А. В. Пешков

Электроника Конспект лекций Выполнил студент группы 712 ФАВТ А. В. Димент

2009

СПбГУКиТ

2

Литература

1. Гусев В. Г., Гусев В. М. «Электроника». М., Высшая школа.

2. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. «Аналоговая и цифро-вая электроника (полный курс)».

3. В. Г. Андронов, Л. А. Алексеева, В. В. Рябов. «Электроника и им-пульсная техника». Методические указания по выполнению лабора-торных работ. Часть 1. «Электронные приборы». ЛИКИ, 1987.

4. В. Г. Андронов, В. В. Рябов. «Радиоэлектроника и импульсная техника. Интегральные микросхемы».

3

Электроника. Основные понятия и термины

Электроника занимается изучением принципов действия, харак-теристик, параметров, моделей и особенностей использования полу-проводниковых 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 экс-плуатации электронных устройств звуко- и видеотехники, а также являются основой для дальнейшего изучения специальных дисцип-лин.

Электронные приборы применяются как элементы радиоэлектрон-ной аппаратуры, не подлежащие разборке и ремонту. В основе их функционирования лежат процессы, происходящие при непосредст-венном участии электронов. Электронные приборы можно разделить на полупроводниковые (твердотельные) и электровакуумные. Элек-тровакуумные приборы делятся на электронные (движение электро-нов в вакууме) и ионные, или газоразрядные (электрические разря-ды в газе или паре).

►Микроэлектроника — раздел электроники, занимающийся разработкой, исследованием и изучением принципов работы инте-гральных микросхем (ИМС).

Этапы развития

1. 1904 — 1950 гг.

1904 г. — первый электровакуумный диод. 1907 г. — первый элек-тровакуумный триод. Плотность монтажа (количество элементов в единице объёма): 0,005 эл/см3.

2. 1950 — начало 1960-х гг.

Появление дискретных полупроводниковых приборов. 1948 г. — по-явление транзистора. Плотность монтажа: 0,5 эл/см3.

4

3. 1960 — 1980 гг. — Развитие микроэлектроники.

►Интегральная микросхема — группа элементов, изготовлен-ных в едином технологическом процессе на одной несущей конст-рукции (подложке).

Плотность монтажа: 50 эл/см3.

4. 1980 + гг. — появление сверхбольших интегральных схем (СБИС). Плотность монтажа: > 5000 эл/см3.

Полупроводники

►Полупроводниками называются вещества, занимающие проме-жуточное положение между проводниками и диэлектриками по удельной электропроводности.

Полупроводники могут быть элементами (Si, Ge и др.) и соедине-ниями (GaAs). = ⋅ [Ом ⋅ см] (10 … 10 )

Удельная проводимость: = 1 . Полупроводники являются кристаллическими веществами, то есть имеют кристаллическую решётку, атомы в которой связаны кова-лентными связями. Эти связи образуются за счёт валентных элек-тронов (электронов, находящихся на внешней оболочке ядра).

Si

Si

Si

Si

e

5

► Процесс возникновения пары «свободный электрон — дырка» на-зывается генерацией. Обратный процесс — рекомбинацией.

Δ = П − В — ширина запрещённой зоны.

► Зона образуется электронами, имеющими близкие значения энергии.

Для проводника Δ = 0.

Для диэлектрика Δ > 4 эВ.

У полупроводников Δ < 4 эВ. Δ = 1,1 эВ, Δ = 0,7 эВ.

Проводимость полупроводников сильно зависит от внешних воздей-ствий. Может быть определена по формуле = + , где e — элементарный заряд, n — концентрация свободных электро-нов, p — концентрация дырок. μ — подвижность. = ̅ , где ̅ — средняя скорость движения, Е — напряжённость поля, вы-звавшего это движение.

► Полупроводники без примесей называются собственными. = + , = При увеличении температуры на 10°C проводимость возрастает в два-три раза.

ЗП

ЗЗ

ВЗ

W [эВ]

WП

WВ

6

Примесная проводимость полупроводников

Собственные полупроводники применяются крайне редко. В боль-шинстве полупроводниковых приборов применяются примесные по-лупроводники. 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 при-меси встраивается в кристаллическую решётку.

Введение акцепторной примеси приводит к появлению локальных энергетических уровней в запрещённой зоне вблизи валентной зо-ны. При комнатной температуре все атомы примесей ионизируются.

Концентрацию дырок в дырочном полупроводнике обозначим бук-вой pp. = + ≫ ⇒ ≈

Na — концентрация акцепторной примеси, np — концентрация сво-бодных электронов в полупроводнике p-типа. ≈

Проводимость полупроводников n-типа

Для получения таких полупроводников вводится примесь из пятой группы (донорная примесь).

ЗП

ЗЗ

ВЗ

W [эВ]

WП

WВ ee

Si

Si

Si

B

7

Комнатной температуры достаточно, чтобы все электроны оторва-лись от атомов примеси. = д + = д д ≫

При рабочих температурах проводимость мало зависит от темпера-туры. С ростом температуры она уменьшается за счёт уменьшения подвижности .

В полупроводниках p-типа дырки называются основными носителя-ми, электроны — неосновными.

Процессы в p – n-переходе

► Электронно-дырочным (p – n) переходом называется область вблизи границы, разделяющей полупроводник с различными типа-ми проводимости.

Рассмотрим p – n-переход при отсутствии приложенного к нему на-пряжения.

► Дрейф — движение частиц под действием электрического поля.

p n +

+

–

–

– +

– +

– +

Eз

ЗП

ЗЗ

ВЗ

W [эВ]

WП

WВ ee

Si

Si

Si

P

e

8

► Диффузия — движение частиц под действием градиента кон-центрации.

Вблизи перехода возникает область неподвижных ионов примесей: в р-области отрицательных, в n-области — положительных. Концен-трация подвижных носителей в этой области мала, поэтому область называется обеднённой.

Неподвижные ионы создают электрическое поле, называемое запи-рающим. Это поле препятствует движению основных носителей за-рядов. Однако через переход проходят неосновные носители заря-дов. Таким образом, общий ток через переход равен: = диф + диф − др − др = 0 диф , диф — диффузные токи, др , др — дрейфовые токи.

Прямосмещённый p – n-переход

Переходы между полупроводником и металлом в данном случае должны быть омическими, иметь малое и не зависящее от направ-ления протекания тока сопротивление.

Обеднённая зона обладает большим сопротивлением. Поэтому мож-но считать, что всё напряжение прикладывается к ней. = дифф = пр

p n – +

– +

– +

+

+

+

R + –

Eз Eпр

Uпр

9

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

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 ма-ленький. Количество неосновных носителей зависит от температу-ры, поэтому этот ток часто называют тепловым.

В полупроводниковых приборах как правило используются несим-метричные переходы, то есть концентрация примесей в p- и n-областях неодинакова. а ≠ д В данном случае а = д. Основное свойство p – n-перехода: большая проводимость в пря-мом направлении и маленькая в обратном. Часто это свойство назы-вают односторонней проводимостью.

p n – +

– +

– +

+

+

+

R – +

Eз Eпр

Uпр

10

Вольт-амперная характеристика p – n-перехода

► ВАХ называется зависимость тока от напряжения.

пр ≈ 0,6 В пр ≈ 0,2 В

В положительных и отрицательных направлениях осей разные масштабы.

При достижении обратного напряжения обр напряжения пробоя проб 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 че-рез 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.

= − 1

U

I(U) идеальный вентиль

Uпр Iпр

Uобр Uпроб

11

— тепловой ток через p – n-переход. — температурный потенциал. = = 0,026 В ( = 300 К)

= + = ln +

= ln +

диф = 1 + = + ≈

12

Полупроводниковые приборы

Диоды

► Диодом называется полупроводниковый прибор, действие кото-рого основано на свойствах выпрямляющего перехода, и имеющий два вывода.

Выводы диода: анод и катод.

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. Напри-мер, КД521А. Первый символ: материал, из которого изготовлен ди-од. К (2) — Si, Г (1) — Ge, A (3) — GaAs. Второй символ обозначает класс прибора. Д — диод выпрямительный, импульсный или уни-версальный, В — варикап (variable capacity), И — диод туннельный или обращённый, С — стабистр или стабилитрон, Л — излучающий диод, Ц — выпрямительный столб или блок. Третий блок (три циф-ры) обозначает назначение, характеристики, параметры и т. д. По-следний символ определяет параметры внутри группы.

p n А К

VD1 А К

13

Диоды являются преобразовательными приборами. Служат для вы-прямления, детектирования, ограничения сигналов и т. д.

Детектирование — выделение огибающей из амплитудно-модулиро-ванного сигнала.

Параметры диода

1. Прямое напряжение пр при заданном прямом токе пр. 2. Обратный ток обр при заданном обратном напряжении обр. Так как диоды работают с переменными напряжениями, часто ис-пользуются средние значения токов и напряжений (постоянные со-ставляющие).

Среднее за период:

= 1 ( )

3. Тепловое сопротивление = п − . п — температура перехода; — температура окружающей среды; — рассеиваемая мощность.

4. Ёмкость диода C — определяет частотные свойства диода.

Предельные эксплуатационные параметры

1. пр

2. обр

3.

4. (80° … 120° , 160° … 220° ), (−60° ).

5. Максимальная частота : наибольшая частота, при которых обеспечивается нормальная работа.

14

Выпрямительные диоды

► Выпрямление — преобразование переменного напряжения в однополярное пульсирующее.

Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель

t Uвх

U

Uвых Rн

С

VD3

VD4

VD2

VD1

~Uвх

+ (–)

– (+)

н

в , н

вх

15

Импульсные диоды

► Импульсные диоды — диоды, предназначенные для работы в схемах с короткими импульсами, обладающие малой инерционно-стью.

Инерционность оценивается временем переходного процесса.

► Переходной процесс — процесс перехода из одного установив-шегося 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.

= вх −

При вх ≫ ≈ вх ⁄ . Поэтому мы говорим, что диод работает от источника тока.

t

i

t

uVD

tу

uVD MAX

1,1⋅uпр uпр ≈ 0,6 В

Uвх VD

R

16

b. Время восстановления обратного сопротивления.

При обратном включении можно считать, что диод работает от ис-точника напряжения. = вх −

Но так как у нас обратное включение диода, ток у нас маленький, и можно предположить, что всё напряжение падает на диоде. ≈ вх

Время восстановления обратного сопротивления: В = + . — за это время рассасываются неосновные носители вблизи p – n-перехода. — рассасывание неосновных носителей в объёме базы.

Пути достижения В → 0:

1. узкая база; 2. уменьшение ёмкости; 3. низкие обратные напряжения и маленькие прямые токи.

i

t

uVD

t

t1 t2 Iобр

i ≈ Uвх/R

17

Диоды Шоттки

► Диод на основе выпрямляющего перехода «металл – полупровод-ник» называется диодом Шоттки.

В качестве металлической базы применяются материалы ванадий, молибден, вольфрам. В качестве полупроводника — как правило, кремний. Переход между ними оказывается не омическим, а вы-прямляющим.

Достоинства:

v электроны в металлической базе не накапливаются и не расса-сываются;

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 ка-честве импульсных диодов, в цифровых интегральных микросхе-мах.

Б Э

Me n

18

Варикапы

Варикапами называются диоды, используемые в качестве перемен-ной ёмкости, управляемой напряжением.

Ёмкость p – n-перехода

1. Диффузная ёмкость. В прямосмещённом переходе изменяется за-ряд 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.

При обратном смещении p – n-перехода ширина обеднённой области d увеличивается.

П = бар + дифф

U

C

n p d

19

В варикапах используется только барьерная ёмкость, то есть они ра-ботают с обратным смещением.

Эквивалентная схема варикапа может быть представлена следую-щим образом:

Ёмкость варикапов — единицы-сотни пикофарад.

Варикапы используются в схемах автоматической подстройки часто-ты (АПЧ), в генераторах, в схемах настройки приёмников и телеви-зоров.

Использование варикапа.

C

+UП

L

VD

R1 R2

CП RП

Rб

20

= 1√

— разделительный конденсатор. Исключает шунтирование управляющего напряжения индуктивностью. — переменный ре-зистор. Служит для управления ёмкостью варикапа. Исключает шунтирование варикапа. ≫ общ = в + в ≈ в

Основные параметры

1. Ёмкость варикапа в при заданном обратном напряжении обр. 2. в , в .

Вводится параметр коэффициент перекрытия. = в в

3. Добротность Q. = пот Если варикап представляет из себя идеальный конденсатор, то доб-ротность равна бесконечности.

У варикапа добротность зависит от частоты. Есть частота, на которой добротность максимальна. Для частот ниже этой частоты:

U

Cв

Cв max

Cв

Uобр

Cв min

21

нч = в П, П — сопротивление перехода.

На высоких частотах формула становится такой: вч = 1 в б, б — сопротивление базы.

4. ТКЕ (температурный коэффициент ёмкости, в). ТКЕ = Δ Δ ⋅ 100%

Показывает относительное изменение ёмкости при изменении тем-пературы на 1°.

Стабилитроны и стабистры

► Стабилитроном называется диод, предназначенный для рабо-ты в режиме пробоя.

Стабилитроны используются в схемах стабилизации напряжения, ограничителях и т. д.

Существуют три вида пробоя: туннельный, лавинный (эффект иони-зации), 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 вет-вью ВАХ.

U

I

Imin Uпроб

Umax

Imax

22

Основные параметры

1. Напряжение стабилизации ст при заданном токе стабилиза-ции 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 — относи-тельное изменение напряжения при изменении температуры на 1°. Может быть положительным и отрицательным. ТКН = Δ ст стΔ ⋅ 100%

Стабилитроны изготавливаются из кремния, так как у германия любой пробой переходит в тепловой.

Параметрический стабилизатор постоянного напряжения

Uн Rн Iст

R0

Uвх

+

–

VD

23

- балластное сопротивление. н - сопротивление нагрузки. вх = + н = ( ст + н) + н Δ вх = Δ ст + Δ н + Δ н Δ вхΔ н = Δ ст Δ н + Δ н Δ н + 1 Δ вхΔ н = + н + 1

Δ н = Δ вх + н + 1

Хорошо, когда маленькое дифференциальное сопротивление. ≪ Если мы убрали стабилитрон, у нас получился делитель напряже-ния. н ≫ При выполнении обоих этих соотношений, напряжение на нагрузке будет меняться незначительно.

Для изменения напряжения стабилизации стабилитроны можно включать последовательно.

t 0,6 В

U

24

Туннельные диоды

►Туннельные диоды — диоды, построенные на основе полупро-водника, 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 отрица-тельным дифференциальным сопротивлением.

дифф =

Наличие участка с отрицательным сопротивлением позволяет ис-пользовать туннельные диоды в схемах генерации, усиления и пе-реключения.

Диоды могут работать на очень высоких частотах (гигагерцовый диапазон). П, П — напряжение и ток пика; В, В — напряжение и ток впадины. р — напряжение раствора. пр = 0,3 … 1,4.

Наличие участка АВ вызвано туннельным эффектом.

U

I

Uп Iв Iп

Uпр Uв

25

Обращённые диоды

Обращённые диоды — диоды на основе полупроводников, находящихся на грани вырождения. П = В

Используются для выпрямления малых напряжений. Име-ют хорошие частотные свойства.

Излучающие диоды

Излучающие диоды — диоды, служащие для преобразова-ния 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. обр у свето-диодов, как правило, небольшое.

Применение:

- Устройства индикации:

R — токоограничивающий резистор. VD1 — светодиод, светится при обратном ходе тока. VD2 — защитный диод.

- Каналы передачи информации. ►Оптроны — сочетание излу-чающего диода и фотоприёмника в одном корпусе.

VD1

VD2

R

~ 220

26

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.

Крайняя область структуры с максимальной концентрацией приме-сей называется эмиттером. Средняя область с минимальной концен-трацией примесей — базой. Крайняя область с промежуточной кон-центрацией примесей — коллектором.

n p n К Э

Б

Э

Б

К n – p – n

p n p К Э

Б

Э

Б

К p – n – p

27

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 напря-жений и направления протекания токов. э = к + б

Принцип действия

см — напряжение смещения эмиттерного перехода, к — напряже-ние питания коллекторного перехода. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, между коллектором и базой — кол-лекторным.

Через прямосмещённый эмиттерный переход электроны проходят в базу. В базе они неосновные носители. Электрическое поле в кол-лекторном переходе втягивает электроны в коллектор.

Процесс перехода носителей через прямосмещённый переход назы-вается инжекцией. Процесс перехода носителей через обратносме-щённый переход называется экстракцией. ж — время жизни, то есть время от генерации до рекомбинации. прол — время пролёта через базу. ж ≫ прол

n p n К Э

Б Eсм Eк

e

28

э <

α — коэффициент передачи тока эмиттера (реально >0,95). = к э < 1

β — коэффициент передачи тока базы. = к б э = к + б = к + к = к 1 + 1 = к + 1

= к э = + 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 направле-нии.

3) Режим отсечки: оба перехода смещены в обратном направле-нии.

Второй и третий режимы используются в ключевых схемах.

4) Инверсный режим: эмиттерный переход смещён в обратном на-правлении, коллекторный в прямом. Используется крайне редко.

29

Физическая модель биполярного транзистора

Данная модель отражает физические процессы, происходящие в транзисторе. Часто называется Т-образной.

Для схемы с общим эмиттером:

Всё, что подключено штриховыми линиями, при анализе схем в дальнейшем использовать не будем. б — омическое сопротивление базы. 10…100 Ом. э — дифференциальное сопротивление эмиттера. Вот это сопротив-ление является уже по сути сопротивлением эмиттерного перехода. э = т э

= = 26 (300 ) — сопротивление коллекторного перехода. 100 К…10 М. б — управляемый источник тока (источник тока, управляемый то-ком). Меняя ток базы, меняем ток коллектора.

Ёмкости переходов э и к необходимо учитывать в высокочастотных схемах. Сопротивление ёмкости уменьшается с ростом частоты. к — обратный ток коллекторного перехода (тепловой). Вызывается неосновными носителями. Если к мал, надо учитывать влияние к .

Ск

Сэ rэ

rк

βIб

Iк0

rб К Б

Э

30

Физическая модель для схемы с общей базой

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 по-стоянных.

Рассмотренные модели применимы только в режиме малого сигна-ла.

Схемы включения

У транзистора три вывода, все схемы обычно имеют вид четырёхпо-люсников, поэтому один из выводов включается и ко входу, и к вы-ходу, то есть один из выводов общий.

1. Схема с общим эмиттером (ОЭ).

Коллекторный переход — обратносмещённый.

3…100 В +

– Eсм Eк

–

+ 0,6 В

Iб

Iк

rб

Iк = αIэ

rк

rэ К Э

Б

31

см — напряжение смещения эмиттерного перехода. н — сопротивление нагрузки, на котором вых. к — источник питания коллекторной цепи.

Данная схема — наиболее распространённая, так как усиливает напряжение, и ток.

2. Схема с общим коллектором (ОК).

Схема усиливает ток и не усиливает напряжение. Чаще называется эмиттерным повторителем: напряжение на эмиттере повторя-ет напряжение на базе, но ток э ≫ б. 3. Схема с общей базой (ОБ).

Схема усиливает только напряжение.

Eсм Eк

uвх

Rн

–

+ Eсм Eк

–

+

Iб

Iк

Eк

Eсм uвх

Rн

+

– Eсм Eк

+

– Iб

Iк

Eк

Eсм uвх

Rн

32

Модель Молла-Эберса для биполярного транзистора

Диоды VD1 и VD2 соответствуют эмиттерному и коллекторному пере-ходам. Токи через выводы транзистора Iк, Iб, Iэ соответствуют нор-мальному 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 до-ходит до коллектора. = к э αI — коэффициент передачи тока в инверсном режиме.

= к к < < 1

э = к + б э = − к = −

= э бэ − 1

VD2 VD1

I2 I1 Iк

Iб

Iэ

αI1 αII2

К

Б

Э

uбэ uбк

33

= к бк − 1

= ⁄ — температурный потенциал.

б = э − к = (1 − ) э бэ − 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 рассматри-вать как линейный четырёхполюсник (устройство с четырьмя выво-дами).

Чтобы связать величины, входящие и выходящие из данного устрой-ство, 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).

I1 I2

U1 U2

34

= ℎ + ℎ = ℎ + ℎ Эта система наиболее распространённая, h-параметры самые удоб-ные.

Под токами и напряжениями в уравнениях понимаются малые их изменения. Именно поэтому параметры оказываются дифференци-альными. То есть в предельном случае параметры означают сле-дующее: ℎ = = 0 Смысл h11 — входное сопротивление при коротком замыкании на выходе. ℎ = = 0 — коэффициент передачи цепи обратной связи при режиме холосто-го хода на входе. ℎ = = 0 — коэффициент передачи по току. Показывает, как входной ток влияет на выходной. ℎ = = 0 — выходная проводимость.

h-параметры для разных схем включения транзистора разные.

Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах:

h11 h22

u2h12

I1h21

35

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 — источник сигнала (в простейшем случае — микрофон), ИП — источник питания, ► — усилитель, Н — нагрузка (например, аку-стическая система).

вх — входное сопротивление — отношение входного напряжения к входному току. — коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода.

Eи

Rи

Rвых

Rвх KXXUвх Uвх Rн

У

ИП

Н ИС

36

вых — выходное сопротивление — отношение выходного напряже-ния в режиме холостого тока к выходному току в режиме короткого замыкания. вых = вых хх вых кз⁄ .

Выведем такой коэффициент усиления по напряжению, который на-зывается сквозным. Усилитель не только усиливает, вх и обра-зуют ещё делитель. Подключив источник, мы уменьшаем входное напряжение. Выходное сопротивление и сопротивление нагрузки также образуют делитель. = вых = вх + вх н вых + н

вх ≫ , вх вх → 1 н ≫ вых, н вых 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 = вх вых. Коэффициент усиления по мощности: = 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 ло-гарифмической зависимости.

37

Обратные связи

► Обратной связью называется цепь, по которой часть сигналов с выхода возвращается на вход.

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, пото-му что это положительная обратная связь (ПОС). Из-за неё может произойти следующее: сигнал на выходе при постоянном сиг-нале 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 свя-зью (ООС), которая повсеместно используется в усилителях. = вых к⁄ — коэффициент усиления К-канала. = ос вых⁄ — коэффициент передачи обратной связи.

Коэффициент обратной связи:

ос = вых вх = вых к + ос = вых к⁄1 + ос к⁄ = 1 + ос к⁄ = 1 +

Формально = 1, если всё идёт обратно. Если → ∞, то ос → 1.

Отрицательная обратная связь уменьшает линейные и нелинейные искажения. Линейные — частотные искажения (не все частоты уси-ливаются одинаково).

К

В uвх uвых

38

Четыре типа ООС

К и В включены последовательно — последовательная ОС. Сигнал на выходе зависит от тока — ОС по току. Две цепи — входное сопро-тивление вх ↑. Выходное сопротивление вых ↑. На входное влияет хорошо, на выходное плохо.

Рассмотрим схемы, в которых трудно изменить ОС в сторону ↓ вых.

— параллельная ОС по току. вх ↓, вых ↑. Неудачная ОС с точки зрения сопротивлений.

— параллельная ОС по напряжению. вх ↓, вых ↓. Не самая плохая.

Eг

Rг

Rн К

В

Eг

Rг

Rн

К

В

Eг

Rг Rн

К

В

39

— последовательная по напряжению. вх ↑, вых ↓. Самая полезная.

Если при токе отключить н, то ОС нет.

Схема включения с ОЭ

— разделительный конденсатор. Отделяет источник сигнала от каскада по постоянному току. — разделительный конденсатор. Отделяет нагрузку от каскада по постоянному току. б , б — базовый делитель. Создаёт режим работы по постоянному току.

Нужно обеспечить по постоянному току активный режим. к — ис-точник питания коллекторной цепи — обратно смещает переход. к — коллекторная нагрузка. Преобразует изменение тока в изме-нение напряжения.

Входное напряжение б (для переменного сигнала). Если б ↑, то б ↑.

RH

+Eк

RЭ Сэ

С2 RK Rб1

С1

RГ

EГ

Rб2 VT

5 В

1 В

Eг

Rг Rн К

В

40

к = б ↑ — коэффициент усиления транзистора по току.

Следовательно, н уменьшается (↑ к, н = к − к к). Сигнал инвер-тируется (противофаза).

э вводит отрицательную ОС (последовательную по току), стабили-зирующую температурный режим. Чем больше ток, тем больше мощность. Это приводит к положительной обратной связи, транзи-стор нагревается. ↑ ⟹ к ↑ ⟹ э ↑ ⟹ э ↑ ⟹ б ↓ ⟹ к ↓ . э исключает ООС по переменному сигналу, увеличивая коэффици-ент усиления (ООС только для постоянного или медленно изме-няющегося сигнала). — усилительный элемент, усиливает ток.

Для определения параметров схемы на средних частотах в режиме малого сигнала будем пользоваться эквивалентной схемой с ис-пользованием упрощённой физической модели транзистора.

Для составления эквивалентных схем конденсаторы закорачивают-ся. Источник питания закорачивается. При последовательном со-единении сопротивлений будем пренебрегать сопротивлениями в 10 и более раз меньшими (например, ≫ ⇒ в схеме только ). При параллельном соединении пренебрегаем величиной в 10 раз боль-шей.

t

Uвых

t

Uвх

RH RК rэ

Rэ Сэ

Rб2 Rб1

rб

RГ Eг

Uвх Iб

Iб(β+1) э

б к βIб

41

Ток базы увеличивается, падение напряжения на эмиттере стано-вится больше (при отсутствии конденсатора). вх = б ∥ б ∥ б + ( э + э)( + 1) Если установить конденсатор, то пропадёт э, вх уменьшится. = 26 ∙ 10 В э = э Если э = 1 мА, то э = 26 Ом.

= вых вх = б к ( к ∥ н) б б + ( э + э)( + 1) Имеем два случая: с конденсатором и без. с э = ( к ∥ н)( э + э)( + 1) ≈ к ∥ н э

Коэффициент усиления определяется только величиной сопротив-ления. без э ≈ к ∥ н э с э > без э , вых = к э зависит от , а он зависит от температуры. Коэффициент изменя-ется, нестабильный. = вх н =

Схема с общим эмиттером усиливает и ток, и напряжение, наиболь-ший 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.

42

Схема включения с ОБ. Параметры схемы

, — то же, что и в предыдущей схеме: отделяют ИС и н от кас-када по постоянному току. э отделяет источник сигнала от общего провода и стабилизирует параметры каскада (если его нет, то сигнал будет закорочен, всё утечёт на общий провод). б обеспечивает работу в режиме общей базы.

Эквивалентная схема

вх = э ∥ э + б + 1 , э ≫ б + 1

= вых вх = э( к ∥ н) э э + б + 1 ≈ к ∥ н э

RH RК rб Rэ

rэ

RГ Eг

Uвх Iэ

б

э Iк = αIэ

б = э + 1

RH

+Eк

RЭ

Ср2 RK Rб1

СБ

RГ

EГ

Rб2

VT

Ср1

43

Схема усиливает напряжение так же, как и схема с ОЭ. Коэффици-ент усиления всегда зависит от э. вых = к = вх н < 1 всегда ( э самый большой, к, б малые). Не усиливает ток.

Обладает малым входным и большим выходным сопротивлениями (неудачно). Обладает хорошими частотными свойствами. Сигнал не инвертирует. В звукотехнике практически не используется, исполь-зуется для высокочастотных сигналов.

Схема включения с ОК (эмиттерный повторитель)

б , б — базовый делитель. Создаёт режим работы по постоянному току. , отделяют ИС и н от каскада по постоянному току. э преобразует изменение тока в изменение напряжения, стабилизиру-ет параметры каскада.

RH RЭ Rб1

rб RГ

Eг Uвх

Iб

к Iк = βIб Rб2

б rэ э

Iэ = (β+1)Iб

RH

+Eк

RЭ

Ср2

Rб1 Ср1

RГ

EГ

Rб2

VT

44

вх = б ∥ б ∥ б + ( + 1)( э + э ∥ н) = вых вх = ( + 1) б( э ∥ н) б б + ( + 1)( э + э ∥ н) = э ∥ н э + э ∥ н < 1

Если э малое, то → 1. = вх н

вых = э ∥ э + б + б ∥ б ∥ г + 1

Схема усиливает ток и не усиливает напряжение. Обладает боль-шим входным и малым выходным сопротивлениями. Хорошие час-тотные свойства, лучшая стабильность.

Схема с общим коллектором используется для согласования высоко-омного источника сигнала с низкоомной нагрузкой.

Статические характеристики

Для биполярных транзисторов используются:

1) Входные ВАХ вх = ( вх), вых = . 2) Выходные характеристики вых = ( вых), вх = . Постоянные величины являются параметрами характеристик. По-этому приводятся семейства характеристик.

Статические характеристики для схемы с ОЭ

Входная характеристика ( вх = б, вх = бэ):

Uбэ

Iб кэ = 0 кэ > 0

0,6 В

45

Выходная характеристика:

б < б < б < б По статическим характеристикам могут быть определены h-параметры.

Статические характеристики для схемы с общей базой

бэ = б − э > 0 эб = э − б < 0

Статические характеристики позволяют производить графический расчёт параметров схем. В режимах большого и малого сигнала по постоянному и по переменному току.

Uкэ

Iк

–0,6 В РН

Iэ4 Iэ3 Iэ2

Iэ1

–Uэб

Iэ кб > 0 кб = 0

Uкэ

Iк

Uкэн

режим отсечки

режим насыщения

Iб4 Iб3

Iб2

Iб1

46

Режим покоя. Цепи смещения

При работе в режиме покоя переменные сигналы равны нулю. Па-раметрами режима являются постоянные токи в ветвях схемы и по-стоянные напряжения в её узлах, определяемые источниками пита-ния.

Источники питания должны быть включены, чтобы транзисторы ра-ботали в активном режиме.

Далее всё для схемы с ОЭ.

Надо на выходной характеристике задать некое напряжение смеще-ния ( бэ ).

к = к − кэ к → б = к

Режим смещения постоянным током

Eк

uбэ0

Rк

Rб Eк/2

uкэ0

Uбэ

Iб кэ > 0

sin

неsin

Uбэ0

Iбэ0

47

б = к − бэ б ≈ к б — этот резистор надо подобрать.

Второй способ — смещение фиксированным напряжением.

Условие схемы: д ≫ б (в 10…20 раз). б = д ⋅ б б = б д

б = к − бэ д + б ≈ к д

Оба способа не обеспечивают стабильной рабочей точки, ставится обратная связь (резистор).

Eк

Rк

Rб1 Eк/2

uкэ0 Rб2

Iб0

Iд VT

48

Тиристоры ►Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более p – n-переходами, имеющие участок с отрицательным сопро-тивлением на ВАХ и могущие находиться в одном из двух состояний: открыт — закрыт.

1. Неуправляемые (динисторы).

2. Управляемые.

а) с управлением по катоду:

б) с управлением по аноду:

3. Полностью управляемые.

Динисторы управляются по аноду, но без управляющего электрода. Управляемые тиристоры по управляющему электроду только откры-ваются, закрываются по аноду. Полностью управляемые по управ-ляющему электроду и открываются, и закрываются.

Буквенно-цифровое обозначение: КН201А — кремниевый неуправ-ляемый, КУ205Б — кремниевый управляемый.

A К

УЭ A К

УЭ

A К

УЭ A К

УЭ

VS A

К

49

Структура тиристора

Возможные состояния переходов:

1. А–, К+. П1, П3 смещены обратно, П2 сме-щён прямо. Тиристор закрыт.

2. А+, К–.

= + + + к − − = у + к = у + к 1 − ( + )

Проанализируем формулу. В тиристорах величины α1 и α2 таковы, что их сумма меньше единицы и увеличивается с ростом Ia. Ток ано-да можно увеличить двумя путями. Первый и самый очевидный — увеличивать Iу (то есть греть тиристор). Сопротивление тиристора будет стремиться к нулю, управляемый тиристор открывается. Вто-рой способ, которого не видно из формулы, однако который очеви-

УЭ Iу Iу+Iа

α2(Iу+Iа) 0,4 В

1 В

A

К

Iа

α1Iа 0,6 В

p

n

p

A

n

p

K

n

p

n

p

n

A

K

П1

П2

П3

50

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 кол-лекторный, который оказывается током базы нижнего транзистора. Таким образом, ток начинает себя увеличивать формально до беско-нечности.

Вольт-амперная характеристика тиристора

0 – 1: на аноде положительное напряжение относительно катода, тиристор закрыт. вк — напряжение включения, вк — ток включе-ния, он достаточно мал.

1 – 2: участок с отрицательным дифференциальным сопротивлени-ем. Находиться на этом участке практически невозможно.

2 – 3: тиристор открыт. Рассмотрим простейшую схему ключа:

у — сопротивление цепи управления. Ток там растёт быстро, необ-ходимо ставить резистор.

Можно построить линию нагрузки.

VS

Rн Ea

Rу

Uа

Iа

4

1 2

3

Iвкл Iуд

Uвыкл Uвкл

51

Когда через тиристор ток не протекает, всё приложено к сопро-тивлению. При такой линии тиристор может находиться при прямом смещении либо в точке (а), либо в точке (б).

Изменение приведёт к параллельному перемещению линии на-грузки. Когда точка (б) попадёт в неустойчивую точку вкл, тиристор откроется, перепрыгнет в точку (в). Если мы начнём уменьшать на-пряжение 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 у, при котором ВАХ тиристора становится аналогичным ВАХ диода.

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 по-вторная подача анодного напряжения не приводит к открыванию тиристора.

Uа

Iа

4

2

3

Iуд

=

Uвыкл Uвкл Ea

(a) (б)

52

Применение тиристоров

Достоинства:

v Возможность коммутировать большие мощности. v Малое потребление по цепи управления: для того, чтобы тири-стор 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 полувол-ной.

Применение: темнители света (свет плавно гасится и плавно вклю-чается), коммутация нагревательных приборов.

Пример использования динистора

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 на-пряжения выкл. Имеем генератор пилообразного напряжения.

VS С

R

+Eа Uа

t Uвыкл

Uвкл Ea

53

Полевые транзисторы Полевым транзистором называется полупроводниковый при-бор, действие которого основано на модуляции канала поперечным электрическим полем. Под модуляцией в данном случае понимает-ся изменение сопротивление канала по определённому закону.

Достоинства:

1. большое входное сопротивление; 2. малые шумы при работе с высокоомными источниками сиг-налов;

3. большая температурная стабильность, чем у биполярных транзисторов;

4. простота изготовления и малые габариты, что важно при из-готовлении ИМС.

Полевые транзисторы также называются униполярными. Неоснов-ные 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-диэлектрик-полупроводник, МОП: в качестве диэлектрика — диоксид кремния); a. с встроенным каналом; i. с каналом n-типа; ii. с каналом n-типа; b. с индуцированным каналом.

54

Полевые транзисторы с управляющим p – n-переходом

Имеют три вывода. Носители за-ряда двигаются от истока к стоку через расположенный между ни-ми канал. Сопротивление канала управляется напряжением меж-ду затвором и истоком.

В дальнейшем будем по умолчанию говорить о транзисторах с кана-лом n-типа.

Буквенно-цифровое обозначение: КП303А.

Принцип действия

Управляющий переход должен быть всегда смещён в обратном направлении. (Основное достоинство полевых транзисторов — высо-кое сопротивление, обратносмещённый пе-реход таки им и обладает).

Для полевых транзисторов, в отличие от биполярных, приводятся не входная и выходная характеристики, а выходная и проходная.

Выходная характеристика — зависимость тока стока Iс от напряже-ния Uси при постоянном Uзи.

Проходная характеристика — зависимость тока стока Iс от напряже-ния Uзи при постоянном Uси.

Uси

Iс

Uзи = 0 Uзи = -1 В Uзи = -2 В

Uзи = -3 В

Iс

Uзи

И

З

С +

p p n

С

И

З

С

И

З

55

Параметры транзистора

Основной параметр транзистора — крутизна: = зи си = — крутизна кривой проходной характеристики. Имеет порядок (0,1…20) мА/В.

Дифференциальное сопротивление канала: си диф = си си зи = Величина порядка сотен кОм.

Коэффициент усиления по напряжению: = си зи = = си Имеет порядок до нескольких сот раз. В реальной схеме этот коэф-фициент получить невозможно, реально — максимум несколько де-сятков 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 сто-ком.

Схема с общим истоком сходна со схемой с общим эмиттером: усили-вает ток и напряжение, входное и выходное сопротивления велики.

56

р отделяет источник сигнала от каскада по постоянному току. р — 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

вхт — дифференциальное сопротивление обратносмещённого p – n-перехода. В большинстве случаев равно бесконечности. Пользуясь этой схемой и предыдущими правилами (сопротивление источника питания и конденсатора закорачиваем для малого сигнала), состав-ляем эквивалентную схему.

RH

+Eс

Ср2

RС RЗ

Ср1

RИ

EИ

VT и

з

–Eз

Rси Iс = SUзи

С З вхт

И

57

вых = с ∥ си ≈ с Коэффициент усиления по напряжению: = вых вх⁄ . Выходное на-пряжение создаётся источником тока стока, который проходит через сопротивления си, с, н. = ( си ∥ с ∥ н) зи = зи ( си ∥ с ∥ н) зи = ( си ∥ с ∥ н) ≈ ( с ∥ н)

Порядок — десятки раз. = вх н

Может быть большим при невысокоомной нагрузке и большом вход-ном сопротивлении.

Схема включения с общим стоком

Данная схема по своим свойствам близка к схеме с общим коллекто-ром. Называется также истоковым повторителем. Входное со-противление большое, выходное малое. Коэффициент усиления по мощности большой из-за большого коэффициента усиления по току.

RH

+EС

Rи

Ср2

Ср1

RГ

EГ

VT

Eз

Rси Iс = SUзи

С З вхт

И

Rс Rн Rз EИ

RИ

58

и преобразует изменение тока истока в изменение напряжения. з отделяет вход каскада от источника смещающего напряжения по переменному сигналу.

На выходе опять хотим иметь обратное смещение, половину пита-ния. В этом случае з может быть положительным. Важно, чтобы оно было гарантировано меньше с 2⁄ .

вх ≈ з Выходное напряжение определяется током стока, проходящим через сопротивления ( си ∥ с ∥ н).

= с( си ∥ с ∥ н) зи + с( си ∥ и ∥ н) = зи ( си ∥ с ∥ н) зи + с( си ∥ и ∥ н) = ( си ∥ с ∥ н)1 + ( си ∥ и ∥ н)= , < 1 Для определения вых мысленно подключаем к выходу генератор вместо нагрузки. Считаем, что входной сигнал и = 0. Тогда вых = , где i — ток через входные зажимы генератора, который выдаёт на-пряжение e. = и ∥ си + ≈ и≪ си и +

вых = = и + = 11 и +

Формула соответствует формуле для определения сопротивления параллельного соединения сопротивлений. вых = и ∥ 1

Rси Iс = SUзи

И З вхт

С

Rи Rн Rз EИ

RИ

59

Выводы: схема не усиливает входное напряжение, может иметь большое входное сопротивление, имеет малое выходное сопротивле-ние. = 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.

Появляется четвёртый вывод — подложка.

Иногда внутри транзистора подложку соединяют с истоком, тогда вывода три.

Структура транзистора

— концентрация электронов больше, чем в .

В качестве диэлектрика часто используют .

С

И

З П

С

И

З П

P

n+ n+ n обеднённая зона

Me Д

П

З С И

60

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 (ка-нал n-типа, ток создаётся электронами, которые двигаются от истока к стоку). Получаем ту же ситуацию, которая была при рассмотрении транзистора с управляющим электродом. Переход обратносмещён-ный.

Выходная характеристика:

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 поло-жительное, 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 на-пряжение. Тогда электроны из p-области, где они в каком-то количе-стве есть, начнут двигаться в канал. Плюс электронов много в облас-тях , оттуда они тоже пойдут. Ток растёт, кривые пойдут выше. Проходная характеристика при этом приобретает следующий вид:

Ic

Ucи

Uзи = 2 В

Uзи = 0 В Uзи = -2 В Uзи = -4 В Uзи = Uзи отс

Uзи

Ic

Uзи отс обог. обедн.

61

Такое свойство транзистора позволяет ему работать без смещающего постоянного напряжения.

С точки зрения сопротивления входа у этих транзисторов сопротив-ление 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 – n-переходом. 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

Индуцированный канал, то есть изначально он отсутствует.

Тока изначально нет. При зи < 0 тока тоже нет. Если на затвор приложить плюс, к нему пойдут электроны из подложки и . И на-ступит момент, когда электронов в этой области окажется больше, чем дырок. Полупроводник меняет тип проводимости — инверсия.

P

n+ n+ n

Me Д

П

З С И

e e

e p0

С

И

З П

С

И

З П

62

Возникает инверсный канал. То напряжение зи, при котором про-исходит этот переход, называется пороговым.

Выходная характеристика:

Проходная характеристика:

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.

Uзи

Ic

Uзи пор

Ic

Ucи

Uзи = 4 В

Uзи = 3 В Uзи = 2 В Uзи = 1 В Uзи = Uзи пороговое

63

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, вы-полняющее определённую функцию преобразования, обработки сиг-нала и накапливания информации, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединённых элементов, компонентов и кри-сталлов, которые с точки зрения требований к испытаниям, при-ёмке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое це-лое.

►Элемент интегральной микросхемы — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэле-мента (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 экс-плуатации.

Примеры: плёночный резистор в гибридной микросхеме, транзистор в полупроводниковой микросхеме.

►Компонент интегральной микросхемы — часть интеграль-ной микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадио-элемента, которая может быть выделена как самостоятельное изде-лие с точки зрения требований к испытаниям, приёмке, поставке и эксплуатации. Компонент является частью гибридной микросхемы.

►Цифровая интегральная микросхема — микросхема, предна-значенная для преобразования и обработки сигналов, изменяющих-ся по закону дискретной функции.

64

►Аналоговая интегральная микросхема — микросхема, пред-назначенная для преобразования и обработки сигналов, изменяю-щихся по закону непрерывной функции.

►Аналоговый сигнал — сигнал, который в точности аналогичен исследуемому процессу.

В настоящее время стандартизованы количественные и качествен-ные меры определения сложности микросхемы. Количественный фактор соответствует порядку числа элементов на кристалле микро-схемы или в её корпусе. = lg — коэффициент, показывающий степень сложности микро-схемы. N — число элементов и компонентов в микросхеме. K округ-ляется до большего целого.

Качественный показатель (какие транзисторы, какие функции — цифровые или аналоговые и т. д.) — сокращённое название микро-схемы. 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 по-верхности полупроводника.

►Плёночная микросхема — микросхема, все элементы и межэ-лементные соединения которой выполнены в виде плёнок проводя-щих и диэлектрических материалов.

Бывают тонкоплёночные и толстопленочные. Используются в на-стоящее время крайне редко.

►Гибридная микросхема — микросхема, содержащая, кроме элементов, простые и сложные компоненты.

Один из видов гибридной микросхемы — многокристальная.

►Серия — совокупность ИМС, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, выполняющих различные функции и предназначенных для совместного использования.

65

Буквенно-цифровое обозначение

КМ155ЛА3.

К — микросхема общего применения. М — материал корпуса: ме-таллокерамика. 155 — номер серии. ЛА — назначение микросхемы. 3 — разновидность микросхемы внутри серии.

КР1142ЕН5А — Р пластмассовый корпус, ЕН — стабилизатор на-пряжения, 5 — низковольтный стабилизатор, А — 5 В.

К157УД2 — общее применение, корпус по умолчанию пластмассо-вый, 157 серия рассчитана на проектирование магнитофонов, УД — операционный усилитель, 2 — два усилителя в одном корпусе.

Логические микросхемы

Цифровые устройства бывают комбинационными и последователь-ными. Состояние на выходе комбинационного устройства определя-ется состоянием его входов в данный момент времени. Состояние по-следовательного 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)

Словесное описание: на выходе не то, что на входе.

1 X Y

66

Таблица истинности:

X Y 0 1 1 0

Описание с помощью формулы: = . 2) И (конъюнкция)

Чтобы на выходе была единица, и одна, и вторая переменная долж-на быть единицей.

X1 X2 Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

= 1 ⋅ 2 = 1 ∗ 2

3) ИЛИ (дизъюнкция)

Для того, чтобы на выходе была единица, надо чтобы или на одном, или на втором, или на обоих входах была единица.

X1 X2 Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

= +

1 X1 Y X2

& X1 Y X2

67

Типы логических микросхем

Логические микросхемы могут реализовываться на биполярных или полевых транзисторах.

а) На биполярных транзисторах:

1) Резистивно-транзисторная логика (РТЛ). В основе лежит тран-зисторный ключ. В настоящее время практически не используется.

2) Диодно-транзисторная логика (ДТЛ). В настоящее время использу-ется в сериях с высокой помехоза-щищённостью.

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.

X1 X2 Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 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.

VT Y

X1

X2

+Eп

VT Y X

+Eп

68

Диодно-транзисторная логика

X1 X2 Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Функция — И-НЕ.

см ≈ −2 В — увеличение помехоустойчивости (может отсутствовать).

3) ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика, ТТЛШ (с диода-ми 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 из-готовления, высокая плотность упаковки, что является определяю-щим при создании СБИС.

б) Логические микросхемы на полевых транзисторах

Используются полевые транзисторы МДП (МОП-типа) — транзисто-ры с изолированным затвором.

1) С каналом p-типа. Основное достоинство было: простота изготов-ления, высокая плотность упаковки. Недостаток: низкое быстродей-ствие.

2) С каналом n-типа. Быстродействие возросло. Первые микросхе-мы 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 струк-туры разного типа.

VT Y

X1

X2

+Eп

R3

VD3

VD1

VD2

R1

R2

–Eсм

69

Основные параметры интегральных микросхем

1) Потребляемая мощность п. 2) Напряжение питания п. Стандарт +5 В.

3) , . Для ТТЛ = 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 . Показывает количество входов у логического элемента.

6) Быстродействие. Два времени задержки.

Логические элементы ТТЛ

Базовым элементом ТТЛ является элемент «И–НЕ».

t

t

uвх

uвых

0

1

0

1 0 1

VT1

Y X1

X2

+5 В

VD3

VD2 VD1

R1 R2

R3

R4

VT2

VT3

VT4

2,4 (0,4)

2,4

1,2

1 1,8 (1)

0,4

>2,4

70

VT1 — многоэмиттерный транзистор. Используется только в составе интегральных микросхем. Реализует функцию «И» аналогично дио-дам в диодно-транзисторной логике. Может иметь до восьми эмитте-ров.

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». Эмит-терный переход VT1 оказался прямосмещённым. Это приведёт к то-му, что ток, уходивший ранее в коллектор, уменьшится. Напряже-ние на коллекторе 1 В, VT2 и VT4 закроются. Напряжение на R2 близко к питанию. На эмиттере VT3 оно практически такое же. На-пряжение на Y большое, гарантированно больше, чем 2,4 В.

71

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 пере-ключает вызывает броски тока, любой источник питания при этом теряет напряжение. По шинам питания начинают идти помехи. По-этому для такой схемы требуют ставить конденсаторы на цепи пита-ния 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 коллек-тором.

VT3 имеет большую мощность, чем обычные транзисторы в элемен-тах 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.

Одна из проблем быстродействия в том, что при насыщении в базе накапливаются неосновные носители заряда. Поэтому с точки зре-ния быстродействия лучше, чтобы транзистор глубоко не насыщал-ся. Этот диод как раз и не даёт транзистору уйти в глубокое насы-щение.

VT1

X1

X2

+5 В

VD2 VD1

R1 R2

R3

VT2

VT3

Eп

VD3

VT

VD 0,6

0,4

72

Логические элементы КМОП

пит = 3 … 15 В

Данные схемы являются упрощёнными, в них не показаны вспомо-гательные диоды и резисторы.

Быстродействие выше при большем питании. При напряжении пи-тания 5 В КМОП совместима с ТТЛ.

Достоинства: микросхемы эти практически не потребляют мощности в статическом состоянии. Мощность затрачивается лишь на переза-рядку при переключении сигналов.

Y

X2

Eп

VT4 X1

VT3

VT2

VT1

3. «И-НЕ»

Y

X1

Eп

VT4 X2

VT3

VT2

VT1

2. «ИЛИ-НЕ»

VT1

Y X

Eп

VT2

и

с

и

с

з

з

1. «НЕ»

73

Аналоговые ИМС

Среди аналоговых микросхем наиболее распространёнными являют-ся 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 сигна-лы (внутри нет разделительных конденсаторов).

«–» — инверсный вход.

Для ИМС стандартное напряжение питания п = ±15 В.

Половина напряжения на выходе — 0.

При отсутствии сигнала выходное напряжение равно нулю.

+

–

►∞ Uвх1

Uвх2

– Uп

+ Uп

Uвых

ИП ~220 В +15 В

–15 В 0

74

Основные параметры операционного усилителя

1) Коэффициент усиления по напряжению. = вых вх1 − вх2

Если входные сигналы одинаковы (синфазные), такой сигнал усили-тель 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 полно-стью гасится, а только ослабляется.

2) Коэффициент усиления по напряжению синфазного сигнала: = вых вх⁄ < 1, вх = вх1 = вх2

3) Коэффициент ослабления синфазного сигнала: = ⁄

4) вых определяется как у любого усилителя: отношение напряже-ния холостого хода к току короткого замыкания: вых = хх кз⁄ . Де-сятки — сотни Ом.

5) вх — сопротивление между входами усилителя. Или входы зако-рачивают и меряют сопротивление относительно общего провода.

6) Входной ток вх, Δ вх — разница между входными токами.

7) Напряжение сдвига по входу сд показывает неидеальность уси-лителя. Такое напряжение, которое надо приложить ко входу, чтобы на выходе был ноль.

8) — частота единичного усиления — частота, на которой коэффи-циент усиления по напряжению уменьшается до единицы.

9) вых — максимальная скорость нарастания выходного напряже-ния. вых = Δ выхΔ

75

Инвертирующий усилитель на ОУ

Свойства схемы на операционном усилителе определяются обратной связью.

На выходе может быть макси-мум +15, минимум -15 В. Счита-ем усилитель идеальным.

Поэтому напряжение в точке (а) называется виртуальным нулём. = вх = − вых

= вых вх = − Коэффициент усиления зависит только от резисторов.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Обратная связь всегда отрицательная. ос = вых + = вх = вых вх = 1 +

— мы получили повторитель с согласо-ванием низкоомной нагрузки с высоко-омным источником.

►∞ Uвх

Uвых

R1

R2 I

a

►∞ Uвх

Uвых

R1 R2

76

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