KoHCtnpyuposaHue электронных схем

Если вас удовлетворит небольшой воздушный поток, то у большинства изготовителей имеются бесшумно работающие вытяжные вентиляторы. В табл. 12.2 приведены некоторые их параметры и типы, У этих вентиляторов поток воздуха сильно уменьшается, если при работе на нем появляется обратный перепад давления. На рис. 12.8 это показано графически.

При размещении приборов, требующих принудительного воздушного охлаждения, попытайтесь так расположить компоненты, чтобы

Поток воздуха м'/мин

Рис. 12 8, Поток воздуха в зависимости от обратного перепада давления для вытяжных вентиляторов, перечисленных в табл. 12.2.

t - стандартный, сечение П2,5 мм; 2 - мнни-веитилятор сечением 75 мм; 3 - бесшумный, се енне И2,5 мм, - особо тнхнй сечением П2,б мм.

воздух поступал в корпус с одного края, обтекал компоненты и выходил из противоположного края. Например, в приборах с горизонтальным расположением шасси вы должны просверлить несколько впускных отверстий в нижней части задней панели, а также на внутренних шасси вблизи лицевой панели и установить вытяжной вентилятор в верхней части задней панели. Таким образом воздушный поток принудительно будет проходить через все детали прибора. Не забывайте, что схемная плата является преградой для воздушного потока,- при планировке прибора следует это учитывать. Если сопротивление потоку значительно (высокое обратное давление), то центрифужный обдув будет работать лучше, чем пропеллерный. Лопасти пропеллерного вентилятора, если обратное давление превышает 7,5 мм вод. ст., переходят в состояние срыв потока , делая тем самым вентилятор полностью неэффективным. В общем при любом охлаждении главным при конструировании является охрана прибора; разрушаемость электронных приборов резко возрастает, если оборудование работает с перегревом. На рис. 12,9 изображен прибор, хорошо сконструированный о точки зрения охлаждения и доступа к элементам.

12.12. Полезные советы

Ненадежные компоненты. В любой электронной системе наиболее ненадежными компонентами являются следующие (хуже всего первые): 1) разъемы и кабели; 2) переключатели; 3) потенциометры и триммеры. Не забывайте об этом и не давайте вашим идеям разрастаться так, чтобы их воплощение стало слишком сложным делом.

Рис. 12 9. Внешний вид законченного прибора (устройство считывания цифровых сиг* и межсоединений

Большая часть электронных схем размещается в блок-каркасе для печатных плат (к которому смонтированы на двух панелях вблизи мотора (связь осуществляется либо иерез многоконтакт ки вынесены на края схемных плат Проследите как здесь проходит поток о> лаждающего возду-затем вокруг центральной части, возвращаясь, обдувает источники питания и высасывается вен-

Радиочастотные линейные фильтры. Как мы упоминали выше, на входах питания от сети переменного тока очень полезно ставить высокочастотные фильтры. Они изготовляются рядом фирм, среди которых можно отметить Согсот, Cornell-Dubilier, атакже8рга§ие. Фильтры выпускаются в виде простых модулей, имеющих клеммы с ламелями для пайки, или же включаются в общий блок с вилкой для включения в сеть переменного тока, соединяемый со стандартным кордовым шнуром IEC. Такие фильтры обеспечивают превосходную

фильтрацию напряжения питания от ВЧ-сигналов (а также предотвращают генерацию их самим прибором), и, кроме того, они довольно эффективно подавляют переходные процессы сетевого напряжения. Так, например, фильтр 3R1 Согсот (рассчитан на ЗА, 115 В) имеет ослабление 50 дБ для сигналов частоты 200 кГц и более 70 дБ для сигналов с частотой, превышающей 0,5 МГц (разд. 5.10 и табл. 5.3).

налов с магнитофонных кассет), в котором применены несколько способов крепления

присоединяются задняя панель и многоконтактный разъем), а схемы управления приводом ленты вый разъем, либо жгутом, либо через соединение вставкой DIP) Регулировка и контрольныеточ-ха Воздух засасывается сзади со стороны блок каркаса для плат, он протекает между платами, тилятором, расположенным в правой части задней панели

Подавление переходных процессов В любых приборах, чтобы предотвратить сбой в работе (или даже выход из строя), вызываемый случайными выбросами напряжения сети от 1 до 5 кВ, которые имеют место практически на всех линиях переменного тока, полезно ставить устройство для подавления переходных процессов. Эти устройства можно просто подключать параллельно зажимам сетевого питания: они действуют как двунаправленные стабилитроны и обладают способ-юностью выдерживать огромные пиковые значения тока. Выпускаются

1) В ССОР и Европе пробки обычно ставят на 6-10 А, так как напряжение cetH почти вдвое выше.- Прим. ред^

ОНИ в корпусах, аналогичных дисковым керамическим конденсаторам или мощным диодам. Небольшие и дешевые GE V130LA10A (стоят около 1 долл.), например переходят в проводящее состояние при напряжении 185 В и могут пропускать импульсные токи с максимальной амплитудой 4000 А (подробнее см. разд. 5.10 и табл. 5.2).

Предохранители. В каждой без исключения силовой шине электронного прибора наличие плавкого предохранителя обязательно. Как мы указывали в разд. 5.10, настенный предохранитель плавится при токах 15-20 А \ тем самым предотвращая опасность воспламенения стенной проводки. Если не предусмотреть такие возможные неисправности, как, например, пробой конденсатора источника питания, то от сети в прибор пойдет ток около 10 А (т. е. в силовом трансформаторе будет рассеиваться мощность более 1 кВт). Важное замечание (момент, к сожалению не сразу понятый авторами): сетевой конец должен присоединяться к внутренней клемме держателя предохранителя, чтобы при смене предохранителя вы не могли коснуться пальцами горячей клеммы. Используйте легкоплавкие предохранители, выбирая их на ток в 1,5-2 раза больший, чем наибольший ток потребления прибора.

Принцип холодного управления . Всегда, когда только возможно, полезно избегать прохождения логического или аналогового сигнала через панель управления; это нужно, чтобы предотвратить возникновение перекрестных связей и затухание сигнала, которые э противном случае могут иметь место. Взамен выведения сигналов на переднюю панель, можно подать в схему управляющие сигналы постоянного тока от потенциометров, переключателей и т. п. оборудования, расположенного на передней панели. Это особенно важно при шумах, высокоскоростных сигналах или сигналах низкого уровня, поскольку сигналы управления постоянного тока могут быть отфильтрованы шунтирующими конденсаторами, в то время как для быстроменяющихся сигналов это недопустимо. Например, лучше использовать дополнительные вентили (мультиплексор), чем прогонять логический сигнал через переключатель, или для управления частотой с лицевой панели лучше использовать генератор, управляемый напряжением, чем перестраиваемый /?С-генератор. Чтобы осуществить такое холодное управление , понадобится незначительное дополнительное высококачественное оборудование, но будут обеспечены повышенная надежность и простота монтажа (не нужен будет, например, экранированный кабель).

В этом разделе кратко описана проблема приобретения компонентов в QUA.- Прим. ред.

12.13. Где доставать компоненты

Поиск деталей, необходимых для сборки электронной аппаратуры, может оказаться сложным делом. Большинство крупных поставщиков имеют плохо организованную торговую сеть, и это делает почти невозможным приобретение малых партий компонентов мелким покупателем. К счастью, крупные известные фирмы дают справки, где могут быть куплены нужные детали за наличный расчет. Занимаясь поисками, необходимо точно знать, чего вы хотите, количество деталей и изготовителя (для ИМС вы должны знать полное обозначение схемы, а не только изготовителя и тип).

Многие поставщики неохотно продают малые партии, поэтому покупатель тратит много сил на приобретение компонентов в количестве 5-10 штук. Добавим к этому, что поставщики обычно имеют только часть нужного вам ассортимента, и вы сталкиваетесь с необходимостью иметь дело с множеством кустарных поделок. На складах электронного оборудования (Radio Shack, Lafayette и др.) организована продажа небольшими партиями, но там имеется в наличии очень ограниченная номенклатура. Система оптовой торговли ориентирована в основном на крупных промышленных потребителей. Фирмы-изготовители предпочитают иметь дело с оптовиками, которые тесно с ними связаны и могут оказать влияние на цены.

Особая осторожность необходима при покупке ИМС. Многие типы ИМС выпускаются без 100%-ной проверки. Вместо этого проверяется один образец из каждой партии, и вся партия бракуется, если образец не отвечает стандарту. В результате вы можете случайно приобрести совершенно неисправный кристалл, выпущенный фирмой с хорошей репутацией. Как правило, следует ожидать, что примерно 1 % новых ИМС окажется непригодным. Это не очень страшно, так как в случае необходимости для обеспечения большей надежности вы всегда можете проверить все ИМС. Все изготовители испытывают свои БИС, а некоторые (AMD, например) проводят 100%-ную проверку всех ИМС.

Более серьезная проблема возникает, когда забракованные партии попадают в руки мелких торговцев. Очень часто встречаются подделки, так как машины, выпускающие ярлыки, стоят недорого. По нашему опыту, крупные поставщики (такие, как Arrow, Hamilton/Avnet, Harvey, Newark и Schweber) надежны, по крайней мере если судить по изделиям, действительно ими поставленным. Большинство торговых точек, по-видимому, распространяют хорошие товары, но здесь есть элемент риска. Будьте подозрительны по отношению к ИМС без даты выпуска. Поскольку отыскание неисправных ИМС в схеме требует много времени и сил, рекомендуем вам покупать все ИМС у одного и того же поставщика, даже если цены будут относительно высоки.

Глава 13

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ПРИБОРЫ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

В этой главе обсуждаются важные особенности техники высоких и радиочастот, в том числе эквивалентные схемы для высоких частот и быстродействующие ключи. Высокочастотные приборы находят широкое применение в области связи и радиовещания, а также в лабораторных установках для проведения радиочастотных измерений (резонансные явления, плазма, ускорители частиц и т. п.). Быстродействующие ключи являются неотъемлемыми элементами вычислительных машин и других цифровых устройств. Высокочастотные и быстродействующие приборы - это линейные и цифровые устройства, работающие в той области частот, где работа схем начинает определяться эффектами межэлектродных емкостей, индуктивностями проводов, накоплением зарядов и длинами волн. Благодаря таким причудливым конструкциям, как полосковые выводы, волноводы или приборы вроде диоДов Ганна, клистронов и ламп бегущей волны, схемотехника в этой области частот существенно отличается от техники низких частот. Чтобы представить уровень наших возможностей, скажем, что сейчас промышленностью выпускаются цифровые ИМС (счетчики и т. п.), которые работают с импульсами частотой 1 ГГц > и выше, а также элементы линейных схем (усилители и т. п.), которые работают на частотах выше 100 ГГц.

Мы начнем с обсуждения высокочастотных транзисторных усилителей как на биполярных, так и на полевых транзисторах и приведем несколько примеров. Затем перейдем к радиочастотным приборам, дадим общее представление о линиях связи и методах модуляции и детектирования. В конце мы более подробно рассмотрим быстродействующие ключи. В силу того, что эти вопросы носят узкоспециальный характер, эту главу при первом прочтении можно пропустить.

13.01. Транзисторный усилитель на высоких частотах в первом приближении

В усилителях, которые мы обсуждали выше (такие, как усилители с общим эмиттером и с реЗисторной коллекторной нагрузкой), коэффициент усиления снижается с ростом частоты сигнала, как правило, из-за действия паразитных емкостей нагрузки и соединительных

1 ГГц=10 МГц^Ю Гц.-Прим. ред.

проводов. На рис. 13.1 это показано пока в упрощенном виде. Эффективная емкость между коллектором и землей Сн в сочетании с коллекторной нагрузкой усилителя R образует фильтр низких частот с постоянной времени RJn- Эта эквивалентная схема приведена с учетом того, что для сигнала 11+ то же самое, что и земля. В Сн входят емкости между коллектором и эмиттером, между коллектором и базой, а также емкость нагрузки. На частотах,приближающихся к/==1 ?нСн, усиление начинает быстро падать.

Уменьшение влая- Рис. I3.i. ния емкости нагрузки.

Простейшие методы уменьшения емкостной нагрузки заключаются в учете и уменьшении произведения RJh- Например:

1. Выбираются биполярные или полевые транзисторы с малой емкостью между электродами (как самих р - л-переходов, так и между внешними выводами); такие транзисторы обычно обозначаются как радиочастотные или ключевые транзисторы.

2. Нагрузка отделяется эмиттерным повторителем, что способствует уменьшению емкостной нагрузки на коллектор.

3. Уменьшается i?h* Если при этом поддерживать постоянным то коэффициент усиления падает из-за уменьшения gm- Вспомним, что для транзисторов §т=1/э или /к(мА)/25для усилителей с заземленным эмиттером. Чтобы сохранить коэффициент усиления .постоянным при уменьшении R необходимо увеличить ток коллектора, сохраняя U+

постоянным Таким бразом, а^шуР^ I/jhCh и прямо пропорционально к/Са что вполне справедливо для больших токов, часто используемых в высокочастотных схемах.

13.02. Высокочастотные усилители: модели для переменного тока

Емкость нагрузки не только уменьшает коэффициент усиления усилителя на высоких частотах. Как мы упоминали выше (см. обсуждение эффекта Миллера в гл. 2), емкость обратной связи (Ско), будучи включенной между выходом и входом, может доминировать в спаде усиления на высоких частотах, особенно если полное сопротивление источника входного сигнала высоко. Чтобы определить, на каких частотах усиление начнет падать и как этого избежать, можно использовать относительно простую модель транзистора или ПТ, Как это делается, покажем на примере высокочастотного усилителя.

) Прн фиксированном £/+.- Прим. ред.

Эквивалентная схема для переменного тока. Приведенные на рис. 13.2 эквивалентные схемы каскадов с общим эмиттером (или истоком) представляют собой простейший вариант; их не без оснований используют при оценке характеристик быстродействующих устройств. Обе модели очевидны. В схеме биполярного транзистора Свх.э (обозначается также Свх.б или С^э*, заметим, что название относится либо к

Г ВЫ! б

Л----1

a б

Рис. 13,2. Эквивалентные схемы для ВЧ биполярного (а) и полевого (б) транзисторов.

емкости входа, либо к емкости выхода) есть входная емкость, - импеданс цепи базы, Ско - емкость обратной связи (Миллера) и Скэ - емкость между коллектором и эмиттером. Модели с источником тока определяют усиление транзистора на частотах сигнала. Схема полевого транзистора аналогична, но емкости имеют другие обозначения, и она значительно проще из-за бесконечного входного сопротивления.

Влияние коллекторного тока и напряжения на емкости транзистора. Емкости обратной связи и выходной цепи (Скб, С^у Скэ и Т. Д.) включают в себя небольшие емкости транзисторных выводов и относительно большие емкости полупроводниковых переходов. Последние ведут себя подобно обратносмещенным диодам, у которых емкость постепенно снижается с увеличением обратного смещения, как показано на рис. 13,3 (этот эффект используется в конденсаторах, управляемых напряжением, известных под названием варикапы , или варакторы ). Емкость изменяется с напряжением приблизительно как С=кф-UqY, где п - лежит в диапазоне от-Va до -Vздля транзисторов, а f/o - постоянное напряжение, равное --0,6 В.

Входная емкость Свх. э имеет другой характер, поскольку вы имеете дело с прямосмещеным переходом \ В этом случае эффективная емкость резко растет с увеличением тока базы, так как V близко Vq и имеет мало общего с указанным в паспорте транзистора значением Сьх. ь- Однако оказывается, что эффективная емкость Свх. э увеличивается с ростом 1э (и, следовательно, с уменьшением Гд), так что произведение RC (ГбСвх. э) остается почти постоянным. В результате

В прямосмещенном переходе основную роль играет диффузионная емкость, обусловленная объемным зарядом носителей, в отличие от барьерной емкости перехода, смещенного в обратном направлении (С^б в линейном режиме).- Прим, ред.

усиление транзистора на определенных частотах зависит в первую очередь от соотношения между током, теряемым на Свх. э и током,

0,5 1 5 АО

Напряжение на коллекторе Ui, В

Рис. 13.3. Зависимость емкости коллектор - база от напряжения для нескольких распространенных биполярных транзисторов.

который действительно идет в базу и несильно зависит оттока коллектора. Поэтому вместо того, чтобы задавать значение Свх-э изготовите-

2N3906,2N4t26

ZN3553

2N5550

1 10

-Ток коллектора,

Рис. 13.4. Зависимость произведения усиления на ширину полосы (граничную частоту) fr от коллекторного тока (в А) для нескольких распространенных биполярных г транзисторов.

ЛИ транзисторов обычно указывают fj - частоту, при которой усиле-* ние тока (hie) падает до 1, Легко показать, что fi определяется выра-I жением

1 /т = 1/2яСвх.э^, или Сззсэ = 1/2л/т/-э

для значений Свх. э и Гд, данных при некотором токе коллектора. Транзисторы, предназначенные для работы в диапазоне высоких частот, имеют /т от 500 до 2000 МГц, в то время как у транзисторов общего назначения /т бывает от 50 до 250 МГц. На рис. 13.4 приведены кривые изменения /т в зависимости от тока коллектора для типичных транзисторов.

13.03. пример высокочастотных расчетов

Применим нашу простую модель для конструирования высокочастотного широкополосного усилительного каскада. При этом будем учитывать влияние предварительного каскада, считая, что его выходное сопротивление известно. Покажем, что рассматриваемый усилитель

+и

1 h 2 h 3 г

Т Т Выход

2Мт 44148

(hi 1,0 мА

сильно нагружает этот каскад и имеет плохие характеристики. Далее будут рассмотрены те параметры, которые определяют характеристики схемы, и показаны методы улучшения параметров путем изменений конфигурации схемы и ее рабочих точек. На рис. 13.5 показан фрагмент схемы. Предполагается, что он является частью целой^ усилительной схемы с об- Pjjj, J3 5 ратной связью по постоян-

ному току, обеспечивающей стабилизацию точки покоя на уровне Уг i/кк показанное на рисунке смещение не обеспечивает само по себе стабилизации. Поскольку нас интересуют высокочастотные характеристики, мы не будем в дальнейшем беспокоиться о том, как осуществляется смещение на самом деле. Заметим, что дифференциальный каскад имеет очень небольшую допустимую величину синфазного входного сигнала - приблизительно от +0,25 В до отрицательного напряжения, ограниченного рабочим диапазоном источника эмиттерного тока.

Анализ факторов, вызывающих снижение усиления на высоких частотах. Для дифференциального каскада коэффициент усиления и выходное сопротивление поддаются расчету, что дает возможность подробно проанализировать снижение усиления в выходном каскаде. Анализ коэффициента усиления усилительного каскада на Гд будет состоять в следующем:

1. Находим усиление на низких частотах при нулевом сопротивлении источника. Затем определяем частоту, при которой усиление падает на 3 дБ (т. е. сопрягающую частоту), причем это снижение связано с