Температура, К	Плотность тока JЭ, А/см2	Эффективность катода, мА/Вт
Вольфрам	2600	0,2…0,7	2…10
Барий	1000	0,15…0,5	60…100

 

Заметим, что катоды косвенного накала инерционны (~ несколько секунд), то есть могут питаться током промышленной частоты (50 Гц, 60 Гц), а катоды прямого накала (вольфрам) при окислении значительно снижают свою эффективность (за счет увеличения А_вых почти вдвое)