2009 А. В. Пешков
Электроника Конспект лекций Выполнил студент группы 712 ФАВТ А. В. Димент
СПбГУКиТ
Литература 1. Гусев В. Г., Гусев В. М. «Электроника». М., Высшая школа. 2. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. «Аналоговая и цифровая электроника (полный курс)». 3. В. Г. Андронов, Л. А. Алексеева, В. В. Рябов. «Электроника и импульсная техника». Методические указания по выполнению лабораторных работ. Часть 1. «Электронные приборы». ЛИКИ, 1987. 4. В. Г. Андронов, В. В. Рябов. «Радиоэлектроника и импульсная техника. Интегральные микросхемы».
2
Электроника. Основные понятия и термины Электроника занимается изучением принципов действия, характеристик, параметров, моделей и особенностей использования полупроводниковых и электровакуумных приборов. ► Характеристика — зависимость одной величины от другой. ►Параметр — некая величина в числовом выражении. ►Модель — аналогичное устройство, более удобное для изучения. Получаемые знания необходимы при разработке, ремонте и эксплуатации электронных устройств звуко- и видеотехники, а также являются основой для дальнейшего изучения специальных дисциплин. Электронные приборы применяются как элементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие разборке и ремонту. В основе их функционирования лежат процессы, происходящие при непосредственном участии электронов. Электронные приборы можно разделить на полупроводниковые (твердотельные) и электровакуумные. Электровакуумные приборы делятся на электронные (движение электронов в вакууме) и ионные, или газоразрядные (электрические разряды в газе или паре). ►Микроэлектроника — раздел электроники, занимающийся разработкой, исследованием и изучением принципов работы интегральных микросхем (ИМС). Этапы развития 1. 1904 — 1950 гг. 1904 г. — первый электровакуумный диод. 1907 г. — первый электровакуумный триод. Плотность монтажа (количество элементов в единице объёма): 0,005 эл/см3. 2. 1950 — начало 1960-х гг. Появление дискретных полупроводниковых приборов. 1948 г. — появление транзистора. Плотность монтажа: 0,5 эл/см3. 3
3. 1960 — 1980 гг. — Развитие микроэлектроники. ►Интегральная микросхема — группа элементов, изготовленных в едином технологическом процессе на одной несущей конструкции (подложке). Плотность монтажа: 50 эл/см3. 4. 1980 + гг. — появление сверхбольших интегральных схем (СБИС). Плотность монтажа: > 5000 эл/см3. Полупроводники ►Полупроводниками называются вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по удельной электропроводности. Полупроводники могут быть элементами (Si, Ge и др.) и соединениями (GaAs). =
Удельная проводимость:
⋅
[Ом ⋅ см] (10 =
1
… 10 ) .
Полупроводники являются кристаллическими веществами, то есть имеют кристаллическую решётку, атомы в которой связаны ковалентными связями. Эти связи образуются за счёт валентных электронов (электронов, находящихся на внешней оболочке ядра).
Si
Si
e Si
4
Si
► Процесс возникновения пары «свободный электрон — дырка» называется генерацией. Обратный процесс — рекомбинацией. W [эВ] ЗП
WП
ЗЗ
WВ
Δ
=
П
−
В
ВЗ
— ширина запрещённой зоны.
► Зона образуется электронами, имеющими близкие значения энергии. Для проводника Δ
Для диэлектрика Δ
= 0.
У полупроводников Δ
> 4 эВ.
< 4 эВ. Δ
= 1,1 эВ, Δ
= 0,7 эВ.
Проводимость полупроводников сильно зависит от внешних воздействий. Может быть определена по формуле =
+
,
где e — элементарный заряд, n — концентрация свободных электронов, p — концентрация дырок. μ — подвижность. =
̅
,
где ̅ — средняя скорость движения, Е — напряжённость поля, вызвавшего это движение. ► Полупроводники без примесей называются собственными. =
=
+
,
При увеличении температуры на 10°C проводимость возрастает в два-три раза. 5
Примесная проводимость полупроводников Собственные полупроводники применяются крайне редко. В большинстве полупроводниковых приборов применяются примесные полупроводники. Для полупроводников четвёртой группы системы Менделеева (Si, Ge) в качестве примесей применяются элементы третьей группы (Al, B, In) или пятой группы (As, Sb, P). Полупроводники p-типа (дырочные полупроводники) При введении примесей из третьей группы (акцепторной) атом примеси встраивается в кристаллическую решётку.
Si
W [эВ]
Si
ЗП
WП B
Si
e
WВ
ЗЗ ВЗ
Введение акцепторной примеси приводит к появлению локальных энергетических уровней в запрещённой зоне вблизи валентной зоны. При комнатной температуре все атомы примесей ионизируются. Концентрацию дырок в дырочном полупроводнике обозначим буквой pp.
≫
=
⇒
+
≈
Na — концентрация акцепторной примеси, np — концентрация свободных электронов в полупроводнике p-типа. ≈
Проводимость полупроводников n-типа Для получения таких полупроводников вводится примесь из пятой группы (донорная примесь). 6
Si
W [эВ]
Si
e
ЗП
WП
P
Si
e
ЗЗ
WВ
ВЗ
Комнатной температуры достаточно, чтобы все электроны оторвались от атомов примеси. =
д
д
≫
=
+
д
При рабочих температурах проводимость мало зависит от температуры. С ростом температуры она уменьшается за счёт уменьшения подвижности . В полупроводниках p-типа дырки называются основными носителями, электроны — неосновными. Процессы в p – n-переходе ► Электронно-дырочным (p – n) переходом называется область вблизи границы, разделяющей полупроводник с различными типами проводимости. Рассмотрим p – n-переход при отсутствии приложенного к нему напряжения. Eз p
– +
+
– +
+
–
n
–
– +
► Дрейф — движение частиц под действием электрического поля. 7
► Диффузия — движение частиц под действием градиента концентрации. Вблизи перехода возникает область неподвижных ионов примесей: в р-области отрицательных, в n-области — положительных. Концентрация подвижных носителей в этой области мала, поэтому область называется обеднённой. Неподвижные ионы создают электрическое поле, называемое запирающим. Это поле препятствует движению основных носителей зарядов. Однако через переход проходят неосновные носители зарядов. Таким образом, общий ток через переход равен:
диф
,
диф
=
диф
+
диф
— диффузные токи,
др
− ,
др
др
−
др
=0
— дрейфовые токи.
Прямосмещённый p – n-переход
Eпр
Eз – + +
p
n
– + + – + +
Uпр + –
R
Переходы между полупроводником и металлом в данном случае должны быть омическими, иметь малое и не зависящее от направления протекания тока сопротивление. Обеднённая зона обладает большим сопротивлением. Поэтому можно считать, что всё напряжение прикладывается к ней. = 8
дифф
=
пр
В создании диффузного тока участвуют основные носители зарядов, которых много, поэтому ток большой. R служит для ограничения прямого тока через переход. Обратносмещённый p – n-переход Eпр Eз – + +
p
n
– + + – + +
Uпр – +
R
Диффузная составляющая уменьшается. Приложенное напряжение способствует тому, что дрейф остаётся. Резистор необязателен, ток оказывается маленьким. Но лучше оставить (если у нас не батарея, а источник синусоидального напряжения). =
др
=
обр
Ток дрейфа создаётся неосновными носителями. Их мало, ток маленький. Количество неосновных носителей зависит от температуры, поэтому этот ток часто называют тепловым. В полупроводниковых приборах как правило используются несимметричные переходы, то есть концентрация примесей в p- и nобластях неодинакова.
В данном случае
а
=
д.
а
≠
д
Основное свойство p – n-перехода: большая проводимость в прямом направлении и маленькая в обратном. Часто это свойство называют односторонней проводимостью. 9
Вольт-амперная характеристика p – n-перехода ► ВАХ называется зависимость тока от напряжения. I(U)
идеальный вентиль
Uпр
Uпроб Uобр Iпр
пр
пр
U
≈ 0,6 В
≈ 0,2 В
В положительных и отрицательных направлениях осей разные масштабы. При достижении обратного напряжения проб
обр
напряжения пробоя
происходит резкое увеличение обратного тока. Пробои бывают:
1. Туннельный. Происходит в узких переходах, при этом электрон преодолевает переход без потери энергии. 2. Лавинный. Возникает в широких переходах, при движении через которые носители сталкиваются с атомами и ионизируют их. Эти пробои называются электрическими, или обратимыми, то есть не разрушают переход. ст диф
=
=
Уравнение Молла — Эберса Уравнение Молла — Эберса описывает ВАХ p – n-перехода без учёта участка пробоя.
10
=
−1
— тепловой ток через p – n-переход. — температурный потенциал. =
= 0,026 В ( = 300 К) +
=
диф =
=
1
= ln
ln
+
+
+
=
+
≈
11
Полупроводниковые приборы Диоды ► Диодом называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на свойствах выпрямляющего перехода, и имеющий два вывода. VD1 А
К
Выводы диода: анод и катод.
А
p
n
К
В диодах используются несимметричные р — n-переходы. Область, в которой концентрация примесей больше, называется эмиттером и отвечает за прямой ток. Область, в которой концентрация примесей меньше — база. Обеспечивает способность выдерживать обратное напряжение. ВАХ диода примерно соответствует ВАХ р – n-перехода. Существует также буквенно-цифровое обозначение диодов. Например, КД521А. Первый символ: материал, из которого изготовлен диод. К (2) — Si, Г (1) — Ge, A (3) — GaAs. Второй символ обозначает класс прибора. Д — диод выпрямительный, импульсный или универсальный, В — варикап (variable capacity), И — диод туннельный или обращённый, С — стабистр или стабилитрон, Л — излучающий диод, Ц — выпрямительный столб или блок. Третий блок (три цифры) обозначает назначение, характеристики, параметры и т. д. Последний символ определяет параметры внутри группы.
12
Диоды являются преобразовательными приборами. Служат для выпрямления, детектирования, ограничения сигналов и т. д. Детектирование — выделение огибающей из амплитудно-модулированного сигнала. Параметры диода 1. Прямое напряжение 2. Обратный ток
обр
пр
при заданном прямом токе
пр .
при заданном обратном напряжении
обр .
Так как диоды работают с переменными напряжениями, часто используются средние значения токов и напряжений (постоянные составляющие). Среднее за период:
3. Тепловое сопротивление
п
=
1
— температура перехода;
=
( ) п
−
.
— температура окружающей среды; — рассеиваемая мощность.
4. Ёмкость диода C — определяет частотные свойства диода. Предельные эксплуатационные параметры 1. 2. 3. 4.
пр
обр
(80° … 120°
, 160° … 220°
),
(−60° ).
5. Максимальная частота : наибольшая частота, при которых обеспечивается нормальная работа. 13
Выпрямительные диоды ► Выпрямление — преобразование переменного напряжения в однополярное пульсирующее.
в
,
н
н
вх
Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель
+ (–)
VD1
VD3
~Uвх VD2 С – (+)
VD4
Uвых
U t Uвх
14
Rн
Импульсные диоды ► Импульсные диоды — диоды, предназначенные для работы в схемах с короткими импульсами, обладающие малой инерционностью. Инерционность оценивается временем переходного процесса. ► Переходной процесс — процесс перехода из одного установившегося состояния в другое. Инерционность диодов связана с: 1. накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе; 2. ёмкостью p – n-перехода. Для оценки инерционности диодов используются: a. Время установления прямого напряжения. R
Uвх
При вх ≫ ≈ источника тока.
вх ⁄
VD
=
вх
−
. Поэтому мы говорим, что диод работает от
i t uVD
uVD MAX 1,1⋅uпр
t
uпр ≈ 0,6 В
tу 15
b. Время восстановления обратного сопротивления. При обратном включении можно считать, что диод работает от источника напряжения. =
вх
−
Но так как у нас обратное включение диода, ток у нас маленький, и можно предположить, что всё напряжение падает на диоде. ≈
uVD
вх
t
i i ≈ Uвх/R
t
Iобр t1 t2
Время восстановления обратного сопротивления: В
=
+
.
— за это время рассасываются неосновные носители вблизи p – nперехода. — рассасывание неосновных носителей в объёме базы. Пути достижения
В
→ 0:
1. узкая база; 2. уменьшение ёмкости; 3. низкие обратные напряжения и маленькие прямые токи. 16
Диоды Шоттки ► Диод на основе выпрямляющего перехода «металл – полупроводник» называется диодом Шоттки.
Б
Э
Me
n
В качестве металлической базы применяются материалы ванадий, молибден, вольфрам. В качестве полупроводника — как правило, кремний. Переход между ними оказывается не омическим, а выпрямляющим. Достоинства: v электроны в металлической базе не накапливаются и не рассасываются; v маленькое прямое напряжение пр ≈ 0,3 … 0,4 В;
v большая крутизна прямой ветви ВАХ. Недостатки: v маленькое обратное напряжение; v большой обратный ток.
Диоды Шоттки применяются в низковольтных выпрямителях, в качестве импульсных диодов, в цифровых интегральных микросхемах.
17
Варикапы Варикапами называются диоды, используемые в качестве переменной ёмкости, управляемой напряжением.
Ёмкость p – n-перехода 1. Диффузная ёмкость. В прямосмещённом переходе изменяется заряд за счёт накопления неосновных носителей в базе. дифф
— заряд неосновных носителей,
=
— напряжение, его вызвавшее.
2. Барьерная ёмкость. Образуется неподвижными ионами примесей вблизи p – n-перехода, образующих как бы обкладки конденсатор. d
n
p
При обратном смещении p – n-перехода ширина обеднённой области d увеличивается. C
U
18
П
=
бар
+
дифф
В варикапах используется только барьерная ёмкость, то есть они работают с обратным смещением. Эквивалентная схема варикапа может быть представлена следующим образом:
CП
RП
Rб
Ёмкость варикапов — единицы-сотни пикофарад. Варикапы используются в схемах автоматической подстройки частоты (АПЧ), в генераторах, в схемах настройки приёмников и телевизоров. Использование варикапа. +UП
L
C
R1 R2
VD
19
1
=
√
— разделительный конденсатор. Исключает шунтирование управляющего напряжения индуктивностью. — переменный резистор. Служит для управления ёмкостью варикапа. Исключает шунтирование варикапа.
общ
≫
=
+
в
в
≈
в
Основные параметры 1. Ёмкость варикапа 2.
в
,
в
.
в
при заданном обратном напряжении
обр .
Cв Cв max Cв Cв min
U
Uобр Вводится параметр коэффициент перекрытия.
3. Добротность Q.
= =
в
в
пот
Если варикап представляет из себя идеальный конденсатор, то добротность равна бесконечности. У варикапа добротность зависит от частоты. Есть частота, на которой добротность максимальна. Для частот ниже этой частоты: 20
П
нч
— сопротивление перехода.
=
в П,
На высоких частотах формула становится такой:
б
— сопротивление базы.
вч
=
1
в б
,
4. ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости, Δ ⋅ 100% Δ
ТКЕ =
в ).
Показывает относительное изменение ёмкости при изменении температуры на 1°. Стабилитроны и стабистры ► Стабилитроном называется диод, предназначенный для работы в режиме пробоя. Стабилитроны используются в схемах стабилизации напряжения, ограничителях и т. д. Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный (эффект ионизации), тепловой (необратимый). Туннельный пробой возникает в узких переходах при высокой концентрации примесей. Напряжение пробоя 3...7 В. Лавинный пробой возникает в широких переходах при низких концентрациях примесей. Напряжение пробоя более 7 В. Для получения напряжений, меньших 3 В, используется ► стабистр — полупроводниковый прибор с крутой прямой ветвью ВАХ. I
Umax
Uпроб Imin
U
Imax 21
Основные параметры 1. Напряжение стабилизации ст при заданном токе стабилизации ст. 2. , , , . 3. Статическое сопротивление ст = ст ⁄ ст. 4. Дифференциальное сопротивление (принципиально, чтобы было малым): ст
− −
=
5. Показатель качества стабилитрона: ст
=
ст
.
.
6. Температурный коэффициент напряжения ТКН — относительное изменение напряжения при изменении температуры на 1°. Может быть положительным и отрицательным. ТКН =
Δ
ст
ст Δ
⋅ 100%
Стабилитроны изготавливаются из кремния, так как у германия любой пробой переходит в тепловой. VD
Параметрический стабилизатор постоянного напряжения + R0 Uвх
– 22
Iст
Rн
Uн
- балластное сопротивление. н
- сопротивление нагрузки. вх
=
Δ
вх
Δ Δ
+
=Δ
вх н
Δ Δ Δ
=
н
ст
=(
ст
+Δ
+
н
н)
+Δ
+
Δ ст Δн + +1 Δ н Δ н
вх н н
=
+ Δ
=
+
н
+1
н
+1
вх
н
н
Хорошо, когда маленькое дифференциальное сопротивление. ≪
Если мы убрали стабилитрон, у нас получился делитель напряжения. н
≫
При выполнении обоих этих соотношений, напряжение на нагрузке будет меняться незначительно. U 0,6 В
t
Для изменения напряжения стабилизации стабилитроны можно включать последовательно.
23
Туннельные диоды ►Туннельные диоды — диоды, построенные на основе полупроводника, концентрация примесей в котором на несколько порядков выше, чем в обычных диодах. Материалы: Ge, соединения As.
Туннельные диоды на прямой ветви ВАХ имеют участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. I Iп Iв Uп UвUпр
дифф
U
=
Наличие участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельные диоды в схемах генерации, усиления и переключения. Диоды могут работать на очень высоких частотах (гигагерцовый диапазон). П, П
р
— напряжение и ток пика;
— напряжение раствора.
пр
= 0,3 … 1,4.
В, В
— напряжение и ток впадины.
Наличие участка АВ вызвано туннельным эффектом. 24
Обращённые диоды Обращённые диоды — диоды на основе полупроводников, находящихся на грани вырождения. П
=
В
Используются для выпрямления малых напряжений. Имеют хорошие частотные свойства. Излучающие диоды Излучающие диоды — диоды, служащие для преобразования электрической энергии в излучение. Частный случай: светодиоды, ИК-, УФ-диоды. При прохождении прямого тока через p – n-переход часть носителей рекомбинирует, при этом выделяется энергия. Энергия может выделяться в виде фотонов. пр , пр
— прямое падение напряжение, прямой ток.
диодов, как правило, небольшое.
обр
у свето-
Применение: - Устройства индикации:
R ~ 220
VD1
VD2
R — токоограничивающий резистор. VD1 — светодиод, светится при обратном ходе тока. VD2 — защитный диод. - Каналы передачи информации. ►Оптроны — сочетание излучающего диода и фотоприёмника в одном корпусе. 25
Биполярные транзисторы Транзисторы бывают биполярными (в них используются носители зарядов обоих знаков) и униполярные (или полевые). Транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих p – n-перехода, действие которого основано на явлениях экстракции и инжекции. В зависимости от структуры существуют транзисторы p – n – p и n – p – n-типа. p–n–p К
p
n
p
Э
Э
К
Б Б
n–p–n К
n
p
n
Э
Э
К
Б Б Крайняя область структуры с максимальной концентрацией примесей называется эмиттером. Средняя область с минимальной концентрацией примесей — базой. Крайняя область с промежуточной концентрацией примесей — коллектором.
26
Называния выводов транзистора соответствуют областям, к которым они подключены. Принцип работы и свойства транзисторов p – n – p и n – p – n-типа идентичны. Меняются только полярности прикладываемых напряжений и направления протекания токов. э
=
к
+
б
Принцип действия К
p
n
Э
n
e
Eсм
Eк
Б
— напряжение смещения эмиттерного перехода, к — напряжение питания коллекторного перехода. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой — коллекторным. см
Через прямосмещённый эмиттерный переход электроны проходят в базу. В базе они неосновные носители. Электрическое поле в коллекторном переходе втягивает электроны в коллектор. Процесс перехода носителей через прямосмещённый переход называется инжекцией. Процесс перехода носителей через обратносмещённый переход называется экстракцией. ж
— время жизни, то есть время от генерации до рекомбинации.
прол
— время пролёта через базу. ж
≫
прол
27
<
э
α — коэффициент передачи тока эмиттера (реально >0,95). к
=
э
<1
β — коэффициент передачи тока базы. =
э
=
к+
б =
к+
=
к
=
к э
+
=
=
к
б
к
1+
+1
1
=
к
+1
=
1−
Режимы работы транзистора 1) Активный (нормальный) режим. Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, коллекторный — в обратном. Используется в усилителях, генераторах и проч. Самый распространённый режим. 2) Режим насыщения: оба перехода смещены в прямом направлении. 3) Режим отсечки: оба перехода смещены в обратном направлении. Второй и третий режимы используются в ключевых схемах. 4) Инверсный режим: эмиттерный переход смещён в обратном направлении, коллекторный в прямом. Используется крайне редко.
28
Физическая модель биполярного транзистора Данная модель отражает физические процессы, происходящие в транзисторе. Часто называется Т-образной. Для схемы с общим эмиттером: βIб
rб
К
Б rк Сэ
rэ
Iк0
Э Ск Всё, что подключено штриховыми линиями, при анализе схем в дальнейшем использовать не будем. б
— омическое сопротивление базы. 10…100 Ом.
— дифференциальное сопротивление эмиттера. Вот это сопротивление является уже по сути сопротивлением эмиттерного перехода. э
э
=
=
= 26
т
э
(300 )
— сопротивление коллекторного перехода. 100 К…10 М. — управляемый источник тока (источник тока, управляемый током). Меняя ток базы, меняем ток коллектора. б
Ёмкости переходов э и к необходимо учитывать в высокочастотных схемах. Сопротивление ёмкости уменьшается с ростом частоты. — обратный ток коллекторного перехода (тепловой). Вызывается неосновными носителями. Если к мал, надо учитывать влияние к . к
29
Физическая модель для схемы с общей базой Iк = αIэ
rэ
К
Э
rб
rк
Б Схема может работать в одном из двух режимов. 1) Режим большого сигнала. Переменные сигналы в схеме много больше постоянных или соизмеримы с ними. 2) Режим малого сигнала. Переменные сигналы много меньше постоянных. Рассмотренные модели применимы только в режиме малого сигнала. Схемы включения У транзистора три вывода, все схемы обычно имеют вид четырёхполюсников, поэтому один из выводов включается и ко входу, и к выходу, то есть один из выводов общий. 1. Схема с общим эмиттером (ОЭ). Iк 0,6 В + Eсм –
Iб
+ Eк –
Коллекторный переход — обратносмещённый. 30
3…100 В
Rн Eк
uвх Eсм
см н
к
— напряжение смещения эмиттерного перехода.
— сопротивление нагрузки, на котором
вых .
— источник питания коллекторной цепи.
Данная схема — наиболее распространённая, так как усиливает напряжение, и ток. 2. Схема с общим коллектором (ОК). Iб + Eсм –
Iк
– Eк +
Eк uвх Eсм
Rн
Схема усиливает ток и не усиливает напряжение. Чаще называется эмиттерным повторителем: напряжение на эмиттере повторяет напряжение на базе, но ток э ≫ б . 3. Схема с общей базой (ОБ).
Rн
Iк – Eсм +
Iб
+ Eк –
uвх Eсм
Eк
Схема усиливает только напряжение. 31
Модель Молла-Эберса для биполярного транзистора VD1
VD2 К
Э Iэ
Iк I1
uбэ
I2
Iб
αII2
αI1
Б
uбк
Диоды VD1 и VD2 соответствуют эмиттерному и коллекторному переходам. Токи через выводы транзистора Iк, Iб, Iэ соответствуют нормальному режиму работы (эмиттерный в прямом, коллекторный в обратном направлении смещены). Управляемые источники тока отображают взаимодействие переходов. α — коэффициент передачи тока эмиттера. Показывает, какая часть электронов от эмиттера доходит до коллектора. к
=
э
αI — коэффициент передачи тока в инверсном режиме. к
=
э
э
к
= 32
к
=
=
= э
< к
<1 +
−
− бэ
б
−1
=
=
бк
к
−1
⁄ — температурный потенциал. б
=
э
−
к
= (1 − )
бэ
э
− 1 + (1 −
)
к
бк
−1
В данной модели параметрами транзистора являются α, αI, Iэ0, Iк0. Данная модель применима в режимах большого и малого сигналов. Является упрощённой. Дифференциальные параметры биполярного транзистора При работе в режиме малого сигнала транзистор можно рассматривать как линейный четырёхполюсник (устройство с четырьмя выводами). I1
I2 U2
U1
Чтобы связать величины, входящие и выходящие из данного устройство, необходимо две из величин считать не зависимыми друг от друга переменными. Поэтому необходимо два уравнения. Устройство линейное, уравнения тоже линейные. = =
+ +
— уравнения в z-параметрах. z [Ом]. Но не все z — сопротивления. В схеме с Y-параметрами в качестве функций берут токи. = =
+ +
Размерность y — размерность проводимости, физически опять-таки это необязательно. Уравнения в h-параметрах (смешанные параметры). 33
=ℎ =ℎ
+ℎ +ℎ
Эта система наиболее распространённая, h-параметры самые удобные. Под токами и напряжениями в уравнениях понимаются малые их изменения. Именно поэтому параметры оказываются дифференциальными. То есть в предельном случае параметры означают следующее: ℎ
=
ℎ
=
ℎ
=
ℎ
=
=0
Смысл h11 — входное сопротивление при коротком замыкании на выходе. =0
— коэффициент передачи цепи обратной связи при режиме холостого хода на входе. =0
— коэффициент передачи по току. Показывает, как входной ток влияет на выходной.
— выходная проводимость.
=0
h-параметры для разных схем включения транзистора разные. Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах: h11 u2h12
34
I1h21
h22
Основные параметры усилительного каскада Усилительным каскадом называется усиливающий элемент и все детали, относящиеся к нему. ► Усилителем называется устройство, сигнал на выходе которого имеет бо́льшую мощность, чем сигнал на входе, за счёт источника питания. Выходной сигнал определяется входным.
ИС
Н
ИП
ИС — источник сигнала (в простейшем случае — микрофон), ИП — источник питания, ► — усилитель, Н — нагрузка (например, акустическая система). Rвых
Rи Eи
Uвх
KXXUвх
Rвх
Rн
У — входное сопротивление — отношение входного напряжения к входному току. вх
— коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода. 35
— выходное сопротивление — отношение выходного напряжения в режиме холостого тока к выходному току в режиме короткого замыкания. вых = вых хх ⁄ вых кз . вых
Выведем такой коэффициент усиления по напряжению, который называется сквозным. Усилитель не только усиливает, вх и образуют ещё делитель. Подключив источник, мы уменьшаем входное напряжение. Выходное сопротивление и сопротивление нагрузки также образуют делитель.
вх н
≫
≫
, вых ,
вх
вх
вых
н
→1 н
вых
=
вх
=
+
вх
вых
н
+
н
→ 1.
Коэффициент передачи (коэффициент усиления при =
вых ⁄ вх .
вых
вх ):
>
Коэффициент усиления по напряжению: вх ⁄ вых .
=
Коэффициент усиления по току: =
вх
вых
вых
=
н
⋅
вх
вх
Коэффициент усиления по мощности: =
вх ⁄ вых
вх
=
вых
=
.
Коэффициенты усиления в децибелах: ,дБ
= 20 lg
,
,дБ
= 20 lg
.
,
,дБ
= 10 lg
.
Децибелы удобны тем, что там, где безразмерные коэффициенты нужно перемножать, децибелы складывают. Кроме того, человек воспринимает любые ощущения не прямо пропорционально, а в логарифмической зависимости. 36
Обратные связи ► Обратной связью называется цепь, по которой часть сигналов с выхода возвращается на вход. К
uвх
uвых
В У нас был усилитель с коэффициентом усиления К. Мы взяли часть его выходного сигнала и через некую цепь Β передали обратно на вход. Для того чтобы собрать всё вместе, используем сумматор ⊗. к
=
вх
+
ос
Такая обратная связь в усилителях используют крайне редко, потому что это положительная обратная связь (ПОС). Из-за неё может произойти следующее: сигнал на выходе при постоянном сигнале на входе будет постоянно возрастать, и любой нормальный усилитель доходит до напряжения питания и больше не работает. Такая схема используется в генераторах. Поэтому чаще у сумматора «закрашивают нижний сегмент». к
=
вх
−
ос
Тогда обратная связь становится отрицательной обратной связью (ООС), которая повсеместно используется в усилителях. =
=
вых ⁄ к
ос ⁄ вых
— коэффициент усиления К-канала. — коэффициент передачи обратной связи.
Коэффициент обратной связи: ос
=
Формально
вых вх
=
к
вых
+
ос
=
вых ⁄ к
1+
ос ⁄ к
=
1+
= 1, если всё идёт обратно. Если
ос ⁄ к
=
1+
→ ∞, то
ос
→ 1.
Отрицательная обратная связь уменьшает линейные и нелинейные искажения. Линейные — частотные искажения (не все частоты усиливаются одинаково). 37
Четыре типа ООС К Rг Rн Eг
В
К и В включены последовательно — последовательная ОС. Сигнал на выходе зависит от тока — ОС по току. Две цепи — входное сопротивление вх ↑. Выходное сопротивление вых ↑. На входное влияет хорошо, на выходное плохо. Рассмотрим схемы, в которых трудно изменить ОС в сторону ↓ Rг
вых .
К Eг
Rн
В
— параллельная ОС по току. зрения сопротивлений.
вх
↓,
вых
↑. Неудачная ОС с точки
Rг К Rн
Eг
В
— параллельная ОС по напряжению. 38
вх
↓,
вых
↓. Не самая плохая.
К
Rн
Rг Eг
В
— последовательная по напряжению. Если при токе отключить
н,
то ОС нет.
вх
↑,
вых
↓. Самая полезная.
Схема включения с ОЭ Rб1
5В
С1
+Eк
RK С2
VT Rб2
RГ
RЭ
EГ
RH
1В
Сэ
— разделительный конденсатор. Отделяет источник сигнала от каскада по постоянному току. — разделительный конденсатор. Отделяет нагрузку от каскада по постоянному току. , б — базовый делитель. Создаёт режим работы по постоянному току. б
Нужно обеспечить по постоянному току активный режим. к — источник питания коллекторной цепи — обратно смещает переход. — коллекторная нагрузка. Преобразует изменение тока в изменение напряжения. к
Входное напряжение
б
(для переменного сигнала). Если
б
↑, то
б
↑.
39
к
=
б
↑
— коэффициент усиления транзистора по току. Следовательно, н уменьшается (↑ тируется (противофаза).
к,
н
=
к
−
к к ).
Сигнал инвер-
Uвых
Uвх
t
t
вводит отрицательную ОС (последовательную по току), стабилизирующую температурный режим. Чем больше ток, тем больше мощность. Это приводит к положительной обратной связи, транзистор нагревается. ↑ ⟹ к ↑ ⟹ э ↑ ⟹ э ↑ ⟹ б ↓ ⟹ к ↓ . э
исключает ООС по переменному сигналу, увеличивая коэффициент усиления (ООС только для постоянного или медленно изменяющегося сигнала). э
— усилительный элемент, усиливает ток. Для определения параметров схемы на средних частотах в режиме малого сигнала будем пользоваться эквивалентной схемой с использованием упрощённой физической модели транзистора. Для составления эквивалентных схем конденсаторы закорачиваются. Источник питания закорачивается. При последовательном соединении сопротивлений будем пренебрегать сопротивлениями в 10 и более раз меньшими (например, ≫ ⇒ в схеме только ). При параллельном соединении пренебрегаем величиной в 10 раз большей.
RГ Eг
40
Rб1 Uвх
βIб
rб
б Rб2
Iб Iб(β+1)
к
rэ э Rэ
RК Сэ
RH
Ток базы увеличивается, падение напряжения на эмиттере становится больше (при отсутствии конденсатора). вх
=
∥
б
∥
б
б
+( э+
Если установить конденсатор, то пропадёт = 26 ∙ 10 Если
э
= 1 мА, то
э
= 26 Ом. вых
=
вх
=
=
э
э,
В
б( к
+( э+
б
∥
н)
э )(
Имеем два случая: с конденсатором и без. с
=
э
( (э+
+ 1)
вх
уменьшится.
э к
б
э )(
∥ н) ≈ э )( + 1)
к
к
+ 1) ∥
э
н
Коэффициент усиления определяется только величиной сопротивления.
с
э
>
без
э
без
≈ э
,
к
∥
э
н вых
=
к
зависит от , а он зависит от температуры. Коэффициент изменяется, нестабильный. э
=
=
вх н
Схема с общим эмиттером усиливает и ток, и напряжение, наибольший коэффициент усиления по мощности. Схема обладает большим входным (хорошо) и большим выходным (плохо) сопротивлениями. Инвертирует сигнал. Обладает худшими частотными свойствами по сравнению с ОК и ОБ. гр меньше, чем в других. 41
Схема включения с ОБ. Параметры схемы Rб1
+Eк
RK Ср2
СБ VT RH
Rб2
RГ
Ср1
EГ
RЭ
, — то же, что и в предыдущей схеме: отделяют ИС и када по постоянному току.
н
от кас-
отделяет источник сигнала от общего провода и стабилизирует параметры каскада (если его нет, то сигнал будет закорочен, всё утечёт на общий провод). э
б
обеспечивает работу в режиме общей базы. Эквивалентная схема rэ
э RГ Eг
Rэ
RК
rб
Iэ
Uвх
б
вх
=
= 42
Iк = αIэ
э
∥
вых вх
э
=
+ э
б
+1
э( к э
+
∥
б
, б
н)
+1
= э
≈
RH
э
+1
≫
к
б
∥
э
+1 н
Схема усиливает напряжение так же, как и схема с ОЭ. Коэффициент усиления всегда зависит от э .
( э самый большой,
к, б
вых вх
=
н
=
к
< 1 всегда
малые). Не усиливает ток.
Обладает малым входным и большим выходным сопротивлениями (неудачно). Обладает хорошими частотными свойствами. Сигнал не инвертирует. В звукотехнике практически не используется, используется для высокочастотных сигналов. Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель)
Ср1
Rб1
+Eк VT
RГ
Ср2
Rб2 RЭ
EГ
RH
, б — базовый делитель. Создаёт режим работы по постоянному току. , отделяют ИС и н от каскада по постоянному току. э б
преобразует изменение тока в изменение напряжения, стабилизирует параметры каскада. RГ Eг
rб
б Rб1 Uвх
Rб2
rэ
э
Iэ = (β+1)Iб
Iб к
RЭ RH
Iк = βIб
43
Если
=
э
вх
вых вх
=
=
малое, то
∥
б
б
∥
б
б
+ ( + 1)( э +
( + 1) б ( э ∥ б + ( + 1)( э +
→ 1.
вых
=
э
=
∥
э
+
н)
э
н)
∥
=
э
∥
э
+
э
н)
∥
э
н
∥
н
<1
вх б
н
+
∥ б ∥ +1
б
г
Схема усиливает ток и не усиливает напряжение. Обладает большим входным и малым выходным сопротивлениями. Хорошие частотные свойства, лучшая стабильность. Схема с общим коллектором используется для согласования высокоомного источника сигнала с низкоомной нагрузкой. Статические характеристики Для биполярных транзисторов используются: 1) Входные ВАХ
вх
= (
вх ),
2) Выходные характеристики
вых
вых
=
= (
.
вых ),
вх
=
.
Постоянные величины являются параметрами характеристик. Поэтому приводятся семейства характеристик. Статические характеристики для схемы с ОЭ Входная характеристика ( Iб
вх
кэ
=
б,
=0
0,6 В 44
вх
=
бэ ): кэ
>0
Uбэ
Выходная характеристика: Iк
Iб4 Iб3
режим насыщения
Iб2
режим отсечки
Uкэн
По статическим параметры.
б
<
б
<
б
характеристикам
<
Iб1 Uкэ
б
могут быть
определены
h-
Статические характеристики для схемы с общей базой Iк Iэ кб
>0
кб
бэ
эб
=
=
б
э
−
−
э
б
Iэ3 Iэ2
=0
–Uэб
Iэ4
Iэ1 –0,6 В РН
Uкэ
>0 <0
Статические характеристики позволяют производить графический расчёт параметров схем. В режимах большого и малого сигнала по постоянному и по переменному току.
45
Режим покоя. Цепи смещения При работе в режиме покоя переменные сигналы равны нулю. Параметрами режима являются постоянные токи в ветвях схемы и постоянные напряжения в её узлах, определяемые источниками питания. Источники питания должны быть включены, чтобы транзисторы работали в активном режиме. Далее всё для схемы с ОЭ. Надо на выходной характеристике задать некое напряжение смещения ( бэ ). Iб
неsin
кэ
Iбэ0
Uбэ0
>0
Uбэ
sin
к
=
к
−
к
кэ
→
б
=
к
Режим смещения постоянным током Eк Rк Rб uбэ0
46
Eк/2 uкэ0
б
к
=
−
бэ
б
— этот резистор надо подобрать.
≈
к
б
Второй способ — смещение фиксированным напряжением. Eк Rк
д
≫
б
VT
Iд
Rб2 Условие схемы:
Eк/2
Iб0
Rб1
uкэ0
(в 10…20 раз). б
=
б б
=
д
=
− д+
к
⋅
б
д
бэ
б
б
≈
к
д
Оба способа не обеспечивают стабильной рабочей точки, ставится обратная связь (резистор).
47
Тиристоры ►Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более p – n-переходами, имеющие участок с отрицательным сопротивлением на ВАХ и могущие находиться в одном из двух состояний: открыт — закрыт. 1. Неуправляемые (динисторы). A VS К 2. Управляемые. а) с управлением по катоду: A
б) с управлением по аноду: УЭ
К
A
К
УЭ 3. Полностью управляемые. A
К
УЭ A
УЭ
К
Динисторы управляются по аноду, но без управляющего электрода. Управляемые тиристоры по управляющему электроду только открываются, закрываются по аноду. Полностью управляемые по управляющему электроду и открываются, и закрываются. Буквенно-цифровое обозначение: КН201А — кремниевый неуправляемый, КУ205Б — кремниевый управляемый.
48
Структура тиристора A
Возможные состояния переходов:
p n p
П1
1. А–, К+. П1, П3 смещены обратно, П2 смещён прямо. Тиристор закрыт.
П2
2. А+, К–.
П3
n K A A
Iа
p n
n
p
p
1В
α2(Iу+Iа) α1Iа
0,4 В 0,6 В
УЭ n
Iу
K
Iу+Iа К
=
−
+
=
−
+
=
у
+ к 1−( + ) у
+
+
к
к
Проанализируем формулу. В тиристорах величины α1 и α2 таковы, что их сумма меньше единицы и увеличивается с ростом Ia. Ток анода можно увеличить двумя путями. Первый и самый очевидный — увеличивать Iу (то есть греть тиристор). Сопротивление тиристора будет стремиться к нулю, управляемый тиристор открывается. Второй способ, которого не видно из формулы, однако который очеви49
ден: приложив большее напряжение , что приведёт к увеличению суммы ( + ) и увеличению тока анода.
Структура тиристора обладает положительной обратной связью. Ток базовый вызывает ток эмиттера и коллектора нижнего транзистора. Появление базового тока верхнего транзистора вызывает его коллекторный, который оказывается током базы нижнего транзистора. Таким образом, ток начинает себя увеличивать формально до бесконечности. Вольт-амперная характеристика тиристора Iа 3
Iуд
2 1
Iвкл Uвыкл
4
Uа
Uвкл
0 – 1: на аноде положительное напряжение относительно катода, тиристор закрыт. вк — напряжение включения, вк — ток включения, он достаточно мал. 1 – 2: участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Находиться на этом участке практически невозможно. 2 – 3: тиристор открыт. Рассмотрим простейшую схему ключа: VS Ea
Rн Rу
у
— сопротивление цепи управления. Ток там растёт быстро, необ-
ходимо ставить резистор. Можно построить линию нагрузки. 50
Iа =
Iуд
3
2
(б) (a)
4
Uвыкл
Uа
Ea Uвкл
Когда через тиристор ток не протекает, всё приложено к сопротивлению. При такой линии тиристор может находиться при прямом смещении либо в точке (а), либо в точке (б). Изменение приведёт к параллельному перемещению линии нагрузки. Когда точка (б) попадёт в неустойчивую точку вкл, тиристор откроется, перепрыгнет в точку (в). Если мы начнём уменьшать напряжение на аноде, линия будет двигаться до того момента, пока мы не окажемся в точке (2) ( выкл, уд). Положение неустойчивое. Таким образом, открыть тиристор можно, увеличивая напряжение на аноде либо увеличивая управляющий ток. Ток спрямления — это такой ток через управляющий электрод при котором ВАХ тиристора становится аналогичным ВАХ диода.
у,
Временные параметры тиристора ►Максимальная скорость нарастания анодного тока.
Превышение этой величины приводит к выходу тиристора из строя. Это связано с тем, что структура сложная, и ток распределяется по ней неравномерно, некоторые части тиристора могут перегреваться. ►Время выключения тиристора — время, спустя которое повторная подача анодного напряжения не приводит к открыванию тиристора. 51
Применение тиристоров Достоинства: v Возможность коммутировать большие мощности. v Малое потребление по цепи управления: для того, чтобы тиристор открыть, на управляющий электрод достаточно подать импульс и затем напряжение можно снять. Недостатки: v Сложность управления при коммутации постоянных сигналов. Сложно закрыть, нужна отдельная цепь, которая уменьшала бы напряжение на аноде. В переменном напряжении такой проблемы нет, он будет закрываться отрицательной полуволной. Применение: темнители света (свет плавно гасится и плавно включается), коммутация нагревательных приборов. Пример использования динистора +Eа
Uа
R
Ea Uвкл
VS
С
Uвыкл
t
Напряжение на конденсаторе мгновенно измениться не может. Но у нас стоит динистор. Открыться он может только по аноду, достигнув значения вкл. Конденсатор начинает через него разряжаться до напряжения выкл. Имеем генератор пилообразного напряжения.
52
Полевые транзисторы Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на модуляции канала поперечным электрическим полем. Под модуляцией в данном случае понимается изменение сопротивление канала по определённому закону. Достоинства: 1. большое входное сопротивление; 2. малые шумы при работе с высокоомными источниками сигналов; 3. большая температурная стабильность, чем у биполярных транзисторов; 4. простота изготовления и малые габариты, что важно при изготовлении ИМС. Полевые транзисторы также называются униполярными. Неосновные носители практически не используется, поэтому они меньше подвержены влиянию температуры. Недостатки: 1. малый коэффициент усиления по напряжению; 2. возможность повреждения статическим электричеством; Классификация полевых транзисторов 1. С управляющим p – n-переходом; a. с каналом n-типа; b. с каналом p-типа; 2. с изолированным затвором (МДП: металл-диэлектрикполупроводник, МОП: в качестве диэлектрика — диоксид кремния); a. с встроенным каналом; i. с каналом n-типа; ii. с каналом n-типа; b. с индуцированным каналом. 53
Полевые транзисторы с управляющим p – n-переходом С
С З
З И
И
Имеют три вывода. Носители заряда двигаются от истока к стоку через расположенный между ними канал. Сопротивление канала управляется напряжением между затвором и истоком.
В дальнейшем будем по умолчанию говорить о транзисторах с каналом n-типа. + С Буквенно-цифровое обозначение: КП303А. З
Принцип действия Управляющий переход должен быть всегда смещён в обратном направлении. (Основное достоинство полевых транзисторов — высокое сопротивление, обратносмещённый переход таки им и обладает).
p
n p
И
Для полевых транзисторов, в отличие от биполярных, приводятся не входная и выходная характеристики, а выходная и проходная. Выходная характеристика — зависимость тока стока Iс от напряжения Uси при постоянном Uзи. Проходная характеристика — зависимость тока стока Iс от напряжения Uзи при постоянном Uси. Iс
Iс Uзи = 0 Uзи = -1 В Uзи = -2 В Uзи = -3 В Uси
54
Uзи
Параметры транзистора Основной параметр транзистора — крутизна: =
си
зи
=
— крутизна кривой проходной характеристики. Имеет порядок (0,1…20) мА/В. Дифференциальное сопротивление канала: си диф
=
Величина порядка сотен кОм.
си
си
зи
=
Коэффициент усиления по напряжению: =
си
зи
=
=
си
Имеет порядок до нескольких сот раз. В реальной схеме этот коэффициент получить невозможно, реально — максимум несколько десятков раз. Входная характеристика — характеристика обратносмещённого p – n-перехода. Полевой транзистор можно использовать как переменный резистор, управляемый напряжении (в первой области). На втором участке, где линии идут практически горизонтально, транзистор работает как усилительный элемент. Схема включения с общим истоком Схема с общим затвором не применяется — параметры получаются крайне неудачные. Остаётся только с общим истоком и общим стоком. Схема с общим истоком сходна со схемой с общим эмиттером: усиливает ток и напряжение, входное и выходное сопротивления велики. 55
–Eз
+Eс
RЗ
RС Ср2
Ср1
з
VT RH
и
RИ EИ
р
р
отделяет источник сигнала от каскада по постоянному току. — отделяет каскад от нагрузки по постоянному току.
Сопротивление цепи стока с преобразует изменение тока стока в изменение выходного напряжения. Мы управляем выходным током. Сопротивление цепи затвора з отделяет вход каскада от источника смещения з . Можно ставить большим, так как через него ток почти не идёт. Каскад инвертирует сигнал, т. к.
зи
↑ ⇒
си
↓.
Режим работы по постоянному току — когда сигнал нулевой, есть только питание. Цель — получить си ≈ ⁄2. Работа в режиме малого сигнала
З
т вх
С Iс = SUзи
Rси
И т вх
— дифференциальное сопротивление обратносмещённого p – nперехода. В большинстве случаев равно бесконечности. Пользуясь этой схемой и предыдущими правилами (сопротивление источника питания и конденсатора закорачиваем для малого сигнала), составляем эквивалентную схему. 56
RИ
З
EИ
Rз
т вх
С Rси
Iс = SUзи
Rс
Rн
И вых
=
с
∥
≈
си
с
Коэффициент усиления по напряжению: = вых ⁄ вх . Выходное напряжение создаётся источником тока стока, который проходит через сопротивления си , с , н . =
(
си
∥
зи
с
∥
н)
зи
=
Порядок — десятки раз.
(
си
∥
с
зи
=
∥
н)
= (
си
∥
с
∥
н)
≈ (
с
∥
н)
вх н
Может быть большим при невысокоомной нагрузке и большом входном сопротивлении. Схема включения с общим стоком Данная схема по своим свойствам близка к схеме с общим коллектором. Называется также истоковым повторителем. Входное сопротивление большое, выходное малое. Коэффициент усиления по мощности большой из-за большого коэффициента усиления по току. Eз
+EС
Ср1 VT Ср2
RГ EГ
Rи
RH
57
и
преобразует изменение тока истока в изменение напряжения.
отделяет вход каскада от источника смещающего напряжения по переменному сигналу. з
На выходе опять хотим иметь обратное смещение, половину питания. В этом случае з может быть положительным. Важно, чтобы оно было гарантировано меньше с ⁄2. RИ
З
EИ
Rз
т вх
И
Rси
Iс = SUзи
Rи
Rн
С вх
≈
з
Выходное напряжение определяется током стока, проходящим через сопротивления ( си ∥ с ∥ н ). =
с ( си
∥
с
∥
н)
=
( си ∥ зи + с ( си ∥ зи
с
н)
∥
=
(
си
∥
с
∥
н)
+ с ( си ∥ и ∥ н ) 1 + ( си ∥ и ∥ н ) и ∥ н) = ,< 1 Для определения вых мысленно подключаем к выходу генератор вместо нагрузки. Считаем, что входной сигнал и = 0. Тогда вых = , зи
где i — ток через входные зажимы генератора, который выдаёт напряжение e. =
и
вых
∥
=
си
+
=
≈
и ≪ си
и
=
+
и
1
и
+
1
+
Формула соответствует формуле для определения сопротивления параллельного соединения сопротивлений.
58
вых
=
и
∥
1
Выводы: схема не усиливает входное напряжение, может иметь большое входное сопротивление, имеет малое выходное сопротивление. =
вх н
Схемы на полевых транзисторах с управляющим p – n-переходом используются в усилителях умеренно высоких частот (сотни МГц). Практически не используются в ключевых схемах. МДП-транзисторы со встроенным каналом МДП — транзисторы с изолированным затвором. С З
С З
П
П
И
И
Появляется четвёртый вывод — подложка. Иногда внутри транзистора подложку соединяют с истоком, тогда вывода три. Структура транзистора И
Д n+
З
Me
n
обеднённая зона
С
n+
P П — концентрация электронов больше, чем в . В качестве диэлектрика часто используют
. 59
Для простоты соединим исток и подложку, чтобы напряжение на них было одинаковым. Затвор формально тоже соединим с истоком. Только на сток мы подаём напряжение, причём положительное (канал n-типа, ток создаётся электронами, которые двигаются от истока к стоку). Получаем ту же ситуацию, которая была при рассмотрении транзистора с управляющим электродом. Переход обратносмещённый. Выходная характеристика: Ic
Uзи = 2 В Uзи = 0 В Uзи = -2 В Uзи = -4 В Uзи = Uзи отс
Ucи
Когда канал начинает смыкаться, ток практически перестаёт расти, что заканчивается пробоем перехода. Теперь начнём транзистором управлять, меняем напряжение зи . Затвор изолирован, напряжение можем подавать на него как положительное, так и отрицательное, переход всё равно не сместится. Подадим, например, отрицательное. Электроны начнут уходить в подложку, где их мало, что приводит к уменьшении тока. Поэтому характеристика пойдёт ниже. Кончится всё тем, что из n-области все электроны пропадут, канал пропадёт, ток практически прекратится. Но есть и другой вариант: подадим на затвор положительное напряжение. Тогда электроны из p-области, где они в каком-то количестве есть, начнут двигаться в канал. Плюс электронов много в областях , оттуда они тоже пойдут. Ток растёт, кривые пойдут выше. Проходная характеристика при этом приобретает следующий вид: Ic
обедн. обог.
Uзи отс 60
Uзи
Такое свойство транзистора позволяет ему работать без смещающего постоянного напряжения. С точки зрения сопротивления входа у этих транзисторов сопротивление между затвором и стоком практически равно бесконечности (диэлектрик), разве только пойдёт ток утечки по корпусу. Схемы включения такие же, как в предыдущем случае, основные параметры такие же, как у транзисторов с управляющим p – nпереходом. Эквивалентная схема такая же. Область, где зи < 0, называется режимом обеднения (канал бедный на носители заряда), а при зи > 0 — режим обогащения. МДП-транзисторы с индуцированным каналом С З
С З
П
П
И
И
Индуцированный канал, то есть изначально он отсутствует. И
З
Д
p0 n
n+ P
Me
С
e n+
e
e
П Тока изначально нет. При зи < 0 тока тоже нет. Если на затвор приложить плюс, к нему пойдут электроны из подложки и . И наступит момент, когда электронов в этой области окажется больше, чем дырок. Полупроводник меняет тип проводимости — инверсия. 61
Возникает инверсный канал. То напряжение исходит этот переход, называется пороговым.
зи ,
при котором про-
Выходная характеристика: Ic
Uзи = 4 В Uзи = 3 В Uзи = 2 В Uзи = 1 В Uзи = Uзи пороговое
Ucи
Проходная характеристика: Ic
Uзи Uзи пор Режима обеднения нет, только область обогащения. Таким образом, есть некое напряжение
зи пор ,
до которого ток не
идёт, поэтому удобно использовать транзистор в ключевых схемах. Основные параметры те же.
62
Интегральные микросхемы Терминология и классификация ►Микроэлектроника — область электроники, занимающаяся созданием электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. Микросхемы. Элементы. Компоненты ►Интегральная микросхема — микроэлектронное изделие, выполняющее определённую функцию преобразования, обработки сигнала и накапливания информации, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов, компонентов и кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приёмке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое. ►Элемент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента (например, транзистора, диода, резистора, конденсатора и т. д.), которая не может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приёмке, поставке и эксплуатации. Примеры: плёночный резистор в гибридной микросхеме, транзистор в полупроводниковой микросхеме. ►Компонент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приёмке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы. ►Цифровая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.
63
►Аналоговая интегральная микросхема — микросхема, предназначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. ►Аналоговый сигнал — сигнал, который в точности аналогичен исследуемому процессу. В настоящее время стандартизованы количественные и качественные меры определения сложности микросхемы. Количественный фактор соответствует порядку числа элементов на кристалле микросхемы или в её корпусе. = lg — коэффициент, показывающий степень сложности микросхемы. N — число элементов и компонентов в микросхеме. K округляется до большего целого. Качественный показатель (какие транзисторы, какие функции — цифровые или аналоговые и т. д.) — сокращённое название микросхемы. Микросхема может быть малой интегральной схемой (МИС), средней интегральной схемой (СИС), большой интегральной схемой (БИС), сверхбольшой интегральной схемой (СБИС). ►Полупроводниковая микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объёме и на поверхности полупроводника. ►Плёночная микросхема — микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде плёнок проводящих и диэлектрических материалов. Бывают тонкоплёночные и толстопленочные. Используются в настоящее время крайне редко. ►Гибридная микросхема — микросхема, содержащая, кроме элементов, простые и сложные компоненты. Один из видов гибридной микросхемы — многокристальная. ►Серия — совокупность ИМС, имеющих единое конструктивнотехнологическое исполнение, выполняющих различные функции и предназначенных для совместного использования. 64
Буквенно-цифровое обозначение КМ155ЛА3. К — микросхема общего применения. М — материал корпуса: металлокерамика. 155 — номер серии. ЛА — назначение микросхемы. 3 — разновидность микросхемы внутри серии. КР1142ЕН5А — Р пластмассовый корпус, ЕН — стабилизатор напряжения, 5 — низковольтный стабилизатор, А — 5 В. К157УД2 — общее применение, корпус по умолчанию пластмассовый, 157 серия рассчитана на проектирование магнитофонов, УД — операционный усилитель, 2 — два усилителя в одном корпусе.
Логические микросхемы Цифровые устройства бывают комбинационными и последовательными. Состояние на выходе комбинационного устройства определяется состоянием его входов в данный момент времени. Состояние последовательного устройства зависит не только от сигнала на входе, но и от предыдущего состояния. Микросхемы, служащие для реализации функции алгебры логики, называются логическими элементами. Способы описания: словесное описание; описание с помощью формул; таблица истинности. Существуют три базовых функции алгебры логики: ИЛИ, И и НЕ. 1) НЕ (инверсия) X
1
Y
Словесное описание: на выходе не то, что на входе. 65
Таблица истинности: X Y 0 1 1 0 Описание с помощью формулы:
= .
2) И (конъюнкция) X1 X2
&
Y
Чтобы на выходе была единица, и одна, и вторая переменная должна быть единицей. X1 0 0 1 1
3) ИЛИ (дизъюнкция)
X2 0 1 0 1
Y 0 0 0 1
= 1⋅ 2 = 1∗ 2 X1 X2
1
Y
Для того, чтобы на выходе была единица, надо чтобы или на одном, или на втором, или на обоих входах была единица. X1 0 0 1 1
66
=
X2 0 1 0 1 +
Y 0 1 1 1
Типы логических микросхем Логические микросхемы могут реализовываться на биполярных или полевых транзисторах. а) На биполярных транзисторах: 1) Резистивно-транзисторная логика (РТЛ). В основе лежит транзисторный ключ. В настоящее время +Eп практически не используется.
VT
2) Диодно-транзисторная логика (ДТЛ). В настоящее время используется в сериях с высокой помехозащищённостью.
Y
X
В основе обеих логик лежит ключ на биполярном транзисторе.
Это инвертирующая схема. Но нужна ещё схема, реализующая «И» или «ИЛИ». Поэтому собирается элемент, который имеет не один вход, а два. +Eп X1 X2
VT
Y
X1 0 0 1 1
X2 0 1 0 1
Y 1 0 0 0
Чтобы закрыть транзистор, нужно, чтобы было два нуля. То есть функция — ИЛИ-НЕ. У схемы низкое быстродействие и малая нагрузочная способность. Поэтому используют только в простейших случаях. Из ИЛИ-НЕ просто НЕ получить несложно: закоротить входы или просто не использовать один из входов. 67
Диодно-транзисторная логика
VD1
R1
R3
R2
X1
VT
X2 VD2
см
+Eп
–Eсм
VD3
Y
X1 X2 Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Функция — И-НЕ.
≈ −2 В — увеличение помехоустойчивости (может отсутствовать).
3) ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика, ТТЛШ (с диодами Шоттки). 4) ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика. В данных микросхемах транзисторы работают в активном режиме. Большое потребление, очень высокое быстродействие. 5) И2Л = ИИЛ — интегральная инжекционная логика. Простота изготовления, высокая плотность упаковки, что является определяющим при создании СБИС. б) Логические микросхемы на полевых транзисторах Используются полевые транзисторы МДП (МОП-типа) — транзисторы с изолированным затвором. 1) С каналом p-типа. Основное достоинство было: простота изготовления, высокая плотность упаковки. Недостаток: низкое быстродействие. 2) С каналом n-типа. Быстродействие возросло. Первые микросхемы такой группы требовали своеобразного питания: +5 В, -5 В, 12 В. Позже перешли к стандартному напряжению 5 В. 3) КМОП — комплиментарные (взаимодополняющие) транзисторы. Транзисторы имеют одинаковые абсолютные параметры, но структуры разного типа. 68
Основные параметры интегральных микросхем 1) Потребляемая мощность 2) Напряжение питания 3)
. Для ТТЛ
,
п.
п.
Стандарт +5 В. = 2,4 В,
= 0,4 В.
4) Коэффициент разветвления показывает, сколько входов можно подключить к данному выходу. Обычно не больше 10. 5) Коэффициент объединения входов входов у логического элемента.
. Показывает количество
6) Быстродействие. Два времени задержки. uвх
1
0
0 t
uвых 1
0
1 t
Логические элементы ТТЛ Базовым элементом ТТЛ является элемент «И–НЕ». +5 В VT1 X1 X2 VD1
R4
R2
R1 1,8 (1)
2,4 (0,4)
1
1,2
2,4
VT2
VT3 VD3 VT4
VD2
R3
>2,4
Y
0,4
69
VT1 — многоэмиттерный транзистор. Используется только в составе интегральных микросхем. Реализует функцию «И» аналогично диодам в диодно-транзисторной логике. Может иметь до восьми эмиттеров. R1 ограничивает ток базы VT1. VD1, VD2 — демпфирующие (антизвонные) диоды. Защищают вход микросхемы от отрицательных напряжений питания.
Остальные элементы реализуют сложный инвертор. VT2 реализует фазорасщепляющий каскад совместно с R2 и R3.
VT3 является схемой с общим коллектором, нагрузкой для которого служит VT4. VT4 работает в ключевом режиме. Если Х1 и Х2 имеют высокое напряжение логической «единицы», то эмиттерные переходы VT1 смещены в обратном направлении. VD3 обеспечивает надёжное закрывание VT3, когда VT2 в режиме насыщения. Если же на одном из входов напряжение логического «нуля». Эмиттерный переход VT1 оказался прямосмещённым. Это приведёт к тому, что ток, уходивший ранее в коллектор, уменьшится. Напряжение на коллекторе 1 В, VT2 и VT4 закроются. Напряжение на R2 близко к питанию. На эмиттере VT3 оно практически такое же. Напряжение на Y большое, гарантированно больше, чем 2,4 В. 70
Недостаток схем ТТЛ: при переключении существует момент, когда оба транзистора открыты. В этот момент через них может протекать очень большой ток. Для его ограничения служит R4. Каждое переключает вызывает броски тока, любой источник питания при этом теряет напряжение. По шинам питания начинают идти помехи. Поэтому для такой схемы требуют ставить конденсаторы на цепи питания с хорошими частотными свойствами. Чем меньше резисторы, тем больше потребляет микросхема. Чем больше резисторы, тем больше быстродействие. Одна из полезных реализаций: элемент «И-НЕ» с открытым коллектором. +5 В R1
Eп
R2
VT1
X2 VD1
VD3
VT2
X1
VD2
VT3
R3
VT3 имеет большую мощность, чем обычные транзисторы в элементах ТТЛ. Это даёт возможность подключать элемент индикации (светодиод). Или управлять электромагнитным реле. ТТЛ с диодами Шоттки (ТТЛШ): Любой из транзисторов, входящих в схему, дополняется диодом Шоттки.
VD 0,6
0,4
VT
Одна из проблем быстродействия в том, что при насыщении в базе накапливаются неосновные носители заряда. Поэтому с точки зрения быстродействия лучше, чтобы транзистор глубоко не насыщался. Этот диод как раз и не даёт транзистору уйти в глубокое насыщение. 71
Логические элементы КМОП 1. «НЕ»
з
X
Eп
2. «ИЛИ-НЕ»
Eп и
X1
VT1 с с
VT2
Y
VT3
VT2
з
Y VT4
и
X2
3. «И-НЕ»
VT1
Eп
X2
VT2 VT1
Y VT3 VT4
X1
пит
= 3 … 15 В
Данные схемы являются упрощёнными, в них не показаны вспомогательные диоды и резисторы. Быстродействие выше при большем питании. При напряжении питания 5 В КМОП совместима с ТТЛ. Достоинства: микросхемы эти практически не потребляют мощности в статическом состоянии. Мощность затрачивается лишь на перезарядку при переключении сигналов. 72
Аналоговые ИМС Среди аналоговых микросхем наиболее распространёнными являются операционные усилители. ►Операционным усилителем называется усилитель, имеющий два входа (прямой и инверсный), двуполярное напряжение питания, один выход. Большой коэффициент усиления по напряжению, большое вх , очень малое вых . Идеальный операционный усилитель: → ∞,
вх
→ ∞,
вых
→0
Операционный усилитель является усилителем постоянного тока, то есть может усиливать сколь угодно медленно изменяющиеся сигналы (внутри нет разделительных конденсаторов). + Uп Uвх1
►∞
Uвых
Uвх2
+ –
– Uп «–» — инверсный вход. Для ИМС стандартное напряжение питания ~220 В
ИП
п
= ±15 В.
+15 В 0 –15 В
Половина напряжения на выходе — 0. При отсутствии сигнала выходное напряжение равно нулю.
73
Основные параметры операционного усилителя 1) Коэффициент усиления по напряжению. =
вх 1
вых
−
вх 2
Если входные сигналы одинаковы (синфазные), такой сигнал усилитель не усиливает. Это хорошо тем, помехи наводятся на два рядом идущих провода одинаково. Эти помехи не будут усиливаться. Тем не менее, существует некая неприятность. Входы сделать строго симметричные нельзя. Поэтому этот синфазный сигнал не полностью гасится, а только ослабляется. 2) Коэффициент усиления по напряжению синфазного сигнала: =
вых ⁄ вх
< 1,
вх
=
вх 1
=
3) Коэффициент ослабления синфазного сигнала:
вх 2
⁄
=
4) вых определяется как у любого усилителя: отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания: вых = хх ⁄ кз . Десятки — сотни Ом. 5) вх — сопротивление между входами усилителя. Или входы закорачивают и меряют сопротивление относительно общего провода. 6) Входной ток
вх ,
Δ
вх
— разница между входными токами.
7) Напряжение сдвига по входу сд показывает неидеальность усилителя. Такое напряжение, которое надо приложить ко входу, чтобы на выходе был ноль. 8) — частота единичного усиления — частота, на которой коэффициент усиления по напряжению уменьшается до единицы. 9) ния.
вых
— максимальная скорость нарастания выходного напряже-
вых
74
=
Δ
вых
Δ
Инвертирующий усилитель на ОУ Свойства схемы на операционном усилителе определяются обратной связью. R2
На выходе может быть максимум +15, минимум -15 В. Считаем усилитель идеальным.
R1
Поэтому напряжение в точке (а) называется виртуальным нулём. =
=
вх
a
Uвх
=−
вых вх
►∞
I Uвых
вых
=−
Коэффициент усиления зависит только от резисторов. Неинвертирующий усилитель на ОУ Обратная связь всегда отрицательная. ос
=
=
вых
+
вых вх
=
=1+
►∞ вх
— мы получили повторитель с согласованием низкоомной нагрузки с высокоомным источником.
Uвх
R1
Uвых
R2
75
Оглавление Электроника. Основные понятия и термины ................................................................................ 3 Этапы развития ............................................................................................................................... 3 Полупроводники.............................................................................................................................. 4 Примесная проводимость полупроводников ................................................................................. 6 Процессы в p – n-переходе .............................................................................................................. 7 Уравнение Молла — Эберса ......................................................................................................... 10 Полупроводниковые приборы ........................................................................................................... 12 Диоды ............................................................................................................................................. 12 Выпрямительные диоды ............................................................................................................... 14 Импульсные диоды ....................................................................................................................... 15 Диоды Шоттки ............................................................................................................................... 17 Варикапы ....................................................................................................................................... 18 Стабилитроны и стабистры........................................................................................................... 21 Туннельные диоды ........................................................................................................................ 24 Обращённые диоды ....................................................................................................................... 25 Излучающие диоды ....................................................................................................................... 25 Биполярные транзисторы .................................................................................................................. 26 Режимы работы транзистора ........................................................................................................ 28 Физическая модель биполярного транзистора............................................................................ 29 Схемы включения ......................................................................................................................... 30 Модель Молла-Эберса для биполярного транзистора ................................................................ 32 Дифференциальные параметры биполярного транзистора....................................................... 33 Основные параметры усилительного каскада............................................................................. 35 Обратные связи.............................................................................................................................. 37 Схема включения с ОЭ.................................................................................................................. 39 Схема включения с ОБ. Параметры схемы ................................................................................. 42 Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель) .................................................................... 43 Статические характеристики ....................................................................................................... 44 Режим покоя. Цепи смещения...................................................................................................... 46 Тиристоры ........................................................................................................................................... 48 Структура тиристора ..................................................................................................................... 49 Вольт-амперная характеристика тиристора ............................................................................... 50 Временные параметры тиристора ................................................................................................ 51 Применение тиристоров................................................................................................................ 52 Полевые транзисторы ........................................................................................................................ 53 Классификация полевых транзисторов ....................................................................................... 53 Полевые транзисторы с управляющим p – n-переходом ............................................................ 54 Параметры транзистора................................................................................................................ 55 Схема включения с общим истоком ............................................................................................. 55 Схема включения с общим стоком ............................................................................................... 57 МДП-транзисторы со встроенным каналом................................................................................. 59 МДП-транзисторы с индуцированным каналом ......................................................................... 61 Интегральные микросхемы ............................................................................................................... 63 Терминология и классификация.................................................................................................. 63 Микросхемы. Элементы. Компоненты ......................................................................................... 63 Логические микросхемы ............................................................................................................... 65 Типы логических микросхем ........................................................................................................ 67 Основные параметры интегральных микросхем ........................................................................ 69 Логические элементы ТТЛ ........................................................................................................... 69 Логические элементы КМОП ....................................................................................................... 72 Аналоговые ИМС........................................................................................................................... 73 Основные параметры операционного усилителя ........................................................................ 74 Инвертирующий усилитель на ОУ .............................................................................................. 75 Неинвертирующий усилитель на ОУ........................................................................................... 75
76