1155

Основы электроники

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Изучением физических принципов функционирования электронных элементов. Изучением принципов построения, особенностью действия, основ характеристик электронных устройств и систем. Теоретическим и экспериментальным исследованием элементов, устройств и систем.

Русский

2013-01-06

1.27 MB

26 чел.

 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет автоматики и вычислительной техники

Кафедра автоматики и телемеханики

Ланских  А. М.

Лекции  по  курсу

«Электроника»

Киров  2009

Введение

 Электроника – это раздел науки и техники, которая занимается:

  1.  изучением физических принципов функционирования электронных

элементов;

  1.  изучением принципов построения, особенностью действия, основ

характеристик электронных устройств и систем;

  1.  теоретическим и экспериментальным исследованием элементов,

устройств и систем.

         Деление на элементы, устройства и системы условно и может быть проведено в зависимости от их отношения к информации.

Информация вырабатывается, преобразуется и используется техническими средствами автоматики. Носителями информации являются сигналы, которые делятся на электрические и неэлектрические. Электроника занимается электрическими сигналами.

 Элемент – это функционально законченное конструктивно неделимое изделие, предназначенное для выполнения одной операции над сигналом.

                                                             Ip-n

  -  диод

   

- транзистор

     входит в состав                                имеет корпус, конструктивно

     другого элемента                             оформленный, и это уже прибор

 Устройство предназначено для выполнения одной из функций над сигналом и представляет собой совокупность электронных элементов и пассивных электрических цепей. Функции : усиление, логарифмирование и т.д.

 ТПЖА 2101.041.021 Э1

       - усилитель

 ТПЖА 2101.041.021 Э3

                                             FC

    FC

Система – это некоторое множество взаимодействующих между собой элементов и устройств, обладающих свойствами не сводящимися к сумме свойств элементов и устройств.

Пример системы :

 

Принципиальная схема может быть выполнена на разных элементах, как на дискретных так и на интегральных. Разработка системы связана с определением функций каждого  из блоков системы с необходимостью математического описания этих блоков, а затем и всей системы в целом. Результат разработки системы в целом – схема электрическая структурная. Разработка структурной схемы системы производится на системотехническом этапе проектирования.

После выяснения функций блоков, входящих в состав системы, разрабатывается принципиальная схема системы, то есть выявляется схемотехника системы. Система может быть выполнена. Как на дискретных, так и на интегральных элементах и устройствах.

 

 Основные Свойства электрических сигналов и устройств.

 

  1.  чувствительность – определяется минимальным значением входного сигнала, при котором электрический элемент или устройство начинают работать ( до 10-17 А, до 10-13 В, до 10-24 Вт).
  2.  быстродействие – характеризуется определенным для данного типа элементов или устройств временным параметром ( для ключей коммутацией – временем переключения, для логических элементов – временем задержки переключения, для усилителей – временем нарастания выходного напряжения)
  3.  универсальность – в электрический сигнал достаточно легко преобразуются все остальные сигналы.

  Основные разделы курса

  1.  Основные свойства электронных цепей: основные типы сигналов, схемные функции.
  2.  Полупроводниковые диоды и их применение.
  3.  Транзисторы и их применение.
  4.  Схемотехника усилителей и переменных сигналов.
  5.  Схемотехника усилителей постоянного тока.
  6.  Операционные усилители и его применение.
  7.  Активные фильтры.
  8.  Избирательность усилителей и генераторов гармонических колебаний.

    Литература.

  1.  Скаржепа. Электроника и микросхемотехника. ч.1,2. – учебник, лабораторный практикум, сборник задач.
  2.  Захаров, Лыпарь. Электронные устройства автоматики и телемеханики.
  3.  Кауфман, Сидман. Практическое руководство по расчетам схем в электронике.
  4.  Завадский. Компьютерная электроника. 1996 г.
  5.  Павлов, Ногин. Схемотехника аналоговых устройств. 1997 г.
  6.  Пасынков, Чиркин. Полупроводниковые приборы.
  7.  Тугов.  Полупроводниковые приборы.
  8.  Основы радиоэлектроники  под ред. Петрухина. 1993 г.
  9.  Бессонов. Линейные цепи. Новые курсы электротехники.

Тема 1. Основные понятия и свойства электронных цепей.

Раздел 1. Электрические сигналы, их параметры и способы      представления

 Электрические сигналы являются физическими носителями информации. Сигнал имеет содержание, то есть носимую им информацию и форму. Форма сигнала содержит данные об информации в изменении параметров сигнала. Выбор той или иной формы представленной информации  называется кодированием. Обратный процесс  выявления информации, представленной в сигнале , называется декодированием.

   Сигналы

аналоговые  непрерывные                                                дискретные

функции, которые могут быть                               

с неменяющейся полярностью,                     1) импульсные     2) цифровые

и периодические с изменением                        

полярности                                                           кодовые последовательности

1) импульсные – кратковременное отклонение от исходного источника

 

2) цифровые – разновидность импульсных сигналов, в которых в промежутках между быстрыми изменениями фиксируется тот или иной уровень.

    Пример двоичных сигналов: 2 уровня – «0» и «1»

     U(t)                                           U(t)

                            «1»                                                   «0»

                 «0»                                             «1»

                                              t                                                            t

              «+»  -  логика                                 «-»   -   логика

3) кодовые последовательности  -  последовательность импульсных сигналов, составленных по определенному закону  

         

       «1»      «0»        «1»

      

          С аналоговыми сигналами работают аналоговые устройства, которые работают в линейном режиме, то есть не меняют свою функцию во всем рабочем диапазоне входного сигнала.

С цифровыми, импульсными сигналами и кодовой последовательностью (дискретные сигналы) работают элементы и устройства, в которых используется нелинейный режим работы активных элементов.

 Импульсные сигналы  раздел – импульсная техника

Цифровые сигналы  раздел – цифровая техника

Для математического описания аналоговых устройств и сигналов, а также устройств импульсной техники и импульсных сигналов используются классические и операторные методы математики и электротехники. Устройства и элементы цифровой техники описываются с помощью алгебры логики.

Модулированными могут быть аналоговые и импульсные сигналы.

           f1              x(t)                                  y(t)

           

       (вход)                                             (выход)          I      f0 >> f1              

                                         

 f0      z(t)   результатом является

(доп. внешнее воздействие)            модулированное колебание

z(t) U(t) = U0(t)sin(t+ )

      Амплитудная    частотная      фазовая  модуляции (при изменении данной величины)

- амплитудная модуляция

 

 Модуляция это процесс переноса низкочастотных сигналов в область более высоких частот.

 Z(t) – несущий сигнал ( в изменении его параметра содержится информация), опорный , модулируемый

 X(t) – модулирующий сигнал

 Y(t) – модулированный сигнал

Z(t) может быть гармоническим или импульсным сигналом, для которых применима аналоговая и импульсная модуляция соответственно.

Если при аналоговой модуляции изменяется амплитуда, то это амплитудная модуляция( пример схемы – амплитудный модулятор).

Если при импульсной модуляции изменяется амплитуда, то это амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), длительность импульса – широтно-импульсная модуляция (ШИМ), период импульса – временно – импульсная (ВИМ).

 II  . Если x(t) и z(t) – высокочастотные сигналы, то y(t) – получается преобразованным в область низких частот. Схема преобразования называется – демодулятором (ДМ).

 Модуляция это процесс нелинейный, ее результат также нелинеен. Следовательно, схемы модулятора и демодулятора – нелинейные устройства. В схемах модулятора и демодулятора применяются нелинейные активные и пассивные элементы (диоды, транзисторы), которые будут работать в нелинейном ключевом режиме.

  Описание сигнала.

Различают:

- графическое представление сигнала

U(t)

- осциллограмма

t

                - аналитическое описание сигнала по его графическому описанию

 U(t)

   Um 0, t < 0

U(t) =  Um, 0  t  t1

t1 t 0, t > t1

 - для периодического сигнала спектральная форма представления сигнала подразумевает возможность математического описания сигнала в виде бесконечного ряда Фурье:

                u(t) = a0 +

или           u(t) = a0 + ,

где An =  - амплитуда n – ой гармоники

       = +arctg(bn/an)  -  фаза   n – ой гармоники

An спектр              n спектр  фаз

амплитуд                                                 

                                                                                                             

Периодический негармонический сигнал, имеющий частоту  ,представляется в соответствии с рядом Фурье в виде спектра амплитуд (графическое изображение гармоник ряда Фурье) и спектра фаз (графическое изображение начальных фаз гармоник ряда Фурье).

a0 =  пост. состояние  (T – период)

an =  коэфф. при cos – сост. n-ой гармоники

bn =   коэфф. при sin – сост. n-ой гармоники

Запись по гармоническим составляющим является его спектральное представление.

Наглядное представление о спектре сигнала дает его графическое изображение, которое называется спектральной диаграммой.

спектральная диаграмма                                              спектральная диаграмма

амплитуд гармоник                                                      начальных фаз гармоник

Последовательность построения спектральных диаграмм.

  •  Представить графически  рассматриваемый сигнал.
  •  Записать его в аналитической форме, определить производные параметры.
  •  Определиться с условиями симметрии данного сигнала (см. таблицу).
  •  Рассчитать оставшиеся после выясненных условий симметрии коэффициенты ряда Фурье.
  •  Представить результаты расчетов коэффициентов и амплитуд гармоник Аn в виде таблицы, построить на основании ее спектр амплитуд.
  •  Представить ряд Фурье рассматриваемого сигнала.

                                                                 Математическая      Особенности

№  Кривая симметр. относ-но      запись  условий .      разложения

                                                           симметрии             в ряд Фурье

                           f(t)

1

                                                                   f(t) = f(-t)                    bn = 0

-t              +t                       четная

                           f(t)

2

                            -t                                       f(t) = - f(-t)               a0 = an = 0

                +t                           нечетная

3     относительно оси абсцисс

       при совмещении двух

       полупериодов  

  f(t) a0 = 0

 a2n = 0

                                                                      f(t) = - f(t+T/2)       b2n = 0

            t                                      

T/2+t

 

4      оси  ординат и абсцисс

       при совмещении  

       полупериодов  

 f(t) a0 = 0

 a2n = 0

                                 T/4  T/2                 f(t) =f(-t)= - f(t+T/2)     bn = 0

-t   t                                                   

 

5    начала  координат и оси

       абсцисс при совмещении  

       двух полупериодов  

         f(t)                                                                         a0 = 0

  an = 0

                                 T/2                           f(t) = - f(-t) =               b2n = 0

-t        t                                          =  - f(t+T/2)           

     t+T/2  

 

6 если  площади  « + »  и  « - »  участков графика функций      одинаковы, то функция симметрична относительно оси

времени. a0 = 0

 

Пример расчета:

Представить ряд Фурье и представить

     спектральную диаграмму: An(wn)=?

      U(t)

               Um       Um = 20 B скважность q = T/ tи

Т                                    tи= 10 мкс            частота  f = 1/T

        Т = 20 мкс

 -tи/2      tи/2                    t

q = 2 ,  f = 50000 Гц 

 Um, при    -tи/2   t    +tи/2                     

      u(t) =  0    , при     tи/2  <  t  <   T - tи/2                                          

      в соответствие с таблицей не рассчитывается bn                     

a0 =  = Um(+)2 =  =  =  = 10 B

tи

an =  = Um  =

-tи

=  =  = =

             =       a2n = 0

    n                   1       2        3        4        5        6

  f, кГц            50    100    150    200    250    300       An = = an

   an                                 0            0                 0   

   An                        12,7     0         4,2      0        2,5      0 

An

  15

  10   a0          A1

    5                   A2        A3

    0

f1    f2   f3   f4   f5   f6                                                            f, кГц

      q = 2 50  100 150 200 250 300

        1/tи         2/tи

 Спектр периодической последовательности дискретный, линейчатый.

Количество спектральных линий в одном лепестке спектра определяется скважностью, так как интервал между спектральными линиями обратно пропорционален периоду, а точки пересечения спектра с осью частот определяются в данном случае длительностью импульса.

                                          Для одиночного импульса спектральная диаграмма                        

                                становится сплошной

                                            ( Т  )

 Вместо An  F () спектральная плотность определяется прямым преобразованием Фурье.

F()  

F (j) = = F ()

 Литература. Глазенко и Прянишников. Электротехника и основы электроники (издание II ), I-е изд. : стр. 33-34.

 

An =                              = - arctg(bn/an)   

An = f () –  спектр амплитуд,    = f ()  -  спектр фаз

U(t)

    An эн. с с

                                 t 90% энергии сигнала

tи  =

  Т =

  = 2/Т                                                        =

                                 2/tи            4/ tи

ак. с. С

1-ый лепесток – энергетический спектр сигнала (эн. с. с.) – 90% энергии.

Два лепестка – активный спектр сигнала (ак. с. с.) – 95% энергии.

Ограниченный диапазон частот, в котором располагается эн.с.с. или ан.с.с. называется  шириной спектра.

 Устройства, которые работают с таким сигналом, должны иметь более широкий рабочий диапазон частот.

 Плотность спектра – количество спектральных линий на одном лепестке – определяется соотношением между длительностью импульса и периодом, интервал между спектральными линиями обратно пропорционален периоду.

Периодическая последовательность импульсов или периодический аналоговый сигнал всегда имеют дискретный линейчатый спектр.

Одиночный импульс представляет собой частный случай периодической последовательности ( Т     ). Спектральная диаграмма такого сигнала будет сплошной.

U(t)                                     A()

Um

              tи            t                              2/tи            4/ tи         

Для модулированных сигналов, переносчиками информации, которой является несущая частота, весь спектр сигнала модулированного колебания переносится в область высоких частот и будет располагаться симметрично относительно .

 An сигнал

 

                                                                                                               

                                                             

                                                                      эн.с.с.

                                                                      ан.с.с.            

Если устройство предназначено для работы с радиосигналом (модулиров. сигнал), то его рабочий диапазон частот должен быть в два раза шире, чем для схемы, работающей с видеосигналом, и рабочий диапазон радиоустройства располагается в более высокочастотной области.

Одиночный модулированный сигнал:

 -2/tи              +2/tи            

    

 эн.с.с.

      ан.с.с.            

 Параметры  сигнала.

Существует три группы параметров сигналов :

  1.  Основные параметры.
    1.  Производные параметры.
    2.  Дополнительные параметры.

 Основные параметры характеризуют идеализированный сигнал

       U(t)  -  последовательность импульсов

       Um   Um    -  амплитуда импульсов

 tи     - длительность импульсов

                tи Т    - период импульсов

                  Т

 Производные параметры получаются пересчетом из основных.

      а) f = 1/T  -  частота сигналов , = 2fкруговая частота,

      б) q = T/ tи  > 1 – скважность,

          q = 2 – меандровая последовательность импульсов,

      в) Кзап = q-1 = tи/T – коэффициент заполнения,

      г) Uср  = Um  /q  - среднее значение сигнала.

 Дополнительные параметры характеризуют реальный сигнал с реального устройства.

U(t)

         Um

0,9 Um`   Uk(спад крыши)

цу – цифровые устройства

    0,5 Um ан – аналоговые устройства

 tзд (цу)                                      tи(цу)

    0,1 Um

 tфронта

tзд (ан)                                     tи (ан)                                                                               Um2

         U = UmUkабсолютный спад импульса

  =     U/Um = tи /н.ч.

              н.ч. – собственная постоянная времени для области низких частот схемы, которая вырабатывает данный сигнал.

                н.ч. – 1/ н.ч.граничная частота схемы в области низких частот.

 tфр = 2,2в.ч., в.ч. =  1 /в.ч.

                    Таким образом, в параметрах сигнала закладывается информация и о схеме, так как  н.гр ,в.гр.это границы рабочего диапазона частот устройства, вырабатывающего или обрабатывающего данный сигнал.

Раздел 2. Частотные и временные характеристики               электрических цепей.  

  Схемные функции.

Схемные функции – это математическое описание схемы, устройства, прибора, систем, выявляющая связь между входным и выходным сигналом через параметры элементов схемы.

     X(t)                                                                 Y(t)

   (воздействие)                                               (реакция)    

Так  как входные сигналы на входах схемы могут быть сложными, то для обеспечения экспериментальных и теоретических исследований в качестве входных сигналов используют сигналы специальной формы (вида) – типовые воздействия.

Различают:

1) гармонический тип воздействия с единичной амплитудой

 

2) cтупенчатое типовое воздействие с единичной амплитудой

                       (единичная функция, функция Хевисайда)

 u(t)                                                    u(t)

                         1(t)   ( без запаздывания) ( c запаздыванием)

                 1                             S                             1    

                                               т.к. tи           

t                                    t

1(t - )

u(t)

 

 (c амплитудой a )

 t

                     3) дельта – функция    -   импульс воздействия

 

 S = 1 также может быть с запаздыванием

    Tи       0  ( S = 1 , tи     0 ) – так же

=

  1.  если x(t) .=. X(p)  (изображение) – осуществляется переход из временной области в область изображений.

Существует три типа основных воздействий на схему и возможность представления входного сигнала в операторном виде ( изображение по Лапласу ). Тогда можно рассматривать 4 типа схемных функций.

1). Если входной сигнал гармонический.

 X (j) = X()

К(j)  -  комплексный коэффициент передачи схемы

Для линейной цепи  Y (j) тоже гармон. сигнал той же частоты что и X (j), тогда        К(j)   =    

К()    ()   

Амплитудно -фазочастотная

годограф для усилителя                                                       характеристика

переменных сигналов                     w=0                                      АФЧХ

 

АФЧХ или годограф – геометрическое место расположения концов вектора

К(j)  на комплексной плоскости.

Годографы используют чаще всего при оценке устойчивости, а также для специальных устройств, а именно, для генераторов гармонических колебаний. В большинстве случаев рассматривают амплитудно-частотную характеристику схемы и фазочастотную характеристику схемы.

К(j) = К()

АЧХ – модуль комплексного коэффициента

АФЧХ  АЧХ  ФЧХ                      передачи (функции от частоты).

Кu(w)

             Кu0(w)                 Кu0(w)                        Кuo(w)             (w)                 

2

                                            Кu0                               АЧХ                                                             ФЧХ                    

               wн.ч.                                             w в.ч.            W                                                     w(дек.)        

K0(w) меньше в 2 раза гран. частоты           т.к. ln K(jw) = ln K(w) +   φ (w),

Ku1(w)меньше в  2 раза гран. частоты            то K(w) выражается в децибелах

2). Входной сигнал – ступенчатое воздействие, тогда в качестве математической модели схемы ( ее схемной функции) используется переходная функция ( переходная характеристика) h(t).

     1(t)                                              h(t) – это есть реакция схемы (выходной

            сигнал) на входное ступенчатое

          1            воздействие.

                                                t                            h(t) = y(t)

      x(t) = 1(t)

h(t) численно равна реакции схемы при входном воздействии 1(t).

3). Входной сигнал  -  дельта-функция. Соответствующая ей схемная функция называется весовой функцией или импульсной переходной характеристикой  w(t).

Импульсная переходная характеристика представляет собой реакцию схемы (выходной сигнал) при входном импульсном воздействии:

   W(t) = y(t)

     X(t) =  δ (t)    

 

Наиболее общее описание схемы – описание схемы в операторном виде:  1)  x(t) = X(p)           y(t) = Y(p)

K(p) = Y(p) / X(p) – при нулевых начальных условиях,                   (1)

где  p =  σ  + jw

K(p) – операторный коэффициент передачи или коэффициент передачи в операторном виде.

   Связь схемных функций между собой.

         2)               h(t) = y(t)

                          x(t) = 1(t)

имеет свое изображение

 1(t) = 1/p

то для  h(t) = H(p)       имеем  Y(p)  =  H(p)  =  K(p)·1/p

 h(t)  = Ζ -1   K(p) / p   - обратное преобразование Лапласа             (2)

       

        3)    p = σ + jw       для формулы  (1)

            для АФЧХ   p = jw  (т.е. σ = 0 )                   K(jw)                   (3)

Комплексный коэффициент передачи получается заменой p = jw, то есть

К(jw) – это функция круговой частоты w.

4) Весовая функция (используется крайне редко) :

wt) = y(t)

          x(t) = δ(t)

 δ(t) = d1(t)/dt = p(1/p) => δ(t) = 1

   w(t)  =  Y(p)  =  K(p)·1

 w(t) = L-1  K(p)                                                                 (4)

  

  Методы анализа электронных схем.

 Так полупроводниковые элементы нелинейны, то различают:

методы анализа нелинейных схем

методы анализа линейных схем ( в определенном диапазоне )

 Для нелинейных схем нелинейные интегродифференциальные  уравнения. Применяются вычислительные машины.

Если нелинейная схема, работает с нелинейным элементом в определенном диапазоне, то входной сигнал может рассматриваться как линейное устройство.

 I p-n

 1

 U p-n

2

 

Для каждого участка нелинейная схема становится линейной и к ней применяются все методы анализа линейных схем.

  Методы анализа линейных схем.

  1.  Классические методы ( смотри ТОЭ ). При этом электронная линейная схема рассматривается в виде эквивалентов и полученная линейная цепь анализируется методами ТОЭ.
    1.  Операторные методы, поиск K(p).

      K(p) =  , m  n, где n – порядок cхемы

3) Суперпозиционные методы

 Классические методы анализа используются для простых схем, имеющих порядок, как правило, не выше 3-его, и работающих с  входными сигналами простой формы . Выходной сигнал ищется в виде суммы  свободной и вынужденной составляющих.

 y(t) = yсвоб + у вынуж 

 

 Операторный метод анализа используется для более сложных схем, работающих с более сложными входными сигналами, в этом случае считается, что схема представляет собой некую абстракцию (4X n ). Элементы схемы заменяются их изображениями:

 ZC(p) = 1/pc    составляется операторная схема замещения

                                    и  определяется K(p)

 ZL(p) = pL

 Cуперпозиционные методы используются:

          1) на схему воздействуют n сигналов, выходной сигнал – один.

 Х1  

Хn                                                                y y(p) =  xi(p)Ki(p) – выходной сигнал –  это сумма откликов на каждый из входных сигналов

2) если входной сигнал – полигармонический (сумма нескольких гармоник). Применяется метод Фурье.

X(t) X() K() y()

 t  X() = K(ω)e (ω)

 X(ωi)  K(ωi) y(ωi) = X(ωi) K(ωi)

                  φ(ωi)  φy(ωi) = φx(ωi) + φ(ωi)

На каждую гармонику находится отклик схемы, выходной сигнал – сумма откликов.

          3) Входной сигнал может быть представлен в виде суммы ступенчатых воздействий:

 x(t) Δxk

 

                                                                                x(t) = x0·1(t) + Δxk∙1(t-0) =

                 Δx1                                                             = x0·1(t) +  Δxk/ Δδ∙(t-0)

x(0)     τ0 2τ0           (k-1)τ0  kτ0                    t       x Δδ = x(t) + ∫x’(δ)∙1(t-δ)

 τ0   0         Δδ          0  δ    

x(t) = x(0)·1(t) + ∫ x`(δ)∙1(t-δ)       интеграл свертки (Дюамеля).

y(t) = x(0)·h(t) + ∫ x`(δ)∙h(t-δ)

Если входной сигнал не является периодическим и не сводится к сумме ступенчатых воздействий, то для поиска выходного сигнала используется импульсная переходная характеристика ω(t).

 y(t) =  ∫ x`(δ)∙ω(t-δ)

X(p)              K(p)             Y(p)                Y(p) = X(p)·K(p)

Сигнальный (направленный) граф схемы :

X(p)              K(p)             Y(p)                

 

 Тема 2. Полупроводниковые диоды и их применение.

                Физические свойства полупроводников

Табл. Менделеева 1-4 гр.

Полупроводники – твердые материалы, кристаллического строения, свойствами полупроводники обладают как 2-е и 3-ейные соединения химических элементов, так и чистые химические элементы.

Двойные и тройные с 1-8 гр.   GaAs – арсенид галия

                                    GaP – фосфат галия

                                         SiC – карбит кремния

С 1 по 6 гр.          Si               Ge                   In

                                         Кремний     германий       индий

                              (max. применение)

 Si Разделение:

  1) по удельному сопротивлению

        ρ [ ом·см]

                                                <10-4          10-4…1010         >1010

 Si                                       металл   п/проводник    диэлектрик

2) температурн. коэффициент удельного

 Si                               сопротивления    Ткρ

 Si  Si                        > 0                       < 0                 <0

                                                    0,4…0,6%/на Кельв                   5…6% / Кельвин

     3) по величине запрещенной зоне

Ме                                 п-п                              диалектр.

               WC

запр. зоны нет ∆Wз=0,3…3 эВ ∆Wз>3…7 эВ

               WV

В к-е то момент п-п могут быть Ме или диэлектр.

В невозбужденном состоянии при отсутствии дополнительной энергии все электроны в полупроводнике располагаются в валентной зоне WV. С точки зрения статистики появление зарядов на том или ином энергетическом уровне описываются с помощью распределения Ферми

Pe (W) =  , где WF – энергетический уровень Ферми,

            вероятность появления электронов на к-ом уровне = 1/2

Для абсолютно чистого проводника уровень Ферми располагается по середине WЗ

 T      ∞

    T≠0

 WF

  - T = 0K

 

 0                 ½                1                  Pe

W           [ эВ ]

Pe (φ) =  φT =   -  температурный коэффициент

 k = 0,86·10-4 эВ/К

для потенциалов            для  Т= 3000К     q = 1,6·10-19 Кл

                                       для  Т= 3000К     φТ = 25,5 мВ

                  Полупроводники р и n типа. Типы полупроводников.

Различают собственно полупроводники и примесные.

Собственные полупроводники.(У Ge после 760, у Si – после 1380).

Проводимость собственных полупроводников возникает только после определенных температур.

Примесные бывают:

    «n» - типа                                                      «p» - типа

  за счет атомов примеси                            уровень Ферми ближе к дну

  большой валентности                                свободной зоны ( WC) и

  Н      Sв5                                                            вообще смещение  WF зависит

осн. Носители – электроны

 полупроводники    n-типа

      - WC

 ион+ WFn-типа                   1014…1018 см-3

 WF – у п-п

 WV

Полупроводники р-типа

 WC

 WFсобств. пол-т

 -  ион WРпримесь имеет меньшую валентность, чем осн. материал

 WFр

 WN

В п-п n-типа энергия Ап

В п-п р-типа энергия Ар Ап < Ас < Ар (*)

У собств. п-п энергия Ас

Полупроводниковые приборы работают при t0 ≠ 0, при появлении контакта полупроводника с металлом осуществляется переход зарядов из материалов с меньшей работой выхода в материалы с большей работой выхода.

Положение уровня Ферми в п-п зависит от типа полупрводника, от концентрации примесей (чем больше концентрация примеси в проводнике n и p типа, тем больше смещение уровня Ферми от среднего уровня).

Для разных типов полупроводников необходима разница энергий для переносов зарядов в зону проводимости. Для оценки этой энергии вводится понятие работы выхода.

Работа выхода численно равна энергии, необходимой для переноса заряда с уровня Ферми на последний завершенный энергетический уровень зоны проводимости.

Знание работы выхода необходимо при создании полупроводников…,

Так как всегда свободные заряды переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода.

Так как выполняется соотношение (*), то при контакте п-п с р и n-типа, перенос зарядов осуществляется из  n – в – р-типа. Величина работы выхода учитывается так же при контакте металла с п-п, так как в электронике используется как омические контакты (подсоединение выводов), так и контакты с выпрямляющими свойствами (диоды Шотки)

Для омических контактов используются контакты, у которых АМе < Ап-п

Для выпрямляющих контактов    АМе > Ап-п.

 Электропроводимость полупроводников.

п-п E

+    - При наличии внешнего поля в п-п

 осуществляется дрейфовое перемещение

 зарядов (направленное).

 -    U   +                             j = jn + jp – плотность тока

j зависит от σ (электропроводности) и Е (напряжения), а также

jn          VnQn     ,  jp          VpQp и поэтому

σЕ = VnQn + VpQp   (**)

           Vn =μnE

 Vp =μpE qe – заряд электрона

            Qn =qen n – количество электронов

 Qp =qep р – количество дырок

После подстановки в исходное выражение (**) получим

                      σ = μn qen + μpqep

μn и μр – подвижности носителей.

Так как подвижность зарядов определяется материалом и типом зарядов, кроме того зависит от внешних факторов, то и электропроводность – функция от внешних факторов и концентрации примеси.

Например

                                           ∆Wз                           μn                          μр    

Si(кремний)                     1,12 эВ    0,135 м2/В·с 0,05 м2/В·с

Ge(германий)                  0,72 эВ   0,39 м2/В·с 0,19 м2/В·с

       У германия больше обратный тепловой ток

У собственных п-п  -  количество n = p , соответственно и электропровод. и дырочная и электронная, т.о.

                               σсобств.п-п = qер(μn + μp)

Для полупроводников р-типа  есть дырочная составляющая, так и электронная составляющая, но дырочная составляющая значительно больше

электронной составляющей

              pp  >>  np       -       σpqерμp

 Для полупроводников n-типа

             nn  >> pn , то и электропроводность преимущественно электронная  

осн.    неосн. σnqеn

Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный двухэлектродный  полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на свойствах электрического выпрямляющего перехода.

 pn переход -  классический, обладающий выпрямительными свойствами.   n – n+

Me – n/n       ( A п/п  <  A Me  ! )

n – i

p-n переход может быть выполнен:

  1.  симметричным ( с одинаковыми концентрациями основных носителей в p и n областях)
  2.  несимметричным ( примеси металла располагаются по определенному закону)

p-n переход бывает:

1) плоскостный   S p-n > d p-n , где S-площадь области контакта, d –толщина

  1.  точечный

по способу изготовления:

  1.  диффузионный
  2.  сплавной
  3.  эпитаксиальный

Идеализированный p-n переход – симметричный, плоскостной.

  I дифф.n                    I дифф.p

p     -    +    n симметр.:  pp = nn – основные носители

  •  +                                             np = pn – неосновные носители
    •  +

Е внутр.

 S p-n > d p-n ,     pp  >> pn

I дрейф.n                       nn  >> np 

 I дрейф.p                    

Диффузия – результат разницы концентраций.

 Под воздействием внутреннего поля существует дрейфовый ток

неосновных носителей.

 

Если  Евнеш.  =  0  =  Uвнеш., то

 Iдифф = I диф.n + I диф.р  и Iдрейф= I др.n + I др.р  

 I p-n = I дифф – I др = 0

      Если Uвнеш ≠ 0, то

  1.  Евнеш + Евнутр  (согласны), если Uвнеш = Uобр

  p   -   -     +   +     n

                                  -   -      +   +

                                   -   -    +   + «-»           p

«+»          n

Евнеш.обр.  Присутствует только Iдрейф.,

  т.к. Iдиф. Быстро спадает

                                     Uвнеш.         

 

 

φк0 – контактная разность потенциалов: Ge  -  0,25 …  0,45 (cр. 0,35 В )

      Si   -  0,5  …    0,9  (ср. 0,6 В)

∆φ = φк0 + U  - высота потенциального барьера

При обратном включении диффузионный ток уменьшается:

 I дифф = I0·e-U/mφт, где I0 – тепловой ток, создающийся носителями, возникающими при температурах отличными от абсолютного нуля.

 m = 1…2    - технологический коэффициент, равный 0,86·10-4эВ/К

        φт = кТ/q    - температурный потенциал, к = 1,38·10-24Дж/К ,q = 1,6·10-19К

300 K       φт = 25,5 мВ  

для идеализированного p-n перехода:  Iдреф = I0

 I p-nобр = I0·e-U/mφт - I0

При обратном включении повышается собственное сопротивление, так как повышается область объемного заряда                существует  Сp-nобр  ≈ Сбар.

С = dQ/dU            Сбар

Барьерная емкость Сбар. = С0 /  1 + ‌ U ‌ / φк0,

где С0 = εε0Sp-n/dp-n   Uобр

2) Uвнеш = Uпрямое

«+»           p  «-»           n

 При наличии дополнительных зарядов от внешних источников

повышается ток диффузии. При прямом переходе осуществляется

инжекция зарядов через понизившийся потенциальный барьер.

φ = φк0 – Uвнеш.  I дифф = I0·eU/mφт,

При уменьшении толщины p-n перехода, уменьшается сопротивление, увеличивается ток диффузии.

 Сдифф  >> Сбар                     Сp-n.прям  ≈ Сдифф Iдрейф = I0

Евнеш.

Евнутр.

 Основные модели идеализированного n-p перехода.

Существуют два типа моделей – нелинейная и линейная.

1) Нелинейная   -  I p-n = I0·(e U/mφт – 1)  (1)

     I p-n

Uотп = (0,5…0,7) φк0

Uо  ≈  φк0

1

U0*

  I0 U p-n

  Uотп        Отпирание p-n перехода, а Uпр p-n =  φк0

 2

Эквивалент:  VDид – идеальный диод                      IVDид

 

                              Rобр   UVDид

                                                 Rобр =Uобр /Iобр

Нелинейные модели используются для анализа работы схемы в статическом режиме (по постоянному току) и в режиме большого сигнала (режим переключений).

Может быть учтено наличие емкостей p-n перехода ( т.е. будет граничная частота).

              1     -   прямое включение

 r p-n

+           -        +                                  - r p-n = dUпр/ dIпр

А(Э)            U0       К(Б)  

=dI/ dU =  = (пусть m=1, a ) =

U0 – напряжение отпирания (U0 = 0(для Ge)), U0 = (0,5…0,7) φк0

 U0* - напряжение на прямосмещенном  p-n переходе    φк0

 U0*(Ge) 0,25В      U0*(Si) 0,5…0,9 B

2     -   обратное включение

                                                Rобр                              -              +

 I0Si   единицы nA

                         К(+)            I0           A(-)         +            -  I0Ge  десятки мкA

Получившаяся в результате кусочнолинейной аппроксимации эквиваленты представляют собой линейные эквиваленты.

На каждом из линейных участков может использоваться физическая малосигнальная модель p-n перехода.                         r p-n

c p-n

  Отличие реального p-n перехода от идеализированного.

1) Реальные p-n переходы несимметричны и существует область низкоомная с высоким содержанием примесей (эмиттер) и высоомная область с малым содержанием примесей (база).

При прямом включении  p-n перехода в основном идет процесс инжекции из эмиттера в базу, где заряды накапливаются. При обратном включении  -   процесс рассасывания  накопленных в базе зарядов и экстракция из базы.

 VDидеализ               Rб

 Rб = r б

   r p-n

               c p-n

 

 Ip-n

ВАХ  Rб

Идеальн.

  I  = I0·(e (U-IпрRб)/mφт – 1)

 Реальн.

 U0*                     Up-n

Реальная ВАХ должна учитывать сопротивление базы во всех типах эквивалентов.

2) Реальная характеристика имеет другую обратную ветвь, так как на ней возникает не 1, а 2 участка.

 Ge

 Uобр Iобр =Iо +Iт +Iу

 I0 Si

             1

электр. Iт – ток термогенерации в самом p-n переходе

пробой

 тепл. Iу – ток утечки по поверхности  p-n перехода

 Iобр У реальных p-n переходов существует

               2     участок пробоя  2 .

Различают два типа пробоя :

a) Тепловой  (необратимый )  -  если мощность, которая выделяется в p-n переходе больше отводимой мощности.

 Pвыдp-n > Pотвp-n

б) Электрический (обратимый)

-  лавинный электрический пробой возникает в толстых p-n переходах.

   d p-n  >  L своб.  Uпробоя > 5…7 В

(толщина p-n перехода больше длины свободного пробега заряда).

-  туннельный зенеровский пробой

 d p-n  <  L своб. Uпробоя < 5…7 В

3) Вид ВАХ p-n перехода зависит от материала и типа электрического выпрямляющего перехода.

 I

 Ge Эквиваленты меняются также,

         Ме –n/n Si например, Ме – n/n и Ge не

имеют U0

 2 1 U 1

rp-n (rМе-n/n)

У Si, Ме – n/n 2

 Rобр

4) Реальные p-n переходы имеют существенную температурную зависимость ВАХ.

 I0(T) = I0(T0)e I0(T0) 2    ,  = Т – Т0

ТуSi  = 100C, ТуGe  = 140C      -      температура удвоения

-  температурный коэффициент (Si = 0,05…0,009  >Ge = 0,07…0,12),  но I0 Si  <<  I0 Ge  .                     

I0(T0) – начальное значение обратного тока при комнатной температуре.

   I0 Si(T0)  << I0 Ge(T0) (у германия существенная температурная зависимость).

   I p-n                      прямая  (Т>T0)

 /Ту            исходная  (Т0)

 Uпробоя        U p-n

участок пробоя

Для участка электрического пробоя рассматривается температурный коэффициент напряжения.                                

 ,  в % / град.   туннельный             лавинный

 Uпробоя

5…7 В

5) Реальный p-n переход имеет ВАХ, зависящую от концентрации примесей. Нормальный вид ВАХ (см. ранее) имеет при концентрации примесей   1014…1018 атомов/см3.

Если концентрация примесей 1019…1021 атомов/см3 – то получаются вырожденные полупроводники, полуметаллы.

   p-n пер.

  WF                                  при U = 0

 зона провод.

  зона валентн.

 «p»                 «n»

 Ip-n  туннельные диоды

c

 a       

 b             Up-n

  0

тун. «p»                 «n»

           пробой     

При высокой концентрации примесей возникает возможность туннельных сквозных переходов из одной разрешенной зоны в другую разрешенную зону, в результате на ВАХ при обратном включении существует туннельный пробой, при прямом включении на участке от 0 до b присутствуют как туннельные, так и диффузионные переносы зарядов, на участке от b до с – только диффузионные. Поскольку на характеристике появляется участок с отрицательным сопротивлением (участок a-b), то такой переход обладает переключающими свойствами, что позволяет строить схемы триггеров, генераторов автоколебательного типа.

 - туннельный диод

Если концентрация примесей критическая, то вид ВАХ обратный

  Ip-n     исходному

 Up-n Обращенные диоды

 Вывод. Реальный p-n переход имеет :

  1.  зависимость ВАХ от концентрации примесей
  2.  зависимость ВАХ от материала
  3.  зависимость ВАХ от температуры

- как для обратного тока

- так и для участка электрического пробоя

    4) несимметричен

    5) имеет дополнительное сопротивление (омическое сопротивление базы, что обуславливает изменение характеристики)

    6) существует участок электрического и теплового пробоя.

 Классификация и система условных обозначений диодов.

 p-n переход имеет:

 1) rp-n, Cp-n 

 2) нелинейность ВАХ

коэффициент выпрямления

а)    Квыпр = Iпр/Iобр(при U= 1 B) = Rпр/Rобр(при U= 1 B)

б)  Iобр в)

 Uобр

 участок пробоя

Классификация диодов:

  1.  по материалу
  2.  по технологии изготовления
  3.  по площади p-n перехода
  4.  по назначению

Различают 2 типа условных обозначений диодов:

1) УГО (условно графическое обозначение)

a) варикап

    (если используется Сp-n(Cзар))

б) выпрямительные, импульсные,

   ВЧ, СВЧ диоды

в) Ме – п/п  (диод Шотки )

г) туннельный диод

обращенный диод

  1.  Буквенно-цифровой код, используется для маркировки диодов и для записи в перечень элементов на электрическую принципиальную схему.

                        I                II               III                 IV                  V

  (буква)      (цифра)      ( 01…99)        (буква)

1         Ge ,  Г

2          Si ,  К

3         GaAs (арсенид галлия) , А

4         In (индий) ,  И

II  -  буква в соответствии с назначением прибора:

 D – выпрямительные диоды

Ц – выпрямительные столбы и блоки

С - стабилитроны

 В – варикапы

III – цифра от 1 до 10 определяет особенности, функциональные возможности данного диода                       I  <  0,3 A

Д                  0,3 < I  <  10 A

   I  >  10 A 

IV – порядковый номер разработки от 01 до 99

 V  -  модификация  (буква  А, Б, В, …)

КД201А – выпрямительный диод ( на прямой ток 0,3 … 10 А)

КС133Б – стабилитрон малой мощности ( Uст =3,3 В, Р < 0,3 Вт)

 Эквивалентная схема реального диода   

p-n L выводов 

 p-i rp-n

Me-n Rб

 Скорп                                                             Ср-п

 Основные параметры у каждого диода свои

рабочие        предельные

1) Выпрямительные диоды рабочие  1. Iпр (при Uпр)

 IVD  2. Iобр (при Uобр)

 3. rпр

 4. Rобр

 Uобр 5. -раб. диапазон температур

 Uпр                    UVD  6.

 Iобр 7. Квыпр.= Rобр /(Rпр +Rб)

 Предельные 

  1.  Максимально допустимый прямой ток
  2.  Максимально допустимое обратное напряжение
  3.  Максимально допустимая мощность
  4.  Максимальная частота
  5.  Максимальная температура – граничная температура

Если 1) и 2) не выполняются                  Rдоб1

а) ток превышен

       Rдобав  >> Rпр                            

                                                                             Rдоб2

               б) напряжение превышено

 Rшунт. < Rобр.    Rш = Uвнеш/NVDIR

 Rшунт.                      Rшунт.

 Для выпрямительных диодов, работающих в импульсных схемах, учитываются временные свойства диодов.

IVD Uвх IVD

 

        UVD

   Rн       t t

    Uвнеш

 t1        t2

      tвос

UVD 

 t1 – время рассасывания

       накопленных в базе зарядов

 t2 – экспоненциальное изменение,

 t вызванное наличием cp-n 

 tвос – время восстановления

 tуст  <  tвосст (для диодов) обратного сопротивления

tуст tвосст              tуст  - время установления

                                     прямого сопротивления

Классификация высокочастотных диодов осуществляется по времени восстановления:

- диоды микросекундного диапазона (tвосст > 0,1 мкс) - скоростные

- диоды  наносекундного диапазона (tвосст < 0,1 мкс) - сверхскоростные

Для диодов Шотки tвосст – минимально и накопления заряда в базе не происходит (t1 = 0 ! ) – контакт Me – п/п

 Шотки

 Ge  

 Si  Квыпр Шотки  >  КвыпрVD

Используются  в высокоскоростных схемах

 2) Стабилитроны

Uобр  Uст Uобр Рабочие параметры:

                          Iобр                 1. Uст. – напряжение стабилизации

                          Iст min                        2. rст. –dUст/dIст  

 I     3. Iст ном. - номинальный ток стабилизации

 Iст ном

 II   Iст ном.= ( Iст max. +Iст min. )/2

4.Качество стабилизации

                                     Iст max  Q = rст/Rст Rст = Uст/Iст

, где Rст – статическое сопротивление

                                     Iобр                                                       стабилитрона

 

Величина I0 очень мала, стабилитроны всегда выполнены из кремния Si.

Для    I   -   эквивалент :                                   Rобр  ( I0 ~ 0 ) I0

Для    II   -   эквивалент : А         rст            Ucт     К

А                   К С при необходимости

 -              + учета частотных свойств

Предельные параметры:

  1.  Максимально допустимая мощность
    1.  Максимально допустимый ток
    2.  Максимально допустимый прямой ток
    3.  Максимальная рабочая температура
    4.  Максимальная рабочая частота

Рабочий участок                    II

 Основная схема включения:

    Rдоб

+ Cхема параметрического

             Uвх                        VD              Rн   Uвых        стабилизатора, которая

          дает только однополярное

-                                                                         выходное напряжение

Uвых

Uвых II Кнсu =

 I Uвх ном       рабочий участок

  

 Uвх  Кнсi =

Абсолютный коэффициент стабилизации – kст =    Uвх /   Uвых

Относительный коэффициент стабилизации - Кст = 

kст как правило меньше 30.

 Uвых II  - рабочий участок

Uвых хх  Если  Rн

    I Uвых  = Uвых хх

  Iн

На нерабочем участке  I   падение напряжения связано с тем, что нагрузочное сопротивление становится сопоставимо с выходным сопротивлением схемы.   rвых =

Параметры схемы существенно зависят от собственных параметров стабилитрона и величины выбранного резистора  Rдоб.

Uвх

 Iст min kст =  Rдоб / rст – в точке А

ВАХ A     Iст

Rдоб

 rвых =  Rдоб || rст (паралл. соединение)

 Iстmax

Поскольку для стабилитронов характерна температурная зависимость напряжения стабилизации, то недостатком схемы параметрического стабилизатора помимо малого значения  kст, является и температурная нестабильность Uвых.

 Методы улучшения схемы параметрического стабилизатора.

1) для увеличения kст используется последовательное соединение подобных схем (каскадом):

                            kст1         kст2

Недостаток – снижение к.п.д., существенное увеличение Uвх, что не всегда возможно.

2) для увеличения температурной стабильности используется либо специальный термокомпенсирующий стабилитрон, либо последовательно со стабилитроном включается диод VD2, имеющий обратный по знаку и равный по велечине температурный коэффициент.

Rдоб + Rдоб

 VD1 Rн (vст<0,тун.) VD1

                        или Rн

 VD2 -  (vст>0,лав.)  VD2

Недостаток – схема при этом имеет худшие параметры по выходному сопротивлению и kст.

3) При необходимости повысить выходной ток или регулировать выходное напряжение параметрический стабилизатор используется с усилительными элементами (транзисторами, операционными усилителями).

а) повысить выходной ток     б) повысить выходное

   +Е напряжение

                         Rдоб

                                                                                        Uвых=Uст(1+R2/R1)

Uвх                                 Uвых  

        VD R2

 R1

  3) Туннельные и обращенные диоды

Действие основано на выпрямляющих свойствах p-n перехода из вырожденного полупроводника ( концентрация примеси – 1018…1020см-3).

Эквивалент:

 rp-n Lвых  

 rдоб     cp-n  

                                                                   cкорп  

                  I                                                                 I

Туннельный                                                Обращенный

     U                                                               U

 Пример: 1И103А. Для обращенных диодов рассматривают параметры, аналогичные выпрямляющим диодам, разница в частоте – применяют на более высокочастотных диапазонах и для малых значениях  I  и  U.

1). Uп, Iп – ток и напряжение пика                 4) ∆U = Up - Uп

2). Uв, Iв - ток и напряжение впадины          5) ∆I = Iп - Iв

3). Uр – напряжение раствора                         6) rдиф = -∆U/∆I

  I 4                рабочая ветвь

      E/R1

I = кU(∆-U)2

3

In

 Iв        

         1                          2                           U

 Un   Uв                            Е

Рабочий участок характеристики не превышает десятых долей вольта, токи – малые (порядка милиампер).

На  2  участке – отрицательное сопротивление  r диф = - ∆U/∆I

Дополнительные параметры:

Есть участок ВАХ с отрицательным сопротивлением          tвкл и tвыкл  не превышают десятых долей микросекунд.

 E

                                                1   и   3   схемы с одним устойчивым состоянием

 R1                                      4  астабильная схема        2  триггерная схема

 Uвх R2  R3

  Uвых                                       2            1,2,3,4 –точки переключений

 Uупр Uвых 3 1-2 = ∆Uвых1        3-4 = ∆Uвых2

 1 Uвых1        Uвых2        

 4 Uвх Uвх    - мало    

Недостатки :

  •  неодинаковые перепады  Uвых
  •  нет отделения схемы от нагрузки
  •  мала мощность выходного сигнала
  •  возможность двунаправленности (преобразователь формы)

Улучшение схем триггеров достигается при использовании дополнительных усилительных элементов.

 VS+VT VS VT

 R2

 Uвых              R1  r < 0

  VT

Переключательные свойства сохраняются, схема обеспечивает увеличение мощности и разделение с нагрузкой.

4) Варикапы.

 C, Ф

С0 CVD =  C0/   1 + |U|/∆φ0

Сmax

Кп – коэффициент перекрытия

 Cном  Кп = Сmaxmin = 3…20

Сmin

 Z(jw) = Re + j·Im

 U, В             Umax     UномUmin

                                             L             r                       Rобр    

Qвар = Im /Re  ;   Q = f(f) Сбар

 

       Qв Qвmax на участке  1   Q = ωRобрСбар 

 1 2 на участке  2   Q = 1/ωrпСvar 

1

TKE = ; TKД =

fmin        fоптим         fmax f,Гц  

 

ТКЕ – температурный коэффициент емкости

ТКД - температурный коэффициент добротности

 Основная схема включения:

+ R

Uвх VD Uвых

-

Основные свойства варикапа, как управляемой емкости:

1). Если регулировка от минимума до максимума с приводимым в справочнике коэффициентом перекрытия на обратном включении p-n перехода. Варикап характеризуется добротностью, ТКЕ и ТКД.

2). Варикап работает в определенном частотном диапазоне; существуют низкочастотные варикапы и высокочастотные варикапы. Первые делают из кремния (Si) , вторые из германия (Ge) и арсенида галлия (GaAs), например,

КВ601А.

 Ключевые схемы на диодах и их применение.

1) Статика  

                             I I

идеальн.       замкнутый

   ключ  замкн.

   U U

разомкнутый U0*

    ключ разомкн. I0

U0 – падение напряжения на прямосмещенном переходе

I0ток утечки (остаточный)

                  А        К                                          А           К

+                -                                     -                 +  

 Rразомкн.

 + - - +

 Rзам    U0*(прямое)                                           I0

Реальн.

 iкл

 Rзамкн Rобр

 I0

 U0*

2) Динамика:  tуст ,  Rпр ,  tвосст ,  Rобр

    По способу подключения диода по отношению к нагрузке:

         -  последовательная               -  параллельная    

Uвх                                    Rн         Uвых                      Uвх                                    Rн         Uвых

Так как ключевая схема нужна для передачи входного сигнала на выход, то она есть четырехполюсник с Rвх и Rвых и соответствующим коэффициентом передачи.

Для разных состояний ключа:

закрыт Последовательный ключ

открыт RVD

 +    -

       +  -  +

                                             Rн U0 = 0

       I0 = 0 Rн

-

Ku =

a) Ключ замкнут     RVD  =  Rпр

Ku идеаль = 1, Ku реаль =                     Ku       1, при Rн  >>  Rпр

 идеальн.               б) Ключ разомкнут

 450      реальн. Ku идеаль = 0

                                             Ku реаль =                      

 <450 Ku       0, при Rобр  >>  Rн

  Rобр  >>  Rн >> Rпр    Rн =    Rпр · Rобр

Квыпр =  Rобр  = Квыпр · Rпр ;      Rн =   Rпр2 ·Квыпр  = Rпр·   Квыпр

Недостаток: жесткие требования к выбору Rн по отношению к параметрам диода.

 I

 +

U t

 В  силу  неидеальности диода

 Uвх1 даже для разомкнутого ключа

на выходе есть сигнал, наличие

U0 и I0 обуславливают смещение характеристики вх/вых и для замкнутого и для разомкнутого состояний.

Поскольку реальный диод имеет эквивалент С, то Кu = f(jw) и в схеме необходимо учесть наличие Cp-n.

 CVD Наличие емкостей ведет к

 RVD C0 искажению прямоуголь-

ного сигнала

  Uвх

 tфр.вх = 0

 t

 

  Uвых 1)

КC = KR – зависит от соотношения емкостей

 схемы t

  Uвых 2)

   UвхКС UвхКR КC > KR С0 = Снагр + Смонтажа  

 t

  Uвых 3) КC < KR КС =- коэффициент

   t  деления по емкости

 τсхемы 1) и 2) - разные

1)  -  при включении           2)   -   при выключении

  tфр.вх = 0 tфр.вых =    t2фр.вх  +  t2фр.сх ;   tфр.cхемы = 3τсх

 

 tфр.вкл  <  tфр.выкл.

  Применение:

        1). В схемах преобразователей частоты сигнала ( модуляторы и

демодуляторы – из ВЧ сигнала в НЧ сигнал и из НЧ сигнала в ВЧ сигнал).

2). В схемах преобразования формы ( ограничители, триггерные схемы на туннельных диодах  Uвх~ ,    Uвых        .

3). Для построения логических элементов.

4). Для сигнала в постоянный.

 1. Применение ключей на диодах в логических элементах

И Принцип построения:

                                        1).есть источник входных сигналов

                                                               Uвх и есть Епост (может и не быть)

ИЛИ

                                           2). VD управляется Е + Uвх

И – НЕ

 Rогр  +Е – дополн. источник

         U1       VD1

Вх. сигнал      VD2

 U2                                          C0                 Rн      Uвых      -      Логика  И

 VD1

     U1

U2                VD2                                      Rн      Uвых      -      Логика  ИЛИ

 U

" 1 "           0

                                                                         " 1 " " + "  -  логика

" 0 "

 " 0 "

 U " 0 "

  0

 " 0 "

" 1 " " - "   -  логика

" 1 "

Пусть на 1-ю схему воздействует  " + " – логика.

        Uвых0 = (Uвх0· Rогр|| Rн) / (Rпр +Rогр|| Rн) = Uвх0 / ((Rпр/ Rогр|| Rн) + 1)

(Диаграмма) Таблица состояний (логики И )

 U1

U2

Uвых

 0

 1         

 0

 0

 0

 0

 1

 0

 0

 1

 1

 1

Uвых1 = (Е· Rобр|| Rн) / (Rогр +Rобр|| Rн) ≈ Е/((Rогр/ Rн)+ 1)

Недостаток диодных схем:

Зависимость уровня логической единицы от величины нагрузки

Влияние собственных параметров диода

Влияние величины нагрузки на единичный выходной уровень Uвых1

Температурная нестабильность

Отсутствие усиления (схема пассивная)

Инерционность схемы, приводящая к искажению формы.

 Uвх " 1 "

                                           Rогр Rн

" 0 "            " 0 " t   E Rобр

 Uвых

 tфр= 2,2 Сэкв Rогр

 С0     СVD

                        tфр    tср t tср= 2,2 Сэкв Rпр

Недостаток логических диодных схем: разные фронты выходного сигнала.

  2. Модуляторы и демодуляторы.

Это устройства для преобразования спектра сигнала.

10-4 ÷ 10 Гц

 fв.ч.

                                fв.ч.

 

 MДM усил.

Модуляторы и демодуляторы должны обладать высокой чувствительностью, то есть воспринимать малый входной сигнал, должен быть минимальный уровень дрейфа нуля (дрейф нуля характеризуется определенным выходным сигналом при отсутствии входного).

 Модуляторы  и  Демодуляторы

            электромеханические                         электронные

  (наилучшая чувствительность)

            Uвх.др.  ≈ мкВ                         пассивные                    активные

              (на диодах,  (на транзисторах,

                                                             варикапах )          микросхемах

                                                 Uвх.др.≈десятки мВ  Uвх.др.≈0,1…единицы В

В большинстве случаев одна и та же схема может использоваться как модулятор, так и демодулятор ( кольцевой М/ДМ на диодах, М/ДМ на операционном усилителе).

  Uвх

   Фильтр                                          Ф2

     Uуправляющий (в.ч. ! )

Uвых 1m     первая Км,дм = Uвых 1m /Uвх 1m - коэффициент

Uвх 1m гармоника                                         преобразования

                                             Uупр.(в.ч.)

 

+  R1 Ф1 R2 +

          C2 Uвых

Uвх Ф2 -

(н.ч.)  C1 TV fв.ч. >> fн.ч.

 -

Эта схема – амплитудный модулятор (демодулятор). Имеет коэффициент преобразования, зависящий от величины сопротивления источника входного сигнала, от сопротивления трансформатора ( потери, индуктивность трансформатора, и, следовательно, обладают частотной зависимостью).

КМ(ω)

КМ0 Недостаток : Наличие механи-

КМ0/  2                       ческих контактов ( искрение,

                                 залипание, износ).

 Lw1TV

ω

ωв.ч.

Диодные модуляторы и демодуляторы.

               однополупериодные                     двухполупериодные

                                                                     (лучше использовать TV

                                                                      и вес меньше и габариты)

Диодная однополупериодная схема модулятора (не одинакова для

модулятора и демодулятора).

 +

Uупр > Uвх                                    VD1  R1

 U´упр I1(согласное вкл.)

 -     + -   Rн

Uупр(в.ч.) Uвх

+ U´упр Сн     I2(согласное вкл.)

 TV     - VD2 R2

 Км Uвых = ( I1 - I2 )Rн

I1 и I2  =  f(Uвх, Uупр)

 

Диодная однополупериодная схема демодулятора

 TV VD1

+

                             С1 Rн1

Uвх +    - Rн      Uвых

(в.ч.) Uупр(в.ч.)

С2 Rн2

-

              VD2

 

Км =  = rтранс + rVD + R1 + Rn

Км (f)   -   коэффициент модуляции – функция частоты

fверх.гр. зависит от fVD  и  fTV

открыты оба диода

 U´упр                                           Uвых  открыт VD1

 Uвх > 0

 Q1   Q2 π/2

Uвх < 0

 Основные свойства диодных модулятора и демодулятора.

 

Схемы является фазочувствительными устройствами, имеют достаточно низкий дрейф нулевого уровня, но обладают:

- температурной нестабильностью

- имеют значительные габариты за счет трансформатора

- в сердечнике трансформатора присутствует пульсирующий поток

- в первичной обмотке трансформатора есть гармоническая составляющая

- схема в целом влияет на источник управляющего сигнала.

Приведенные схемы представляют собой амплитудные модулятор и демодулятор для случая непрерывной аналоговой модуляции (Uупр –синусоида).

            3. Выпрямители и ограничители.

                                    ( см. в методичке и в учебн. ТОЭ )

Выпрямители – устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения  в напряжение постоянного тока.

Выпрямители бывают активные ( на основе интегральных операционных усилителей и диодных ключей ) и пассивные.

Выпрямители могут быть:

  1.  без умножения напряжения и с умножением напряжения
  2.  управляемые и неуправляемые
  3.  однополупериодные и двухполупериодные
  4.  однофазные и многофазные

Наиболее употребительны:

+

 VD Uвых

 Uвх Rн Однополупериодная схема

 TV

            + Двухполупериодная со

 VD1          Uвых  средней точкой схема

 Uвх     Rн

TV VD2

VD1-4

                             +    Двухполупериодная

Uвх    мостовая схема

               Uвых               

                               Rн

 TV

 VD1

 +              Rн Схема с удвоением

 Uвх                                           -          напряжения

+   Uвых

 TV -

 VD2

 Vфильтр

  ~ ~

 ~        _ Rн      UZ

           

  U вх ~          Uвых

Амплитуда 1-ой гармоники

Кп =  пост   , Кп – коэффициент пульсаций

 Для однополупериодной схемы    Кп = 1,57

 Для двухполупериодной схемы    Кп = 0,67

В РЭА для реальных схем требуется  К < 0,1%

      Uвых                                  Uвых

450

    Uвх     Iн

Для выпрямителей основными характеристиками являются:

-   вход – выход

         -   нагрузочная

по которой определяют Кu и выходное сопротивление схемы. Данные параметры лучше в схемах активных выпрямителей.

От того, каков тип нагрузки, меняется ток через диод (см. методичку).

 ФНЧ – фильтры низких частот

 L L

 R              C                      C               C                                     C

Схема 1                          Схема 3                         Схема 2

Однополупериодная схема имеет напряжение на выходе (на нагрузке):

Uвых

2Um1вых

 Uн.ср.вых.ф.

Из-за остаточных параметров получается сдвиг.

Зависимость Uвых = f(Uвх) и UвыхmUвыхm

Кп вых фильтра =  ;     Ксг =  >  1  -  коэффициент cглаживания

При использовании фильтров для достижения необходимого коэффициента сглаживания заданных на выходе фильтра пульсаций, необходимо использовать сложный фильтр ( например, схема 3 )  или строить последовательно соединенные фильтры

   Ксг =    ~      ~

~                    -

Достоинства и недостатки схем выпрямителей

  1.  пассивные, то есть коэффициент передачи меньше единицы  Кu < 1
  2.  в присутствии трансформатора схемы выпрямителей имеют существенные габариты и вес
  3.  не дают большой мощности на выходе ( низкий к.п.д.)
  4.  имеют предельную частоту работы (трансформатор и диоды)
  5.  так как диоды имеют собственную емкость, то при импульсном входном сигнале, схема вносит дополнительные  искажения
  6.  наличие у диодов U0 и i0 приводит к отклонениям от идеала временной диаграммы и зависимости вход/выход.

  •  В схемах выпрямителей могут использоваться как активные выпрямители (с усилителями), так и активные фильтры, что позволяет обеспечить заданный уровень пульсаций.

Ограничители на диодах

Ограничители – это устройства, которые имеют выходной сигнал, пропорциональный входному в определенном диапазоне входных сигналов, за пределами этого диапазона выходной сигнал ограничителя принимает одно из заданных значений, называемое уровнем ограничения.

 Uвых1 = UвхКu

Uвх Uвых2 = Uогр

 Uвых Uогр2

 Uогр1,     Uвх <  Uпор1

 Uвх1пор Uвых = KuUвх , Uпор1  < Uвх  < Uпор2

 Uвх2пор Uвх Uогр2,     Uвх >  Uпор2

 Uогр1

   Uвых Ku >0 Uвых

    

                 t1   t2    t3  t4

                                                                         Э1  -буквенно-цифровой код

 t1 Uвх Условно-графическое обозначение

 t2 на структурных схемах

 t3

 t4

                                                    по форме Uвых    по Uвыx = f(Uвх)

Классификация ограничителей

  1.  по виду основной характеристики вход/выход:

- односторонние ( с одним уровнем ограничения )

- двухсторонние ( с двумя уровнями ограничения )

              - ограничители снизу ( по минимуму )

     - ограничители сверху ( по максимуму )

2) в зависимости от Ku

              - Ku > 0

              - Ku < 0

 3) в зависимости от наличия активных элементов в схеме

              - активные | Кп | > 1

              - пассивные | Кп | < 1

 4) от величины уровня ограничения

              - с нулевым уровнем ограничения

              - с ненулевым уровнем ограничения

5) от способа соединения диодного элемента и нагрузки

              - последовательного типа

              - параллельного типа

              - последовательно-параллельного типа.

1      

                           VD                                      с нулевым уровнем ограничения

                                                Rн                      последовательного типа

                                                                             на выходе -

 Rогр

2  

параллельного типа

 VD            Rн на выходе -

 Uвых

   1  ,  2

для идеальных диодов

     Uвх

Есмещ

 VD Uвых

 + Uвых

- E  t

Uвых для двухуровнего ограничителя   

                                                          Для данной                               Rобр

 Есмещ                                 1   схемы

                2                                                                J0

                                                                 Uвх Е

 Есмещ

  

Двухсторонняя схема:

а)

 Rдоб

б)

        Uвх      VD1

VD2

Uвых

 

 (Uст+0,6 В )

Umвх > Uстабилизация t

 В общем случае для построения схем двухсторонних ограничителей используется последовательное соединение ограничителей

Е1                 Е2

Особенности схем пассивных ограничителей.

1) Выходной сигнал на каждом участке характеристики вход-выход, обусловленный как входным сигналом, так и источниками смещения и источниками u0 и i0 диода.

Поэтому при расчете характеристики вход-выход необходимо использование полных эквивалентов диодов по кусочно-линейной  аппроксимации ВАХ.

2) Так как диоды – частотно-зависимые элементы, то форма выходного сигнала будет определяться  не только входным сигналом, но и переходной характеристикой схемы ограничителя.

Если на входе схемы действует мгновенный сигнал с определенным tфр., то выходной сигнал tфр.вых =    t2фр.вх + t2фр.схемы

Так как есть предельная частота работы, то tфр.схемы = 2,2τв.ч.

3) Пассивные ограничители на диодах имеют в области пропускания коэффициент передачи  <  1 и работают в определенном диапазоне частот.

4) Не позволяют регулировать уровни и пороги ограничения.

5) Все схемы ограничителей имеют недостаточную температуру и временную стабильность.

6) Схемы очень просты в изготовлении и не требуют настройки.

   Опто - электронные приборы 

Это приборы, принцип действия которых основан на возможности преобразования электромагнитного излучения в электрические сигналы и обратно. Электромагнитное излучение может быть представлено в виде излучения как видимого, так и невидимого спектра.

Приборы работают на явлении наличия внутреннего фотоэффекта:

          ( световая энергия                           электрические сигналы )

                   -  фоторезисторы

          -  фотодиоды

                   -  фототранзисторы -     П И

                   -  фототиристоры

( электрическая энергия                     световые сигналы )

приборы являются источниками излучения, в качестве которых могут быть:

                  - лампы накаливания

                  - полупроводниковые диоды

                  - полупроводниковые лазеры                               -      И И

Сочетание приемника и источника излучения представляет оптоэлектронную схему  ОЭС ( могут быть выполнены в едином корпусе, в виде дискретных элементов ).

                         I1        оптрон  (есть корпус) I2

Ф1                       Ф2

 U1 U2

 I3     U3

I1 I2

U1 U2 -  оптопара

 

                 Диодный оптрон                       диодная оптопара

Название оптрона всегда по типу приемника излучения.

Оптроны обладают повышенной помехозащищенностью, не требуют экранирования от внешних электрических и магнитных помех, позволяют обеспечить развязку входных и выходных цепей, позволяют строить разнообразные устройства:

     - схемы преобразователей светового потока из одной частоты в другую

     - схемы стабилизации тока, напряжения, светового потока

     - триггерные схемы

     - цепи связи в электр. устройствах.

          Основные характеристики оптронов:

- входные ВАХ

- выходные ВАХ

- характеристики передачи от входной цепи в выходную. Uвых= f(Uвх).

- при наличии управления (U3,I3):

                     входная характеристика по цепи управления

                     модуляционная (из цепи управления на выход) Uвых= f(Uупр).

Все эти характеристики обеспечивают получение соответствующих параметров оптронов, которые зависят от свойств используемых приборов.

Фотодиод     -      ФДГЗ – 001 К     координатный    номер

Фото диод германиевый золотосодержащий

 VD

Ф

 Eвнутр

 p       -  +         n

+       - +         -

+       -  +        -

Iдрейф р

 Iдрейф n

 Iдифф р

 Iдифф n

 1) При наличии внешнего светового потока в результате генерации дополнительных дырок и электронов в каждой из областей p-n возникает дополнительный заряд, что можно использовать в виде источника фото э.д.с.

2) так как направление движения вновь генерируемых зарядов, соответствует дрейфу составляющей, то увеличивается Iобр.

 Iобр = Iо + Iф,

    где Iф - фототок

 I0темновой ток  - обратный ток при отсутствии светового потока

Iф диода

 Uхх – определяет величину Еф

 Uххф)

          I0                             Uф диода

 1  - как источник Еф

2  -  как фотодиод

 

1 VD

 2

 -

 Uвх Rн

Rн +

(на обратном

  включении)

Iф.д. = I0(eu/mφТ -1) - Iф

2)Uvd xx = mφТln((Iф+ I0)/ I0)

Можно определить:

1) Еф

2) Uобр

3) I0 ,Iф|ф=const

4) Rобр     темновое  и  световое

5) предельный прямой ток

 

Оптические характеристики

1) Световая  -   Iф = f(Ф)

IDD Iф

 ток в темно

? фототок

   I0

Ф Ф

 S = dIф/dФ   S() – частотнозависимая

     mA  -  ( 0,1 …20 )  -  токовая чувствительность

  1.  АЧХ фотодиодов

       S(ω)

        S0

S0/  2  

ωв.гр    ω

  1.  Так как фотодиоды могут быть выполнены из разных материалов, то существует собственная спектральная характеристика

  Iф 1 Si                 Ge

 IФλ

0,5

0,6            1,6 λ (длина волны  в мкм )

λоптим.

∆λ – рабочий диапазон

                   ФДГЗ – 001 К     координатный    номер

Фото диод германиевый золотое покрытие

Эквивалент фотодиода

 Iф

 

  Rобр

Основной материал – Ge, Si

Сбар

 I0

Особенности

  1.  невысокая квантовая эффективность( преобразование светового потока в пары  электрон-дырка )
  2.  инерционность (значительная)
  3.  большой темновой ток I0 и его температурная зависимость  I0=f(t0C)
  4.  существенный уровень шумов, особенно в лавинных фотодиодах
  5.  возможность двух режимов – фотогенераторного и фотодиодного
  6.  значительный диапазон преобразования светового потока в фототок (большой динамический диапазон)   D = Фλmaxλmin

 Cветодиоды – устройства, работающие при прямом включении p-n перехода и предназначены для преобразования электрического сигнала в световое излучение.

Основные характеристики

1)ВАХ ICD

  + GaP

  GaAs

   Uпр       Rн SiC

   -

 U0 UCD

 

W  > 1,4 …1,7 эВ  (ширина запрещенной зоны)

ВАХ зависит от типа материала  -  GaP, GaAs, SiC.

Параметры 2) квантовая эффективность  Э = λф/ne < 2 % - у cветодиодов,

десятки процентов только у лазеров

3) U0, Iпр.ном|Uпрямое = соnst,

    Iпр.max – максимально допустимый прямой ток

    Uобр.max  ,   rпр   ,  rпотерь

Характеристики, определяющие работу при преобразовании:

1) излучательная      Pλ = f(Iпр) (яркостная – для видимого света)

P/Pλ

                                                                Для видимого спектра зависимость

                                                                  I/Iλ  от     Iпр

    Iпр                    Pλ  

    Iпр

2) cпектральная зависимость  Pλ = f(λ)

P/Pλ SiC               GaP                GaAs

1

 0,5

 λ , мкм 

λоптим1.           λоптим2.              λоптим3.

∆λ – рабочий диапазон длин волн

3) диаграмма направленности

 P/Pλ 00

с отражателями

450

      без системы отражателей база

 900                                                        эмиттер

φ,град

Эквивалент светодиода

    +  А                        rпр         U0             rпотерь    К   -

 

Спр

Основные свойства диодов

  1.  обладают инерционностью
  2.  имеется время нарастания от момента подачи прямого тока до достижения 0,9 максимального светового потока.
  3.  Имеют узкий и направленный спектр излучения.
  4.  Достаточное быстродействие до 10-9 с
  5.  Малая квантовая эффективность
  6.  Небольшие габариты и вес
  7.  Малое напряжение питания, малая потребляемая мощность
  8.  Обеспечена возможность непосредственного включения в выходные цепи транзисторных схем ( в том числе и интегральных)
  9.  Устойчивость к механическим воздействиям
  10.  Сильный разброс параметров от экземпляра к экземпляру.
  11.  Температурный диапазон мал, значительная зависимость параметров от температуры

Система обозначений: номер разработки

                  КИП Д 05А – 1 Ж            желтый цвет

одиночный

Элемент             п/п GaAs (отражает технологические особенности)

общего     индикатор    диодный

применения

                                  Диодный оптрон

 

 Согласование по спектральным

      характеристикам и по расположению

 VU

входные характеристики  -  ВАХ, rпр, U0, Iпр мах,

выходные характеристики   -  Iф = f(Ф), ВАХ

параметры передачи

Входная характеристика определяется типом источника излучения.

       излучательная характеристика cветовая характеристика

   P/Pλ CD                     Iф

 Iпр Ф

Итоговая характеристика передачи

        Iфд  КI IФД = f(Iпр) DI =  Iпр max /Iпр min = 2…3  -

динамический диапазон

по току

 KI =  f(Iпр)

Характеристика даже

на участке линейном имеет

нелинейность до единиц %.

 Iпр min Iпр max Iпр  

KI = Iвых/Iвх · 100%  -  коэффициент передачи по току

Особенности :

схема диодного оптрона имеет малый KI с существенной нелинейностью до 5% в рабочей области изменения тока

KI – температуронезависимая величина ( нестабильность до 5-20% за 100000 часов работы).

Способы улучшения основных показателей оптрона:

1) применение диодных оптронов совместно с усилителями. Это позволяет обеспечить компенсацию температурных погрешностей оптронов.

+Е Например, схема на AVD109

                  Iвх ( 3 оптопары в одном корпусе)

 Rн

Uвх

 VT

 VU

      KI h21Э0)

      h21Э

                 KIобщ. KIобщ. = KIVU · h21э

       KIVU(T0)

T0C

Существуют стандартные схемы диодных оптронов со встроенным усилителем               порядковый номер разработки

АОД 103 А       модификация

диодный

 GaAs оптрон

2) C целью уменьшения температурной погрешности и нелинейности преобразования используются дифференциальные оптроны ( в сочетании с активными элементами).

 КОД 301 А – дифференциальный

 оптрон

 

 DA1

 -                         R1   R2

      

 + DA2

 VD3 VD1      VD2

 

 Uвых

 

 KI2           KI1

Uвых =  ;  Ku =

VD1-VD2  -  основная оптопара, осуществляющая прямую передачу информации

VD1-VD3     -  вспомогательная оптопара, осуществляющая обратную передачу информации

Наличие второй оптопары позволяет создать в схеме отрицательную обратную связь, что обеспечивает снижение коэффициента нелинейности до 0,01…0,2%, понижение температурной нестабильности до 0,075% за 100000 часов работы, в целом схема обеспечивает повышение коэффициента передачи и увеличение выходного напряжения ( существенно больше входного).

 Эквивалент оптрона на диодах

                        rпр оптический

 U0 канал

                                                                        Rизоляции > 109Ом

       rпотерь

Спр

Сканала, пф

СD

IТ      Rобр Собр КI Iвых

Фотодиод

Помимо указанных параметров, если в одном корпусе несколько оптронов, учитывается еще С и R между ними, а также величина допустимого напряжения изоляции, как между ПИ и ИИ, так и между каналами.

 Особенности положительные

  1.  однонаправленность передачи информации ( от источника излучения к приемнику излучения)
  2.  Отсутствие влияния выходной цепи на вход ( отсутствие внутренней обратной связи)
  3.  Гальваническая развязка входных и выходных цепей ( отсутствие электрической связи между входом и выходом).
  4.  Отсутствие влияния внешних электрических и магнитных полей ( так как в оптическом канале – фотоны )

Особенности положительные

  1.  Температурная и временная зависимость параметров ( нестабильность )
  2.  Инерционность
  3.  Ограничение по частоте

Iвх

 

   t

                                            tвкл = tзд1  + tфр1

Iвых идеальн. tвыкл = tзд2  + tфр2

 

0,9 Iвых max. tперекл.min = tвкл  + tвыкл

0,1 Iвых max. ( обычно < 10 - 6 c )

 tзд1      tзд2 fmax = 1/ tперекл.min

 tфр1 tфр2

 

   Тема 3. Транзисторы.

Различают униполярные и биполярные транзисторы.

  Биполярные транзисторы

 Представляют собой электропреобразовательные приборы, содержащие два или более p-n переходов, имеющие три вывода (триод) и предназначены для увеличения мощности сигнала.

Выходной ток создается движением зарядов двух знаков – биполярн.

       Э        p    n     p        K                         Э       n      p    n         K

                       Б                                                            Б

     эмиттер            коллектор                 эмиттер            коллектор

база база

Э                            К                             Э                              К

  корпус

 Б Б

 Классификация

- по технологии изготовления ( сплавные, диффузионные, планарные)

           - по конструкции p-n перехода (плоскостные, точечные)

           - по материалу (Si, Gе )

           - по механизму движения носителей через базу (бездрейф., дрейф, лавинные )

           - по мощности (малой мощности до 0,3 Вт, средней – 0,3…1,5(до 3) Вт, большой – свыше 1,5(3) Вт

           - по частотному диапазону (низкочастотные – до 3 МГц, среднечастотные – от 3 до 30 МГц, высокочастотные – от 30 до 300 МГц, сверхвысокочастотные (СВЧ)  -  свыше 300 МГц )

      KT 312 Б

в.ч.(  100…199 –н.ч,200…299 –ср.част.,300…399 – в.ч.)

транзистор Р < 0,3 Вт (номера 100…300 – малой мощности)

    Si(кремний)

Так как у транзистора три электрода (один из них может быть общим для вх. и вых. цепи), поэтому возможны три схемы включения.

Возможны разные режимы работы:

  I   N   отс. насыщ. N    I   отс. насыщ.

 -    +      -       +   -     +     -       +

+   -       +       - Б  +      -     +       -

эмиттерный переход – прямое направление               нормальный

коллекторный переход  -  обратное  напр.                  активный режим  Nакт.

эмиттерный переход – обратное направление               инверсный

коллекторный переход  -  прямое  направление         активный режим  Iакт.

эмиттерный переход – обратное направление                режим отсечки

коллекторный переход  -  обратное  напр.                   

эмиттерный переход – прямое направление                 режим насыщения

коллекторный переход  -  прямое  направление   

В линейных усилительных схемах в основном используется  Nакт.

Принцип действия и статические параметры биполярного

 транзистора.       .

 

Э  p      n        p       К Кажд. носителей (осн.) в VT

 Sэ < Sк

Б p       n       p

 W  <<  L                                     Э       Б       К

αN  ≈  1 – коэффициент передачи тока эмиттера

αi  <  1  - коэффициент передачи при инверсном включении

αN  > αi  -  недостаток

 Структурный эквивалент

П1            П2 Токи будут

только при

Е1 -  +  n      +       -     p E2 наличии

-   +          +       -   Iк внешних

Э -  +          +      -     Iкр источников

 Iэр К  

 Iэn Iэлект            Iкб Линейное

 Iэ Rн активное

 Uэб  Б Uкб нормальное

+  - +   - включение

Iэр – ток эмиттера – дырочная составляющая

Iэn – ток эмиттерного перехода – электронная составляющая

Iэ.рек – дырочная составляющая, рекомбинированная в базе

Iэ = Iэр + Iэn

Iб = Iэn + Iэ.рек  - Iкбо ( 1 )          Iэn <<  Iэр  

Iк = Iкр + Iкбо

γ = Iэр  / Iэ  < 1 (0,9) – коэффициент инжекции (из эмиттера в базу)

β = Iкр  / Iэр  < 1  – коэффициент переноса заряда ( через базу)

а) α = Iкр  / Iэ  = γ · δ αст ≈ αдиф

Статический коэффициент передачи тока эмиттера примерно равен

дифференциальному коэффициенту; зависит от эффективности работы

эмиттера, материала и т. д.

Из ( 1 ) следует:

б)      Ik = αIэ + Iкбо              Ik ≈ αIэ         IkIэ           α = 0,9… 0,999  

Iэ = 0      Ik = Iкбо – обрыв эмиттера в схеме с общей базой

в) Iб = - Iкбо

Выводы:

  1.  α – статический коэффициент передачи схемы с общей базой, ток коллектора в схеме с общей базой примерно равен току эмиттера ( схема – повторитель тока ).

2) При обрыве эмиттера (Iэ = 0 ) выходной ток равен обратному, его температурные изменения незначительны и схема с общей базой не требует спец. схем термостабилизации режима : может использоваться без них.

  1.  Из второго уравнения в ( 1 )

Iб = Iэ - Iк Iэ = Iб + Iк  -  Первый закон Кирхгофа для транзисторов, позволяет рассматривать транзистор как эквивалентную точку:

               Iэ                                                   Iк  

 Iб

Если это уравнение подставить в уравнение б)., то получим

 Ik = α (Ik + Iб ) +  Ikбо

 Ik (1- α ) = α Iб +  Ikбо

α/(1- α) = β  > > 1  ( 20…100 )

Ik = βIб + Iкбо*          (2)                   , где       Iкбо* = Iкбо/(1-α) = (1+β)Iкбо     

 Выводы :

Обратный ток в схеме с общим эмиттером намного больше, чем в схеме с общей базой.

Iб = 0      Ik = Iкбо*  > >   Iкбо

  1.  обрыв базы недопустим в схеме с общим эмиттером, т.к. Iкбо*>> Iкбо
  2.  схема с общим эмиттером  обеспечивает увеличение выходного тока по сравнению с входным ( усилитель тока ), статический коэффициент передачи примерно равен дмфференциальному.
  3.  Схема с общим эмиттером требует цепей термостабилизации режима.

                      ОБ                                                           ОЭ

Δiэ                       Δiк Δiб     < <       Δiк

Δiэ          =          Δiк

rэ       <  <          rк Ki =  Δiк / Δiб >> 1

cопротивление эмит. перехода

ΔUэ     < <       ΔUк увеличение напряжения и

увеличение выходного  мощности при наличии

сигнала по напряжению внешних источников !

Р  =  Δi2r,  Pвх << Pвых

Эквивалентные представления биполярных транзисторов для статического режима и режима передачи переменного сигнала.

Статические режимы -  режим по постоянному току или режим большого сигнала ( режим переключения ).

Режим по переменному току – предполагает, что существует исходный статический режим и вместе с ним режим передачи входного переменного сигнала  -  гармонического или импульсного. При этом входной переменный сигнал небольшой, то есть при изменении переменного сигнала в 2 раза статический режим и параметры транзистора не меняются.

Для статического режима используется нелинейный эквивалент биполярного транзистора (модель Мола-Эберса).

Для режима малого переменного сигнала используются :

а) физическая эквивалентная схема (малосигнальная модель транзистора)

б) представление транзистора как четырехполюсник :

  •  математическая модель
  •  в виде электрической схемы
  •  в виде графа

               

Модель Мола – Эберса

     αiI2 αNI1

   p  -  n  -  p

 Iэ Iк

Э                                                   К

 Прямой ток I1 Iб Б I2 прямой ток

   Uэб Uкб

Сп1 Сп2 

 Эквивалентная схема, соответствует нелинейной модели биполярного транзистора.

 П1 – первый переход

    Iэ  =  I1 - αi I2

 Ik  = αN I1 -  I2 (1) нелинейная математическая модель

 Iб  =  Iэ -  Iк биполярного транзистора (неполная)

  I1 = Iэ0´(eUэ/т – 1)

  закорочен второй p-n переход

 I2 = Iк0´(eUэ/т – 1) (2)

(к.з. второго перехода)

Iк0´ = Iк0/(1- αi αN)

Iэ0´ = Iэ0/(1- αi αN) (3)

αN Iэ0 = αi Iк0 (4)

 После подстановки выражений (2) и (3) в систему (1) получается нелинейная математическая модель биполярного транзистора, которая используется для расчета статических характеристик транзистора во всех схемах включения.

Недостатки модели Мола – Эберса:

  1.       модель нелинейная
  2.  идеализированная (не учитывается наличие сопротивлений, смежных с p-n переходами )
  3.  входящие в состав выражений Iэо и Iк0 не являются обратными токами, это только тепловые токи (обратные токи  >> тепловых )
  4.  считается , что статические коэффициенты передачи αi и αN постоянны ( и реальные αi  и  αN не постоянны )

 Достоинства:

Позволяет рассчитывать все характеристики на всех режимах.

 Iэ ОБ Iк вых.ВАХ

 вход.ВАХ Uкб<0

 Uкб=0

 Uкб>0

      отсечка                                реальная хар-ка

 Iэ=0

 U|эб|

 отсечка U|кб|

инверсный

режим                                                     инверсный

                                                                    режим

                                                                                           ΔIэ1  =   ΔIэ2 = ΔIэ3

pnp   Uэб>0 pnp    Uкб<0

 np - n   Uэб<0  np - n    Uкб>0

Характеристики, полученные по модели Мола-Эберса идеализированы, то есть эквидистантны ( на равных расстояниях друг от друга), выходные ВАХ не имеют наклона для нормального активного режима.

ОЭ

вход.ВАХ                                                      вых.ВАХ

 Iб Uкб=0 Iк

 нас. насыщ.

 акт

                                                режим акт.норм.

 Iб=-Iкбо

 Uкб<0(p-n-p) отсечка

 U|эб| U|кэ|

                инв.режим

 

Вывод:

Из-за наличия смещения входных характеристик при наличии коллекторного напряжения следует, что внутри транзистора присутствует обратная связь ( то есть влияние выходного напряжения на входную цепь).

Передача части или всего выходного сигнала во входную цепь схемы или устройства называется обратной связью.

При этом , если этот сигнал поступает в фазе со входным, то обратная связь – положительная, в противофазе – отрицательная.

Для схемы ОЭ внутренняя обратная связь – отрицательная, с ОБ – положительная (это следует из характеристик).

  Линейные модели транзисторов.

  1.  Физическая эквивалентная схема

Для малого переменного сигнала транзистор является линейным элементом, так как он при этом работает в неизменном статическом режиме.

Физическая эквивалентная схема составляется с учетом принципа действия транзистора, все элементы этой схемы дифференциальные. Физических эквивалентных схем может быть несколько.

 внутри обр. связь αiэ

Э -       +   μUкб К

(+) rэ   δ´ rk (-)

сэ Rб     ck

статич. Б

p-n-n (-)  ( +)          α – учитывает нормальное включение

При изменении Uк  изменилась толщина коллекторного перехода (изменение сопротивления коллекторного перехода).

                 ∆Uкб          var dп2 var rk =

изменится ширина базы (эффект Эрли), так рекомбинации, изменяются инжектирующие свойства первого перехода – изменятся Сэ, rэ ,Iэ.

 Недостаток :

Измерить параметры нельзя. Наличие внутр. (·) базы δ´, α у реальных транзисторов нет и по отношению к α должны быть определены все сопротивления и емкости, то есть ri и Ci   в этой схеме определяются только пересчетом (см. л/р).

  1.  Представление биполярного транзистора как четырехполюсника.

 İ1                                İ 2

 ОБ   Ů1= Ůэб       Ů2 = Ůкб

  Ů1 Ů2 İ 1= İ э          İ 2 = İ к

 а) dU1 = di1 + dU2

         б) Ů1 = Н11 İ 1 + Н12Ů2

         в)  u1 = h11i1 + h12u2

Возможно несколько форм записей уравнений в h-параметрах (а,б,в). В любом случае форма записи – причинно-следственная : 2 переменные независимые (İ 1, U2 ), 2 – зависимые (U1, İ 2)

вход. зав. перем. Ů1 = Н11 İ 1 + Н12Ů2

выход. зав. перем. İ 1 = Н12 İ 1 + Н22Ů2 - матем. модель.

    вх.              вых. незав.

незав. перем.      перем.

H11 = | Ů2=0 =Rвх  [Ом]   для переменной составляющей (к.з. в вых. цепи)

H12 = | İ1 =0 =μ  ( хх во вх. цепи)

H21 = | Ů2=0 = KI  - коэффициент передачи по току (к.з. в вых. цепи)

H22 = | I1=0 = Yвых [ Cм ] ( хх во вх. цепи)

Все коэффициенты Hij определяются в режимах хх и кз по переменной составляющей , статический режим задан, неизменен, активный.

Соответственно уравнению (1) может быть построена эквивалентная схема и причинно-следственный граф (граф Мезона биполярного транзистора.

İ1 Н11 İ2 Электрическая линейная

Ů1 Ů2 эквивалентная схема

  Н12 Ů2 Н21İ1 четырехполюсника с за-

висимыми источниками

İ1 Ů2

 вх. незав. перем.        Н12       вых. незав. перем.

   Н11 Н22

 вх. зав. перем. Н21 вых. зав. перем.

  Ů1    İ2

 

Идеализированное представление биполярного транзистора сводится к :

 Ů1 = 0 İ1 Н21    İ2

İ2 = Н21 İ1

Эквивалентная схема:

Управляется током, так как у

прямосмещен. p-n перехода

Ů1 Н21 İ1 Ů2 управлять можно только вход.

током в силу малости Rвход.

Достоинства представления биполярного транзистора, как 4-х-полюсника.

описание отвлечено ( не связано) от внутренней структуры транзистора

( физика не отражена ) («черный ящик»)

Н-параметры могут быть определены экспериментально

Идеализация модели соответствует идеализированной природе передачи тока в транзисторе

Представление транзистора как четырехполюсника позволяет рассматривать схемы с транзисторами всеми методами ТОЭ

Через Н-параметры рассчитываются физические параметры транзисторов.

        В транзисторе все параметры частотно-зависимые !!!

  Частотные свойства транзисторов

в транзисторе процесс передачи (переноса) заряда инерционен.

Частотные свойства p-n перехода

Частотные свойства транзистора зависят от схемы включения и внешних элементов для работы схемы.

Н21 = f(ƒ)

CК – сказывается на килогерцах

СЭ – сказывается на мегагерцах

Транзистор представляет собой звено первого порядка по зависимости КI

Н21(p) = h21/(1+h21)

Н21() = h21/(1+jωτh21)

Н21(ω) = h21/  (1+ω2τh212)   -   АЧХ

φ(ω) = - arctg(ωτh21)          -   ФЧХ

 Н21(ω)

 h21

 h21/  2

   ωгр=2πfгр                                                             ω

      - π/4

     - π/2

   jφ(ω)

h21Э   -   ОЭ

h21Б   -   ОБ

h21К   -   ОК    -   как правило не используется

В литературе рассматривается h21Э   ,h21Б , коэффициент передачи для схемы с ОК находится с учетом того, что эта схема описывается как схема с ОЭ со 100% отрицательной обратной связью.

fh21Э   ,fh21Б - граничные частоты ( в справочнике)

β = α/(1-α)

β = h21Э , - α = h21Б

fh21Б = ( 1 + h21Э ) fh21Э

Схема с ОБ более высокочастотная.

Транзистор представляет собой источник тока, не дает фазовый сдвиг в рабочем диапазоне частот ( до ωгр ), за пределами рабочего диапазона (при

ωг >ωгр) транзистор будет вносить фазовый сдвиг и его коэффициент передачи Н21 падает.

Основные схемы включения транзисторов, их рабочие и

                                 предельные параметры.

 Базовые схемы включения.

        ОЭ +Ек

Сигнал поступает на базу,

снимается с коллектора.

 Uвых~= Ограничивает ток коллектора

Uвх~=

    Iб Iк  Iк.max 

 UКЭ=0

 UКЭ>0    EK/RK ВАХ

 PK.max

                                                                       насыщ EK<0,8 UКЭmax

Акт.режим

 UКЭ

     UБЭ отсечка EK UКЭmax 

 1) fh21Э, Iб мах, Iк мах, UКЭ мах, PК мах,

 Основные свойства каскада с ОЭ

1) схема переворачивает фазу входного каскада

вход выход на АЧХ и ФЧХ

не отражается

2) схема обеспечивает сопоставимые по величине входные и выходные сопротивления

3) коэффициент передачи по току – больше 1, по направлению – больше 1,

неединичный коэффициент по мощности ( то есть усиление сигнала).

4) можно строить многокаскадные схемы.

 KU = - h21Э·Rвых/Rвх

 Rвых = ( h22Э)-1·//Rк

 Rвх = h11Э

 

       - Ек

    ОБ

 Uвх~,= Uвых~,=

   IЭ  UКБ=0              IK

 акт.режим

    UКБ<0           EK/RK Pmax

  пол. внутр. акт.

   обр. связь

       насыщ

 IЭ=0

-Ек UKБ

  UЭБ отсечка UКБmax

 К < UКБmax

 IKIЭ α ≈ 1 = h21Б

 Схема представляет собой повторитель тока (не меняет фазу сигнала).

             1)             вход                     выход

  

2) RвыхБ > RвхБ, поэтому последнее каскадное соединение схем с ОБ не используется.

             3) Схема обеспечивает усиление по мощности и напряжению.

             4) Имеет больший рабочий диапазон частот, чем схема с ОЭ.

       ОК                  +ЕК

 VT                                 При анализе работы с схем ОК

используются характеристики

 UБЭ  для схем с ОЭ.

Uвх~,=                            Uвых~,=

 RЭ

UБЭ = Uвх – URэ = Uвх  - Uвых   обратная отрицательная связь

Входной сигнал в схеме с ОК может достигать больших значений,

близких к Ек , так как в схеме присутствует отрицательная обратная связь (100% -ная).

Uвх ≈ Uвых – схема является повторителем напряжения.

КU = Uвых /Uвх ≈ 1.

Единичная величина в схемах практически не достигается, приближение к идеалу возможно при увеличении h21Э.

Схема имеет KI > 1, KP > 1

Схема имеет большое входное сопротивление ( max из всех 3 ) и малое выходное.

Так как это эмиттерный повторитель

                                          Вход                                     выход 

схема повторителя (Rвх >> Rвых ) используется в качестве согласующего элемента, как на входе многокаскадной структуры, так и на выходе.

Общий вывод. Во всех трех схемах включения транзистор обладает теми или иными усилительными свойствами в рабочем диапазоне частот, в рабочем диапазоне температур, причем более термостабильными схемами являются схемы с ОБ и ОК, а схема с ОЭ требует обязательной термостабилизации.

    Многопереходные структуры.

К ним относятся составные транзисторы и тиристоры.

[ β = 1000 – cоставной транзистор ]

Составной транзистор состоит как минимум из двух транзисторов, они могут быть как одного типа, так и разных (p-n-p, n-p-n, униполяр., биполяр.).

К

                                    iК1 iКсост iКсост = iК1 +iК2 = β1iб1+ β2iб2 =

 

 VT1 iК2 [ iэ1 = iб2 = (1+ β1)iбс     iбс = iб1 ]

Б

iБ.сост.=i1 VT2 =  β1iб1+ β2(1+β1)iб1

iЭ1.= iБ2

 Э

                                       βс= β1+ β2(1+β1)  β2β1

iЭ2=iЭс

В исходной структуре VT2 должен быть более мощным и его  β2  ≠  β1, так как

UвхVT2 > UвхVT1.

В реальном составном транзисторе добиваются идентичности коэффициентов передачи ( β2  =  β1) усложнением схемы. В целом вся схема эквивалентна идентичному биполярному транзистору n-p-n, но имеет собственные параметры.

  βсiбс  rk*=rr/(1+β)

 Ck*=Ck(1+β)

 

 Б rбс r*кс К 1) rбс =  rб1

 rэс С*к    2)  r*кс =  r*к2    

Э   3) rЭС = rЭ2 +

 

  I*КОС = I*КО2 +(1+ β2)I*КО1

Достоинство: 

Большой коэффициент передачи β, причем, если транзисторов n, то βС ≈ βin.

Недостатки:

  1.  Необходимость пересчета параметров из исходной в эквивалентную схему.
  2.  Значительный обратный ток, следовательно, хуже температурные свойства.
  3.  Частотные свойства зависят от частотных свойств транзистора и от схемы включения составного транзистора.

В схеме с ОЭ граничная частота определяется самым низкочастотным транзистором, с ОБ – самым высокочастотным транзистором.

 Тиристоры.

 Это электропреобразовательные полупроводниковые приборы, имеющие S-образную ВАХ, предназначены для использования в переключательных схемах, содержат 2 и более p-n переходов, имеющий 2 или 3 вывода.

2 вывода                                                        3 вывода

   А                                           А                               А

VS

К    динистор

              К К

          2Н101А КУ101А      тринисторы

    (ВАХ несимметр.)                 по катоду управляемый по аноду

 

    I

2  -  откр. состояние 2Н101А – неуправл.          по  

 малому

 Iвключ КУ101А – управл.   току

1  -  закр.состояние

 U

3 Uвключ  

  

  +Ea

 A I

 p1 Rн

П1 откр

 откр. n1 - n1 + (-)

П2 откр      Ea

 закр. p2      +  p2 _      (+)

П3   откр  VS Uвых

 откр n2 Для 3

Iупр   K

       +Uупр

 3    -   нерабочий участок, т.к. перекл. на прямой ветви ВАХ

    p-n-p

     транзистор I

   VT1   Э     p1 Э

           откр  n1 Б

Б   VT1

             К    p2 n1 К α2I

 p2    закр     Б α1I К

 n2   откр     Э К

 VT2 VT2

 n-p-n Б

транзистор Э

   I IK= α IЭ+ I0

              I = α1 I + α2I + IК0

                                                                     -  уравнение переключения    

Из уравнения переключения следует, что переключение тиристора из закрытого состояния ( участок 1 ) в открытое ( участок 2 ), происходит в момент , когда       = 1   . Это может быть достигнуто :

  1.  изменением анодного напряжения ( в неуправляемых структурах – динисторах)
  2.  подачей дополнительного тока в области n1 или p2 ( в управляемых структурах – тринисторах)
  3.  в структуре тиристора существует внутренняя положительная обратная связь в силу наличия которой процесс переключения по достижении Uвкл происходит лавинообразно ( но существует время включения).

Обратное переключение тиристора осуществляется путем снижения анодного напряжения ( в неуправляемой структуре) и происходит значительно медленнее, так как требуется время рассасывания накопленных в базах n1 и p2 зарядах.     tвыкл  >  tвкл .

 Основные характеристики и параметры.

1) Основная характеристика неуправляемого тиристора   -    ВАХ.

      I Iанода мах

 Iвыкл

  Iутечки

 Uостат           Uвкл                U    

2) Для управляемых тиристоров

  I характеристика упрвления

 Iупр2

      Iупр1

Iуправл. Iупр=0

 спрямл. U

Iупр1 Uвыкл

 Iупр2.

  Iупр

3) динамические параметры, характеризующие напряжение переключения    -    Время включения  и  Время выключения

Примечание: Существуют также фотоуправляемые тиристоры и тиристорные оптроны , для которых изменяются характеристики, как ВАХ, так и характеристика управления.

Достоинства тиристоров.

  1.  Могут работать как на малые токи ( десятки мА ), так и на значительные (кА)
  2.  Могут использоваться в тех схемах, где необходимо применение ключевых элементов ( мультивибраторы, ждущие генераторы прямоугольных импульсов, триггерные структуры )
  3.  Достаточное быстродействие
  4.  Схемы с тиристорами позволяют получать мощные короткие импульсы

   Недостаток: зависимость параметров и характеристик от температуры и технологический разброс.

а

      I

моностабильные ячейки

3 Rн

  ВАХ Rн Uвых

триггерная структура

         Еа/Rн  

               U

 Ea > Uвкл

3 Ea < Uвкл    

автоколебательный режим тиристора

 Униполярные транзисторы

 Униполярный прибор – это электропреобразовательный прибор, предназначенный для увеличения мощности сигнала, выходной ток которого создается за счет дрейфа зарядов в электрическом поле, создаваемым выходным напряжением, и управляется электрическим полем, создаваемым входным напряжением.

 IC = f ( UCU,UЗИ )

Выходной ток существует в силу наличия зарядов только одного знака – униполярные.

   Униполярные транзисторы

С управляемым p-n переходом                   с изолированным затвором

«n»-канальные  «p»-канальные            со встроенным каналом

                                                                                    с индуцированным каналом  

«n»    «p»                         «n»      «p»

«p»канал

         подложка

затвор исток з                        и

встроенный канал

«n» канал

КП 103 М н.ч.  -  до 3 МГц

              малая мощность, низкая частота с.ч.  – 3…30 МГц

        полевой в.ч. – 30…300 МГц

кремниевый

 Принцип действия(с управляемым p-n-переходом)

С | UЗИ|  ≠ | UЗC|  

+                        при ЕС ≠ 0

З З     ЕС

- Rканала = ρl/S – где l – длина канала

 S – ширина канала

И

 -    +                                                   удельное электр. сопротивление

 ЕЗИ

 S = f (UЗИ)

IC Rканала+Rобъемного зарядаconst

 UЗИ=0

 Участок отсечки

-UЗИ1 приращ.IC

-UЗИ2 (транз.ведет себя

 как источник тока)

 UСИнасыщ UСИ

 UЗИотсечки(ток утечки)

     IC Ri =

 UЗИconst

UСИ1мах

UСИ2 ICмасштабный(мах)

UСИ3                             S =  μ = riS =

-UЗИ                                                                                        UCИ≈const

 

Принцип действия, характеристики и параметры транзистора

с изолированным затвором.

 

И З+ С

 n         n

p

 подложка

IC UЗИ= 2UЗИпорог 

  IСмасшт

 UСИнас2    UСИ

 UСИнас1 UЗИпорог

IC

IСмасшт

 Параметры: ri, S, μ

 UЗИ

 UЗИпорог

 Транзисторы со встроенным каналом.

+

  И          З                С                                  управляемый резистор

 IC R=f(UЗИ)

б участок    UЗИ>0

 n                   замкн.ключ   1 участок  2

 p                          IСмасшт                                                              UЗИ=0

      подложка UЗИ<0

 UЗИотсечки а   разомкн. ключ                    UЗИ

 IС

 IСмасшт                                                                

 UЗИотсечки                UЗИ

 Основные характеристики и параметры униполярных транзисторов.

1) характеристика передачи   IC = f(UЗИ) при UСИ=const

2) выходные характеристики  IC = f(UСИ) при UЗИ=const

3) могут использоваться как управляемый резистор (участок 1), как источник тока (участок 2), как ключ (участки а и б)

4) S, ri, μ= Sri – коэффициент передачи по напряжению, ICmax, UCИmax, UЗИmax, Iутечки затвора , Рстока max, fграничная, Т0max.

Полевой транзистор имеет большее входное сопротивление, чем биполярный, для МДП-типа до 1019 Ом, для управляющим p-n переходом больше сотен).

Униполярный транзистор имеет выходной ток, определяемый только дрейфом носителей в электрическом поле одного знака, нет диффуз. составл. тока         ниже уровень шумов, чем у биполярных. Ключевые свойства униполярных транзисторов лучше , чем у биполярных.

Транзисторы полевые имеют высокую помехозащищенность, что применимо в логических элементах. У униполярных транзисторов меньше потребляемая мощность, больше возможности микроминиатюризации, что позволяет использовать их в интегральных схемах.

 Недостаток. У  униполярных транзисторов уже частотный диапазон (связан с наличием собственных емкостей), существенная зависимость от температурных характеристик и параметров.


V
p-n

Триггер.

Структ.

  З.Э.

G (генер.)

    M

  DM

- частотная модуляция

- фазовая модуляция

Uв(выброс)

Ф(t) = Y(t)/X(t)

Ф(t)

Xm = 1                           Xm = sin(t+)

= 2f = 2/T          X (j) = X()

 

. .

. .

. .

. .

. .

. .

:

:

пробой

эл. схема реального

выпрям. перехода

Cкор

Логические

 элементы

U ~        U =

Мод., Демод.

fн.ч.             fв.ч.

Ключи на  VD  

Параллельного типа преобразования переменного VD

Последовательного типа

   П    р    и    м    е    н    е     н     и     е

Преобр. формы

&

&

1

Датчики

М

Устройство

 обработки

информации

ДМ

   Объект

управления

  Устройство

преобразования

 информации

 И. М.

Генератор

несущей

частоты

Ключ

~

. Umвх

П И

О К

И И

П И

И И

Ik = αIб/(1- α) + Iкбо/(1- α)

~

  [ H ]

параметры

( 1 )


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73839. Технология изготовления корпусных деталей 1.63 MB
  Обрабатывают направляющие начерно резцами на продольнострогальных станках торцевыми фрезами и наборами фрез на продольнофрезерных станках. Обрабатывают начерно поверхности расположенные перпендикулярно направляющим на продольнофрезерных станках если станина по длине проходит между колонами станка; на горизонтальнорасточных станках фрезой или на торцефрезерных станках если станина длинная. Обрабатывают отверстия начерно на горизонтальнорасточных станках в приспособлении. Чистовую обработку лучше выполнять на продольнофрезерных...
73840. Процессы обработки деталей типа некруглые стержни 191.5 KB
  Технология изготовления рычагов. Характеристика рычагов К деталям класса рычагов относятся собственно рычаги тяги серьги вилки балансиры шатуны. Детали класса рычагов имеют два отверстия или больше оси которых расположены параллельно или под прямым углом.
73841. Процессы обработки деталей «круглые стержни» 58.5 KB
  В зависимости от типа производства операцию производят: в единичном производстве подрезку торцов и центрование выполняют на универсальных токарных станках последовательно за два установа; в серийном производстве подрезку торцов выполняют раздельно от центрования на продольнофрезерных или горизонтальнофрезерных станках а центрование на одностороннем или двустороннем центровальном станке. В зависимости от типа производства операцию выполняют: в единичном производстве на токарновинторезных станках; в мелкосерийном на...
73842. Технико-экономические показатели разрабатываемых ТП 72 KB
  На завершающим этапе разработки ТП проводят полную оценку вариантов путем сравнения себестоимости обработки заготовок отражающей затраты живого и овеществленного труда. Существует два основных метода определения себестоимости: бухгалтерский и метод прямого калькулирования поэлементный. Цеховые расходы при калькулировании себестоимости определяют в процентах от заработной платы основных рабочих цеха: тогда себестоимость текущие затраты можно выразить так: где ц – процент цеховых накладных расходов. Его можно использовать при приближенном...
73843. РОЗВИТОК СВІДОМОСТІ У ФІЛОГЕНЕЗІ 215 KB
  Сприймання – це відображення у свідомості людини цілісних предметів та явищ об’єктивного світу при їх безпосередньому впливі у дану мить на органи відчуттів. Його суттєва відмінність від відчуттів полягає в тому що в процесах сприймання формується образ цілісного предмету за допомогою відображення всієї сукупності його якостей. Однак образ сприймання не зводиться до простої суми відчуттів хоча й вносить їх до свого складу. Сприймання – результат діяльності системи аналізаторів.
73844. ПСИХІЧНІ ПРОЦЕСИ: ПАМ’ЯТЬ, УЯВА, МИСЛЕННЯ, УВАГА 84 KB
  Особливості пам’яті та уява. ІІ Пам’ять – форма психічного відображення яка заклечається в закріпленні збереженні і послідуючому відтворенні минулого досвіду. Пам’ять пов’язує минуле суб’єкта с його дійсністю і майбутнім і є найважливішою пізнавальною функцією яка лежить в основі розвитку і навчання.
73845. ЕМОЦІЙНО-ВОЛЬОВА СФЕРА ОСОБИСТОСТІ 112.5 KB
  Рису характеру розуміють як схильність до нервової поведінки яка склалася в силу наявності певних потреб мотивів чи інтересів мотиваційні риси або в силу наявності певних звичок установок сталевих особливостей поведінки. Окремі властивості характеру залежать одне від одного та тісно пов’язані між собою вони створюють цілісну організацію яку називають структурою характеру. В структурі характеру виділяють дві групи рис. Під рисою характеру розуміють ті чи інші особливості особистості людини які систематично проявляються в різних видах...
73846. Діяльність та особистість 148.5 KB
  Діяльність в житті людини: види структура предмет. ДІЯЛЬНІСТЬ – можна визначити як специфічний вид активності людини спрямований на пізнання і творче перетворення навколишнього світу включаючи самого себе й умови свого існування. Навчання являє собою прогресивне відтворення людини як свідомої особистості на основі засвоєння ним практичного та теоретичного досвіду людства. Особливе місце в житті людини займає ПРАЦЯ.
73847. ПСИХОЛОГІЯ СПІЛКУВАННЯ 132.5 KB
  Спілкування: його структура, рівні, функції, основні способи впливу, види. Мова і спілкування. Механізм сприйняття людини людиною під час спілкування. Бар’єри спілкування. Конфлікт: поняття, види, структура, форми, засоби вирішення.