ՀԱՅԱՍՏԱՆԻ ՀԱՆՐԱՊԵՏՈՒԹՅԱՆ ԿՐԹՈՒԹՅԱՆ
ԵՎ ԳԻՏՈՒԹՅԱՆ ՆԱԽԱՐԱՐՈՒԹՅՈՒՆ
ՀԱՅԱՍՏԱՆԻ ԱԶԳԱՅԻՆ ՊՈԼԻՏԵԽՆԻԿԱԿԱՆ ՀԱՄԱԼՍԱՐԱՆ
ՌԱԴԻՈՏԵԽՆԻԿԱՅԻ ԵՎ ԿԱՊԻ ՀԻՄՈՒՆՔՆԵՐԻ ԱՄԲԻՈՆ
ԱՐԱՄՅԱՆ Հ. Լ.
ԱՆԱԼՈԳԱՅԻՆ ԷԼԵԿՏՐՈՆԱՅԻՆ ՍԽԵՄԱՏԵԽՆԻԿԱ
ՈՒսումնական ձեռնարկ
ԵՐԵՎԱՆ
ՃԱՐՏԱՐԱԳԵՏ
2016
ՀՏԴ 621.31
Անալոգային էլեկտրոնային սխեմատեխնիկա: ՈՒսումնական ձեռնարկ:
Հ. Լ. Արամյան: Համակարգչային ձևավորումը` Լ. Շ. Արամյանի:
Հայաստանի պետական ճարտարագիտական համալսարան: Երևան 2016թ., 221 էջ:
ՈՒսումնական ձեռնարկը կազմված է «Անալոգային էլեկտրոնային սխեմատեխնիկա» դասընթացի ծրագրին համապատասխան: Այն հնարավորություն է ընձեռում ուսանողներին գիտելիքներ ձեռք բերել ռադիոէլեկտրոնային սարքերի սխեմատեխնիկական լուծումների վերաբերյալ:
Ձեռնարկում ընդգրկված են պարզագույն պասիվ և ակտիվ RC զտիչների վարքը հաճախային և ժամանակային հարթություններում, ուժեղարարների պարամետրերն ու բնութագրերը: Հատուկ ուշադրության են արժանացել աղմուկները, հետադարձ կապը, դրանց ազդեցությունն ուժեղարարի պարամետրերի ու բնութագրերի վրա: Նկարագրված է կիսահաղորդչային սարքերի աշխատանքի սկզբունքը, բերված են տրանզիստորային ուժեղարարների, հոսանքի գեներատորների, ցածր հաճախության և ռադիոհաճախության տատանումների գեներատորների աշխատանքը, սխեմատեխնիկան և հաշվարկային առնչությունները, որոնք լուսաբանված են հարուստ գրաֆիկական նյութով:
Նախատեսված է 210.300 մասնագիտության ուսանողների համար:
Նկ.` 176, գրակ.` 9 անուն:
Խմբագիր` Ն. Ա. Խաչատրյան
Գրախոսներ` Ա. Մ. Դեմիրխանյան, Վ. Գ. Խաչատրյան
1.6.1. Հաջորդական տատանողական կոնտուր
1.6.2. Զուգահեռ տատանողական կոնտուր
2.1. Ջերմային(Ջոնսոնի) աղմուկը
3. ԿՀ ՏԱՐՐԵՐՆ ՈՒ ԴՐԱՆՑ ԿԻՐԱՌՈՒՄԸ
3.1.1. Դիոդի աշխատանքային ռեժիմը
3.1.2. Փոփոխական հոսանքի ուղղումը
3.8. Կիսահաղորդչային ԳԲՀ դիոդներ
3.11.1. Երկբևեռ տրանզիստորի կառուցվածքն ու աշխատանքը
3.11.2. Երկբևեռ տրանզիստորի բնութագրերը
3.11.3. Երկբևեռ տրանզիստորի պարամետրերը
4.1. ՈՒժեղարարների դասակարգումը
4.3.1 ՈՒժեղարարի բնութագրերը կայացած ռեժիմում
4.3.2. ՈՒժեղարարի բնութագրերը անցումային ռեժիմում
4.4.2. Ոչ գծային աղավաղումները
4.5.1. Ըստ մուտքի և ելքի հաջորդական հետադարձ կապ
4.5.2. Ըստ մուտքի և ելքի զուգահեռ հետադարձ կապ
4.5.3. Ըստ մուտքի` զուգահեռ և ըստ ելքի` հաջորդական հետադարձ կապ(հիբրիդային կապ)
4.5.4. Հետադարձ կապի ազդեցությունն ուժեղարարի պարամետրերի, աղմուկի և աղավաղումների վրա
4.6. Տրանզիստորային ուժեղարարները
4.6.1. Ընդհանուր էմիտերով(ԸԷ) ուժեղարարները
4.6.2. Ընդհանուր բազայով (ԸԲ) ուժեղարարը
4.6.3. Ընդհանուր կոլեկտորով ուժեղարարը(էմիտերային կրկնիչը)
4.6.4. Տրանզիստորի հաճախային հատկությունները
4.8. Ղեկավարող p-n անցումով ԴՏ ուժեղարարները
4.8.1. Ղեկավարող p-n անցումով տրանզիստորով ուժեղարարները
4.9. Մեկուսացված փականով ԴՏ ուժեղարարներ
4.9.1. Մեկուսացված փականով ներդրված ուղիով(ՆՈՒ) դաշտային տրանզիստորները
4.9.2. Մակածված ուղիով(ՄՈՒ) դաշտային տրանզիստորներ
4.9.3. Դաշտային տրանզիստորի ջերմակայուն կետը
4.10. Բազմաստիճան ուժեղարարներ
4.10.1. ՈՒնակային կապով ուժեղարար
4.10.2. Ինդուկտիվ կապով ուժեղարար
4.10.3. Անմիջական կապով ուժեղարար
4.11.1. Երկբևեռ տրանզիստորներով հոսանքի գեներատորներ
4.12. Հաստատուն հոսանքի ուժեղարարներ
4.13. Դիֆերենցիալ ուժեղարարներ
4.14.1. Օպերացիոն ուժեղարարի հաճախային հատկությունները
4.15.2. Տրանսֆորմատորային երկտակտ ուժեղարարները
4.15.3. Ոչ տրանսֆորմատորային ելքով երկտակտ ուժեղարարները
5.1. Ցածր հաճախության ակտիվ զտիչներ
5.1.1. Ցածր հաճախության զտիչ չշրջող ուժեղարարով ցածր հաճախության զտիչ
5.1.2. Ցածր հաճախության ակտիվ զտիչ շրջող ուժեղարարով
5.2.1. Լրիվ դիմադրության փոխարկչով բարձր հաճախության զտիչ
5.2.2. Շրջող ուժեղարարով բարձր հաճախության զտիչ
5.3. Բարդ բացասական հետադարձ կապով շերտային զտիչ
6.1. ՑՀ տատանումների գեներատորներ
6.2. ԲՀ տատանումների գեներատորներ
6.2.1. Հաճախության պարամետրական կայունացումը
6.2.2. Հաճախության պարամետրական կայունացումը
Սխեմատեխնիկան որևէ ռադիոէլեկտրոնային սարքի նախագծման հիմքը և միջոցն է. առաջինը կատարում են սարքի սխեմատեխնիկական հաշվարկ, ապա նոր միայն հուսալիության, ջերմատեխնիկական, մակաբույծ կապերի, մեխանիկական ամրության և այլ հաշվարկներ:
Ըստ մշակվող սարքի սխեմատեխնիկան լինում է հանգունային(անալոգային) և թվային. առաջինն զբաղվում է հանգունային, երկրորդը` թվային սարքերով:
Հանգունային են կոչվում այն սարքերը, որոնց գործառույթը հանգունային ազդանշանի մշակումն է, և թվային են կոչվում այն սարքերը, որոնց գործառույթը թվային ազդանշանի մշակումն է:
Հանգունային է կոչվում տվյալների այն ազդանշանը, որի յուրաքանչյուր պարամետր նկարագրվում է անընդհատ ժամանակային ֆունկցիայով և հնարավոր արժեքների անընդհատ բազմությամբ:
Թվային է կոչվում տվյալների այն ազդանշանը, որի յուրաքանչյուր պարամետր նկարագրվում է ընդհատ ժամանակային ֆունկցիայով և հնարավոր արժեքների ընդհատ բազմությամբ:
Հանգունային սարքեր են գծային և ոչ գծային ուժեղարարները, հաճախության փոխակերպիչներն ու բազմապատկիչները, ներդաշնակ ազդանշանի գեներատորները, լայնութային, հաճախային և փուլային դետեկտորները, պասիվ և ակտիվ զտիչները և այլն:
Ռադիոէլեկտրոնային սարքերի մեծագույն մասը պարունակում է ուժեղարար կոչվող սարք, որի ուսումնասիրմանն է հիմնականում նվիրված այս դասընթացի հիմնական մասը:
1. ՊԱՐԶԱԳՈՒՅՆ ՊԱՍԻՎ RC ԶՏԻՉՆԵՐ
ՈՒժեղացումն իրականացվում է ուժեղարար կամ ակտիվ տարրերի` լամպերի, տրանզիստորների, ինտեգրալ որոշ սխեմաների, հագեցման դրոսելների(մագնիսական ուժեղարարներում), վարիկապերի կամ վարակտորերի(ունակային ուժեղարարներում) և այլ տարրերի միջոցով:
Յուրաքանչյուր տարր հաճախության որոշ տիրույթում դրսևորում է և’ ինդուկտիվ, և’ ռեզիստիվ, և’ ունակային հատկություններ, հետևաբար` դրանցից յուրաքանչյուրի հատկությունները կախված են ազդանշանի հաճախությունից, ուստի հանգունային սարքերի հաճախային հատկությունները լավ ըմբռնելու համար նպատակահարմար է նախ ուսումնասիրել պարզագույն պասիվ զտիչները:
Նախ դիտենք հետևյալ շղթան, որը կոչվում է լարման բաժանիչ(նկ. 1):
Նրա ելքում լարումը`
Ինչպես տեսնում ենք ելքային լարումը կախված չէ մուտքային ազդանշանի հաճախությունից և ելքում ու մուտքում ազդանշանները համափուլ են: Այլ պատկեր է ստացվում, երբ բաժանիչի տարրերից մեկը ռեակտիվ է. այդ դեպքում բաժանիչը ձեռք է բերում հաճախընտրուն հատկություններ:
Այն սարքը, որը մուտքային ազդանշանի տարբեր հաճախաշերտեր փոխանցում է ելք տարբեր մարումներով և հապաղումներով, կոչվում է զտիչ:
1.1. ՑԱԾՐ ՀԱՃԱԽՈՒԹՅԱՆ(ՑՀ) ԶՏԻՉ
Այս զտիչը ցածր հաճախության ազդանշանները փոխանցում է ելք գրեթե առանց փոփոխության, իսկ բարձրերը` մեծ մարմամբ և հհապաղմամբ:
Ցածր հաճախության պարզագույն RC զտիչի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 2 – ում:
Այն 1-ին կարգի զտիչ է(զտիչի կարգը որոշվում է նրանում պարունակվող ռեակտիվ տարրերի թվով):
Զտիչի մուտքային կոմպլեքս դիմադրությունը`
,
ելքայինը`
Փոխանցման գործակիցը`
Փոխանցման գործակցի մոդուլը`
ելքային լարման փուլը`
Նկ. 3–ում բերված է(կիսալոգարիթմական մասշտաբով) ՑՀ RC զտիչի լայնութահաճախային, իսկ նկ. 4 –ում` փուլահաճախային բնութագիրը:
Հաճախային հարթությունում զտիչի հատկությունները բնորոշվում են նրա լայնութահաճախային բնութագրով, որի շրջման կետը համապատասխանում է մակարդակին: Ազդանշանի նվազման դիքությունը կազմում է 6 դԲ/օկտավ:
Հատման հաճախությունը`
Հաջորդաբար միացած n թվով միատեսակ զտիչներից կազմված(n-օղականի) զտիչի հատման հաճախությունը`
որտեղ fՀ-ն յուրաքանչյուր զտիչի հատման հաճախությունն է:
Ժամանակային հարթությունում ցածր հաճախության զտիչն ինտեգրատոր է: Նկ. 5-ում բերված է ինտեգրատորի արձագանքը մուտքային թռիչքաձև փոփոխվող ազդանշանին:
Ելքային լարման փոփոխման օրենքը ժամանակային միջակայքում`
Ինտեգրատորը նաև միջին արժեքի ձևավորիչ է.
որտեղ առաջին գումարելին փոփոխական բաղադրիչն է կամ բաբախումը, երկրորդը` միջին արժեքը: ժամանակի հաստատունի բավականաչափ մեծ արժեքների դեպքում փոփոխական բաղադրիչն անտեսելի է, և ելքային լարումը`
Ցածր հաճախության զտիչի տարատեսակներից է համեմատական ինտեգրող զտիչը, որի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ.6–ում, լայնութահաճախային բնութագիրը` նկ 7-ում, իսկ փուլահաճախայինը` 8-ում:
Շղթայի մուտքային կոմպլեքս դիմադրությունը`
ելքային կոմպլեքս դիմադրությունը`
փոխանցման գործակիցը`
Վերոբերյալ եղանակով կորոշենք փոխանցման գործակցի մոդուլը`
Համեմատականության m գործակիցը վերցվում է 0,03...0,3 սահմաններում:
Ելքային ազդանշանի փուլը`
1.2. ԲԱՐՁՐ ՀԱՃԱԽՈՒԹՅԱՆ(ԲՀ) ԶՏԻՉ
Բարձր հաճախության զտիչը բարձր հաճախության մուտքային ազդանշանները ելք է հաղորդում գրեթե առանց փոփոխության, մարման իսկ ցածր հաճախության ազդանշանները` մեծ մարմամբ և հհապաղմամբ:
Բարձր հաճախության RC զտիչի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 9–ում: Այն նույնպես 1-ին կարգի զտիչ է:
Զտիչի փոխանցման գործակիցը`
հատման հաճախությունը`
ելքային ազդանշանի փուլը`
Նկ. 10-ում բերված է ԲՀ RC զտիչի լայնութահաճախային բնութագիրը, նկ. 11-ում`փուլահաճախային բնութագիրը:
Ժամանակային հարթության մեջ ԲՀ զտիչն ածանցիչ է: Մուտքային ուղղանկյուն իմպուլսներն այդ զտիչով անցնելիս վերածվում են սրածայր իմպուլսների(նկ. 12):
Այս զտիչը միջին հաճախությունները փոխանցում է փոքր մարմամբ, բարձրերն ու ցածրերը` մեծ մարմամբ և հապաղմամբ:
Շերտային զտիչի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 13–ում, լայնութահաճախային բնութագիրը(կիսալոգարիթմական մասշտաբով)` նկ. 14–ում, իսկ փուլահաճախայինը` նկ. 15 – ում:
Զտիչի փոխանցման գործակիցը`
ելքային ազդանշանի փուլը`
հատման հաճախությունը`
Զտիչի դիմադրությունը fՌ հաճախությունից ցածր հաճախություններում դրսևորում է ունակային, բարձր հաճախություններում` ինդուկտիվ, իսկ fՌ դեպքում` ռեզիստիվ բնույթ:
Վին–Ռոբինսոնի կամրջակի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 16–ում, լայնութահաճախային բնութագիրը` նկ. 17 – ում, իսկ փուլահաճախայինը` նկ. 18–ում:
Զտիչի փոխանցման գործակիցը`
ելքային ազդանշանի փուլը`
հատման հաճախությունը`
1.5. ԿՐԿՆԱԿԻ T ԿԱՄՐՋԱԿ
Կրկնակի T կամրջակի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 19–ում, լայնութահաճախային բնութագիրը` նկ. 20–ում, իսկ փուլահաճախայինը` նկ. 21–ում:
Զտիչի փոխանցման գործակիցը`
,
ելքային ազդանշանի փուլը’
հատման հաճախությունը`
Թեև այս բաժինը նվիրված է RC զտիչներին, սակայն վերջում համառոտ արծարծենք ռադիոէլեկտրոնիկայում լայնորեն կիրառվող LC կոնտուրները:
1.6.1. Հաջորդական տատանողական կոնտուր(նկ. 22).
Լրիվ դիմադրությունը`
ռեզոնանսային հաճախությունը`
ռեզոնանսային դիմադրությունը`
թողաշերտի լայնությունը(նկ. 23)`
բնորոշ դիմադրությունը`
կոնտուրի բարորակությունը`
1.6.2. Զուգահեռ տատանողական կոնտուր(նկ. 24).
Լրիվ դիմադրությունը`
ռեզոնանսային հաճախությունը`
թողաշերտի լայնությունը(նկ. 25)`
բնորոշ դիմադրությունը`
կոնտուրի բարորակությունը`
ռեզոնանսային դիմադրությունը`
Մուտքային ազդանշանի(օգտակար, թե` անօգտակար) բացակայության դեպքում ուժեղարարի ելքում հայտնված ուժեղացման արգասիքը կոչվում է աղմուկ: Դրանք տարաբնույթ են և ուղեկցում են գրեթե բոլոր ռադիոէլեկտրոնային սարքերին:
2.1. ՋԵՐՄԱՅԻՆ(ՋՈՆՍՈՆԻ) ԱՂՄՈՒԿ
Ջերմային աղմուկը հավասարակշիռ աղմուկ է, որը պայմանավորված է հաղորդչում լիցքակիրների ջերմային շարժմամբ, ինչի արդյունքում հաղորդչի ծայրերում առաջանում է պոտենցիալների ծփացող տարբերություն:
Ռեակտիվ շղթաները ջերմային աղմուկ չունեն:
Այս աղմուկի միջին քառակուսային լարումը կախված է միայն նմուշի R ակտիվ դիմադրությունից և T ջերմաստիճանից ու հաշվվում է Նայքվիստի բանաձևով՝
որտեղ Բոլցմանի հաստատունն է, T-ն` ջերմադինամիկական ջերմաստիճանը, իսկ այն հաճախաշերտը, որտեղ կատարվում են չափումները:
Ծփանքային էլշուն կախված է ջերմադինամիկական ջերմաստիճանից և հաղորդչի դիմադրության R ակտիվ բաղադրիչից(Նայքվիստի բանաձև)`
Սենյակային պայմաններում 1 Հց հաճախաշերտում 1 Օհմ դիմադրությամբ հաղորդիչն ստեղծում է
հզորությամբ էլշու:
Ջերմային աղմուկի սպեկտրային խտությունը՝ Sf = 4kTR, կախված չէ հաճախությունից, այդ պատճառով այն կարելի է դիտարկել հաճախությունների լայն տիրույթում, ինչպես սպիտակ աղմուկի դեպքում, և մնում է հաստատուն ընդհուպ մինչև
հաճախությունը, որտեղ ℏ -ը Պլանկի նորմավորված հաստատունն է`
T=300 Կ դեպքում` fm ≈ 6⋅1012 Հց:
Համաձայնեցման դեպքում բեռին է տրվում աղմուկի հզորության քառորդ մասը`
Այսպիսով, յուրաքանչյուր շղթա կարելի է ներկայացնել անկախ աղմկային էլշուի աղբյուրի տեսքով, որի հաճախություններն ընկած են տիրույթում, ընդ որում վերջինիս մեջտեղում ներքին դիմադրությունը` Z=R + jX :
Եթե շղթան կազմված է երկու զուգահեռ ճյուղերից, ապա հարմար է շղթան ներկայացնել անկախ`
հոսանքով աղմկային հոսանքի գեներատորի տեսքով, որի հաղորդականությունը`
Ոչ լարային դիմադրիչներն աղմուկի ավելի բարձր մակարդակ են ստեղծում, քան լարայինները(այդ երևույթը նկատելի է միայն դիմադրիչի միջով հոսանքի անցման ժամանակ), ընդ որում` անվանական հզորությանը համապատասխան հոսանքի դեպքում աղմուկի մակարդակը մի քանի անգամ կարող է գերազանցել Նայքվիստի բանաձևով հաշվված արժեքը:
Կոտորակային աղմուկը ռադիոէլեկտրոնային սարքերի շղթաներում լարման և հոսանքի անկանոն ծփանքներ են` իրենց միջին արժեքի նկատմամբ, որոնք պայմանավորված են լիցքակիրների՝ էլեկտրոնների, ընդհատությամբ: Կոպիտ ասած` յուրաքանչյուր էլեկտրոնի «ժամանումն» ուղեկցվում է շղթայում հոսանքի ցայտով:
Ի տարբերություն էլեկտրոնների ջերմային շարժումից ծագած ջերմային աղմուկի` կոտորակային աղմուկը ջերմաստիճանից կախված չէ: Այն դրսևորվում է թափվող կոտորակի ակուստիկ աղմուկի տեսքով` ընդունիչի ելքում, ձյունի տեսքով` հեռուստացույցի էկրանին, խոտի տեսքով` լոկատորի էկրանին:
Կոտորակային աղմուկը ռադիոէլեկտրոնային սարքերի մեծամասնության ներքին աղմուկների հիմնական բաղադրիչն է, որը բերում է թույլ ազդանշանների աղավաղման և զգայնության նվազման:
Կոտորակային աղմուկի սպեկտրային խտությունը որոշվում է Շոտկիի բանաձևով`
որտեղ е-ն էլեկտրոնի լիցքն է, I0-ն` հոսանքի հաստատուն բաղադրիչը:
Ֆլիկեր-աղմուկը (1/f աղմուկ, վարդագույն աղմուկ, ավելցուկային աղմուկ) ծփանք է, որին բնորոշ է սպեկտրային խտության հակադարձ համեմատական կախումը հաճախությունից, ի տարբերություն սպիտակ աղմուկի, որի սպեկտրային խտությունը հաստատուն է: Այն առաջանում է բոլոր բազմաքանակ, ոչ միատեսակ տարրեր պարունակող համակարգերում(քարաթափ` լեռնազանգվածներում, ձնահյուս, Արեգակի ակտիվություն, սոցիալական համակարգ, էլեկտրոնային սարքեր): Այդ տարրերը կարող են կուտակել էներգիա և չնչին արտաքին ազդեցությամբ արտազատել այն` առաջացնելով 1/f աղմուկ, մինչդեռ արտաքին ուժեղ և, մանավանդ` հաճախ ազդեցություններն անընդհատ լիցքաթափում են իրենց էներգիան, և միաժամանակյա (պայթյունային) երևույթ տեղի չի ունենում: Էլեկտրոնիկայում դրանք արտահայտվում են տրանզիստորներում` ռեկոմբինացիայի, լամպերում` էմիսիայի ժամանակ:
Սա ուժեղարարի ելքում կողմնակի լարում է, որի հաճախությունը ուժեղարար տարրի կամ լամպի շիկացման թելի սնման փոփոխական հոսանքի հաճախության պատիկն է:
Ֆոնը ծագում է ուղղված, սակայն լավ չհարթված փոփոխական հոսանքով ուժեղարար տարրը սնելիս կամ լամպի շիկացման թելը փոփոխական հոսանքով սնելիս: Այն առաջանում է նաև ուժեղարարի առաջին աստիճաններին մոտ զետեղված փոփոխական հոսանքի շղթաների (լարերի և ուժային տրանսֆորմատորների) ազդեցությամբ(մակածմամբ):
Ֆոնը գործնականորեն աննկատելի է, եթե 100 Հց-ը չգերազանցող հաճախության դեպքում նրա մակարդակը (60…70) դԲ-ով ցածր է ազդանշանի մակարդակից:
3. ԿԻՍԱՀԱՂՈՐԴՉԱՅԻՆ ՏԱՐՐԵՐՆ ՈՒ ԴՐԱՆՑ ԿԻՐԱՌՈՒՄԸ
Ռադիոէլեկտրոնիկայում էական դեր ունեն կիսահաղորդչային տարրերը, որոնցով կառուցում են ուղղիչներից մինչև թվացույցեր, լազերներից մինչև ԳԲՀ սարքեր ու կառավարման ավտոմատ սարքավորումներ: Համառոտ անդրադարձ կատարենք դրանց աշխատանքին ու կիրառությանը:
3.1. ԿԻՍԱՀԱՂՈՐԴՉԱՅԻՆ ԴԻՈԴ
Կիսահաղորդչային դիոդը մեկ p-n անցումով միակողմանի հաղորդականությամբ օժտված էլեկտրառադիոտարր է, որի աշխատանքի հիմքում ընկած են p-n անցումում ընթացող պրոցեսները:
Նկ. 26-ում բերված է կիսահաղորդչային դիոդի վոլտ-ամպերային բնութագիրը, որի ուղիղ շեղման տեղամասն սկզբում ունի ընդգծված ոչ գծային բնույթ` չի ենթարկվում Օհմի օրենքին:
Դիոդով անցնող հոսանքը որոշվում է Շոկլիի բանաձևով`
որտեղ m-ը Շոկլիի գործակիցն է, որը կատարյալ p-n անցման դեպքում` m=1, իրական անցման դեպքում` m=1...2 (դիֆուզային տիրույթ): Այս գործակիցը հաշվի է առնում դիոդի` Շոտկիի տեսությունից շեղումը, IS-ը` հագեցած հակադարձ հոսանքն է, UT=kT/e-ն` ջերմային պոտենցիալը, որը սենյակային ջերմաստիճանում(300 Կ) կազմում է 25,5 մՎ:
Ուղիղ լարման որոշ արժեքի դեպքում լարման չնչին աճն առաջացնում է հոսանքի հսկայական աճ: Դա հագեցման լարումն է, որը գերմանիումային դիոդների համար մոտավորապես 0,3 Վ է, սիլիցիումային դիոդների համար` 0,7 Վ:
ՈՒղիղ լարման հարյուրերորդական վոլտերի փոփոխություններն առաջացնում են տասնյակ միլիամպերների հասնող հոսանքի փոփոխություններ, հետևաբար` դիոդի ուղիղ դիմադրությունը չի գերազանցում մի քանի տասնյակ Օհմը: Հզոր դիոդների ուղիղ դիմադրությունը միավոր կամ տասնորդական օհմերի կարգի է:
Հակառակ լարման դեպքում վոլտ-ամպերային բնութագիրը պատկերված է այլ մասշատաբով, որի հետևանքով կոորդինատների սկզբնակետում բնութագիրը բեկվել է:
Հակառակ լարման աճը առաջացնում է հակառակ հոսանք, որն այդ լարման փոփոխության բավական լայն տիրույթում մնում է հաստատուն (հագեցման հակադարձ հոսանք), որի արժեքներն ընկած են նանոամպերներից մինչև միկրոամպերներ միջակայքում, հետևաբար հակառակ միացված դիոդի դիմադրությունը անհամեմատ մեծ է(հարյուրավոր կիլոօհմերից մինչև մի քանի ՄեգաՕհմ), քան ուղիղ միացման դեպքում: Սակայն հակառակ լարման «ծակման լարում» կոչվող արժեքի դեպքում հակառակ հոսանքն սկսում է կտրուկ աճել, և վրա է հասնում էլեկտրական ծակումը (AB տեղամասը), որը վերականգնելի է (լարման վերանալուց հետո դիոդն աշխատունակ է դառնում):
Հակառակ լարման հետագա աճն առաջացնում է էլեկտրական ծակմանը հաջորդող ջերմային ծակում (բնութագրի BC տեղամասը), որի հետևանքով կիսահաղորդչում տեղի են ունենում անդառնալի երևույթներ, և դիոդը խափանվում է:
Այսպիսով, p-n անցումն օժտված է միակողմանի հաղորդականությամբ. ուղիղ շեղման դեպքում նրա դիմադրությունը փոքր է` միավորից մինչև տասնյակ օհմեր, ուստի նրանով անցնում է մեծ հոսանք, մինչդեռ հակառակ շեղման դեպքում նրա դիմադրությունը շատ մեծ է, ուստի նրանով անցնող հակադարձ հոսանքը միլիոնավոր անգամ փոքր է ուղիղ հոսանքից:
Կիսահաղորդիչների էլեկտրահաղորդականության վրա զգալի ազդեցություն ունի ջերմաստիճանը: Ջերմաստիճանը բարձրացնելիս գոյանում են լիցքակիրների ավելի մեծ թվով զույգեր (ջերմագեներացում), ուստի էլեկտրահաղորդականությունն աճում է:
p-n անցումով կառուցված պարզագույն սարքը կոչվում է դիոդ: Դիոդի ջերմաստիճանը 1 Կ-ով բարձրացնելիս, նրանով միևնույն հոսանքը պահպանելու համար պահանջվում է 2 մՎ-ով պակաս լարում, քան մինչև ջերմաստիճանի բարձրացումը.
Ջերմաստիճանը 10 Կ–ով բարձրացնելիս գերմանիումային
դիոդի հակառակ հոսանքն աճում է մոտ երկու անգամ(նկ. 27),
այսինքն`
հետևաբար, եթե օրինակ` ջերմաստիճանը փոփոխվի 50 Կ-ով, ապա հակառակ հոսանքը փոփոխվի 32 անգամ:
Այդ, ջերմաստիճանի աճի դեպքում նվազում է գերմանիումային դիոդների ծակման լարումը:
Սիլիցիումային դիոդների հակառակ հոսանքը` ջերմաստիճանը 1000C-ով բարձրացնելիս, աճում է մոտ 2,5 անգամ, իսկ ծակման լարումը` ջերմաստիճանի աճի դեպքում սկզբում մի փոքր աճում է, այնուհետև` նվազում:
3.1.1. Դիոդի աշխատանքային ռեժիմը
Գործնականում դիոդի շղթան պարունակում է որևէ բեռ, օրինակ` դիմադրիչ (նկ. 28):
Դիոդի` բեռով աշխատելու ռեժիմը կոչվում է աշխատանքային ռեժիմ: Եթե դիոդի դիմադրությունը լիներ գծային, ապա այս սխեմայում հոսանքի հաշվարկը կլիներ բավական պարզ, սակայն դիոդի դիմադրությունը ոչ գծային է, և նրա արժեքը փոխվում է դիոդով անցնող հոսանքից կախված: Այս պատճառով հոսանքը որոշում են գրաֆիկական եղանակով:
Խնդիրը հետևյալն է. հայտնի են E լարումն ու բեռի Rբ դիմադրությունը: Պահանջվում է գտնել շղթայի հոսանքը և դիոդի լարումը:
Դիոդի վոլտամպերային բնութագիրը(նկ. 29) նրա IԴ հոսանքի կախումն է U լարումից, իսկ դիոդի հոսանքը (Օհմի օրենքը)`
Այսպիսով, ունենք երկու հավասարում երկու անհայտով` I և U, ընդ որում` հավասարումներից մեկը (Էբերս-Մոլի հավասարումը) տրված է գրաֆիկական եղանակով: Այս հավասարումների համակարգը լուծելու համար անհրաժեշտ է կառուցել երկրորդ հավասարման գրաֆիկը և գտնել երկու գրաֆիկների հատման կետը:
RԲ դիմադրության հավասարումը առաջին կարգի գծային հավասարում է I - ի և U - ի նկատմամբ: Նրա գրաֆիկն ուղիղ գիծ է, որը կոչվում է բեռի գիծ: Պարզագույն դեպքում այն կառուցվում է կոորդինատային առանցքի երկու կետերով: I=0 դեպքում, վերջին հավասարումից ստանում ենք E-U=0, կամ` U=E, որը նկ. 29-ում համապատասխանում է A կետին: Իսկ երբ U=0, ապա I=E/RԲ, որը նկ. 29-ում համապատասխանում է օրդինատների առանցքի B կետին: A և B կետեր միացնող գիծը բեռի գիծն է: C կետի կոորդինատները հավասարումների համակարգի լուծումներն են:
Կիսահաղորդչային դիոդներն օժտված են միակողմ հաղորդականությամբ, ուստի նախ կիրառվում են ուղղիչներում:
3.1.2. Փոփոխական հոսանքի ուղղումը
Ուղղիչ սարքերը փոփոխական հոսանքը կամ լարումը փոխակերպում են հաստատուն հոսանքի կամ լարման: Այլ կերպ` ցանկացած ուղղիչ փոփոխական հոսանքի սպառիչ է և հաստատուն հոսանքի գեներատոր:
ա) Միկիսապարբերական ուղղում
Փոփոխական հոսանքի ուղղման պարզագույն սխեման բերված է նկ 30 ա-ում:
Ռադիոէլեկտրոնային սարքերի սնման սխեմաներում ուղղիչների համար, որպես կանոն, փոփոխական հոսանքի աղբյուրը տրանսֆորմատորի EII լարմամբ (նկ. 30. բ) երկրորդային փաթույթն է, որին միացված են ուղղիչ VD1 դիոդն ու RԲ բեռը):
Դրական կիսապարբերության ժամանակ դիոդը գտնվում է ուղիղ շեղման տակ, և նրանով անցնում է IԲ հոսանքը: Բեռի վրա այս հոսանքն առաջացնում է UԲ լարման անկում(նկ. 30. գ): Բացասական կիսապարբերության ընթացքում դիոդի շեղումը հակառակ է, այն փակ է, և նրանով հոսանք գրեթե չի անցնում: Հետևաբար բեռի լարումը նույնպես բացակայում է: Այսպիսով բեռով անցնում է բաբախող հոսանք, որը հաճախ անվանում են ուղղված հոսանք: Հաստատուն հոսանքի վերածելու համար անհրաժեշտ է այս հոսանքի հետագա հարթում` որևէ զտիչով, պարզագույն դեպքում կոնդենսատորով:
Նկ. 30. դ-ում պատկերված է դիոդի լարումը: Այն սինուսային չէ: Դրական և բացասական կիսապարբերությունների լայնույթները խիստ տարբերվում են միմյանցից: Դրա պատճառն այն է, որ դրական լարման դեպքում, երբ բաց դիոդով անցնում է ուղիղ հոսանք, դիոդի դիմադրությունը շատ փոքր է, և աղբյուրի լարման մեծ մասն ընկնում է բեռի վրա, որի դիմադրությունը անհամեմատ մեծ է դիոդի ուղիղ դիմադրությունից:
ՈՒղղված հոսանքի հաստատուն բաղադրիչը`
ուղղված լարման հաստատուն բաղադրիչը`
որտեղ U0-ն և I0-ն ուղղիչի ելքային լարումն ու հոսանքն են, U-ն և I-ն` ուղղիչի մուտքային լարումն ու հոսանքը, Um-ը և Im-ը` մուտքային լարման ու հոսանքի առավելագույն (լայնութային) արժեքները, RԲ-ը` բեռի դիմադրությունը:
Հաճախ օգտակար են հետևյալ առնչությունները.
Հակադարձ լարումը(փակ դիոդի վրա լարման անկումը)`
բաբախման հաճախությունը`
բաբախման գործակիցը`
Թեև այս սխեման պարզ է` նրանում կիրառվում է մեկ դիոդ, սակայն այն ռադիոէլեկտրոնիկայիում լայն կիրառություն չունի` զգալի բաբախումների պատճառով: Առավել լայն տարածում ունեն երկկիսապարբերական և կամրջակային ուղղիչները:
բ) Երկկիսապարբերական ուղղիչ
Նկ. 31. ա–ում բերված է երկկիսապարբերական ուղղիչի էլեկտրական սկզբունքային սխեման, իսկ ստորև բերված են երկկիսապարբերական ուղղիչի պարամետրերը.
հոսանքի և լարման հաստատուն բաղադրիչները`
դիոդների հոսանքի գործող արժեքը`
դիոդների հոսանքի առավելագույն արժեքը`
տրանսֆորմատորի երկրորդային փաթույթի հոսանքի գործող արժեքը`
տրանսֆորմատորի առաջնային փաթույթի հզորությունը`
տրանսֆորմատորի երկրորդային փաթույթի հզորությունը`
տրանսֆորմատորի հզորությունը`
բաբախման գործակիցը`
բաբախման հաճախությունը`
գ) Կամրջակային ուղղիչ
Կամրջակային ուղղիչի էլեկտրական սկզբունքային սխեման բերված է նկ. 32–ում:
Դրական կիսապարբերության դեպքում ուղղված հոսանքն անցնում է VD2 և VD3 դիոդներով ու բեռով, բացասականի դեպքում` VD1 և VD4 դիոդներով ու բեռով` միևնույն ուղղությամբ:
Ստորև բերված են կամրջակային ուղղիչի պարամետրերը.
հակադարձ լարումը(փակ վիճակում դիոդի վրա լարման անկումը)`
հոսանքի և լարման հաստատուն բաղադրիչները`
դիոդների հոսանքի գործող արժեքը`
դիոդների հոսանքի միջին արժեքը`
դիոդների հոսանքի առավելագույն արժեքը`
տրանսֆորմատորի առաջնային փաթույթի հզորությունը`
տրանսֆորմատորի երկրորդային փաթույթի հզորությունը`
տրանսֆորմատորի հզորությունը`
բաբախման գործակիցը`
բաբախման հաճախությունը`
Բանաձևերից երևում է, որ դիոդների հոսանքը հավասար չէ տրանսֆորմատորի երկրորդային փաթույթի հոսանքին: Պատճառն այն է, որ պարբերության ընթացքում դիոդով անցնում է հոսանքի մեկ կիսապարբերությունը, իսկ տրանսֆորմատորի փաթույթով` երկուսը:
Լարման կայունացման համար գործածում են դիոդի տարատեսակներից մեկը` ստաբիլիտրոնը, որի աշխատանքը հիմնված է հակառակ միացված p-n անցումում ընթացող էլեկտրական ծակման երևույթի վրա:
Ստաբիլիտրոնի բնութագիրը բերված է նկ. 33-ում, միացման սխեման` նկ. 34-ում:
Էլեկտրական ծակման տեղամասում(AB) հոսանքի հսկայական փոփոխություններին համապատասխանում են լարման չնչին փոփոխություններ, ինչը հնարավորություն է ընձեռում p-n անցումն օգտագործել լարման կայունացման համար:
Ստաբիլիտրոնի էլեկտրական բնութագրերից հիմնականներն են` կայունացման U0 լարումը, առավելագույն և նվազագույն թույլատրելի հոսանքներն ու դիֆերենցիալ RԴ դիմադրությունը(ստաբիլիտրոնի տվյալ նմուշի տեղեկատու տվյալներ):
Ենթադրենք` սնման U լարումը կարող է փոփոխվել սահմաններում, որի դեպքում ելքային U0 լարումը` կփոփոխվի սահմաններում:
Կայունարարի հաշվարկը կատարվում է հետևյալ առնչությունների օգնությամբ.
Ցածր լարումների կայունացման համար օգտագործում են p-n անցման բնութագրի ուղիղ տեղամասի հագեցման ռեժիմը, որում աշխատող դիոդն անվանվում է ստաբիստոր: Դրա կայունացման լարումը հավասար է նրա հագեցման լարմանը(0,7 Վ` սիլիցիումային, 0,3 Վ` գերմանիումային դիոդների դեպքում):
Լուսադիոդները կամ ինժեկցիոն դիոդներն ուղիղ շեղման դեպքում առաջացնում են լուսարձակում` ալիքի երկարության որոշ տիրույթում:
Լուսադիոդի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն է. ուղիղ շեղման դեպքում տեղի է ունենում լիցքակիրների մղում անոդի տիրույթից կատոդի տիրույթ: Օրինակ, եթե n տիրույթում էլեկտրոնների կոնցենտրացիան մեծ է p տիրույթում խոռոչների կոնցենտրացիայից ապա տեղի է ունենում էլեկտրոնների սրսկում, մղում n տիրույթից p տիրույթ: Սրսկված էլեկտրոնները կատոդի տիրույթում ռեկոմբինացվում են հիմնական լիցքակիրների հետ(տվյալ դեպքում` էլեկտրոնները p տիրույթի խոռոչների հետ): Ռեկոմբինացված էլեկտրոնները հաղորդականության գոտու ստորին մասում գտնվող բարձր էներգիական մակարդակներից անցնում են վալենտական գոտու վերին մասում գտնվող ցածր էներգիական մակարդակներ(նկ. 35), ինչն ուղեկցվում է ալիքի երկարությամբ ֆոտոնի առաջացմամբ, որի էներգիան մոտավորապես հավասար է նշված մակարդակների էներգիաների տարբերությանը.
որտեղից`
Ալիքի տվյալ երկարությամբ ֆոտոնի էներգիան`
Լույսի տեսանելի տիրույթում` կիսահաղորդչի արգելման գոտու լայնությունը պետք է գերազանցի 1,7 էՎ-ը, որից բխում է, որ գերմանիումն ու սիլիցիումն պիտանի չեն լուսադիոդի կառուցման համար: Ժամանակակից լուսադիոդներում օգտագործվում են գալիումի ֆոսֆիդ և սիլիցիումի կարբիդ, գալիումի, ալյումինիումի, արսենի(GaAlAs) կամ ֆոսֆորի(GaAsP) այսպես կոչված` պինդ լուծույթներ:
Հիմնական պարամետրերն են.
- լույսի ուժը(Կանդել). սովորաբար` (0,1…1) Կանդել,
- պայծառությունը(Կանդել/մ2), սովորաբար` (10-3…10-2) Կանդել/մ2.
- ալիքի երկարությունը(ճառագայթման գույնը)` տեսանելի, ինֆրակարմիր կամ ուլտրամանուշակագույն տիրույթում,
- էլեկտրական պարամետրերը:
Լուսադիոդի բնութագրերն են.
- պայծառության բնութագիրը(պայծառության կախումը հոսանքից),
- սպեկտրալ բնութագիրը(ճառագայթման ուժգնության կախումը ալիքի երկարությունից),
- ուղղվածության դիագրամը(ճառագայթման ուժգնության տարածական կախումը),
Լուսադիոդներն ունեն ամենատարբեր կիրառություններ` գծային սանդղակից մինչև <<Յոթսեգմենտանի՚>> թվացույցեր և թվատառային լուսացույցեր:
Լուսադիոդի գրաֆիկական նշանը(ա) և միացման սխեման(բ) բերված են նկ. 36–ում:
Լուսադիոդները լինում են սովորական և գերլյումինեսցենտ:
Դրանք օգտագործվում են.
- փողոցային, արդյունաբերական, կենցաղային լուսավորության մեջ, հեռակապում,
- որպես ցուցիչ(ինդիկատոր), թվացույց, վազող տող,
- օպտրոններում, մթնոլորտային և մանրաթելային կապի գծերում,
- խաղերում, խաղալիքներում:
Ֆոտոդիմադրությունը կիսահաղորդիչ տարր է, որի աշխատանքը հիմնված է լույսի ազդեցությամբ լիցքազույգերի առաջացման (ֆոտոգեներացիայի) երևույթի վրա: Ըստ էության ֆոտոդիմադրությունը կիսահաղորդչի կտոր է, որի դիմադրությունը փոխվում է նրա վրա ընկնող լույսի ազդեցությամբ(նկ. 37):
Լույսի բացակայությամբ կիսահաղորդիչն ունի բավական մեծ (104…107 Օհմ)` «մթնային» դիմադրություն: Լուսային հոսքի ազդեցությամբ տեղի է ունենում ներքին ֆոտոէֆեկտ, ֆոտոգեներացում, դիմադրության նվազում:
Ֆոտոդիմադրությունն ունի գծային վոլտամպերային(նկ. ա) և ոչ գծային էներգիական բնութագրեր(նկ. բ):
Նկ. 38–ում բերված են ֆոտոդիմադրությունի վոլտամպերային(ա) և էներգիական(բ) բնութագրերը, իսկ նկ. 39–ում` գրաֆիկական նշանակումը(ա) և միացման սխեման(բ):
Ֆոտոդիմադրությունը բնութագրվում է տեսակարար զգայունությամբ` մկԱ /(ՎԼմ):
Ֆոտոդիոդը կիսահաղորդչային սարք է, որի աշխատանքը հիմնված է ներքին ֆոտոէֆեկտի` լույսի ազդեցությամբ լիցքազույգերի գեներացման վրա: Լույսն ընկնելով p-n անցմանն ու նրա հարակից տիրույթներին առաջացնում է լիցքազույգեր, որոնց ազդեցությամբ դիոդի հաղորդականությունը, ուստի և` հակադարձ հոսանքն աճում է(առաջանում է ֆոտոհոսանք):
Նկ. 40–ում բերված է պարզագույն` p-n անցումով ֆոտոդիոդի կառուցվածքը: Նրան տրված է հակառակ շեղում, և նրանով անցնում է չափազանց թույլ հակադարձ(մթնային) հոսանք: Էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ լիցքակիրները` էլեկտրոններն ու խոռոչները, անցման գոտուց հեռանում են(էլեկտրոնները` դեպի կիսահաղորդչի բացասական հատված(դրական բևեռ), իսկ խոռոչները դրական հատված( բացասական բևեռ), այն է` դաշտն ստեղծում է աղքատացված շերտ, ուստի նրա դիմադրությունը շատ մեծ է, և լարման անկումը գրեթե ամբողջությամբ ընկնում է անցման վրա, և հպման տիրույթում էլեկտրական դաշտը շատ ուժեղ է:
Ընկնող ֆոտոնի կլանման ժամանակ դաշտը բավարար էներգիա է հաղորդում կապված էլեկտրոնին, որը վալենտական գոտուց անցնում է հաղորդականության գոտի` ձևավորելով լիցքազույգ` ազատ էլեկտրոն և խոռոչ: Եթե սա տեղի է ունենում աղքատ գոտում, լիցքակիրներն արագ բաժանվում և սլանում են հակադիր ուղղություններով: Հասնելով աղքատացված շերտի սահմանին, որտեղ էլեկտրական դաշտը թույլ է, դրանց շարժումը, հետևաբար և արտաքին շղթայով հոսանքը դադարում է:
Եթե էլեկտրոն-խոռոչ զույգի գեներացումը տեղի է ունենում աղքատ շերտից դուրս, ապա լիցքակիրներն սկսում են դանդաղ ձգվել աղքատ շերտի ուղղությամբ: Աղքատ շերտ հասած լիցքակիրները ուժեղ էլեկտրական դաշտի ազդեցությամբ արագ անցնում են այդ շերտով` արտաքին շղթայով առաջացնելով հոսանք:
Ֆոտոդիոդի գրաֆիկական նշանակումն(ա) ու միացման սխեման(բ) բերված են նկ. 41–ում:
Նկարից երևում է, որ ֆոտոդիոդին, ի տարբերություն լուսադիոդի, տրվում է հակառակ շեղում: Ֆոտոդիոդի վոլտամպերային բնութագրերը նման են դաշտային տրանզիստորի ելքային բնութագրերին(նկ. 42), իսկ էներգիական բնութագրերը գծային են(նկ. 43):
Ֆոտոդիոդի զգայնությունը կազմում է մի քանի հարյուր միկրոամպեր/լյումեն (գերմանիումային ֆոտոդիոդների մթնային հոսանքը չի գերազանցում 20 մկԱ, իսկ սիլիցիումայիններինը` 2 մկԱ):
Ֆոտոդիոդն արագագործ է` մի քանի հարյուր ՄՀց, իսկ p-i-n կառուցվածքով դիոդները մինչև մի քանի տասնյակ ԳՀց:
Ֆոտոդիոդները կառուցվում են ըստ հարթ(պլանար) տեխնոլոգիայի:
Հակառակ շեղված p-n անցումը նման է կոնդենսատորի: Անցման սահմաններին խառնուրդային(դոնորային և ակցեպտորային) ատոմների հականուն տարածական լիցքերը կատարում են կոնդենսատորի շրջադիրների, իսկ աղքատ շերտը` մեկուսչի դերը: p-n անցման այս ունակությունն անվանում են պատնեշային(արգելքային) ունակություն.
Ինչպես սովորական կոնդենսատորների ունակությունը, պատնեշային ունակությունը նույնպես աճում է շրջադիրների (տվյալ դեպքում` p-n անցման) մակերեսի, դիէլեկտրիկ թափանցելիության աճի և մեկուսչի (տվյալ դեպքում` աղքատ շերտի) հաստության նվազման դեպքում: Թեև փոքր հզորության դիոդների անցման մակերեսը մեծ չէ, սակայն CՊ ունակությունը բավական մեծ է ի հաշիվ անցման փոքր լայնության և դիէլեկտրիկ մեծ թափանցելիության նրա պատնեշային ունակությունը կարող է լինել մի քանի պիկոֆարադից մինչև հարյուրավոր պիկոֆարադներ:
Պատնեշային ունակության կարևոր առանձնահատկությունն այն է, որ այն ոչ գծային է և կախված է p-n անցմանը կիրառված հակառակ լարումից: Երբ հակառակ լարումն աճում է, աղքատացված շերտի հաստությունը աճում է և պատնեշային CՊ ունակությունը` նվազում: Այս կախումը պատկերված է նկ. 44 ա-ում:
Գոյություն ունեն հատուկ դիոդներ` վարիկապներ և վարակտորներ(նկ. 44 բ), որոնք կիրառվում են որպես լարմամբ ղեկավարվող փոփոխական ունակության կոնդենսատորներ. դրանք կիրառվում են տատանողական կոնտուրների համալարման համար(էլեկտրոնային համալարք, նկ. 45):
Կոնտուրի ռեզոնանսային հաճախությունը`
որտեղ C(U)-ն վարիկապի ունակությունն է: R1 պոտենցիոմետրի օգնությամբ փոփոխելով վարիկապի լարումը, փոփոխում են նրա ունակությունը, դրանով կոնտուրը համալարում պահանջվող հաճախությանը:
Թունելային դիոդի վոլտամպերային բնութագիրը բերված է նկ. 46-ում: Ինչպես երևում է, U= 0 դեպքում հոսանքը հավասար է զրոյի: Ուղիղ լաման` մինչև 0,1 Վ աճը բերում է ուղիղ թունելային հոսանքի մեծացման` մինչև առավելագույն արժեք(A կետը): Ուղիղ լաման հետագա բարձրացումը մինչև 0,2 Վ ուղեկցվում է թունելային հոսանքի փոքրացումով: Այս պատճառով B կետում հոսանքի արժեքը նվազագույնն է, և բնութագիրն ունի նվազող AB տեղամաս, որին բնորոշ է բացասական դիմադրությունը փոփոխական հոսանքի նկատմամբ`
Այս տեղամասից հետո հոսանքը նորից աճում է ի հաշիվ դիֆուզիոն ուղիղ հոսանքի, որի բնութագիրը նկ. 46-ում տրված է ընդհատ գծով: Հետադարձ հոսանքն ստացվում է այնպիսին, ինչպիսին ուղիղն է, այսինքն`շատ անգամ ավելի մեծ, քան սովորական դիոդներինը:
Թունելային դիոդների հիմնական պարամետրերն են`
- առավելագույն Imax հոսանքը,
- նվազագույն Imin հոսանքը(հաճախ տրվում է Imax/Imin հարաբերությունը, որը կազմում է մի քանի միավոր),
- UA լարումը,
- UB լարումը,
- UC լարումը:
տարբերությունը կոչվում է փոխանջատման լարում կամ թռիչքի լարում:
Ժամանակակից թունելային դիոդներում հոսանքները կազմում են միավոր միլիամպերներ, իսկ լարումները` վոլտի տասնորդական մասեր:
Դիոդի պարամետրերն են.
- բացասական դիֆերենցիալ դիմադրությունը (սովորաբար տասնյակ օհմեր),
- լրիվ ունակությունը(միավոր կամ տասնյակ պիկոֆարադներ), փոխանջատման ժամանակը(նանովայրկյանի մասեր) - մաքսիմալ կամ կրիտիկական հաճախությունը (հարյուրավոր գիգահերց):
Թունելային դիոդը որոշակի ձևով միացնելով սխեմաներում` կարելի է նրա բացասական դիմադրությամբ հատուցել(կոմպենսացնել) ակտիվ դրական դիմադրությունը(եթե աշխատանքային կետը գտնվում է AB տեղամասում) և ստանալ ուժեղացման կամ տատանումների գեներացման ռեժիմներ: Օրինակ, սովորական տատանողական կոնտուրում ի հաշիվ կորուստների, միշտ առկա են մարումներ, սակայն թունելային դիոդի բացասական դիմադրությամբ կարելի է վերացնել կորուստները կոնտուրում և ստանալ չմարող տատանումներ: Թունելային դիոդով տատանումների գեներատորի պարզագույն սխեման բերված է նկ. 47-ում:
Էլեկտրոնների անցումը պոտենցիալային պատնեշով տեղի է ունենում չափազանց կարճ ժամանակամիջոցում` 10-12 …10-14 վ, ուստի թունելային դիոդները լավ են աշխատում գերբարձր հաճախություններում. կարելի է գեներացնել և ուժեղացնել տատանումներ մինչև տասնյակ, անգամ հարյուրավոր գիգահերց հաճախություններ: Պետք է նշել, որ թունելային դիոդների աշխատանքային հաճախության սահմանը գործնականում որոշվում է ոչ թե թունելային էֆեկտի իներցիոնությամբ, այլ հենց դիոդի ունակությամբ, նրա ելքերի ինդուկտիվությամբ և ակտիվ դիմադրությամբ:
Թունելային դիոդով ուժեղարարի ուժեղացման սկզբունքը բերված է նկ. 48-ում: ՈՒժեղացման ռեժիմն ստանալու համար անհրաժեշտ է ունենալ E-ի և Rբ-ի խիստ որոշակի արժեքներ: Rբ դիմադրության մեծությունը պետք է մի քիչ փոքր լինի դիոդի բացասական դիմադրության բացարձակ արժեքից: Այդ ժամանակ մուտքային լարման բացակայության դեպքում աշխատանքային կետը կարելի է ընտրել ընկնող տեղամասի մեջտեղում(սա բեռնվածքի գծի և դիոդի բնութագրի հատման կետըն է):
UՄm արժեքով մուտքային լարման տրման դեպքում բեռի գիծը ՙկատարում է տատանումներ՚` տեղափոխվելով իրեն զուգահեռ: Նրա եզրային դիրքերը նշված են ընդհատ գծով, որոնք որոշում են աշխատանքային AB տեղամասի եզրակետերը: Դրանք պրոյեկտելով լարումների առանցքին, կստանանք ելքային լարման UԵm լայնույթը, որն զգալիորեն գերազանցում է մուտքայինը:
Թունելային դիոդով ուժեղարարի առանձնահատկությունը առանձին մուտքային և առանձին ելքային շղթաների բացակայությունն է, որն ստեղծում է որոշակի դժվարություններ ուժեղացման բազմաստիճան սխեմաների իրագործման ժամանակ: Թունելային դիոդներով ուժեղարարները կայուն են աշխատում և կարող են տալ բավականաչափ ուժեղացում աղմուկների ոչ բարձր մակարդակի դեպքում:
Թունելային դիոդը օգտագործվում է որպես արագագործ փոխանջատիչ, ընդ որում նրա փոխանջատման ժամանակը կարող է լինել 10-9 վ-ից էլ փոքր: Թունելային դիոդի աշխատանքային սխեման իմպուլսային ռեժիմում ընդհանուր առմամբ նույնն է, ինչ որ բերված է նկ. 49-ում, միայն մուտքային լարումն իմպուլսային է, իսկ Rբ դիմադրության մեծությունը պետք է ավելի մեծ լինի դիոդի բացասական դիմադրության բացարձակ արժեքից:
Մուտքային դրական իմպուլսի դեպքում աշխատանքային կետը ցատկում է B կետը, և հոսանքը դառնում է նվազագույնը (Imin), որը կարող ենք պայմանական անվանել դիոդի փակ վիճակ: Կարելի է սկզբնական աշխատանքային կետն ընտրել B-ն և աշխատել բացասական իմպուլսներով:
Թունելային դիոդն ունի մի էական թերություն`արագ ծերացումը:
3.8. ԿԻՍԱՀԱՂՈՐԴՉԱՅԻՆ ԳԲՀ ԴԻՈԴՆԵՐԸ
ԳԲՀ-ում լայն կիրառություն են ստացել կետային դիոդները, որոնք կառուցվում են սիլիցիումից, գերմանիումից կամ գալիումի արսենիդից` խառնուրդների բարձր պարունակությամբ: Վերջինիս շնորհիվ անցման, բազայի դիմադրությունը շատ փոքր է, և ուղիղ հոսանքի ժամանակ անցումում կուտակված լիցքերն արագ ներծծվում են, իսկ կետայնության շնորհիվ` անցումն ունի փոքր մակերես, ուստի` փոքր ունակություն:
Սակայն, բազայի փոքր դիմադրության պատճառով անցումն ստացվում է շատ բարակ, և ծակման լարումը կազմում է մի քանի Վոլտ, սակայն դա մեծ թերություն չէ, քանի որ այս դիոդներն աշխատում են թույլ ազդանշաններով: Այդուհանդերձ, ԳԲՀ դիոդները կարող են խափանվել ստատիկ էլեկտրական լիցքերով:
Սովորաբար կիսահաղորդչային ԳԲՀ դիոդներն ունեն համառանցք կառույց, որը հեշտացնում է նրանց կիրառումը համառանցք գծերում ու ալետարներում և որի շնորհիվ ունեն շատ փոքր ունակություն ու ինդուկտիվություն:
Գոյություն ունեն ԳԲՀ դիոդների մի քանի տարբերակներ` պարամետրական(նվազաղմուկ ուժեղարար), դետեկտորային, մոդուլյատորային, խառնիչ, փոխանջատիչ, ռեզոնանսային-փոխանջատիչ և այլն:
ԳԲՀ տատանումների գեներացիայի և ուժեղացման համար օգտագործվում են հեղեղաթռիչքային դիոդները, որոնք աշխատում են էլեկտրական ծակման ռեժիմում` հաստատուն հակառակ լարման դեպքում և մի շարք դեպքերում օժտված են փոփոխական հոսանքի նկատմամբ բացասական դիմադրությամբ: Այսպիսի բացասական դիմադրությունը ծագում է միայն ԳԲՀ տրույթում, ցածր հաճախություններում այն չի նկատվում:
Հեղեղաթռիչքային դիոդին հաստատուն հակադարձ լարում և որոշ փոփոխական լարում կիրառելիս, հակառակ լարման դրական կիսալիքի ազդեցությամբ(ընդունվում է, որ այս կիսալիքը համապատասխանում է դիոդի հակառակ լարման աճին) ծակման ռեժիմում տեղի է ունենում հոսանքի հեղեղաձև աճ` «էլեկտրական հեղեղ»:
Կիսահաղորդիչներում ընթացքների իներցիոնության հետեվանքով, այսինքն` p-n անցումով լիցքակիրների վազքի ժամանակի վերջավոր լինելու պատճառով, այս հոսանքը դրա պատճառը հանդիսացող փոփոխական լարման դրական կիսալիքի նկատմամբ որոշ ուշացումով է մաքսիմումի հասնում: Հաստատուն լարման ազդեցության տակ «հեղեղը» շարունակում է շարժվել նաև լարման հաջորդ` բացասական կիսապարբերության ընթացքում: Այսպիսով, «հեղեղին» համապատասխանող հոսանքի իմպուլսն իր նշանով հակառակ է փոփոխական լարման բացասական կիսալիքին, ուստի փոփոխական հոսանքի նկատմամբ առաջանում է բացասական դիմադրություն:
Հեղեղաթռիչքային դիոդը ԳԲՀ տատանողական համակարգին միացնելով, ի հաշիվ բացասական դիմադրության, կարելի է ստանալ տատանումների գեներացիայի կամ ուժեղացման ռեժիմ: Ավելի ցածր հաճախություններում ընթացքների իներցիոնությունը չափազանց թույլ է ազդում, և հոսանքի իմպուլսի հապաղումը փոփոխական լարման նկատմամբ նույնպես չնչին է, ուստի բացասական դիֆերենցիալ դիմադրությունը գործնականում բացակայում է:
Հեղեղաթռիչքային դիոդը կարող է ունենալ ոչ միայն p–n, այլև ավելի բարդ կառուցվածք, օրինակ, Ռիդի դիոդներում օգտագործվում է n+ – p – i – p+ կառուցվածքը:
Գեներատորներում հեղեղաթռիչքային դիոդը միացվում է ծավալային ռեզոնատորին: Այսպիսի գեներատորները անընդհատ ռեժիմում կարող են տալ միավոր վատտերի կարգի օգտակար հզորություն` 10% օ.գ.գ-ի դեպքում, իսկ իմպուլսային ռեժիմում` մի քանի հարյուր վատտ հզորություն` տասնյակ տոկոս օ.գ.գ.-ի դեպքում:
Ազդանշանի ուժեղացման համար հեղեղաթռիչքային դիոդն ունի նշանակալի թերություն` սեփական աղմուկների համեմատաբար բարձր մակարդակը:
ԳԲՀ-ում բացասական դիմադրությամբ կիսահաղորդչային սարքերի ներկայացուցիչ է նաև Գաննի դիոդը, որի աշխատանքը հիմնված է Ջ. Գաննի երևույթի վրա:
Գաննի դիոդն առանց p–n անցման կիսահաղորդչային բյուրեղ է, որում ստեղծված է ուժեղ էլեկտրական դաշտ: Դիոդը կառուցվում է հաղորդականության երկու գոտի ունեցող կիսահաղորդչից, օրինակ` գալիումի արսենիդից և ունի երկու էլեկտրոդ` անոդ և կատոդ: Նման կիսահաղորդիչների ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ հաղորդականության տարբեր գոտիներում էլեկտրոններն ունեն տարբեր շարժունակություն: Վերին գոտում, որին համապատասխանում է առավել բարձր էներգիա, էլեկտրոնը նվազ շարժուն է:
Արտաքին դաշտի բացակայության կամ համեմատաբար թույլ դաշտի դեպքում էլեկտրոնները գտնվում են հաղորդականության ստորին գոտում, որտեղ նրանք օժտված են ավելի բարձր շարժունությամբ, և, հետևաբար, կիսահաղորդիչն ունի համեմատաբար ավելի բարձր հաղորդականություն: Եթե կիսահաղորդչին կիրառվող լարումը բարձրացնենք, ապա սկզբում հոսանքը կմեծանա Օհմի օրենքի համաձայն, բայց որոշ լարման դեպքում էլեկտրոնների մեծ մասը կանցնի հաղորդականության վերին գոտի, և այդ գոտում դրանց շարժունության թուլացման հետևանքով կիսահաղորդչի դիմադրությունը կտրուկ կմեծանա: Հոսանքը կփոքրանա, և վոլտամպերային բնութագրում կհայտնվի բացասական դիֆերենցիալ դիմադրությամբ(նվազող) տեղամաս(նկ. 50): Լարման հետագա աճը կրկին բերում է հոսանքի համեմատական աճի:
Կիսահաղորդչում անխուսափելիորեն առկա անհամասեռությունների հետևանքով ուժեղ դաշտի ազդեցությամբ կիսահաղորդչի նյութի դիմադրությունն աճում է ոչ թե նրա ամբողջ ծավալում, այլ փոքր տիրույթում, որը(մեծ դիմադրությամբ և մեծ դաշտով տիրույթը) կոչվում է դոմեն:
Դոմենը սովորաբար առաջանում է կատոդի մոտ(մինուս) և չի մնում նույն տեղում, այլ մեծ արագությամբ շարժվում է դեպի անոդ(պլյուս): Բուն դոմենում էլեկտրոնների արագությունն ավելի փոքր է, քան մյուս տեղամասերում, և, հետևաբար, ծավալային լիցքի խտությունը մեծ է, այսինքն` դոմենն ինքնատիպ խտացում է:
Դոմենում կենտրոնացված է ավելի ուժեղ դաշտ, իսկ կիսահաղորդչի մնացած մասում դաշտն ավելի թույլ է, և էլեկտրոնների արագությունը` ավելի մեծ:
Այդ պատճառով դոմենից աջ էլեկտրոններն ավելի արագ են տեղափոխվում դեպի անոդ, և առաջանում է էլեկտրոններից աղքատացած տեղամաս: Իսկ դոմենից ձախ, ընդհակառակը, դեպի դոմեն ավելի արագ գալիս են նոր էլեկտրոններ: Այս պրոցեսը պայմանավորում է դոմենի տեղաշարժը կատոդից անոդ(նկ. 51):
Հասնելով անոդին դոմենը վերանում է, բայց կատոդի մոտ ստեղծվում է նոր դոմեն, որը շարժվում է դեպի անոդ և այսպես շարունակ: Դոմենների վերացումը և նորերի ստեղծումն ուղեկցվում է Գաննի դիոդի դիմադրության պարբերական փոփոխմամբ, որի հետևանքով առաջանում են դիոդի հոսանքի տատանումներ, որոնց հաճախությունը դոմենի ճանապարհի (անոդից կատոդ) փոքր երկարության դեպքում գտնվում է ԳԲՀ տիրույթում: Այդ տատանումների հաճախությունը`
որտեղ VԴ-ն դոմենի արագությունն է, որը գալիումի արսենիդում մոտավորապես 107 սմ/վ է, l -ը կիսահաղորդչի երկարությունն է(Գաննի դիոդում այն սովորաբար մի քանի միկրոմետր է): Այստեղից հետևում է, որ, օրինակ` l=10 մկմ-ի դեպքում տատանումների հաճախությունը` f = 107/10-3= 1010 Հց = 10 ԳՀց է:
Գաննի դիոդների կարևոր առանձնահատկությունն այն է, որ աշխատում է ամբողջ կիսահաղորդիչը, ոչ թե նրա միայն մի մասը` p-n անցումը: Այդ պատճառով Գաննի դիոդներում թույլատրելի են մեծ հզորություններ: Ներկայումս այդ դիոդները անընդհատ ռեժիմում գեներացնում են տասնյակ վատտ, իսկ իմպուլսային ռեժիմում` մի քանի կիլովատ հզորություն, միավորներից մինչև տասնյակ տոկոս օ.գ.գ.-ի դեպքում: Տեսական հաշվարկներով կարելի է ստեղծել Գաննի դիոդ` տասնյակ գիգահերցերի տիրույթում, իմպուլսային ռեժիմում` մինչև հարյուր կիլովատ հզորությամբ:
Դասընթացում ուսումնասիրելու ենք տրանզիստորային ուժեղարարները` նշելով այլ ուժեղարարների առանձնակատկությունները, ուստի համառոտ անդրադարձ կատարենք տրանզիստորներին:
Տրանզիստորը կիսահաղորդչային եռէլեկտրոդ(կամ քառէլեկտրոդ) ուժեղարար տարր է: Տարբերում են երկբևեռ և համաբևեռ կամ դաշտային տրանզիստորներ:
Երկբևեռ տրանզիստորը կառավարվում է մուտքային հոսանքով, իսկ դաշտայինը` լարմամբ(դաշտով), ուստի վերջինս ունի անհամեմատ մեծ մուտքային դիմադրություն, քան` երկբևեռը:
3.11.1. Երկբևեռ տրանզիստորի կառուցվածքն ու աշխատանքը
Երկբևեռ տրանզիստորը երկու p-n անցմամբ կիսահաղորդչային տարր է, որի անցումներից մեկին(բազա-էմիտեր անցում, բազային անցում) կիրառվում է ուղիղ(p-ին` դրական, n-ին` բացասական), մյուսին(կոլեկտոր-բազա անցում, կոլեկտորային անցում)` հակառակ լարում:
Տրանզիստորը, ինչպես երևում է նկարից, կազմված է երեք տիրույթից: Միջին տիրույթը կոչվում է բազային տիրույթ (էլեկտրոդը` բազա, Բ), եզրային տիրույթներից մեկը` էմիտերային տիրույթ(էմիտեր, Է), մյուսը` կոլեկտորային տիրույթ (էլեկտրոդը`կոլեկտոր Կ):
Երկբևեռ տրանզիստորները և դրանց գրաֆիկական նշանակումները պատկերված են նկ. 1-ում: Դրանք ըստ կառուցվածքի լինում են երկու տեսակի` n-p-n (նկ. 52. ա) և p-n-p(նկ. 52. բ):
Երկու անցումների հեռավորությունը, այսինքն` բազային տիրույթի լայնությունը, շատ փոքր է` միավոր միկրոմետրեր: Բացի այդ, բազային տիրույթում խառնուրդների խտությունը շատ փոքր է կոլեկտորային տիրույթի, և առավել ևս էմիտերային
տիրույթի խտություններից:
Կախված անցումներին կիրառված լարումների ուղղություններից` տարբերում են տրանզիստորների աշխատանքի երեք ռեժիմ` ակտիվ, հատման և հագեցման:
Ակտիվ ռեժիմում էմիտերային անցումը բաց է, կոլեկտորայինը` փակ: Հատման ռեժիմում երկու անցումներն էլ ունեն հակառակ շեղում: Հագեցման ռեժիմում և’ էմիտերային, և’ կոլեկտորային անցումներն ունեն ուղիղ շեղում: Հնարավոր է նաև չորրորդ ռեժիմը, երբ էմիտերային անցումը փակ է, իսկ կոլեկտորայինը` բաց, սակայն այն չի կիրառվում, ուստի չենք քննարկի:
Ուժեղարարներում և գեներատորներում հիմնականում կիրառվում է ակտիվ ռեժիմը: Տրանզիստորի աշխատանքի հատման և հագեցման ռեժիմները բնորոշ են իմպուլսային սարքերին:
Դիտարկենք ֆիզիկական պրոցեսները երկբևեռ` օրինակ` n-p-n տիպի տրանզիստորում:
Երբ էմիտերային անցմանը լարում չի կիրառված, նրանով գործնականորեն հոսանք չի անցնում: Այս դեպքում կոլեկտորային անցումը հաստատուն հոսանքի նկատմամբ կդրսևորի մեծ դիմադրություն, քանի որ հիմնական լիցքակիրները կոլեկտորային հակառակ շեղման ազդեցությամբ հեռանում են անցման տիրույթից դեպի կիսահաղորդիչների խորքերը և անցման սահմանին առաջանում է հիմնական լիցքակիրներից աղքատ տիրույթ:
Երբ միացված են միայն հաստատուն E1 և E2 լարումների աղբյուրները(նկ. 53), այսինքն` էմիտերային անցմանը տրվում է ուղիղ շեղում, իսկ կոլեկտորային անցմանը` հակառակ, ընդ որում` էմիտերային անցման դիմադրությունը փոքր է, և այս անցումով հոսանք անցնելու համար բավական է, որ E1 լարումը լինի ընդամենը տասնորդական վոլտեր:
Կոլեկտորային անցման դիմադրությունն, ընդհակառակը, շատ մեծ է. E2 լարումը սովորաբար լինում է միավոր, երբեմն` տասնյակ վոլտեր: Նկ. 71-ից երևում է, որ տրանզիստորի էլեկտրոդների լարումները կապված են հետևյալ առնչությամբ.
Ակտիվ ռեժիմում, սովորաբար,
Կոլեկտորային անցումով կանցնի միայն ոչ հիմնական լիցքակիրներով, այսինքն` p տիրույթից դեպի n տիրույթ անցնող էլեկտրոններով և n տիրույթից դեպի p տիրույթ անցնող խոռոչներով պայմանավորված աննշան հակառակ հոսանք:
Տրանզիստորի աշխատանքի սկզբունքը հետևյալն է. էմիտերային անցման ուղիղ շեղման ազդեցությամբ Էմիտերի տիրույթի հիմնական լիցքակիրները(n-p-n տրանզիստորում` էլեկտրոնները, p-n-p-ում` խոռոչները) անցնում են բազային տիրույթ, որը նախ` անհամեմատ նեղ է, քան էմիտերի և կոլեկտորի տիրույթները, և երկրորդ` թույլ է լեգիրացված:
Բազային տիրույթում գործում է հիմնական լիցքակիրներն արագացնող` բազա-էմիտեր լարումը շատ անգամ գերազանցող կոլեկտոր-բազա լարման դաշտը, որի ազդեցությամբ հիմնական լիցքակիրների մեծագույն մասն անցնում է կոլեկտորային տիրույթ, և միայն չնչին մասն է բազայում ռեկոմբինացվում` այսու ձևավորելով բազային հոսանք: Այսպիսով, էմիտերային հոսանքի չնչին փոփոխությունները, որոնք հետևանք են բազա-էմիտեր լարման փոփոխությունների, առաջացնում են կոլեկտորային հոսանքի հսկայական փոփոխություններ: Սա է տրանզիստորի ուժեղացնող հատկության պատճառը:
Ակնհայտ է, որ
Որպեսզի բազային հոսանքը լինի նվազագույնը, բազային շերտը վերցնում են շատ բարակ, խառնուրդների պարունակությունը` ցածր(այս դեպքում քիչ էլեկտրոններ կռեկոմբինացվեն բազայում):
3.11.2. Երկբևեռ տրանզիստորի բնութագրերը
Երկբևեռ տրանզիստորի մուտքային բնութագիր է կոչվում
կախումը(նկ. 54):
Երկբևեռ տրանզիստորի ելքային բնութագիր է կոչվում
կախումը, որոնցից առաջինի գծանկարը բերված է նկ. 55–ում:
Կոլեկտորային հոսանքի կախումը կոլեկտոր-էմիտեր լարումից շատ թույլ է.
Երկբևեռ տրանզիստորի անցումային բնութագիրը (կոլեկտորային հոսանքի կախումը բազա-էմիտեր լարումից, նկ. 56) որոշվում է Էբերս-Մոլի բանաձևով`
որտեղ IS-ը կոլեկտոր-բազա հակադարձ հոսանքն է, UT=(kT)/e-ն (k-ն Բոլցմանի հաստատունն է, T-ն` ջերմադինամիկական ջերմաստիճանը, e-ն` էլեկտրոնի լիցքը): Սենյակային ջերմաստիճանում(300Կ)
Հակադարձ հոսանքի կախումը կոլեկտոր-բազա լարումից բավական թույլ է, մինչդեռ ջերմաստիճանից` խիստ ուժեղ է.
10Կ-ով ջերմաստիճանի աճը հանգեցնում է հակադարձ հոսանքի, ուստի և` կոլեկտորային հոսանքի կրկնապատկմանը,
Ջերմային կախման թուլացման նպատակով անհրաժեշտ է ձեռնարկել միջոցառումներ:
3.11.3. Երկբևեռ տրանզիստորի պարամետրերը
Տրանզիստորների հատկությունները բնութագրվում են մի շարք պարամետրերով:
Բազային հոսանքի փոխանցման գործակիցը կամ ուժեղացման գործակիցն ըստ հոսանքի`
Սա դիֆերենցիալ գործակիցն է, օգտագործվում է նաև ուժեղացման ստատիկ գործակիցը.
Այդ գործակիցների արժեքները շատ չեն տարբերվում(նկ. 57), ուստի հաճախ օգտվում են միայն
Ժամանակակից տրանզիստորների ուժեղացման գործակիցների արժեքները կազմում են մի քանի հարյուր, իսկ որոշներինը(այսպես կոչված`«սուպերբետայով» տրանզիստորներինը)` հազարներ և տասնյակ հազարներ:
Էմիտերային հոսանքի ուժեղացման գործակիցները.
- ստատիկ գործակիցը`
- դիֆերենցիալ գործակիցը`
Վերջինիս արժեքն ընկած է 0,950-ից մինչև 0,998 միջակայքում:
Հանգունորեն`
Բնութագրի դիֆերենցիալ(դինամիկ) թեքությունը (դիքությունը) ցույց է տալիս կոլեկտորային հոսանքի փոփոխման արագությունն ըստ բազա - էմիտեր լարման.
Այսպիսով, երկբևեռ տրանզիստորի դիքությունն ուղիղ համեմատական է կոլեկտորային հոսանքին:
Երկբևեռ տրանզիստորի էմիտերային տիրույթի դիմադրությունը`
հակադարձ համեմատական է կոլեկտորային հոսանքին:
Երկբևեռ տրանզիստորի բազային հոսանքը հավասար չէ 0-ի, ուստի այն ունի վերջավոր դիմադրություն`
որը հակադարձ համեմատական է կոլեկտորային հոսանքին:
Կոլեկտոր-էմիտեր դիմադրությունը`
որտեղ UY-ն Էրլիի պոտենցիալն է. p-n-p տրանզիստորներինը` UY = (40…150) Վ, n-p-n տրանզիստորներինը` UY=(80…200) Վ:
Այսպիսով` կոլեկտոր-էմիտեր դիմադրությունը նույնպես հակադարձ համեմատական է կոլեկտորային հոսանքին:
Ըստ լարման հետադարձ փոխանցման գործակիցը`
Սա փոքր հոսանքների դեպքում դրական է, մեծ հոսանքների դեպքում` բացասական: Նրա բացարձակ մեծությունը չի գերազանցում 10-4-ը, այնպես որ այն կարելի էր անտեսել, սակայն բարձր հաճախություններում, այնուամենայնիվ, հարկ է լինում այն հաշվի առնել: Այն հաշվի է առնվում նաև կոլեկտոր-բազա ունակության դիտարկման դեպքում:
ՈՒժեղարար է կոչվում այն սարքը, որը սնման աղբյուրի էներգիայի հաշվին մեծացնում է մուտքային ազդանշանի հզորությունը: ՈՒժեղացումն իրականացվում է ըստ հետևյալ ընդհանրացված կառուցվածքային սխեմայի(նկ. 58):
Սխեմայում 1-ը սնման աղբյուրն է 2-ը` ազդանշանի աղբյուրը, 3-ը` բուն ուժեղարարը, 4-ը` ուժեղարարի բեռը:
4.1. ՈՒԺԵՂԱՐԱՐՆԵՐԻ ԴԱՍԱԿԱՐԳՈՒՄԸ
ՈՒժեղարարները դասակարգվում են,
ա) Ըստ ուժեղացվող ազդանշանի բնույթի`
-հաստատուն հոսանքի,
- փոփոխական հոսանքի,
բ) ըստ ուժեղացվող ազդանշանի պարամետրերի`
- լարման,
- հոսանքի,
- հզորության,
գ) ըստ հաճախային հատկությունների`
- ցածր հաճախության,
- բարձր հաճախության,
- լայնաշերտ,
դ) ըստ աղմկային հատկությունների`
- սովորական,
- նվազաղմուկ,
ե) ըստ ազդանշանի տեսքի`
- ներդաշնակ ազդանշանի,
- իմպուլսային ազդանշանի,
զ) ըստ բեռի տեսակի`
- ռեզիստիվ,
- ռեզոնանսային(շերտային),
է) ըստ ակտիվ տարրի միացման եղանակի`
- ընդհանուր էմիտերով(ակունքով, կատոդով),
- ընդհանուր բազայով (փականով, ցանցով),
- ընդհանուր կոլեկտորով(սպառիչով, անոդով) կամ էմիտերային(ակունքային, կատոդային) կրկնիչ:
ՈՒժեղարարը ակտիվ քառաբևեռ է, որը բնութագրվում է բազմաթիվ բնորոշ պարամետրերով ու բնութագրերով: Դրանք հանգամանորեն բերվում են ստորև:
ա) Անվանական ելքային հզորություն(PԵ) է կոչվում ուժեղարարի ելքային հզորության այն առավելագույն արժեքը, որի դեպքում հարմոնիկների գործակիցը չի գերազանցում իր առավելագույն թույլատրելի արժեքը` որոշակի հաճախության դեպքում(ձայնային ուժեղարարի դեպքում` 1 կՀց):
բ) Նոմինալ ելքային լարումը(UԵ) ներդաշնակ ազդանշանի միջին քառակուսային լարումն է, իսկ իմպուլսայինի` մեծությունը(բարձրությունը):
գ) Ելքային դիմադրությունը(ZԵ) լրիվ դիմադրության մոդուլն է: Ընդհանուր դեպքում ելքային դիմադրությունը կոմպլեքս է`
նրա մոդուլը`
դ) Դեմպֆերացման գործակիցը ելքային դիմադրության և բեռի դիմադրությանը հարաբերությունն է .
ե) Օգտակար գործողության գործակիցը ելքային PԵ հզորության հարաբերությունն է սնման աղբյուրից սպառվող P0 հզորությանը,
որը սովորաբար չի գերազանցում 60…70%-ը:
զ) Մուտքային դիմադրությունը
Մուտքային դիմադրությունը մուտքային լարման փոփոխության և մուտքային շղթայում նրա առաջացրած հոսանքի փոփոխության հարաբերությունն է.
է) ՈՒժեղացման գործակիցները
- ըստ հզորության`
- ըստ լարման`
- ըստ հոսանքի`
որտեղ «Ե» ինդեքսով նշանակված են ելքային, իսկ «Մ» ինդեքսով` մուտքային, համապատասխանաբար` հզորությունը, լարումը, հոսանքը:
Լայնորեն օգտագործվում են ուժեղացման լոգարիթմական գործակիցները(դԲ)`
Ակտիվ մուտքային` ZՄ=UՄ/IՄ և ելքային` ZԵ=UԵ/IԵ դիմադրությունների դեպքում ուժեղացման գործակիցն ըստ հզորության`
ը) Թողանցման շերտը
Թողանցման շերտը fՍ(ստորին) և fՎ(վերին) արժեքներով սահմանափակված հաճախաշերտն է, որտեղ ուժեղացման գործակիցը փոփոխվում է որոշ օրենքով` տրված ճշտությամբ: Օրինակ, ձայնային հեռարձակման, այսպես կոչված, Hi-Fi(High Fidelity` բարձրագույն հավաստիության) սարքի թողարկման շերտը 30 Հց-ից 15 կՀց-ն է` բնութագրի`
թ) Ազդանշան/աղմուկ հարաբերությունը
Ազդանշան/աղմուկ հարաբերությունը ուժեղարարի թողանցման շերտում օգտակար ազդանշանի և աղմուկի միջին հզորությունների(կամ լայնույթների միջին քառակուսային արժեքների քառակուսիների) հարաբերությունն է(արտահայտվում է նաև դեցիբելներով).
կամ`
Երբ ազդանշան/աղմուկ հարաբերությունը 0 դԲ է, խոսակցությունը բոլորովին անհասկանալի է, 40 դԲ-ի դեպքում` ապահովվում է լավ որակ, իսկ 60 դԲ-ի դեպքում`աղմուկը գործնականում չի զգացվում:
ժ) Աղմուկի գործակիցը
Աղմուկի գործակից է կոչվում այն F թիվը, որը ցույց է տալիս, թե ուժեղարարի ելքում աղմուկի գումարային հզորությունը քանի անգամ է մեծ ազդանշանի աղբյուրի ներքին դիմադրության առաջացրած աղմուկից, եթե ուժեղարար տարրն անաղմուկ է:
Աղմուկի հզորությունը`
Այստեղից` ուժեղարարի ելքում աղմկային լարման բանաձևը.
Աղմուկի գործակիցը սովորաբար բնութագրվում է լոգարիթմական
մեծությամբ:
Դիտարկենք մի օրինակ. ենթադրենք միկրոֆոնի ներքին դիմադրությունը 1 կՕհմ է, էլշուն(պարապ ընթացքի լարումը)` 0,2 մՎ, իսկ ուժեղարարի թողանցման շերտը` 15 կՀց: Պահանջվում է որոշել ուժեղարարի աղմուկի գործակիցը, եթե նրա ելքում ազդանշան/աղմուկ հարաբերության պահանջվող արժեքը պետք է լինի 50 դԲ:
որտեղից
Աղմուկի գործակիցը`
ուստի ուժեղարարի աղմուկի գործակիցը չպետք է գերազանցի
ժա) Զգայնությունը
ՈՒժեղարարի զգայնությունը նրա մուտքային ազդանշանի այն նվազագույն լայնույթն է (լարում, հոսանք, հզորություն), որի դեպքում բեռի վրա ստացվում է ելքային չաղավաղված ազդանշանի պարամետրի (լարման, հոսանքի, հզորության) պահանջվող մեծությունը` ուժեղարարի ելքում ազդանշան/աղմուկ հարաբերության տրված արժեքի դեպքում:
ժբ) Դինամիկական տիրույթը
ՈՒժեղարարի դինամիկական տիրույթը մուտքային ազդանշանի առավելագույն լայնույթի և զգայնության հարաբերության լոգարիթմն է` ելքային ազդանշանի առավելագույն թույլատրելի աղավաղումների դեպքում: Մասնավորապես, ակուստիկ սարքերի ելքում ազդանշանի նվազագույն լարումը պետք է 6 ... 10 դԲ-ով բարձր լինի աղմուկի մակարդակից:
Համեմատության համար, օրինակ, սիմֆոնիկ նվագախմբի դինամիկական տիրույթը, այն է` նրա ստեղծած ձայնային առավելագույն ճնշման (ֆորտիսիմո) և նվազագույն ճնշման (պիանիսիմո) հարաբերության լոգարիթմի 20-ապատիկը, կազմում է 65 դԲ, մինչդեռ հաղորդավարի խոսակցության դինամիկական տիրույթը միայն 25… 35 դԲ է:
Ցածր հաճախության ազդանշանի աղբյուրներին հատկանշական են սեփական (ներքին) խանգարումները (աղմուկները), որոնք նեղացնում են դինամիկական տիրույթը: Այսպես, ածխային միկրոֆոնի դինամիկական տիրույթը չի գերազանցում 30…40 դԲ-ը, մինչդեռ ստուդիական միկրոֆոններինը և ձայնագրիչներինը հասնում է 60…70 դԲ-ի:
ՈՒժեղարարի դինամիկական տիրույթը պետք է լինի ուժեղացվող ազդանշանի դինամիկական տիրույթից ոչ նեղ: Եթե ուժեղարարի դինամիկ տիրույթը ազդանշանի դինամիկական տիրույթից նեղ է, ապա կիրառում են ուժեղացման կարգավորիչներ, սեղմիչ-ընդարձակիչներ և այլն:
4.3.1 ՈՒժեղարարի բնութագրերը կայացած ռեժիմում
Կայացած ռեժիմում ուժեղարարի հիմնական բնութագրերը հետևյալն են.
ա) Դինամիկական բնութագրերը
ՈՒժեղարարի ոչ գծային հատկությունները լավագույնս բնութագրում է միջանցիկ դինամիկ բնութագիրը` ելքային լարման(հոսանքի) կախումը մուտքային էլշուից (էլշուի և մուտքային դիմադրության հարաբերությունից)` մուտքային ներդաշնակ ազդանշանի դեպքում. UԵ=f(eՄ), IԵ=f(eՄ), UԵ=f(eՄ/RՄ), IԵ=f(eՄ/RՄ): Սա ցույց է տալիս, թե ուժեղարարը որքանով է դրսևորում գծային համակարգի հատկություններ:
Փուլային շեղումից զերծ(կատարյալ) գծային ուժեղարարի միջանցիկ դինամիկ բնութագիրը սկզբնակետով անցնող ուղիղ է(նկ. 59):
Շատ մեծ մուտքային դիմադրությամբ ուժեղարարի համար կարևոր բնութագիր է ուղիղ փոխանցման դինամիկ բնութագիրը, օրինակ` UԵ=f(UՄ):
բ) Լայնութային բնութագրերը
Այս բնութագրերն արտահայտում են ելքային ազդանշանի առաջին հարմոնիկի լայնույթի կախումը մուտքային ներդաշնակ ազդանշանի լայնույթից` UԵ1=f(UՄ) կամ IԵ1=f(UՄ), որոնք կարող են ունենալ նկ. 60–ում բերված տեսքը:
Բնութագրերի սկզբնական մասում մնացորդային ելքային լարման պատճառը ներքին աղմուկներն են:
Բնութագրի վերջին մասի շեղումը գծայնությունից պայմանավորված է ուժեղարարի ոչ գծային հատկություններով:
գ) Փոխանցման ֆունկցիան
Լայնութահաճախային և փուլահաճախային բնութագրերը որոշվում են փոխանցման ֆունկցիայով:
Ուժեղարարի փոխանցման ֆունկցիա է կոչվում
ֆունկցիան, որտեղ
իրական գործակիցներով կախված բազմանդամներ են:
Եթե M(P)-ն և N(P)-ն կարող են վերլուծվել գծային արտադրիչների, ապա`
որտեղ z1, z2… zm-ը` M(p)=0, իսկ p1, p2, …, pm-ը` N(p)=0 հավասարման լուծումներն են: Առաջինները կոչվում են փոխանցման ֆունկցիայի 0-ներ, իսկ երկրորդները` բևեռներ: Արմատները կարող են լինել ինչպես իրական, այնպես էլ` կոմպլեքս համալուծ զույգեր, ընդ որում` կայուն շղթայի բնութագրիչ հավասարման արմատների իրական մասերը բացասական են:
Որպեսզի շղթան իրականանալի լինի, անհրաժեշտ է և բավարար, որ դեպքում փոխանցման (ուժեղացման) գործակիցը ձգտում է վերջավոր արժեքի:
Փոխանցման գործակցի մոդուլի կախումը հաճախությունից, կոչվում է լայնութահաճախային, իսկ մուտքայինի նկատմամբ ելքային ազդանշանի փուլի տեղաշարժի կախումը հաճախությունից ` փուլահաճախային բնութագիր:
դ) Լայնութահաճախային բնութագիրը
Փոխանցման գործակցի մոդուլի կախումը հաճախությունից կոչվում է լայնութահաճախային բնութագիր:
Լայնութահաճախային բնութագիրը ուժեղացման գործակցի(նորմավորված) կախումն է մուտքային ազդանշանի հաճախությունից(նկ.61):
Այն հաճախությունները, որոնց համապատասխան ուժեղացման գործակցի արժեքները անգամ փոքր են նրա առավելագույն արժեքից, կոչվում են ստորին և վերին հաճախություններ (fՍ, fՎ):
Սովորաբար որպես ուժեղարարի թողանցման շերտ է ընդունվում լայնութահաճախային բնութագրի այն հաճախաշերտը, որին համապատասխանում են ուժեղացման գործակցի արժեքները (նկ. 61-ում` [fՍ, fՎ] միջակայքը):
ե) Փուլահաճախային բնութագիրը
Փուլահաճախային բնութագիրը մուտքային ազդանշանի փուլի նկատմամբ ելքային ազդանշանի փուլի տեղաշարժի (շեղման)կախումն է հաճախությունից(նկ. 62):
Այն էական դեր ունի ուժեղարարների կայունության գնահատման, գեներատորների կառուցման ժամանակ չմարող տատանումների պահպանման և այլ խնդիր