Калинчук Б. А., Пичугин О. А.
Полупроводниковые модуляторы
БИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 353
«ЭНЕРГИЯ»
Ленинградское отделение
1969
Редакционная коллегия: И. В. Антик, Г. Т. Артамонов, А. И. Берти нов, А. А. Воронов, Л. М. Закс, В. С. Малов, В. Э. Низе, О. В. Слежановский, Б. С. Сотсков, Ф. Е. Темников, М. Г. Чили кин, А. С. Шаталов
Б. А. Калинчук, О. А. Пичугин Полупроводниковые модуляторы. Л. «Энергия», 1959. Библиотека по автоматике. Выпуск 353.
В настоящей книге излагаются методы инженерного расчета модуляторов — одних из наиболее важных элементов современной измерительной техники, позволяющих решить проблему создания усилителей с высоким коэффициентом усиления, используемых в автоматике и измерительной технике. Описываются их технические характеристики, методика исследования параметров модуляторов различного типа и принципа действия.
Книга рассчитана в первую очередь на инженерно-технических работников, занимающихся вопросами усиления малых сигналов, и будет полезна также студентам, изучающим промышленную и измерительную электронику.
Содержание книги
Полупроводниковые модуляторы
Предисловие
Глава первая. Классификация бесконтактных модуляторов
Глава вторая. Параметры модуляторов
Глава третья. Транзисторные модуляторы
1. Работа транзистора в режиме преобразования
2. Остаточные параметры транзистора, работающего в режиме преобразования
3. Зависимость остаточных параметров транзистора от температуры окружающей среды
4. Принципы компенсации остаточных параметров в транзисторных модуляторах
5. Схемы модуляторов на транзисторах
6. Модуляторы на интегральных прерывателях
Глава четвертая. Диодные модуляторы
Глава пятая. Параметрические модуляторы
7. Физические основы работы полупроводниковых конденсаторов
8. Схемы параметрических модуляторов
Глава шестая. Методы испытания полупроводниковых модуляторов
Приложение. Характеристики полупроводниковых модуляторов
Литература
Предисловие
Практика измерений постоянных напряжений и токов малого уровня сталкивается с проблемой усиления малых сигналов. Как известно, достаточно стабильные показания можно получить только при использовании принципа модуляции и усиления преобразованного сигнала усилителем переменного тока, дрейф которого, составляющий основную долю сигнала ошибки, пренебрежимо мал по сравнению с дрейфом усилителя с гальванической связью.
Для преобразования применяется обычно такой хорошо известный элемент, как вибрационный преобразователь, который, однако, обладает существенными с точки зрения надежности недостатками. Наличие механической коммутирующей системы и контактов в вибропреобразователе, несмотря на ряд его исключительных достоинств, заставляет разработчиков искать другие схемы и методы преобразования для получения большей надежности всего прибора.
При сравнительно больших уровнях сигналов, как, например, в аналоговой вычислительной технике, применялись ламповые (диодные и триодные) модуляторы, а также модуляторы на полупроводниковых выпрямителях. Развивающаяся полупроводниковая техника открыла новые возможности повышения надежности и долговечности модуляторов. Были разработаны диодные и транзисторные модуляторы, использующие в качестве элемента коммутации р—n-переход, смещенный в прямом и обратном направлениях. В дальнейшем были созданы модуляторы, использующие эффект Холла, эффект магнитного управления сопротивлением, и криотронные модуляторы.
Одновременно с развитием новой полупроводниковой техники выдвигались новые требования к модуляторам — более жесткие как по метрологии, так и по надежности. Так, уровни измеряемых сигналов низкоомных модуляторов стали приближаться к микровольтам, высокоомных — к сотням микровольт, сроки службы — к десяти тысячам часов и более.
К настоящему времени опубликовано большое количество статей и монографий по модуляторам. В конце 1966 г. появилась монография Комолибуса, предпринявшего попытку систематизировать материал по модуляторам. Материалы, затрагивающие вопросы разработки бесконтактных модуляторов малых сигналов, содержатся в основном в зарубежной литературе и представляют большой интерес для разработчиков различной усилительной аппаратуры и автоматики. Естественно, что в силу отличия параметров зарубежных элементов от отечественных не всегда удается реализовать параметры описанных модуляторов. Учитывая значительный интерес к модуляторам малых сигналов, основываясь на некотором опыте работы с устройствами подобного рода, авторы рассматривают в данной книге ряд схем модуляторов малых сигналов постоянного тока, выполненных на отечественных элементах, характеристики полупроводниковых элементов преобразования и влияние на них различных дестабилизирующих факторов.
Авторы выражают благодарность рецензенту канд. техн. наук В. А. Царькову за ценные указания и надеются, что их книга поможет разработчикам различной аппаратуры в создании надежных усилителей постоянного тока.
Авторы
Глава первая
КЛАССИФИКАЦИЯ БЕСКОНТАКТНЫХ МОДУЛЯТОРОВ
Принцип действия рассматриваемых модуляторов, преобразующих постоянный ток в переменный, заключается в том, что сигнал постоянного тока, который несет информацию от датчика, используется тем или иным образом для управления величиной амплитуды фиксированного напряжения переменного тока. В ряде модуляторов производится непосредственная отработка сигнала датчика и преобразование его в сигнал переменного тока, в других типах модуляторов сигнал датчика может воздействовать на параметры определенной цепи переменного тока, изменяя уровень ее выходного напряжения.
Модулятором, приближающимся к идеальному, является вибратор. Сопротивление его в разомкнутом состоянии близко к 109 — 1010 ом. У всех бесконтактных модуляторов этот показатель значительно хуже, чем у вибрационных. Некоторые бесконтактные модуляторы по ряду своих параметров приближаются к вибрационным преобразователям. Так, на сегодняшний день существуют модуляторы ключевого типа — на полевых транзисторах и оптронные, имеющие в закрытом состоянии сопротивление порядка 108 ом (криотронный элемент преобразования в открытом состоянии имеет сопротивление, близкое к нулю). Однако нет пока такого элемента преобразования, который мог бы метрологически заменить вибропреобразователь во всех его многочисленных применениях.
Бесконтактные модуляторы можно классифицировать следующим образом:
а) по способу включения коммутирующих элементов — параллельного типа, последовательного типа, параллельно-последовательного типа;
б) по входному сопротивлению — высокоомные, низкоомные;
в) по принципу действия — ключевые, параметрические;
г) по цикличности работы — однополупериодные, двухполупериодные;
д) по роду коммутирующих элементов — диодные, транзисторные, на эффекте Холла, сегнетокерамические, на магнитоуправляемых сопротивлениях, криотронные, оптронные.
У бесконтактных модуляторов параллельного типа коммутирующий элемент включен параллельно нагрузке, у модуляторов последовательного типа — последовательно с нагрузкой, в схеме модуляторов параллельно-последовательного типа используются два коммутирующих элемента, один из которых включен параллельно нагрузке, а другой — последовательно, причем включаются эти элементы попеременно.
Как правило, нагрузкой модулятора служит входная цепь транзисторного усилителя. В этом случае связь между входом усилителя и датчиком может осуществляться как через конденсатор, так и через входной трансформатор. В зависимости от способа связи применяют ту или иную схему включения модулятора. Так, например, при наличии емкостной связи с нагрузкой схема (рис. 1, а) не может быть использована, так как конденсатор связи через несколько периодов зарядится до величины напряжения коммутируемого сигнала и ток через него практически прекратится. Не следует использовать также параллельную схему включения модулятора (рис. 1, б) в случае индуктивной связи цепи сигнала со входом усилителя.
Величина среднего за период входного сопротивления определяется как отношение напряжения коммутируемого сигнала к среднему значению входного тока за период.
Величина входного сопротивления (средняя) обусловлена как схемой включения коммутирующих элементов, так и параметрами самих элементов. Очевидно, что элементы, имеющие большую величину отношения R3/Ro (где R3 — сопротивление коммутируемого элемента в «закрытом» состоянии, Ro — сопротивление коммутируемого элемента в «открытом» состоянии), дают возможность получить более высокое входное сопротивление.
В ключевых бесконтактных модуляторах элементом преобразования служит элемент, эквивалентная схема которого является ключом. Все процессы как в самом модуляторе, так и в схеме его применения рассматриваются с точки зрения работы ключа.
У параметрических модуляторов принцип преобразования существенно отличается от ключевого. Так, например, в диодном параметрическом модуляторе мощность сигнала управляет значительно большей мощностью, поступающей из источника модулирующего напряжения. Благодаря этому у параметрических модуляторов принципиально возможно получение коэффициентов передачи больше единицы.
При включении модулятора по однополупериодной схеме ток от источника сигнала через нагрузку идет в течение одного полупериода коммутирующего напряжения (рис. 1).
В случае двухполупериодной схемы ток источника идет через нагрузку в оба полупериода, причем, как показано на рис. 2, в каждый полупериод направление тока в нагрузке меняется.
Из модуляторов, классифицируемых по роду элементов, используемых для преобразования сигнала, промышленное применение нашли лишь первые четыре типа. Другие полупроводниковые элементы преобразования не получили на сегодняшний день достаточно большой известности (например, криотронные, оптронные) из-за значительной сложности изготовления и высокой стоимости.
Применение того или иного элемента в модуляторах обычно диктуется условиями работы и предъявляемыми к модулятору требованиями. Так, например, если не задаются чересчур жесткие требования к величине дрейфа нуля и требуются малые габариты и стоимость, то целесообразно выбирать в качестве элемента преобразования диоды. При необходимости сравнительно высокого входного сопротивления также следует выбирать диоды. В случае же, если требуются малый дрейф нуля и малый уровень шума, в качестве элементов преобразования надо использовать транзисторы.
В настоящей книге не рассматриваются схемы и конструкции модуляторов, использующих эффект Холла и сегнетокерамических, поскольку первые не нашли большого применения из-за их сложности, больших габаритов, необходимости усиленной магнитной экранировки, а вторые — из-за довольно значительной величины смещения нуля и его дрейфа.
Скачать книгу "Полупроводниковые модуляторы". Москва, издательство Энергия, 1969
|
