Федеральное агентство связи
Ордена Трудового Красного Знамени федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего образования
«Московский технический университет связи и информатики»
Волго-Вятский филиал
Кафедра инфокоммуникационных и общепрофессиональных дисциплин
(ИКиОПД)
Конспект лекций
по дисциплине «Электроника»
д.т.н., доцент, Туляков Ю.М.
Нижний Новгород
2018 г.
1
ЭЛЕКТРОНИКА
1.
Введение.
Электроника изучает принцип работы электронных приборов, их характеристики и примеры в
различных схемах.
Электронный прибор – это устройство, в котором используются электронные явления.
Электронное явление – это явление, которое проявляется при взаимодействии свободных
электронов с веществом при воздействии электрического или магнитного полей.
Этапы развития электроники:
1895 г. – А. С. Попов изобрел радио.
Оно потребовало разработки электронных приборов.
1895 – 1948 гг. – ламповый период.
1904 г. – первая лампа.
1948 г. – Бардин и Браттейн изобрели биполярный транзистор.
С 1948 г. Начинается транзисторный период.
60-е гг. – создание интегральных микросхем.
70-е гг. – создание больших интегральных микросхем (БИС, число элементов ≈ 103).
80-е гг. – создание сверхбольших интегральных микросхем (СБИС).
Перспектива дальнейшего развития: развитие функциональной электроники (использование
физико-химических явлений жидких и твердых тел вместо обычных электрических компонентов для
создания устройств, выполняющих заданную функцию с электрическими сигналами
(пьезоэлектрический фильтр)).
В зависимости от элементной базы электронику различают: первого, второго, третьего и
т.д. поколений.
Пьезоэлектронный элемент
2
Первое поколение – Ламповый
Второе поколение – Транзисторный
Третье поколение – Интегральный (Малые)
Четвертое поколение – Интегральный (Большие)
Примечание: ламповые усилители лучше транзисторных из-за качества звука
2.
Классификация электронных приборов.
2.1.
По виду рабочего пространства:
а) электровакуумные;
б) полупроводниковые;
в) газоразрядные;
г) на основе специальных типов проводников (например, с нелинейной зависимостью);
д) жидкостные и жидкокристаллические.
2.2.
По функциональному значению (по виду энергий действующих на входе и на выходе):
а) электропреобразовательные (диоды, транзисторы);
б) электронносветовые (светодиод);
в) фотоэлектрические (фоторезистор);
г) термоэлектрические (термопара);
д) магнитодиоды и т.д.
2.3.
По частоте рабочих сигналов:
а) низкочастотные (НЧ) – до 1 МГц;
б) высокочастотные (ВЧ) - 106÷ 109 Гц;
в) сверхвысокочастотные (СВЧ);
г) оптические приборы (лазеры).
2.4.
По мощности сигналов:
Больше 1 кВт – мощные приборы (мощная лампа).
Больше 3 Вт – для транзисторов.
3.
Физика полупроводников
3.1. Строение полупроводников – кристаллическое вещество, проводимость которого зависит
от температуры и от чистоты.
3.2. Собственный (чистый, беспримесный) полупроводник i–типа. При комнатной температуре
его проводимость низкая, при нагревании возникают (разрушаются ковалентные связи) пары
собственных электронов и дырок, причем их количество равное ni=pi. Обязательно выполняется
условие электрической нейтральности.
∑⊖ = ∑⊕
3
1 атом примеси к 1000 атомов электрона
3.3. Полупроводник n–типа образуется за счет донорной примеси (5 валентной). Основная
масса образуется за счет атомов примеси, которые превращаются в положительные ионы
доноров Nд+ - неподвижны.
Условия для такого полупроводника:
а) nпр, pi, ni – подвижные
б) Nд+ - неподвижны
Тип полупроводника определяется подвижными зарядами, которых больше.
в) nпр + ni>>pi – электронная проводимость
Условие электрической нейтральности:
nпр + ni = pi + Nд+
г) Проводимость σn = σnпр + σni + σpi ≈ σnпр
3.1.
Полупроводник p–типа образуется за счет акцепторной примеси (3 валентной).
а) pпр, pi, ni – подвижные
б) Nа- - неподвижны
в) pпр + pi>>ni – дырочная проводимость
г) Проводимость σp = σpпр + σni + σpi ≈ σpпр
д) Условия эл. нейтральности
3.2.
Влияние температуры на проводимость полупроводника.
lnσ
σNi+pi
σприм
1/T
3.3.
Токи в полупроводниках.
4
1. Iдиф = Iдифp + Iдифn – определяется разной концентрацией
2. Iдр = Iдрp + Iдрn
3. I = Iдиф + Iдр = 0
4.
p-n-переход.
4.1.
Строение p-n-перехода.
Iдиф
p
n
- основные носители заряда
заряда
неосновные
носители
+, - - неподвижные, ионы
I др
Ек
Iдиф + Iдр = 0
1.
За счет разной концентрации основных зарядов возникает диффузионный ток дырок из
области p и электронов из области n.
2.
В контактной области эти заряды рекомбинируют друг с другом, из-за чего их
концентрация становиться меньшей, т.е. образуется область, обедненная подвижными зарядами,
образуется p-n-переход.
3.
Из-за этого в этой области обнаруживается заряд неподвижных ионов примеси, т.е.
создается объемный заряд (в самом полупроводнике сам заряд не обнаруживается, так как в условии
электрической нейтральности он компенсировался подвижными зарядами). К этому заряду частично
добавляется заряд от перешедших основных зарядов, которые не сразу рекомбинируют, а некоторое
время живут (τср – среднее время жизни).
4.
Этот заряд образует контактную разность потенциалов φк = φ+ - φ- , а следовательно
образуется электрическое поле Ек.
5.
Эти объемные заряды называются потенциальным барьером, который препятствует
диффузионному току - Iдиф; за счет образовавшегося поля Ек создается дрейфовый ток – ток
неосновных носителей заряда - Iдр.
6.
Полный ток через p-n-переход будет определяться I = Iдиф + Iдр = 0.
4.2.
p-n-переход при прямом напряжении
(«+» прикладывается к p-области, а «-» к n-области).
5
Iдиф
p
n
Iдр
Ек
Евн
Uпр
За счет прямого напряжения - Uпр создается электрическое поле Евн, направленное на встречу
Ек, т.е. суммарное поле уменьшается, за счет этого:
а) объемный заряд на p-n-переходе уменьшается;
б) p-n-переход становиться уже, так как нужно меньше объема полупроводника с
неподвижными ионами примеси, которые образуют этот объемный заряд;
в) диффузионный ток возрастает значительно, так как это ток основных носителей, которых
полно (сопротивление перехода низкое);
г) дрейфовый ток уменьшается Ipn = Iдиф↑ + Iдр↓ ≈ I = Iдиф;
д) пополнение подвижных зарядов осуществляется от источника прямого напряжения.
4.3.
p-n-переход при обратном напряжении
(«+» прикладывается к n-области, а «-» к p-области).
За счет обратного напряжения - Uобр создается электрическое поле Евн, совпадающее с Ек, т.е.
суммарное поле увеличивается, за счет этого:
а) это соответствует увеличению объемного заряда в p-n-переходе, а следовательно контактной
разности потенциалов;
б) возрастает тормозящее поле для диффузионного тока, т.е. Iдиф уменьшается;
в) увеличивается дрейфовый ток, но так как это ток неосновных носителей, которых мало, то
ток увеличивается незначительно, он соответствует тепловому току I0, т.е. сопротивление p-nперехода большое (I0 сильно зависит от температуры полупроводника) Ipn = Iдиф↓ + Iдр↑ ≈ Iдр ≈ I0.
4.4.
Вольтамперная характеристика p-n-перехода (ВАХ).
1.
Теоретическая характеристика.
𝑞𝑈
𝐼 = 𝐼0 (exp ( ) − 1),
𝑘𝑇
где:
q – Заряд электрона;
U – Положительное напряжение (с «+» прямое, с «-» обратное)
k – Постоянная Больцмана;
Т – Температура
6
Iпр
I0
Uобр
Uпр
Iобр
2.
Реальная характеристика отличается от теоретической:
а) при прямом напряжении - временными процессами рекомбинации основных зарядов из-за
чего прямая ветвь идет несколько круче;
б) при обратном напряжении – наличием пробоев перехода.
Iпр
10
7
Uобр
Uпр
А
10
В
Iобр
С
15
Пробой возникает, когда сопротивление резко уменьшается.
АВ – электрический пробой – обратимый
ВС – тепловой пробой – необратимый
𝑟дифВС =
4.5.
1.
∆𝑈
∆𝐼
=
7−10
15−10
=−
3
5
Виды пробоев p-n-перехода.
Электрические пробои (обратимые) бывают:
7
а) Туннельные пробои возникают на узких p-n-переходах, когда они созданы при высокой
𝑈
концентрации примеси, на которой образуются большие электрические поля 𝐸 =
и процесс
𝑟
туннелирования, при котором за счет сильного поля происходит вырывание валентных электронов
из самого полупроводника, т.е. образуется большое количество зарядов и сопротивление падает.
б) Лавинный пробой возникает на широких p-n-переходах, когда электроны проходят большое
расстояние до столкновения и развивают большие скорости, за счет которых они могут выбить
валентные электроны, этот процесс происходит лавинообразно.
2.
Тепловой пробой (необратимый) – «обугливание прибора».
4.6.
Эквивалентная схема p-n-перехода.
Сопротивление
показывает
изменение
сопротивления перехода при различных напряжениях.
R
Сбар
Сдиф
Вольт- фарадная характеристика
d
C~
1
1
=
𝑑 √𝑈
Диффузионная емкость при прямом напряжении. За счет диффундированных основных зарядов
и средней времени жизни (сопротивление перехода низкое).
Барьерная емкость при обратно напряжении. Характеризует объемный заряд на переходе,
причем рассматриваем ее как емкость с обкладками конденсатора и, учитывая, что p-n-переход
расширяется при увеличении обратного напряжения
1
1
𝑑
𝑑
Uобр для C ~ , d~√𝑈обр , то C ~
=
1
√𝑈
.
8
Барьерная емкость используется как переменная емкость в специальных приборах – варикапах.
Типы приборов на основе p-n-перехода.
4.7.
а) Диоды – для преобразования сигналов переменного тока – выпрямление, преобразование
сигналов при модуляции и демодуляции (диоды с точечной конструкцией).
Основные характеристики для выпрямительных и СВЧ диодов.
(
1.
2.
p
n
(
I
(
(
Iпр max
Uобр max(доп)
U
0.7
б) Стабилитроны.
1.
𝑈ст =
2.
∆𝐼ст
𝑈ст 𝑚𝑎𝑥 +𝑈ст 𝑚𝑖𝑛
I
2
Uобр
Uст min Uст max
А
В
Uпр
Iст min
Iст max
Пример работы параметрического стабилизатора напряжения.
Rбалансное
Uвх нестаб.
I
VD
Uвых ст
9
𝑈вх = 𝐼𝑅𝑉𝐷 =
𝑈вх нестаб. 𝑅𝑉𝐷
= 𝑈𝑅б + 𝑈𝑉𝐷
𝑅б + 𝑅𝑉𝐷
При возрастании постоянного входного напряжения ток через диод увеличивается (АВ), а
напряжение меняется мало – оно стабилизировано. Излишки падают на Rб (𝑈𝑅б = 𝐼𝑅б ).
в) Варикапы (варьированная емкость).
Работает на барьерной емкости
p
C
n
U
Основные характеристики: Cmax, Cmin, Umin, Umax.
Cp
L
𝑋𝐶𝑝 =
VD
R
Eп
1
𝜔∗𝐶𝑝
Величина VD меняется с помощью R и Еn.
Ср – разделительный конденсатор. Он разделяет, т.е. пропускает сигналы переменного тока и не
пропускает постоянный ток. Постоянный ток регулировки варикапа не попадает в индуктивность.
Варианты аппроксимации вольтамперных характеристик для рассмотренных выше
диодов подробно определяются на лабораторных занятиях.
4.8.
Другие типы диодов, динистор и тиристор (см. пункт 6.6.).
4.9.
Импульсные диоды.
Импульсный диод имеет малую длительность переходных процессов, т.е. может быстро
открываться и закрываться.
а) Участок времени (t1, t2) – диод открыт от прямого напряжения. При этом в области p-nперехода сохраняется много нерекомбинированных носителей заряда (среднее время жизни), (Cдиф).
б) Когда прикладывается обратное напряжение, образуется обратный ток за счет возвращения
нерекомбинированных указанных зарядов – участок (t2, t3). Обратный ток практически постоянен.
Определяется объемным сопротивлением полупроводника.
в) (t3, t4) – постепенно все заряды возвращаются назад, ток прекращается.
10
г) (t2, t4) – время восстановления обратного сопротивления диода. Для импульсных диодов этот
интервал должен быть минимизирован.
д) Нужно уменьшить диффузионную емкость, чтобы
время жизни перешедших зарядов было меньше. Это
достигается путем легирования (создания примеси) этих
полупроводников медью или золотом. Т.е. создаются как бы
«ловушки», которые захватывают электроны и дырки в себя,
где они рекомбинируются. Диффузионную емкость можно
еще уменьшить за счет уменьшения размеров p-n-перехода.
е) Уменьшение объемного сопротивления.
t3 ÷ t4 = tвосстановления
tвосст. = 0,1 ÷ 10 мкс = 1 МГц
Для сверхбыстрых импульсных диодов tвосст. << 0,1 мкс
4.10.
Диод Шоттки.
Это полупроводниковый диод, выпрямительное свойство которого основано на воздействии металлполупроводник (обедненного подвижными зарядами). Обычно они обладают высоким
быстродействием и применяются в СВЧ технике, типа выпрямление, преобразование сигналов.
Могут быть и силовыми диодами. В основном изготавливаются из кремния и могут выдерживать
А
А
Силовые линии
Полупроводник
n
К
11
токи до 100 А.
С увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля и
при полях около 300 кВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно-дырочных пар, их
лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока p-n-перехода. В
простых диодах силовые линии сгущаются у краев контакта металл-полупроводник из-за чего
возрастает полевой эффект на краях. Это вызывает лавинный пробой в этих краях при достаточно
низком напряжении (1 В). Поэтому для ослабления краевого поля и повышения напряжения была
предложена структура с «охранным» p-n-переходом.
При больших токах p-n-переход сам начинает работать, инжектируя неосновные носители
заряда – дырки в n-область. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок и
дополнительно с увеличенной емкостью перехода, ухудшается быстродействие. Эти явления связаны
с барьерной емкостью p-n-перехода. Она нелинейно зависит от напряжения на переходе. Барьерная
емкость сильно возрастает при прямом напряжении и уменьшается при обратном. В конструкции с
«охранным» p-n-переходом влияние барьерной емкости соизмеримо с емкостью барьера Шоттки.
Сопоставляя характеристики диода Шоттки с обычным диодом можно сделать следующие выводы:
Сравнивая прямые ветви, видим, что характеристики диода Шоттки идут круче при меньших
напряжениях на нем. Поэтому на нем будет меньше рассеиваться мощность (меньше охлаждающих
генераторов), а также улучшаются высокочастотные свойства.
12
4.11.
Преобразовательные диоды.
Это диоды с хорошей односторонней проводимостью и линейно-квадратичной ВАХ.
𝐼 = 𝑘 ∙ 𝑈2
(𝑈𝑐1 = 𝑈𝑚1 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜔1 𝑡 + 𝑈𝑐2 = 𝑈𝑚2 ∙ 𝑠𝑖𝑛𝜔2 𝑡)2 = 𝜔1 + 𝜔2 ; 𝜔1 − 𝜔2
X
4.12.
Туннельный диод.
p-n-переход делается из вырожденных полупроводников, то есть с очень большой
концентрацией примеси, такой, что уровень Ферми находится в зоне проводимости и в валентной
зоне, т.е. проходит значительное искривление энергетических зон.
13
а) Приложим прямое напряжение
𝑈𝑝𝑛 = ∆𝜑𝑘 − 𝑈пр
Искривление зон уменьшается, но эффект сбалансированного перехода и рекомбинации
зарядов, т.е. сохраняется туннельный эффект.
В точке А перекрытие валентной зоны (ВЗ) в p-полупроводнике и
зоны проводимости в n-полупроводнике перестает быть, сопротивление
возрастает, ток уменьшается – участок АС. При дальнейшем
увеличении Uпр p-n-переход ведет себя обычным образом – участок CD.
б) При Uобр искривление зон увеличивается, туннельный эффект
сохраняется – участок OE.
𝑈𝑝𝑛 = ∆𝜑𝑘 + 𝑈обр
𝑟∑ = 𝑟потерь + 𝑟диф → 0
14
Видно, что данный прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.
4.13.
Однопереходный
транзистор.
С помощью базового тока (на выходе n-канала) Iб1,б2=Iб можно управлять током на входе, т.е.
Iэб1=Iэ
а) Если нет Iб, то характеристика тока будет:
б) Upn = Uэб1 – Uб1 для Uэб1 < Uб1, Upn = Uобр
15
Если создать ток Iб, то в нижней части создается падение напряжения
Uэб1 = IбRб1 и к p-n-переходу будет приложено обратное напряжение, естественно переход
закрыт. Увеличивая Uэб1 > Uб1, переход оказывается под прямым напряжением, открывается (точка
А) и ток возрастает.
Применение: как переключающее управляемое устройство, а также как усилительное
устройство
5.
∆𝐼б
∆𝐼э
> 1. На участке АВ отрицательное дифференциальное сопротивление.
Биполярные транзисторы.
Биполярный – двуполярный.
Ток протекает через поупроводник двух проводимостей. Работа основана на взаимодействии
двух p-n-переходов.
16
Схема p-n-p-транзистора с общей базой.
5.1.
Условиями нормальной работы транзистора являются:
- узкая слабо насыщенная подвижными зарядами база;
- к эмиттерному переходу (ЭП) прикладываем прямое напряжение, а к коллекторному переходу
(КП) – обратное.
1.
Под действием прямого напряжения на эмиттерном переходе возникает диффузионный
ток основных носителей заряда. Этот ток будет состоять из тока дырок (из эмиттера в базу) и
электронов (из базы в эмиттер). Но ток подвижных зарядов в эмиттере больше, чем в базе, то ток
будет определяться током из эмиттера в базу. Такой процесс называется инжекцией (впрыскивание);
область, откуда инжектируются носители, называется эмиттером (Э), а область куда инжектируются
– базой (Б). Этот процесс характеризуется коэффициентом инжекции. Он показывает, какую долю в
токе через ЭП составляет ток эмиттера.
𝛾=
Iэp
Iэn
=
Iэp
Iэp +Iэp
→ 1(< 1)
Iэ – полный ток через ЭП
Iэp – ток дырок из Э в Б
Iэn – ток электронов из Б в Э
2.
В Б перешедшие из Э дырки рекомбинируют с ее электронами, образуя ток базы очень
маленький, так как мало электронов и она узкая, поэтому основная масса доходит (переносится) до
КП, этот процесс характеризуется коэффициентом переноса.
𝜈=
𝐼𝑝кп
𝐼э𝑝
→ 1(< 1)
Iб = Iэ - Iк
Iк = α* Iэ
Iб = Iэ -2 Iэ = Iэ (1-α)
Базовый ток – это ток восполнения количества электронов в базе от источника Uэб по условию
электрической нейтральности.
3.
Так как к КП приложено обратное напряжение, то оно является ускоряющим
(захватывающим) полем для дырок, дошедших до него. Эти дырки захватывают КП и подаются в
коллектор (собиратель). Процесс перехода зарядов из области, где они являются неосновными в
область, где они являются основными, называется экстракцией. Процесс такого перехода
17
характеризуется коэффициентом размножения, который показывает во сколько раз больше дырок
вышло из КП больше числа дырок вошедших в КП.
М=
𝐼𝑝к
𝐼𝑝кп
В обычных транзисторах М=1, в специальных лавинных транзисторах М>>1.
4.
Полный коэффициент передачи тока определяется:
𝐼вых
𝐼к
= 𝛼 = = 𝛾 ∙ 𝜈 ∙ 𝑀 < 1(→ 1)
𝐼вх
𝐼э
𝛼 = 0,9 ÷ 0,999
Видно, что схема не имеет усиления по току, но схема может иметь усиление по напряжению,
так как, если включить сопротивление в цепи коллектора, то падение напряжения на нем может
оказаться больше входного напряжения
𝑘𝑢 =
𝑈вых
𝑈вх
=
𝐼𝑟 ∙𝑅к
𝑈вх
- коэффициент усиления по напряжению
𝐼б = (𝐼э − 𝐼к ) => 𝐼к = 𝛼 ∙ 𝐼э => 𝐼э − 𝛼 ∙ 𝐼э = 𝐼э ∙ (1 − 𝛼)
5.
Схема с общей базой, так как база является общим выходом между входом и выходом.
5.2.
Схема с общим эмиттером.
18
𝑈кп = 𝑈кэ − 𝑈бэ = −12 − (−1) = 11 В
𝐼вых 𝐼к
𝛼 ∙ 𝐼э
𝛼
= =
=
= 𝛽 = (10 ÷ 1000)
𝐼вх
𝐼б (1 − 𝛼) ∙ 𝐼э 1 − 𝛼
𝐼б = (𝐼э − 𝐼к ) => 𝐼к = 𝛼 ∙ 𝐼э => 𝐼э − 𝛼 ∙ 𝐼э = 𝐼э ∙ (1 − 𝛼)
Схема имеет усиление по току. Также имеет усиление по напряжению, поэтому эта схема
находит широкое применение.
5.3.
Схема с общим коллектором.
Для работы транзистора надо создать те же самые условия. Схема имеет усиление по току, но
не имеет усиления по напряжению.
5.3’. Статические характеристики транзистора для схемы с общим эмиттером.
Транзистор можно рассматривать как четырехполюсник.
Входные характеристики:
𝐼вх = 𝐹(𝑈вх ) при Uвых=const
𝐼б = 𝐹(𝑈бэ ) при Uкэ=const
1.
Это характеристика ЭП, включенного для прямого напряжения, поэтому вид характеристики
повторяет прямую ветвь p-n-перехода.
19
Iб
n
Uкэ = 0
К
+
Uкэ ≠ 0
+
Uбэ
p
n
-
Э
-
При Uкэ = 0 характеристика идет круче.
При Uкэ ≠ 0 характеристика идет не из 0, за счет наличия тепловых токов (тепловых процессов)
в КП (см. ниже).
2.
Выходные характеристики:
𝐼вых = 𝐹(𝑈вых ) при Iвх=const
𝐼к = 𝐹(𝑈кэ ) при Iб=const
Uкп = Uкэ − 𝑈бэ
Uкэ = −12 В
Uк = −1 В
Uкп = −12 − (−1) = −11 В
I - режим или область отсечки токов,
транзистор закрыт.
II - режим насыщения.
Uкп = −0,5 − (−1) = 0,5 В
(тепловой ток)
На КП создается прямое
напряжение, и ток в базу попадает и из эмиттера и из коллектора. База насыщается зарядами, и ток
перестает расти.
III - активный (усилительный) режим.
IV - область электрического пробоя (лавинного).
5.4.
Тепловой неуправляемый ток (через КП).
а) Схема с общей базой.
20
На самом деле в выходе базы будет два состояния тока
𝐼б = 𝐼бупр − 𝐼кбо
Iбу – управляемый ток;
Iдр – ток неосновных носителей заряда
𝐼б = 𝐼бу − 𝐼др = 𝐼бу − 𝐼кбо
б) Схема с общим эмиттером.
𝐼𝑘 = 𝛽 ∙ 𝐼б = 𝛽 ∙ (𝐼бу − 𝐼кбо ) = 𝛽 ∙ 𝐼бу − 𝛽 ∙ 𝐼кбо = 𝛽 ∙ 𝐼бу − 𝐼ко
Iко – тепловой неуправляемый ток.
Тепловой ток усиливается в β раз.
Замечание к входной характеристике для
схемы с общим эмиттером.
Uкэ=0
Iб
Uкэ≠0
В точке В => 0 = 𝐼бу − 𝐼кбо
𝐼бу = 𝐼кбо
В точке А => 𝐼бу = 0, 𝐼б = −𝐼кбо
Для широкого интеграла характеристики
спиливаются в одну
5.5.
А
В
0,7
Uбэ
Статические характеристики для схемы с общей базой.
а) Входные характеристики.
𝐼вх = 𝐹(𝑈вх ) при Uвых=const
𝐼э = 𝐹(𝑈эб ) при Uкб=const
Характеристика соответствует прямой ветви p-n-перехода.
21
При Uкб=0 КП не работает.
При Uкб≠0, чем больше это напряжение, тем больше начинает работать КП, поэтому
характеристики идут круче.
I – режим отсечки токов, так как оба p-n-перехода
оказываются при обратном напряжении.
II – режим насыщения, так как оба p-n-перехода
оказываются при прямом напряжении.
Iэ
I
10
5
Uкб=0
III
II
III – активный режим.
Uэб
б) Выходные характеристики.
𝐼вых = 𝐹(𝑈вых ) при Iвх=const
𝐼к = 𝐹(𝑈кэ ) при Iэ=const
Эти характеристики отражают работу транзистора при Uкэ – обратное, поэтому их вид
соответствует обратной ветви p-n-перехода.
При Iэ>0 в базу инжектируются дырки и ток через КП возрастает, но вид характеристики
сохраняется.
При Uкб=0 и Iэ>0 ток Iк через транзистор – есть, так как на КП есть собственная контактная
разность потенциалов, за счет которой дырки переходят в коллектор. Чтобы ток свести к нулю надо
Uкб сделать прямым. Дырки из коллектора будут переходить в базу.
I – режим отсечки
II – режим насыщения
III – активная область
IV – лавинный пробой
5.6.
Работа транзистора с общим эмиттером с активным сопротивлением нагрузки.
(сопротивление в цепи коллектора Rк)
Рассмотрим квазистатический режим, когда токи и
напряжения меняются медленно, не учитываются свойства.
Рассмотрим выходную цепь.
Нагрузочная характеристика и рабочая точка (режим по
постоянному току).
𝐼к ≅ 𝛽 ∙ 𝐼б
22
Ек = 𝑈кэ + 𝑈𝑅к = 𝑈кэ + 𝐼к ∙ 𝑅к - уравнение нагрузочной характеристики
𝐼к =
𝐸к − 𝑈кэ
𝑅к
График можно построить по двум точкам.
𝐼к = 0, 𝑈кэ = Ек
Е
𝑈кэ = 0, 𝐼к = к
𝑅к
Rк
Точка пересечения нагрузочной прямой с заданной статической характеристикой (для
заданного тока базы)
𝐼б0 = 𝐼б= – это графическое решение системы
уравнений.
Входная нагрузочная характеристика и рабочая
точка.
Этой характеристикой можно считать Uкэ≠0,
так как для широкого интервала значений
Uкэ эта характеристика сливается в одну кривую.
5.7.
Iб0=Iб=
Временные диаграммы усиления сигналов.
Зададим режим по постоянному току на входном
напряжении с помощью Iбэ или Iб0.
Uбэ0=Uбэ=
23
Можно создать режим по постоянному току на входе не с помощью специального
источника, а используя источник сигнала.
Ср – разделительный конденсатор, который не пропускает постоянный ток в источник сигнала.
24
Пульсирующий сигнал
Видно, что Uкэ изменяется в
противофазе с входным
сигналом
и
выходным
током.
25
Ток и напряжение на выходе в противофазе по сравнению с входным
𝑈бэ𝑚𝑎𝑥 − 𝑈бэ𝑚𝑖𝑛 0.9 − 0.7
=
= 0.1 В
2
2
𝐼б𝑚 = 25 мкА
𝐼к𝑚𝑎𝑥 − 𝐼к𝑚𝑖𝑛 0.75 − 0.25
𝐼к𝑚 =
=
= 0.25 мА
2
2
𝑈кэ𝑚𝑎𝑥 − 𝑈кэ𝑚𝑖𝑛 9 − 4
𝑈кэ𝑚 =
=
= 2.5 В
2
2
𝑈бэ𝑚 =
Из-за того, что переменные составляющие токов и напряжений искажены, поэтому определяем
амплитуды их как среднее арифметическое между максимальным и минимальным значениями.
ki~ - коэффициент усиления по току
𝑘𝑖~ =
𝐼вых
=
𝐼вх
𝐼к𝑚
𝐼б𝑚
=
0.25∙10−3
25∙10−6
= 10
ku~ - коэффициент усиления по напряжению
𝑘𝑢~ =
𝑈вых
𝑈вх
=
𝑈кэ𝑚
𝑈бэ𝑚
=
2.5
= 25
0.1
kp~ - коэффициент усиления по мощности
𝑘𝑝~ = 𝑘𝑢~ ∙ 𝑘𝑖~ = 10 ∙ 25 = 250
Видно, что ki и ku >> 1.
Uкэ в противофазе с входным сигналом (Uбэ, Iб) и Iк.
Другие параметры схемы:
Входное сопротивление
𝑅вх~ =
𝑈бэ𝑚
𝐼б𝑚
=
0.1
25∙10−6
= 4000 Ом
Мощность, выделяемая сопротивлением нагрузки
𝑅н = 5000 Ом
𝑃𝑅н~ =
𝐼к𝑚 2 ∙𝑅н
2
=
(0.25∙10−3 )2 ∙5000
2
= 156.26 ∙ 10−6 Вт
Мощность рассеивания на коллекторе
𝑃0𝑘 = 𝑃𝑘= = 𝐼𝑘0 ∙ 𝑈𝑘э0 = 𝐼𝑘= ∙ 𝑈𝑘э=
5.8.
Характеристические (дифференциальные, мало сигнальные) параметры транзисторов.
При подаче на вход транзистора очень малых сигналов переменного тока, его можно
рассматривать как линейный (неискажающий форму сигнала) активный (усиливающий)
четырехполюсник.
Существуют следующие системы параметров:
Y - В виде проводимостей
Z - Параметры сопротивлений
H - Комбинированная система параметров, состоит из y и z параметров
Для сигналов сравнительно низких частот будем считать, что H –
параметры чисто активные величины.
26
H≈h
𝑈вх = ℎ11 ∙ 𝐼вх + ℎ12 ∙ 𝑈вых
{
𝐼вых = ℎ21 ∙ 𝐼вх + ℎ22 ∙ 𝑈вых
дифференциальное уравнение для четырехполюсника
– входное сопротивление (короткое замыкание по переменному току
на выходе)
ℎ12 =
𝜕𝑈вх
|
𝜕𝑈вых 𝐼 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
вх
–
коэффициент обратной связи (холостой ход на входе)
– коэффициент передачи по току (короткое замыкание по
переменному току на выходе) (≈α; ≈β)
ℎ22 =
𝜕𝐼вых
|
𝜕𝑈вых 𝐼 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
вх
– выходная проводимость (холостой ход на входе)
Для этих параметров можно составить эквивалентную схему.
h11 – входное сопротивление
ℎ12 ∙ 𝑈вых отражает влияние выходного
напряжения на вход транзистора, определяется
h12.
Генератор тока на выходе 𝐼вх ∙ ℎ21
отражает усиленный выходной ток, который
характеризуется h21.
h22 – выходная проводимость
Эквивалентная схема
5.9.
Определение h-параметров по статическим хара-кам (для схемы с общим эмиттером).
а) по входным характеристикам:
ℎ11 =
АС
СВ
𝜕𝑈вх
|
𝜕𝐼вх 𝑈 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡≠0
вых
=
∆𝑈бэ
|
∆𝐼вх 𝑈 =𝑈 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
кэ
кэ0
=
[Ом]
ℎ12 =
∆𝑈бэ
𝑈′′кэ −𝑈′кэ
𝜕𝑈вх
|
𝜕𝑈вых 𝐼 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
вх
=
∆𝑈бэ
|
∆𝑈кэ 𝐼 =𝐼 =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
б б0
=
[раз]
б) по выходным характеристикам:
27
5.10.
Пересчет h-параметров для схемы с общим эмиттером к h-параметрам для схемы с
общей базой. Их типовые значения.
ℎ11б =
ℎ12б =
ℎ11э
1+ℎ21э
ℎ11э ∙ℎ22э
1+ℎ21э
ℎ21э
ℎ21б = −
ℎ22б =
− ℎ12э
1+ℎ21э
≡>
𝛽
1+𝛽
=𝛼
ℎ22э
1+ℎ21э
Типовые значения h-параметров:
- для схемы с общим эмиттером:
ℎ11э = 1500 [Ом]
ℎ12э = 10−3 ÷ 10−4 [раз]
ℎ21э = 10 ÷ 1000 [раз]
ℎ22э = 20 ÷ 50 ∙ 10−6 [См]
- для схемы с общей базой:
ℎ11б = 30 ÷ 300 [Ом]
ℎ12б = 10−4 [раз]
ℎ21б = 0.9 ÷ 0.999 [раз]
ℎ22б = 10−6 [См]
28
5.11.
Определение рабочих параметров через h-параметры, когда транзистор нагружен
активным сопротивлением.
Для слабых сигналов можно определить следующее:
а) коэффициент усиления по току
- коэффициент усиления по току
ℎ22э ∙ 𝑅н ≪ 1
- коэффициент усиления по
напряжению
без
учета
сопротивления
источника
сигнала
ℎ22э <
1
→ ℎ12э ∙ ℎ21э ≪ ℎ11э ∙ 𝑅н
𝑅н
- коэффициент усиления по мощности
𝑅вх ≈ ℎ11э
𝑘𝑖 = ℎ21э
𝑘𝑢 =
5.12.
ℎ21э ∙𝑅н
ℎ11э
Физическая эквивалентная схема БПТ и их частотные свойства.
Физическая эквивалентная схема отражает физические процессы, протекающие в транзисторе
при прохождении в нём переменных токов.
а) Простейшая Т-образная физическая эквивалентная схема (для схемы с ОБ).
Б’
29
rБ - объёмное сопротивление базы (его надо учитывать, т.к. база делается с небольшой
концентрацией примесей.
rЭП - сопротивление эмиттерного перехода.
rКП - сопротивление коллекторного перехода.
Генератор тока I Э отражает передаточные характеристики тока.
Элементы, влияющие на частотные свойства транзистора (реактивности) – C ДИФ (для ЭП) и
C БАР (для КП).
Достоинство схемы в том, что она проста.
б) Поведение транзистора с сигналами высоких частот и эквивалентная схема.
Рассмотрим зависимость коэффициентов усиления по току от частоты усиливаемых сигналов.
100
f ПР.Э - предельная частота
транзистора, на которой
h21Э уменьшается в
2
раз.
f ГР.Э - граничная частота,
на которой h21Э = 1.
Аналогично f ПР. Б - предельная частота для схемы с ОБ.
5.13. Объяснение более высокочастотных свойств для схемы с ОБ.
Спр – проходная ёмкость
Спр об < Спр оэ
С общей базой
30
С общим эмиттером
C ПРОХ - емкость между входом и выходом. Желательно, чтобы она была меньше, поскольку
сигнал со входа на выход может сразу попадать на неё и не управлять токами в транзисторе. В схеме с
ОБ
C ПР.Б
C ЭП C КП
< 1, C ПР.ОЭ C КП .
C ЭП C КП
Для описания частотных свойств транзистора была предложения физическая эквивалентная
схема Джиколетто.
rБ - объёмное сопротивление базы (так как
база делается с небольшой примесью).
31
Точка Б/, от которой учитывается чисто явление в эмиттерном и коллекторном переходе.
rБ 'Э - сопротивление ЭП (чистое).
U БЭ
rКЭ - эквивалентное сопротивление между коллектором и эмиттером.
C К 1 - ёмкость КП (барьерная ёмкость).
C К 2 - ёмкость, определяющая изменение ширины базы.
C К C К1 C К 2
С Б 'Э - ёмкость ЭП.
S П - крутизна транзистора по ЭП (мА/В), характеризует как сильно влияет входное напряжение
на выходной ток i К (см. далее полевой транзистор).
С помощью этой эквивалентной схемы можно определить входное и выходное реактивное
(комплексное) сопротивление и коэффициент усиления на заданной частоте.
Феномен транзисторного звучания
Iк
Uбэ
5.14. Расчёт характеристик этой схемы.
CК
23
СК 1
К rБ С К 1 - постоянная времени цепи обратной связи.
h21 - коэффициент усиления по току на частоте f.
Решение:
C
1. C К 1 К , C К C К1 C К 2
2. С К 2 ?
С К 2 С К С К1
3. rБ
К
С К1
4. rБ 'Э = h11 rБ
32
5. rКЭ = R ВЫХ
1
h22
6. S П 40 [1/В] I K (мА)
7. С Б 'Э
SП
Т
, где
Т - граничная частота.
Т 2 f Т 2 f ( )
Определим с помощью этой схемы входные и выходные сопротивления.
Считаем, что на выходе кз по переменному току (это правда, так как там включается следующий
транзистор, входное сопротивление которого низкое).
Аналогично можем построить эквивалентную схему на выходе. Эту схему можно рассчитать,
считая на входе эквивалентной схемы режим хх, так как считаем, что сигнал подаётся с такого же
транзистора, то есть по схеме с ОЭ, сопротивление которого высокое.
5.15. Работа транзистора в ключевом (импульсном) режиме.
Схема НЕ(инвертор):
IК IБ
𝛽 ≈ ℎ21 = 10 … 1000
33
Если на вход не подавать напряжение и нет
тока i Б , то на выходе i К практически не будет, то
есть транзистор закрыт и поэтому на выходе
U ВЫХ E К .
Если на вход подать большое напряжение
(создать большой i Б ), чтобы в транзисторе
протекал большой ток i К , то есть транзистор
сильно открылся (шунтирует (закорачивает)) и
U ВЫХ 0 . То есть транзистор работает
аналогично ключу (переключаемому ключу).
- сопротивление, ограничивающее
большой ток на входе, чтобы предотвратить выход
из строя ЭП транзистора.
RБ
5.16. Расчёт электронного ключа.
I Б .ВКЛ . (2 3) I ' Б
1.Строится нагрузочная характеристика.
2.Если на входе 0 (нет напряжения и i Б =0),
транзистор находится в режиме отсечки.
При этом U КЭ U КЭ.ВЫКЛ . Е К .
I К I К 0 - тепловой ток.
3.Когда на вход транзистора подаётся
большое напряжение, создается большой ток
I Б I 'Б .
Транзистор открывается и переходит в режим
насыщения – точка Б. При этом ток i К i К .ВЫКЛ . ,
а U КЭ
Uкэ.вкл.≈0,1 В
U КЭ.ВКЛ .
Замечания.
Чтобы транзистор с запасом открывался до
режима насыщения, обычно базовый ток должен
быть I Б .ВКЛ . (2 3) I ' Б .
34
6. Полевые (униполярные) транзисторы.
Принцип работы во многом аналогичен лампам. Запущен в 1952 г. Называют полевыми, так как
используется эффект влияния электрического поля в полупроводнике. Униполярный, так как ток
протекает в полупроводнике одного типа проводимости.
6.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом.
а) Физика работы.
IC
U СИ
RK
Если приложить к n-p переходу обратное
напряжение, то создаётся сам p-n переход (область
обедненная подвижными носителями зарядов). То есть, она
уменьшает токопроводящую часть канала (пластины).
Следовательно меняется сопротивление канала и
уменьшается I И .
Вывод: с помощью
выходе.
U ЗИ
можно регулировать ток на
Нарисуем проходную характеристику.
10мА
I ВЫХ F (U ВХ ) | U ВЫХ const
I C F (U ЗИ ) | U СИ const
2В
Выходные статические характеристики:
C
I ВЫХ F (U ВЫХ ) | U ВХ const
I C F (U СИ ) | U ЗИ const
U
I C СИ
RК
Участок (0;А) – канал ведёт себя как обычный
резистор.
В точке А из-за распределения потенциала по
каналу (длине канала) в области стока создается
большое обратное напряжение, которое и создает p-n
переход, вытянутый к стоку.
A
Uзи =0 В
B
Uзи =0,5 В
Uзи =1 В
Uси
0
35
В точке А и на участке АВ увеличение U СИ вызывает
пропорциональное сужение токопроводящей части канала. Поэтому
ток не возрастает.
На участке ВС происходит электрический пробой p-n
перехода. При U ЗИ 0 указанные процессы наступают при
меньших значениях I C . Участок А0 – транзистор ведет себя как
линейное сопротивление, величину которого можно менять с
помощью U ЗИ /
6.1.1 Основные параметры транзистора.
а) Входное сопротивление очень высокое! Исчисляется мегаомами, так как при обратном напряжении на
p-n переходе.(сотни – тысячи кОм)
б) Проходная характеристика оценивается её крутизной – ВАХ.
S (4 10) мА/В.
S
I C
мА/В.
U ЗИ
Если
в
цепи
стока
включено
сопротивление, то коэффициент усиления по
напряжению:
KU
U ВЫХ ~
S RC
U ВХ ~
В
ыходны
е
характе
ристики
аналоги
чны.
Недостаток транзистора с управляющим p-n переходом: большая проходная ёмкость
C ПРОХ . С ПРОХ СС , поэтому транзистор может работать с сигналами не очень высоких частот.
6.2. МДП полевые транзисторы.
Они лишены указанного выше недостатка.
36
Если приложить + к истоку, - к стоку, то тока в подложке не будет, так как там 2 встречных
«включенных» p-n перехода.
За счёт приложенного напряжения U ЗИ , создается электрическое поле, за счет которого создается слой
дырочной проводимости. Индуцируется (создается) канал. Его стокозатворная характеристика:
Металлическая плёнка затвора должна чётко
совпадать с краями областей (р+). Если затвор будет
меньше, то канал будет плохо индуцироваться.
Выходные статические характеристики.
37
Ic
C
A
B
Uзи =1,5 В
Uзи =1,0 В
Uзи =0,5 В
Uси
0
При увеличении
U ЗИ
канал обогащается подвижными зарядами, а при уменьшении обедняется.
6.2.1. Транзистор с индуцированным каналом.
Стокозатворная характеристика:
Основная характеристика –
крутизна стокозатворно характеристики
6.3. МДП транзистор со встроенным
каналом.
3 (-)
И
З(-)
р+
р-канал
С
р+
Si
n
П
38
Здесь встроен канал и с помощью U ЗИ можно или обогащать
(к затвору подается минус)
или обеднять
(к затвору подается плюс) его.
Удобство для создания режима по постоянному току
– это наличие тока в точке 0 на этой характеристике, то
есть не нужно делать дополнительного питания для
создания рабочей точки. Такие транзисторы полезны для
усиления сигналов переменного тока.
Ic
рабочая точка
0
Uзи
0
6.4. Другие МДП транзисторы (многоэлектродные транзисторы).
По аналогии с ламповыми, с экранирующими сетками.
И
З(-)
З(-)
р+
р-канал
р+
С
р+
C ПРОХ (
1
1
1 1
)
C1 C 2 C 3
n
П
6.5. Основные соотношения для характеристик полевых транзисторов.
Ic
Для транзистора с управляющим p-n переходом
стокозатворная
характеристика
может
быть
представлена в виде:
I C I C . max (
Теоретическая харка квадратичных
значений Ic=F(Uиз)
U ЗИ U ОТС 2
)
U ЗИ.max U ОТС
Uотс
Imax
0
39
6.6. 4х-слойные переключающие приборы.
Прибор с тремя взаимодействующими p-n переходами.
У – управляющий электрод.
Если нет управляющего электрода, то прибор называется
динистор, если есть – тиристор.
6.6.1. Динистор.
Характеристики динистора
ВАХ динистора. rED
U DE
0
I DE
А – работа при обратном напряжении U ОБР .
Вид характеристики такой же, как для p-n
перехода при обратном напряжении
(через 2 p-n перехода верхнее и нижнее обратное
напряжение).
В – работа динистора при U ПР .
Представим динистор в виде двух взаимодействующих p-n переходов.
40
В этих взаимодействующих транзисторах необходимо учитывать явление
инжекции из эмиттера в базу и экстракции из базы в коллектор.
Параметр - коэффициент передачи тока эмиттера.
Участок ОС – один из p-n переходов закрыт, поэтому ток будет маленьким.
Участок CD – при увеличении
передачи по току.
коллекторный
больших
сопротивление
ED.
EF
транзистора.
переход
),
и
U ПР
увеличивается
- коэффициент
На участке CD
открывается
(при
уменьшается
возрастает ток – участок
α
1
0,9
–
характеристика открытого
Точка
D
напряжением включения
он открывается).
Точка
E
I УДЕРЖ
(током
характеризуется
динистора (при котором
0
Iэ
характеризуется
удержания)
–
минимальный ток, ниже которого динистор отключается.
Также точку E характеризует
U ОТС - остаточное напряжение.
41
6.6.2. Тиристор.
За счёт управляющего электрода можно
управлять током инжекции и, следовательно,
величиной напряжения включения.
Применение:
Могут применяться как включающие устройства. Динистор используется для защиты (предохранитель).
42
2 часть
7. Технологические основы интегральных микросхем (микроэлектроника).
7.1. Основные понятия.
Обеспечение миньютеризации и надежности основано на создании интегральных микросхем.
ИМС – это электрическая схема с очень высокой плотностью упаковки (интеграции). Все
элементы выполнены на одной плате (подложке). Каждая ИС предназначена для выполнения
определенных функции с определенным сигналом (усиление, преобразование (по частоте, форме),
выполнение логических функций).
Элементы ИМС делятся на активные (которые могут усиливать – транзисторы, диоды,
тиристоры и др.) и пассивные (сопротивления, конденсаторы, индуктивности).
Цель ИМС – повышение надежности
7.2 Классификация интегральных микросхем.
а) По степени интеграции.
Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.
11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).
102-103 – 3я степень.
103-104 – 4я степень. (3я и 4я – БИС).
и т.д. 106 - … - СБИС.
б) По типу сигналов и функциональному назначению
Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).
в) По типу подложки.
Бывает активная (из полупроводника, когда все элементы делаются внутри подложки),
плёночная ИС (когда подложки делается из хорошего, хорошо обрабатываемого изолятора), на её
поверхности наносятся (напыляются) плёночные пассивные элементы (RCL). Если требуется
активный элемент, то его берут готовый полупроводниковый, безкорпусной с микровыводами,
которые размещаются на этой подложке. Такая схема называется гибридной.
б) По степени интеграции.
Если число элементов в интегральной схеме составляет 10 штук – 1я степень интеграции.
11-100 штук – 2я степень интеграции (малая степень интеграции).
для цифр.
102-103 – 3я степень (БИС для аналоговых сигналов)
сигналов
4
5
10 -10 – 4я степень. (3я и 4я – БИС).
и т.д. 106 - … - СБИС (сверхбольшие ИС).
в) По типу сигналов и функциональному назначению
Аналоговые и дискретные (в частном случае цифровые).
7.3. Гибридные ИС.
Подложка – хорошо обрабатываемый диэлектрик (ситалл или фотоситалл). (пассивная)
1)
Плёночный резистор.
Полоска резистивной плёнки, заканчивающейся контактами из полупроводников.
43
За основу расчёта взяли удельное поверхностное сопротивление
содержится в одном квадрате).
S [Ом/□]
(сколько Ом
l
R
l
l
l
S [Ом/□].
S
bh
lh h
поперечное сечение
Расчёт размеров осуществляется за счёт коэффициента формы K Ф
Ri
S
,
Ri - сопротивление на схеме.
Пример.
Ri = 10000 Ом.
S 1000 Ом/□.
K Ф 10000 Ом / 1000 Ом/□ = 10□
bmin 0,2 мм
l KФ bmin 10 0,2 2 мм
Если резистор большого номинала, то его делают в форме меандра.
Иногда
используют:
Конденсатор.
2)
С0 [
S
функция меандра
нижняя обкладка конденсатора
пФ
]
мм 2
Ci 100000 пФ
100 мм 2 .
пФ
C0
1000
мм 2
диэлектрик
Если
требуется
в
схеме
конденсаторы и резисторы больших
44
верхняя обкладка конденсатора
номиналов, то их делают выносными (или используются специальные готовые элементы).
3)
Индуктивность.
Плёночные проволоки в виде спирали.
L = 1-100 мкГн.
L 2 103 10 6 6 10 3 Ом – реактивное сопротивление
L 6 10 3
QL
0,5. - добротность.
rn 12 10 3
Для получения нормальной добротности такие индуктивности можно
использовать с очень и сверхбольшими частотами.
L 2 108 10 6 600 [Ом].
600
Q
6000
0 .1
Если в схеме требуются большие индуктивности, то используют специальные электрические схемы –
гираторы, которые имеют (на транзисторах и ёмкостях) индуктивный импеданс (сопротивление), или
делают выносные элементы (глупо).
4) Соединения в соответствии заданной схемы.
Делаются проводниковыми плёнками.
5) Навесные элементы.
Транзисторы □ (1.1 (1.5) Χ 1.1 (1.5) мм) – безкорпусные.
6) Разработка топологии (размещения элементов на подложке).
Элементы расположены равномерно по подложке.
7.3.1. Методы нанесения плёнок и получение заданной конфигурации элементов.
а) Напыления (напыляемое вещество разогревается до испарения и затем осаждается на подложке).
Применяется при тонкоплёночной технологии, где толщина плёнок 1 мкм.
Для получения заданной формы плёночной структуры используются два метода:
1) Метод фотолитографии;
2) Метод контактных бронзовых масок с окнами, через которые напыляется плёнка.
б) Толстоплёночные. Толщина плёнки >1 до 10 мкм.
Изготавливаются путём нанесения паст через специальные трафареты.
Гибридные ИС могут изготавливаться на заводе в виде лаборатории.
Выбор толстоплёночной или тонкоплёночной технологии определяется двумя условиями: величина
тока и мощности схемы, а также диапазон рабочих частот.
2
2
Rк
1
Rб
3
VT
1
Ср
Rб
3
VT
Rэ
4
Rк
Ср
Сэ
Сэ
4
Rэ
4
45
7.4. Полупроводниковые интегральные схемы.
Cр :
Cэ:
диэлектрик
диэлектрик
Подложка является активной (внутри нее помещены элементы)
а) Физико-химические явления в полупроводниках, которые используются в ИС:
- кинетические явления (токи) – диффузионные и дрейфовые токи.
- контактные явления (p-n переход, металл-полупроводник – выводы из полупроводника, контакт
металл-диэлектрик-полупроводник – МДП структуры).
- поверхностные явления на примере МДП (создание, индуцирование каналов в поверхностном слое
МДП транзистора).
б) Классификация полупроводниковых ИС по типу транзисторов:
- биполярные ИС;
- МДП ИС;
- иногда бывают комбинированные.
в) Физико-химические явления создания структур заданного типа
- диффузия, эпитаксия;
- фотолитография;
- промывка, очистка.
7.4.1. ИС на биполярных транзисторах.
а) Подложка (полупроводник) – наиболее часто используют Si. Достоинства:
- ширина запрещенной зоны (ЗЗ) – малые тепловые токи;
- окисел SiO2 является хорошим диэлектриком или изолятором.
б) Биполярный транзистор обычно используется с вертикальной структурой построения, т.к. удобно
осуществлять соединения на поверхности полупроводника. Все элементы этой схемы строятся на
структуре транзистора.
При нагревании
образуется р-область
(чтобы этого избежать
создаем заранее n+)
- низкоомная
область (хорошо
пропускает ток)
- дает изоляцию от
подложки
Быстродействие
транзистора
является
временем
46
КП rКК СКП , где rКК - объёмное сопротивление коллектора,
СКП - ёмкость коллекторного перехода.
1
, r уменьшается.
КП КК
Для этого создаётся n+ слой (хорошо проводящий), скрытый под коллектором. Кроме того n+ область
выполняет функции экрана, изоляции от подложки.
В месте вывода коллектора при соединении металла (алюминия) с полупроводником может
образоваться область с p-проводимостью, то есть может создастся ненужный p-n переход,
сопротивление которого может быть различным и высоким, что не нужно в контакте. Для устранения
этого создаётся n+ при контактной области. Главное – создать структуры транзистора такие, чтобы они
позволили получить требуемые характеристики транзистора. Все остальные элементы строятся на
основе этих структур.
f ~
в) Диод. В качестве диода можно использовать любой из p-n
переходов транзистора, например эмиттерный.
г) Резистор. В качестве резистора можно использовать любую
область (Лучше область базы, т.к. это высокоомная область)
д) Пинч-резистор.
Разброс номинала 100%.
е) Конденсаторы.
В качестве конденсатора можно использовать барьерную ёмкость p-n перехода, но надо учитывать то,
что к нему надо прикладывать обратное напряжение и ёмкости получаются небольшими, исчисляемые
сотнями пФ. Поэтому чаще используют МДП структуры:
Можно взять транзистор, подать обратное напряжение на
эмиттерный переход – конденсатор.
Нижней обкладкой конденсатора является n+ эмиттерная
область с хорошей проводимостью
47
ж) Индуктивности.
Спирали из проводящих плёнок (так же, как и в гибридных ИС), но лучше использовать гираторы, но
еще лучше не использовать индуктивности.
Изоляция элементов подложки.
а) Изоляция p-n переходами.
Создаётся область р.
Акц.
n
+
n
+
n+
n+
n
n
p
Тока нет
n
б) Диэлектрическая изоляция (самая сильная)
n+
p
n+
Каждый элемент
коробочки.
располагается
внутри
диэлектрической
SiO2 – самая хорошая изоляция. Самая плохая изоляция –
резистивная (физическая).
Физическая изоляция.
Воздушная изоляция
Ненужные
части
подложки
вытравливаются,
а
конструкция держится за счёт мощных балочных
выводов. Используется для высокочастотных сигналов.
48
7.4.2. Планарные технологии.
Когда каждая структура элементов создаётся одновременно путём последовательных циклов (т.е.
сначала создаются коллекторные, потом базовые и т.д.), причём все элементы в кристалле
располагаются равномерно (планово), а соединения делаются на поверхности с помощью методов
напыления проводящих плёнок (например, алюминия).
7.4.3. Групповой метод.
Когда на одной пластине (5-7 см) создаются сотни тысяч однотипных ИС, определяются годные ИС
(порядка 20%, т.к. с помощью случайных газо-фазовых методов), затем пластина разрезается
(скрайбируется) на отдельные кристаллы – ИМС, и годные устанавливаются в корпус и т.д.
7.4.4. Методы создания структур в полупроводнике.
Диффузия, эпитаксия, окисление.
Диффузия – перемещение частиц в сторону их меньшей концентрации. Обычно разогревают
диффундируемое вещество до температуры испарения и частицы проникают в полупроводник.
При диффузии концентрация диффундирующих частиц уменьшается.
Можно инвертировать тип проводимости.
Эпитаксия – это направленное
наращивание за счёт кристаллизации
полупроводника (доведенного до
Nдон.
испарения)
на
другой
полупроводник,
когда
Nакц.>Nдон.
кристаллическая структура одного
полупроводника
является
продолжением
кристаллической
структуры другого.
Окисление – это получение слоя
p-n-переход
SiO2.
Во всех ИС используются методы
Nдон.>Nакц.
диффузии и окисления.
В названии типа ИС содержится
способ изготовления и тип изоляции
элементов. Так как при изготовлении
всех
типов
ИС
используется
l
диффузия,
то
это
слово
не
используется. Планарная ИС на БПТ с изоляцией p-n перехода (т.е. для изготовления используется
только диффузия). Планарно-эпитаксиальная биполярная ИС с диэлектрической изоляцией (т.е.
используется и диффузия и эпитаксия).
Nприм.
Nакц.
р
n
n
7.4.5. Полупровдниковые МДП интегральные микросхемы.
Размеры МДП транзисторов меньше чем биполярных транзисторов. Поэтому можно получить
большую степень упаковки (интеграции элементов) в кристалле (в схеме). Эти схемы обладают
меньшим быстродействием, но экономичны в потреблении электроэнергии.
Бывают МДП и КМДП (Комплиментарные МДП – пары транзисторов).
Комплиментарные - транзисторы с разными типами проводимости, но с одинаковыми
характеристиками.
49
Схема «НЕ» (инвертор)
Ic
р-канал
VT1
Вх
Еn
И
3
С
0
р
n
Вых
1
С
VT2
n-канал
3
И
не потребляет
энергии при
работе
- Е питания
-Еп
Uзи
Комплиментарная пара:
Комплиментарная пара – два конденсатора с разными типами каналов, но с одинаковыми
характеристиками
Работа:
Если на входе 0(-), то VT2 закрыт, а VT1 открыт, на выходе будет 1. VT2 закрыт, так как напряжение
на
затворе
VT2
=
0,
VT1
при
этом
открыт,
так
как
UЗИVT1 = 0 – (+EП) = -EП
Если на входе логическая единица, то VT2 открывается и шунтирует выход – на выходе логический
ноль, VT1 закрыт.
То есть в схеме в любых состояниях один из транзисторов закрыт и схема не потребляет тока, поэтому
значительная экономия электроэнергии. Потребление тока возникает только в момент переключения
схемы за счет перезаряда паразитных емкостей.
Структура.
p - канал
p+
n - канал
p+
n+
n+
pпр
n
7.4.6. Критерии выбора гибридной или полупроводниковой технологии.
Преимущества гибридных интегральных схем:
большие мощности сигналов;
СВЧ
Аналоговые схемы.
А в основном всё можно делать на полупроводниковых схемах. Если партия меньше 10000 штук,
то полупроводниковую технологию настраивают напрасно.
7.4.7. Полное название по технологии ИС. (конструкции)
Полупроводниковые или гибридные интегралтные схемы
50
Конкретно для полупроводниковых схем:
1. ПП ИС на биполярных транзисторах с диэлектрической изоляцией элементов.
Биполярные структуры
МДП
Биполярные + МДП
2. МДП ИС.
3. КМДП ИС.
8. Основы аналоговой схемотехники.
8.1. Особенности построения интегральных схем.
Стараются избежать в схемах индуктивностей и емкостей. Транзистор как усилительный элемент
стараются создать с наибольшим коэффициентом усиления. Часто используются составные
транзисторы по схеме Дарлингтона.
Iк
IкVT1
К
VT1
Б
Iб = IбVT1
VT2
IбVT2
Э
Iэ = IэVT2
β1 , β2 =
Iк
Iб
βΣ ≈ β1 х β2
IкVT1 = IбVT1 х β1= Iб х β1
Статистический коэффициент усиления транзистора по току (10/1000)
Классификация биполярных ИС:
По типу изоляции:
- P-n переход
- Диэлектрические
- Физические
- Воздушная
Полупроводниковых ИС:
- На биполярных транзисторах
- С диэлектрической изоляцией
51
8.1.* УПТ (усилители постоянного тока):
Условие построения схем без конденсаторов определило создание УПТ.
Рассмотрим обычный (не УПТ) усилительный RC каскад.
8.2.** Прежде чем рассматривать УПТ, рассмотрим RC-каскад на транзисторе с общим эмиттером.
Без температурной стабилизации
+ЕП−
Rб
Rк
IБ
Ср2
IК0 = β IБ0
Ср1
VT
Еи
Rи
IБ0
≈
вых
UБЭ0
Rн
вх
UБЭ0 0,7
UБЭ
UБЭ0 напряжение, определяющее IБ0 (режим по постоянному току),
создается от EП источника питания через гасящий резистор RБ.
Rк определяет режим по постоянному току в выходной цепи.
СР1 – разделительный конденсатор на входе, он разделяет ( не пропускает) постоянный ток и
пропускает переменный. Он не пропускает постоянный ток (режимный) через источник питания
(сигнала). И сам источник сигнала не шунтирует по постоянному току вход транзистора. Сигнал
1
переменного тока от источника сигнала проходит, так как ХСр =
.
Ср
Ср2 – разделительный конденсатор на выходе. Он не пропускает постоянную составляющую тока IК
(источника питания) в нагрузку, поэтому RН не влияет на режим транзистора по постоянному току.
К
АЧХ
идеальная АЧХ
завал АЧХ за счет
ухудшения
усиления
транзистора на
высоких частотах
КСР
Завал АЧХ за
счет СР
fН
нижняя граница АЧХ
fВ
верхняя граница АЧХ
52
8.2.* Резисторный каскад с температурной стабилизацией
(эмиттерной стабилизацией, стабилизацией тремя резисторами).
Iк
IБ
t = 60 º C
t = 20 º C
t = 60 º C
0
IБ0
t = 20 º C
I’Б0
UКЭ
UБЭ
U’БЭ0
UБЭ0
С изменением температуры статические характеристики транзистора изменяются, из-за чего может
изменяться режим по постоянному току, что может сказаться на качестве усиливаемого сигнала.
Поэтому используют схему с температурной стабилизацией рабочей точки.
+ ЕП −
RК
RБ1
Ср2
UБ0 = URб2 – URЭ
Ср1
VT1
Еи
Rи
UБЭ0
≈
вх
RБ2
RЭ
СЭ
RН
В рабочей точке транзистора напряжению UБ0 сответствует ток IБ0.
URб2 = IД RБ2
IК0 = β IБ0
URэ = IЭ RЭ ≈ IК RЭ так как IЭ = IК + IБ ≈ IК
UБЭ = URб2 – URЭ = URб2 –IК RЭ
При росте температуры растет ток коллектора транзистора, следовательно, растет напряжение на
резисторе
RЭ.
Напряжение
база
эмиттер
в
рабочей
точке
падает
так
как
UБЭ = URб2 –IК RЭ. Из-за падения напряжения на базе транзистора падает и ток базы IБ. Ток коллектора
транзистора прямо пропорционален току его базы (IК = β IБ), следовательно, он падает. То есть
рабочий точка на выходе стабилизировалась.
1. Режим по постоянному току задается с помощью UБЭ;
2. В этой схеме UБЭ0 = URб2 – URЭ = IД RБ2 – IК RЭ, где IД – ток делителя напряжения из резисторов
RБ1 и RБ2;
3. При изменении (увеличении) температуры изменяется (увеличивается) ток коллектора
транзистора IК и падение напряжение на RЭ (URэ = IК RЭ);
4. Изменяется напряжение UБЭ0 = URб2 – (IК RЭ=URэ); уменьшается UБЭ
53
5. По входной характеристике видно, что это ведет к уменьшению тока базы (переход с точки 0 на
точку 0’);
6. Так как IК0 = β IБ0, то IК0 уменьшается, и восстанавливается прежний режим работы на выходе
транзистор.
RЭ
1
СЭ – блокировочный конденсатор по переменному току. ХСэ=
=
100
ωНСЭ
Iк
t
8.3.* Постоянные и переменные составляющие тока в схеме.
Коэффициент усиления через h - параметры.
Упрощенную эквивалентную схему RC – каскада можно представить следующим образом:
К
Б
≈
ЕС
≈
RВХ = h11
усиленный
сигнал
RВЫХ
RН
RИ
Э
+ ЕП −
RК
RБ1
Ср2
Ср1
VT1
Еи
Rи
UБЭ0
≈
вх
RБ2
Rэ
СЭ
RН
Транзистор (коллектор-эмиттер) представляется как генератор усиленного сигнала.
54
а) токи во входной цепи:
1) постоянные:
+ ЕП → RБ1 → RБ2 →
IД идет → - ЕП
IБ0 идет + ЕП → RБ1 → БЭ VT → RЭ→
2) переменные:
→ - ЕП;
IИСТ.СИГ от ЕС → Ср1 → БЭ VT → СЭ→
IИСТ.СИГ от ЕС → Ср1 → RБ2 →
→ RИ → ЕС
→ RИ → ЕС
IИСТ.СИГ от ЕС → Ср1 → RБ1 → ЕП →
→ RИ → ЕС.
по последнему току пояснения:
для переменного тока ЕП является хорошим конденсатором с большой емкостью, поэтому
через него проходит переменная составляющая, это позволяет определить входное
сопротивление по переменному току:
RВХ~ =
RВХVT ║ RБ2 ║ RБ1
где RВХVT = h11
КI
=
h21
U
h21
следовательно КU ВЫХ
заменяя ∆IК, ∆IБ,
RЭКВ .Н
U ВХ
h11 RИ
∆UБЭ Транзистор (К-Э) генератор напряжения усиленного переменного тока сигнала.
b) токи в выходной цепи:
1)КVT (коллектор транзистора) → RК → ЕП →
→ СЭ→ ЭVT (эмиттер транзистора)
КVT (коллектор транзистора) → Ср2 → RН →
→ СЭ→ ЭVT (эмиттер транзистора)
отсюда следует, что RЭКВ.Н = RК ║ RН
2)постоянные токи на выходе:
IК= = IК0 идет
+ ЕП → RК → КVT → ЭVT → RЭ→
→ - ЕП
Схемы без разделительных конденсаторов с гальванической
(непосредственной) связью.
УПТ
+ЕП −
RБ1
RК 1
VT1
RБ2
RЭ 1
Ср
RК 2
RК 3
VT2
VT3
RЭ 2
RЭ 3
RК 4
VT4
RЭ 4
55
UБЭVT2 = UКЭVT1 + URэ1 – URэ2
RБ1, RБ2 соответствует RК1, КЭVT1, RЭ
UБЭ0 для любого каскада это необходимое напряжение (0,7 – 1 В). Поэтому при большом числе
каскадов трудно это сделать (создать небольшое напряжение) в последних каскадах, поэтому перед
ними ставятся схемы сдвига уровня. Поэтому используют схему на VT3, так как на RЭ3 можно создать
маленькое падение напряжения, а следовательно легко получить маленькое UБЭ0 на VT4. Так как RБ1 =
RК + КЭVT2 и RБ2 ≡ RЭ.
8.4. УПТ (усилители постоянного тока 20 Гц – 20 КГц).
В них используется вышерассмотренная схема без конденсаторов.
Их особенности: они могут усиливать сигналы постоянного тока (медленно меняющиеся).
КU
обычный
усилитель
УПТ
f
fН
fВ
+ ЕП −
Схема УПТ.
R1д.вх
RБ1
ЕС
≈
R11д.вх
RБ2
RК 1
VT1
RЭ 1
RК 2
VT2
RЭ 2
RК 3
VT3
RЭ 3
RК 4
VT4
RЭ 4
R1д.вых
RН
R11д.вых
φ1 – φ2 = 0
Особенность:
Если UВХ = 0, то на выходе UВЫХ = UК =например≈ 5 В. Чтобы получить UВЫХ = 0 на выходе
включается делитель R1д.вых и R11д.вых с выходным напряжением равным UК, тогда
φ1 – φ2 = 0, на выходе 0. Аналогично делается и на входе. Чтобы источник сигнала Е С подключался к
нулевому потенциалу («входу»). φ11 – φ21 = 0
Недостаток:
Дрейф нуля.
56
Быстрые изменения обусловлены, например, случайными изменениями напряжения источника
питания, из-за чего изменяются режимы работы транзисторов в схеме, и на выходе сигнал становится
не равным нулю.
Медленные изменения обусловлены старением элементов.
8.5. Дифференциальный усилитель.
В нем устранены вышеуказанные недостатки.
(В этой схеме не показана температурная стабилизация (делители RБ))
В курсе схемотеники будет рассматриваться подробнее
RK1
RK2
RH
VT1
Вход 1
VT2
+
ЕП/2
Выход
+
ЕП/2
Вход 2
RЭ
Это усилитель постоянного тока, но у него нет дрейфа нуля.
Схема состоит из двух симметричных плеч VT1 и VT2 Благодаря им устраняется дрейф нуля:
a) быстрые изменения (например: за счет изменения источника питания) устраняются за счет
того, что токи одинаково меняются в обоих плечах, поэтому нулевая разность
потенциалов на выходе сохраняется;
b) медленные дрейфы нуля: за счет старения элементов.
За счет того, что все элементы расположены на близком расстоянии (микроны) друг от друга, старение
идет одинаково и поэтому нулевая разность потенциалов сохраняется.
Для стабильного поддержания тока используется RЭ, как генератор тока.
Особенности схемы: не усиливает синфазные сигналы на обоих входах, т. к. оба транзистора будут
открываться одинаково (усиливать на одинаковую величину) и нулевая разность сохраняется. Для
разнофазных сигналов один транзистор будет открываться, а другой будет подзакрываться и выходное
напряжение будет удвоенно усиливаться (каскадом на VT1 и VT2). Поэтому схему называют
дифференциальной. Она разделяет синфазные сигналы (не усиливает) и усиливает разнофазные.
К ООС
U ВЫХ
U ВХ (СИНФ)
;
- 60 дБ
57
8.6. Усилители на полевых транзисторах. Схема на комплиментарных МДП транзисторах
Во многом аналогичны с усилителями на биполярных транзисторах.
(n-канал)
+ ЕП −
RД1
IС
RС
СР
0
СР
VT
СИСТ
RД2
RИСТ
UЗИ
UЗИ0
КU
U ВЫХ
U ВХ
I C U ВХ S следовательно U ВЫХ U ВХ SRC
где U ВЫХ I C RC
(S -крутизна стокозатворной характеристики)
U ВХ SRc
SRC
отсюда следует, что K U
U ВХ
Заметим что требования к температурной стабилизации МДП транзистора менее жесткие, чем
для биполярного транзистора
Удобнее использовать транзисторы со встроенным каналом. (однако они встречаются
редко)
+ ЕП −
IС
RС
VT
UЗИ
Выход
Вход
0
Удобнее вместо сопротивления использовать транзистор (проще создавать ИМС с однотипными
элементами). (когда вместо резистора в цепи тока можно использовать транзистор работающий в
режиме омического сопротивления)
VT1
=
VT2
RС
Выход
58
Вход
8.6.1. Усилитель на полевом транзисторе с управляющим p-n-переходом исследуется на лабораторном
стенде.
8.7. Операционный усилитель.
Он предназначен для выполнения операций над электрическими сигналами (сложение, вычитание,
умножение, деление, усиление). Как правило, эта полупроводниковая микросхема имеет два входа.
Один прямой, другой инверсный. Следовательно, на входе у него стоит дифференциальный усилитель.
∞
Вход 1
Выход
Вход 2
𝐾
1+𝛽∗𝐾
1 + 𝛽 ∗ 𝐾 = 𝐴 – глубина отражения обратной связи
K – коэффициент усиления без оос
Β – коэффициент передачи цепи обратной связи
𝐾𝑂𝑂𝐶 =
Если 𝐾 → ∞, то 𝐾𝑂𝑂𝐶 ≅
1
𝛽
Сигнал поданный на инверсный вход, усиливаясь на выходе, будет в противофазе.
В идеальном ОУ – вводится обозначение ∞, так кат считается, что
коэффициент усиления = ∞ и составляет десятки тысяч раз. Входное сопротивление должно быть
очень большим, что бы не шунтировать входной сигнал. RВХ = ∞ (сотни кОм), RВЫХ = 0 (единицы Ом).
Операционный усилитель может быть построен не только на биполярных транзисторах, но и на
полевых.
Требуемое усиление достигается за счет отрицательно обратной связи.
𝑅вх.посл.оос = 𝑅вх ∗ (1 + 𝛽 ∗ 𝐾)
𝑅вых.посл.оос = 𝑅вых ∗ (1 + 𝛽 ∗ 𝐾)
Вход 1
Вход 1
Выход
Выход
Вход 2
Вход 2
RОС1
ЧЗОС –
частотнозависимая ОС
RОС2
59
𝑅вх.оос.парал =
𝐼=
𝑈вх
𝑅𝑜𝑐1 +𝑅𝑜𝑐2
𝑅вх
𝑅вых.оос.парал =
1+𝛽∗𝐾
𝑈вых = 𝐼 ∗ 𝑅𝑜𝑐2 =
𝑈вх
𝑅𝑜𝑐1 +𝑅𝑜𝑐2
𝛽=
9. Логические схемы.
∗ 𝑅𝑜𝑐2
𝛽=
𝑈вых
𝑈вх
𝑅вых
1+𝛽∗𝐾
=
𝑈вх ∗𝑅𝑜𝑐2
𝑈вх ∗(𝑅𝑜𝑐1 +𝑅𝑜𝑐2 )
𝑅𝑂𝐶2
𝑅𝑂𝐶1 + 𝑅𝑂𝐶2
9.1. Основные понятия.
Логические схемы работают с двоичными сигналами 1 и 0 , т.е.: есть сигнал – 1, нет сигнала – 0.
Поэтому формирование двоичных сигналов основано на ключевых схемах
+ ЕП −
Если Rн очень высокое, то Uвых≈Еп
R
К
Выход
RНН
При разомкнутом ключе ток протекает в Rн создается падение напряжения URн, то есть логическая
“1”. При замкнутом ключе он шунтирует выход (Rн), тока через Rн нет, Uвых = 0, на выходе –
логический “0”.
Такие схемы и сигналы называются логическими и представляются логическими функциями
(булевыми).
9.2. Диодные ключи.
Uвых
+ ЕП −
5
0
Вход (Х)
Выход (Y)
0,7
1
t
Если на входе логический 0 (вход соединен с корпусом), диод оказывается под прямым напряжением,
он открыт и закорачивает выход. На выходе логический 0.
Если на входе логическая 1 (+) (практически + ЕП), то диод заперт, он не шунтирует выход и на выходе
логическая 1.
60
Х
0
1
Х=Y
Y
0
1
1
Х
Y
9.3. Схема «2И» диодных ключей (конъюнктор).
+ ЕП −
Х1
0
1
0
1
t
Вход (Х1)
Х2
0
Вход (Х2)
0
1
1
Выход (Y)
t
Y
0
0
0
1
t
Если хотя бы на одном из входов есть логический 0, то диод этого входа открыт и закорачивает выход,
на выходе – логический 0. Если на всех входах логическая единица, то диоды не шунтируют выход и
на выходе будет логическая 1.
Y X1 X 2 X1 X 2
Х1
Х2
Y
Х1
0
0
0
&
Y
0
1
0
1
0
0
Х2
1
1
1
9.4. Схема «НЕ».
Электронный ключ - это транзистор, работающий в ключевом режиме.
+ ЕП −
Х
RК
Вход (Х)
RБ
VT
0
1
1
0
Выход (Y)
К
t
Y
t
I K I Б , где β = 10 ÷ 1000 раз
61
Если на входе UВХ = 0, то IБ =0 следовательно IK = 0, то есть транзистор закрыт, он не шунтирует
выход, поэтому на выходе логическая 1. Если на входе логическая 1, то IБ – большой, соответственно
Iк – большой, т.е. транзистор открыт, он шунтирует выход и на выходе логический 0 (на самом деле
UВЫХ = UКЭ ЗАКР = 0,1 В.).
Инвертор: (инверсия по выходу)
Y X - инверсия
Х
Y
1
Y
Х
0
1
1
0
9.5. Схема «2И – НЕ» на ДТЛ (диодно-транзисторная логика).
+ ЕП −
R1
VD1
R2
VD3
VD4
А
Вход (Х1)
VT
Выход (Y)
Вход (Х2)
VD2
Y X1 X 2 X1 X 2
Х1
Х2
0
0
1
1
0
1
0
1
X1 X 2
0
0
0
1
Y X1 X 2
1
1
1
0
Х1
&
Y
Х2
U A U ЭПVT U VD3 U VD4 0,7 3 2,1B.
VD3 и VD4 - это диоды для улучшения помехоустойчивости, чтобы повысить требования к выходу
схемы «И» (т.А). Например: при открытом одном из входных диодов с напряжением UА = 0,7 В не
срабатывает ЭП VT1, с VD3 и VD4 требуемое напряжение составит
UА = UVD3 + UVD4 + UЭПVT = 0,7*3 = 2,1 В.
UА = 2,1В>UЭП=0,7В
9.6. Схема «2И-НЕ» на ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика).
+ ЕП −
R
А
Вход (Х1)
RК
VT1
VT2
Выход (Y)
Вход (Х2)
62
Замечание : Uкэ открытого транзистора = 0,1В,следовательно в т.А VT1 будет напряжение не 0,7В, а
(0,7+0,1)В
VT1 – многоэмиттерный транзистор (МЭТ). Функции VD1 и VD2 выполняют два эмиттерных
перехода. Функции VD3 и VD4 выполняет коллекторный переход многоэмиттерного транзистора.
К
Б
Э1
n+
Э2
n+
n+
p
n
n+
9.7. Схема «НЕ» на ТТЛ.
+ ЕП −
R
RК
VT1
VT2
Выход (Y)
Вход (Х)
VT1 – включен для развязки входа и выхода, чтобы входные сигналы не влияли на работу выходной
части схемы (ключа). Х = 0 (на входе) эмиттерный переход VT1 открыт(выход VT1 зашунтирован),
поэтому ток через его коллекторный переход на вход VT2 не идет. Если Х = 1 эмитерный переход VT1
закрыт и ток течет через коллекторный переход VT1 на вход VT2 (переход база – эмиттер) и он
открывается, шунтирует выход, соответственно на выходе логический 0.
9.8. Схема «2ИЛИ – НЕ» на ТТЛ.
+ ЕП −
R1
R2
RК 1
RК 2
VT1
VT3
Вход (Х1)
VT2
VT4
Выход (Y)
Вход (Х2)
63
Если хотя бы на одном из входов есть логическая 1, то эмитерный переход транзистора этого входа
запирается, открывается его коллекторный переход и ток протекает в базу выходного транзистора
(VT3 или VT4), транзистор открывается и шунтирует выход, следовательно, на выходе логический 0.
Только тогда, когда на всех входах логический 0, на выходе будет логическая 1.
Y X1 X 2 X1 X 2
Х1
Х2
0
0
1
1
0
1
0
1
X1 X 2
0
1
1
1
Y X1 X 2
1
0
0
0
Х1
1
Х2
Y
9.9. Схема «2ИЛИ – НЕ» на ТЛНС (транзисторная логика с непосредственными связями).
Эти схемы стараются сделать так, что бы при работе они не попадали в режим насыщения, так как
требуется дополнительное время для вывода транзистора из этого режима. Это время уменьшает
быстродействие транзистора (время переключения).
Чем выше быстродйствие, тем больше потребляемая энергия
+ ЕП −
Вход (Х1)
Выход (Y)
Вход (Х2)
Здесь входные сигналы непосредственно управляют выходом (транзистора). Возможно изменение
выходного уровня, например: 0, в зависимости от того открыт один или оба транзистора.
ТЛЭС – транзисторная логика с эмиттерными связями.
R1
Вход (Х1)
R2
VT4
VT3
VT1
Вход (Х2)
UБЭ
VT2
+
ЕБ
R3
Выход (Y)
−
R4
64
U БЭVT 3 EБ U R3 EБ I R3 R3
В исходном состоянии (вх. 1 = вх. 2 = 0) VT3 за счет + EБ открыт. Он закорочен, поэтому на входе VT4
мало тока. Поэтому VT4 закрыт, тока нет (мало), падение напряжения на R4 мало, на выходе
логический 0.
Если на один из входов подана логическая 1 (транзисторов VT1 или VT2), то этот входной транзистор
открывается, через него проходит ток, который дополнительно создает падение напряжения на R3. Так
как UR3 включено встречно с напряжением ЕБ, то UБЭ VT3 уменьшается. Он поэтому закрывается,
тогда возникает ток на входе (в базе VT4). VT4 открывается, создается падение напряжения на R4, на
выходе логическая 1.
9.10. Схема «НЕ» на МДП логике.
VT1
R
=
VT2
Выход (Y)
Вход (Х)
Основа: работа электронного ключа на МДП транзисторах. Вместо R в цепи стока VT2 используется
транзистор VT1.
9.11. Схема «ИЛИ – НЕ» (МДП логика).
VT1
VT2
Вход (Х1)
VT3
Вход (Х2)
Выход (Y)
65
Если Х1 = Х2 = 0, то VT2 и VT3 закрыты, они не шунтируют выход и на выходе логическая 1. Если
хотя бы на одном из входов логическая 1, то VT2 или VT3 открыты, он шунтируют выход и на выходе
логический 0.
9.12. Схема «И – НЕ» (МДП логика).
VT1
VT2
Выход (Y)
Вход (Х1)
VT3
Вход (Х2)
UВЫХ = 0 только при обоих открытых транзисторах VT2 и VT3, тогда они шунтируют выход. Только в
этом случае Х1 = Х2 = 1.
9.13. Схема «НЕ» на КМДП логике.
+
VT1
Вход (Х)
Выход (Y)
VT2
-
Схема экономична по потреблению электроэнергии, так как всегда один транзистор открыт, а другой
закрыт.
66
9.14. Схема «2ИЛИ – НЕ» на КМДП логике.
+
VT1
VT2
Выход (Y)
VT3
VT4
Вход (Х1)
Вход (Х2)
−
Здесь две КМДП пары: VT1 и VT4, VT2 и VT3.Если на входах логический 0, то VT3 и VT4 закрыты и
не шунтируют выход, на выходе логическая 1. При этом VT1 и VT2 открыты.
Если на один из входов подать логическую 1, то транзистор (VT3 или VT4) откроется, шунтируя
выход, на выходе логический 0. При этом другой транзистор из этой комплиментарной пары
закроется.
9.15. Схема «2И – НЕ» на КМДП логике.
VT1
VT2
Выход (Y)
VT3
Вход (Х1)
VT4
Вход (Х2)
67
Здесь есть две комплиментарные пары: VT1 и VT4, VT2 и VT3.
Так как VT3 и VT4 соединены последовательно, то на выходе будет логический 0 только в том случае,
если оба транзистора будут открыты и они зашунтируют выход.
9.16. Быстродействие логических схем.
Если на вход логической схемы подать 1(импульс), то:
UВХ
1
1
0
0,5
0
UВЫХ
1
1
0
0,5
0
UВЫХ
t
tЗ1
t
tЗ2
1
1
0
0,5
tЗ1
t
tЗ2
З
з1 з 2
2
tз характеризует быстродействие схемы. Чем меньше tз, тем выше быстродействие.
9. 17. Сравнение типов логических схем по быстродействию.
КМДП – tз = 100÷200 нс
ТТЛ – tз = 10÷30 нс
ТЛЭС – tз = 5÷30 нс (быстродействие высокое, т.к. не входит в режим насыщения)
Рп
tз
68
8.5.1. Вариант дифференциального усилителя с несимметричным выходом (нагрузкой).
Схема отличается тем, что сигнал снимается не с обоих плеч усилителя, а с одного.
+ ЕП −
RK1
RK2
VT1
VT2
Выход
Вход 1
Вход 2
RЭ
Здесь напряжение на выходе также пропорционально разности выходных сигналов, так как транзистор
VT2 управляется разностным сигналом. Коэффициент усиления напряжения его определяется
коэффициентом усиления одного плеча. Чем больше RЭ в цепи, тем больше подавление синфазовой
помехи и меньше дрейф нуля. Большая симметрия схемы, что объясняется ООС по переменному току.
Но увеличение RЭ за счет падения напряжения на нем постоянного тока требует повышения
напряжения источника питания и снижение KU. Поэтому вместо RЭ используют ГСТ, который
обеспечивает большое сопротивление по переменному току и малое по постоянному.
9.18. Режимы работы ТТЛ на примере «4И-НЕ».
Х1
Х2
+ ЕП −
&
Y
R
RК
Х3
А
VT1
Вход (Х1)
Вход (Х2)
Вход (Х3)
Вход (Х4)
VT2
Выход (Y)
U10 = 0,1 В – это остаточное напряжение открытого ключевого транзистора.
69
Ik
A
Ukэ
Uвкл
UЭП ≈0,7 В ≈ UЭП
VT1 МЭТ
VT2
Дано:
1) Две кодовые комбинации на входе
2) UБЭ= UКЭ ≈0,7 В для открытых p-n-переходов
3) Для электронного ключа в открытом состоянии UКЭ ≈0,7 В
Найти: Для каждой входной комбинации определить режимы работы транзистора в сжеме (токи
и напряжения)
Решение:
1)
х1 = 0,
х2 = 1,
х3 = 0,
х4 = 1
а) При х2 = 1 на входе ≈ 5В (а на базе (т.А) – 0,7 В), из-за того, что х1 = 0 и первый ЭП
открыт, поэтому напряжение на этом переходе равно 5В+(-0,7В)=4,3В – обратное
напряжение на переходе, поэтому ЭП закрыт.
При х3 = 0, то же самое, что и при х1 = 0
Первый и третий эмиттерные переходы открыты:
UЭП1 VT1 = UЭП3 VT1 = 0,7
UЭП VT2 → он закрыт.
б) определим напряжение в точке А (на базе МЭТ):
UA = UЭПVT1 + (U0 = U10) = 0,7 + 0,1 =0,8 В
Оно соответствует обоим эмиттерным переходам.
в) что будет с VT2?
Для того чтобы он был открыт нужно UБЭVT2 = 0,7 B.
Чтобы это напряжение пришло от точки А, там должно быть напряжение:
UA = UБ VT1 = UБКVT1 + UБЭVT2 = 0,7 + 0,7 = 1,4 B.
Точка 0,8 < 1,4 – поэтому UБЭVT2 недостаточно для того чтобы он открылся, поэтому он
не шунтирует выход.
UВЫХ = UY = EП (+), то есть логическая единица.
70
2)
х1 = 1,
х2 = 1,
х3 =1,
х4 =1
Все эмиттерные переходы транзистора VT1 закрыты (тока через них нет), поэтому ток пойдет
через коллекторный переход МЭТ в базу VT2 и на базе МЭТа (VT1) будет напряжение:
UA = UБМЭТ = UБКVT1 + UБЭVT2 =0,7 + 0,7 =1,4 B.
Так как ЕП = 5 В , оставшееся напряжение упадет на R:
UR = EП – 1,4 В.
поэтому VT2 откроется (электронный ключ) (он шунтирует выход) и
UВЫХ = UКЭОТКР =0,1 В., то есть на выходе логический ноль.
10. Шумы электронных приборов.
Они возникают за счет физических процессов в электронных приборах.
U
t
Шум – случайное отклонение напряжения или тока от некоторого среднего значения (флуктуации).
I
t
Это объясняется тепловым (хаотическим) движением электронов. На выходах могут появляться разное
количество электронов, т.е. создается напряжение.
μU
G
P0
t
0 ≤ Δf ≤ ∞
Часто такой шум называют белым.
При наличии шумящих элементов, мощность будет определяться мощностью каждой спектральной
составляющей.
Рш = Р1 + Р2 + Р3 + … = Р0 Δf
Р0 – спектральная мощность (мощность одной гармонической составляющей;
Δf – полоса частот где наблюдается шум.
Р0 = 4 к Т,
где к – постоянная Больцмана.
Напряжение шума будет определяться:
U Ш РШ R 4kTRf
2
UШ
Pш
R
71
Таким образом, как пассивные, так и активные элементы можно представить в виде шумящего сопротивления,
которое работает как генератор шума.
UШ
≈
В многокаскадных схемах основным источником шума является
RИ первый каскад.
≈
К1
К2
К3
UВЫХш1к = UШ1К К1 К2 К3
Последующие каскады оцениваются через коэффициент шума:
К
К
U Ш U Ш1 К1 Ш 2 Ш 3
КУС 2 КУС 3
Таким образом, все электронные приборы можно рассматривать в виде эквивалентного резистора.
11. Преобразовательные диоды.
Это диоды с хорошей односторонней проводимостью и линейной квадратичной вольтамперной (ВАХ)
характеристикой.
IПР
UC1 = UM1 sin ω1t
O
ω1
ω1 – ω2
UC2 = UM2 sin ω2t
ω1 + ω2
ω1 – ω2
UПР
ω2
12. Оптоэлектроника.
1.
Оптическое излучение – это электромагнитные волны, диапазон которых
УФ
Видимое излучение
Инфракрасное излучение
λ=10 нм÷1 мм
λ=0,01÷0,4 мкм
λ=0,38÷0,78 мкм
λ=0,78÷1 мкм
(1 мм = 1000 мкм = 1000000 нм)
72
2.
Оптическое излучение характеризуется фотометрическими параметрами:
а)
энергетические параметры, которые связаны с переносом энергии;
б)
световые параметры, которые рассматриваются, когда приемником излучения является
человеческий глаз;
Светоизлучение в p-n переходе происходит при прямом излучении, когда происходит интенсивная
рекомбинация зарядов в самом p-n переходе. Для определенной ширины запрещенной зоны эта рекомбинация
вызывает свечение. Оно характеризуется так называемой внутренней квантовой эффективностью, определяемой
соотношением числа фотонов к числу инжектируемых носителей. Это внутренняя квантовая эффективность.
Внешняя квантовая эффективность определяется числом фотонов, испускаемых диодом, к числу
инжектируемых носителей.
Оптронные пары.
Особенность и достоинство их заключается в том, что между ними существует гальваническая (полная)
развязка.
Характеризует передаточные свойства оптопары.
IВЫХ
2
1
IВХ
10
20
73
