9947

Основные понятия микроэлектроники. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Схемы включения операционных усилителе

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основные понятия микроэлектроники. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Схемы включения операционных усилителей. Занятие 1. Основные понятия микроэлектроники Учебные, методические и воспитательные цели: 1. Изучить ...

Русский

2013-03-19

143.5 KB

75 чел.

Основные понятия микроэлектроники. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем. Операционные усилители. Схемы включения операционных усилителей.

Занятие 1. Основные понятия микроэлектроники

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить классификацию, систему обозначений, достоинства микроэлектронных изделий, получить представление о процессах изготовления элементов интегральных схем.

2. Прививать методические навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

п/п

Учебные вопросы

Время

мин

     1.

     2.

     3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.Общие  сведения  об  интегральных  схемах, классификация, система обозначений.

2.Достоинства микроэлектронных изделий.

3.Представление о физико-технологических процессах  изготовления активных и пассивных элементов полупроводниковых  и   гибридных микросхем.                                   

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

5

80

30

20

30

5

Материальное обеспечение:

1. Набор интегральных схем.

2. Плакаты:"Интегральные диоды биполярных ИС," "Резисторы и конденсаторы МДП ИС",  "Резисторы и конденсаторы биполярных ИС", "Интегральные биполярные транзисторы", "Интегральные МДП-транзисторы".

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.320-324.

2. Степаненко И.П. "Основы микроэлектроники",М.,2001г.,стр.227-270.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Электроника справедливо считается катализатором  научнотехнического  прогресса.  Без электроники немыслимы  ни  успехи  в освоении космоса,  ни развитие атомной энергетики и вычислительной техники, ни   автоматизация  производства,  ни  радиовещание   и телевидение.

В   основе   развития  электроники  лежит  непрерывное усложнение функций,  выполняемых  электронной аппаратурой,  в том числе   и аппаратурой  военной  связи.  На  определенных   этапах становится невозможно решать новые задачи старыми средствами,  или как  говорят,  на  основе старой элементной  базы,   например,   с помощью электронных  ламп  или  дискретных транзисторов.

Основными факторами, лежащими в основе элементной базы, являются:  надежность, габариты и масса, стоимость и  мощность.  В этом   плане микроэлектроника,   как   очередной,    исторически обусловленный  этап   развития электроники  одно  из  её  основных направлений, обеспечивает  принципиально  новые   пути   решения назревших задач во всех перечисленных  выше  областях.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Общие    сведения    об    интегральных    схемах,

классификация, система обозначений

Микроэлектроника - это раздел электроники,  охватывающий исследование  и  разработку качественно  нового  типа  электронных приборов-интегральных микросхем и принципов их применения .

Интегральная микросхема,  или просто интегральная схема ИС  -  есть  микроэлектронное изделие,   выполняющее  определенную функцию обработки информации, элементы  которого и их соединения выполнены  в  едином технологическом цикле на единой подложке,   и представляющее  собой      законченное     конструктивно-целое устройство. Если в состав ИС входят однотипные  компоненты  (только диоды  и т.п.), то её называют сборкой.

Компоненты,  входящие в состав ИС, не могут быть выделены  из неё в качестве   самостоятельных изделий и называются интегральными элементами.

В  основу   классификации  ИС  положены  конструктивнотехнологический и функциональный признаки.

По первому признаку ИС подразделяются на следующие типы:

1.  Полупроводниковые ИС - это  ИС,   элементы  которой выполнены  в поверхностном слое полупроводниковой подложки. Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

2. Пленочная ИС - это ИС,  элементы которой выполнены в виде    разного рода   пленок,    нанесенных   на    поверхность диэлектрической  подложки.  В зависимости  от   толщины   пленок различают  тонкопленочные  ИС(толщина  пленок  до  1-2  мкм)  и толстопленочные  ИС (толщина пленок от 10-20мкм  и выше).Пленочные ИС содержат только пассивные компоненты.

3.  Гибридная ИС - это ИС,  которая представляет  собой комбинацию пленочных  пассивных компонентов и  навесных  активных элементов в дискретном исполнении.

4. Совмещенные ИС - это ИС, у которой активные элементы вы полнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (как у   полупроводниковых ИС), а пассивные компоненты нанесены в  виде пленок   на  предварительно  изолированную  поверхность  того   же кристалла (как у  пленочной ИС).

По  второму признаку ИС подразделяются на аналоговые  и цифровые. В соответствии с ГОСТами всё многообразие выпускаемых  ИС делится  по  конструктивно-технологическому  исполнению   на   три группы, которым присвоены следующие обозначения:

1, 5, 7}  - полупроводниковые ИС;

2, 4, 6, 8  - гибридные ИС;

3 - прочие (пленочные, керамические, вакуумные).

По принятой схеме обозначения ИС состоят из 4-х элементов:

- первый элемент - это цифра, обозначающая группу ИС;

- второй   элемент - три цифры (от 000 до 999)или  две цифры  (от 00  до 99), обозначающие порядковый номер  разработки  серии ИС;

- третий  элемент  -  две  буквы,   обозначающие  функциональную подгруппу в виде ИС (аналоговых или цифровых);

- четвертый  элемент - порядковый номер разработки ИС по функциональному признаку в данной серии.

Первые два элемента обозначают серию ИС.

      серия

1                     31           ЛА             1

1-й эл. 2-й эл.   3-й эл. 4-й эл.

Расшифровка: полупроводниковая ИС 131-ой серии, цифровая - включает 2 логических элемента 4И -НЕ(ЛА1).  131 ЛАЗ  то же , но включает 4 логических элемента 2И - НЕ (ЛАЗ).

153УД1 - полупроводниковая ИС 153-ей серии, аналоговая, включает операционный усилитель (УД1).

Для ИС, используемых в устройствах широкого применения, в начале обозначения добавляется буква "К".  При  необходимости могут использоваться и дополнительно буквенно-цифровые  обозначения-( например,  для бескорпусных ИС впереди  добавляется буква "Б", для ИС в пластмассовом корпусе - "Р" и т.д.

Функциональную  сложность  ИС  принято характеризовать степенью интеграции,  т.е.  количеством  элементов  (чаще всего транзисторов) на кристалле. В 1980-1982 г.г.  максимальная степень интеграции  составляла 5-6 тысяч элементов на кристалле. В настоящее  время созданы  ИС, содержащие  3,5 миллиона  элементов  на  кристалле площадью 94 мм.

Для количественной оценки степени интеграции используют условный  коэффициент К= lgN,  где N - степень интеграции. В зависимости от его значения интегральные схемы называются по-разному:

К2 (N100) - интегральная схема;

2 К3 (N1000)- интегральная схема средней степени интеграции (СИС);

3 К 5(N105)-большая  ИС,  или  БИС;

К>5  ( N>105)- сверхбольшая ИС или СБИС.

Кроме степени интеграции, используют и такой показатель,  как плотность упаковки - количество элементов  (чаще транзисторов)  на  единицу площади кристалла.  Этот  показатель, который  характеризует  главным  образом  уровень  технологии, в настоящее время составляет до 500 - 1000 элементов/мм2 .

Тенденция к повышению степени интеграции наблюдалась  с самого зарождения микроэлектроники и является одной из главных.

Использование   функционально-сложной  ИС - СБИС сопровождается резким улучшением всех основных  показателей,  по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным  на отдельных ИС.

2. Достоинства микроэлектронных изделий

Поскольку ИС представляет собой единое целое,  выполняет определенную функцию и должна удовлетворять определенным требованиям  при испытаниях,  поставках  и  эксплуатации,  она относится  к  разряду электронных приборов. Однако по сравнению  с диодом.  транзистором и т.п. ИС является качественно  новым  типом приборов.

Первая  -  главная особенность состоит в том,  что  она самостоятельно выполняет  законченную,  часто весьма сложную функцию.  Она  может быть усилителем, запоминающим  устройством  и т.п.

Второй  -  важной  особенностью ИС является то, что повышение её функциональной сложности не сопровождается ухудшением какого-либо  из  основных показателей (надежность, стоимость  и  т.д.).Более  того,  все  эти  показатели улучшаются.

Поскольку габариты  и масса простых и средних ИС близки к  габаритам и массе дискретных транзисторов, можно считать, что в первом  приближении выигрыш  по этим показателям при  переходе  от дискретных схем к интегральным определяется степенью интеграции  и может достигать  сотен и тысяч раз. Поскольку надежность работы полупроводникового прибора в аппаратуре определяется прежде всего количеством  паяных  и  (в меньшей степени) сварных  соединений, то ИС,  у которых межсоединения элементов осуществляются путем металлизации обладают заведомо повышенной  надежностью  по   сравнению с дискретными схемами,  выполняющими  ту  же  функцию. По мере увеличения степени интеграции этот выигрыш возрастает.

Поскольку  все  элементы ИС  изготавливаются в едином технологическом  цикле, то  количество технологических операций  по  их изготовлению не намного  превышает  количество операций по изготовлению отдельного транзистора. Поэтому стоимость ИС при прочих  равных  условиях  близка к стоимости  одного  транзистора. Значит  в  зависимости  от  степени интеграции (или,  точнее,  от плотности упаковки), стоимость одного элемента ИС по сравнению  со стоимостью аналогичного дискретного  компонента может  быть  в сотни раз меньше.  Такое же соотношение имеет место  между  стоимостью аналогичной схемы, выполненной на дискретных компонентах.

Третья  особенность ИС состоит  в  предпочтении  активных элементов перед пассивными  -  принцип,  диаметрально  противоположный тому,  который  свойствен  дискретной  транзисторной  технике. В последней  активные компоненты,  особенно  транзисторы,  наиболее дорогие,  и поэтому оптимизация схемы при  прочих  равных условиях состоит в уменьшении количества активных компонентов. В ИС  схемах дело  обстоит  иначе:  у  них задана стоимость  не элемента, а кристалла; поэтому целесообразно размещать на кристалле как можно больше элементов с минимальной площадью. Минимальную площадь имеют активные  элементы - транзисторы и диоды,  а максимальную - пассивные. Следовательно, оптимальная  ИС, у  которой  сведены  к  минимуму количество и номиналы резисторов и, особенно конденсаторов.

Четвертая особенность ИС связана с тем, что смежные элементы расположены  друг от друга на расстоянии, измеряемом в  мкм  или долях  мкм. На таких  малых расстояниях различие электрофизических свойств  материала маловероятно, а следовательно,  маловероятен  и значительный  разброс  параметров  у  смежных  элементов.    Иначе говоря,  параметры смежных элементов взаимосвязаны  - коррелированы. Эта  корреляция  сохраняется  и при   изменении температуры:  у  смежных  элементов  температурные  коэффициенты параметров практически  одинаковы. Корреляция  между  параметрами смежных элементов используется при проектировании некоторых  ИС  с целью снизить влияние разброса параметров и изменений температуры.

3. Представление о физико-технологических процессах изготовления

активных и пассивных элементов полупроводниковых и гибридных микросхем

В  настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП ИС.  Сочетание биполярных и МДП –транзисторов на одном кристалле является особым случаем.

Технология полупроводниковых ИС обоих классов  основана на  легировании полупроводниковой (кремниевой ) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями,  в результате  чего под поверхностью образуются тонкие  слои с различным типом проводимости и р-п переходы на границах слоев.

Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-п переходы - в диодных и транзисторных структурах.

Легирование пластины  приходится осуществлять локально, т.е. на отдельных участках, разделенных расстоянием  10-100мкм. Локальное  легирование осуществляется путем  диффузии  или  ионной имплантации примеси  с помощью специальных масок  с  отверстиями, через  которые  атомы   примеси проникают  в  пластину  на  нужных участках.

При  изготовлении  полупроводниковых  ИС  роль   маски обычно играет   пленка  двуокиси  кремния  SiO  ,   покрывающая поверхность  кремниевой  пластины. В этой пленке методами фотолитографии гравируется  необходимая совокупность  отверстий, или как говорят необходимый рисунок.

Основным  элементом биполярных  ИС  является   п-р-п транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл.  Он  включает  до 20  основных  операций, осуществляемых  в  определенной  последовательности  (окисление пластины, фотолитография, избирательная диффузия,  стравливание окисла и т.д. ).

Все другие элементы должны изготовляться одновременно с этим  транзистором, как  правило без дополнительных  технологических операций.

В интегральных схемах широкое применение находят МДП –транзисторы как с индуцированным,  так и  с  встроенным каналом. Основным элементом  МДП  ИС  является  МДП-транзистор  с индуцированным каналом, на его основе изготовляют практически  все остальные элементы.  Элементы  МДП  ИС  не нуждаются в специальной изоляции,  так как взаимодействие между смежными МДП-транзисторами не имеет места. Это  позволяет  значительно  повысить  плотность упаковки и является  одним из главных  преимуществ  МДП  ИС  по сравнению  с биполярными. Другим важным достоинством является  их лучшая технологичность. Для изготовления МДП-транзистора требуется выполнить в 1,5 раза меньше операций,  чем при  создании биполярного транзистора. Это способствует  снижению  стоимости  и повышению надежности ИС.

Размер кристаллов у современных полупроводниковых ИС достигают 2020 мм2 . Чем  больше  площадь кристалла, тем более сложную ИС можно на нем разместить.

Таким  образом, интегральные  схемы  на  МДП-структурах являются перспективными, из-за малых размеров элементов и меньшего количества технологических операций при производстве.

В гибридных ИС пассивные элементы  (резисторы, конденсаторы и др.) выполняются методами пленочной технологии на поверхности диэлектрической подложки.  В качестве активных компонентов используются бескорпусные транзисторы, диоды, полупроводниковые ИС.

Пленочные резисторы выполняются по тонко- или толстопленочной технологии в виде узких полосок высокоомного материала, размещенных на диэлектрическом основании между контактными площадками. Электрические характеристики пленочных резисторов определяются в основном материалом резистивной пленки, ее формой и размерами.

Пленочные конденсаторы микросхем изготавливаются в виде многослойных структур, состоящих из металлических и диэлектрических пленок. Параметры конденсаторов определяются свойствами пленок используемых материалов и их геометрией. В качестве диэлектрика  используют окиси  кремния, германия, двуокись титана и др. В качестве материала для обкладок используют алюминий, хром, медь, золото, хорошо проводящие пасты.

Пленочные катушки индуктивности  изготовляются путем нанесения на диэлектрические подложки пленок хорошо  проводящих материалов в виде одно- или многослойных многовитковых спиралей круглой или прямоугольной формы. Индуктивность  пленочной катушки пропорциональна занимаемой  ею  площади подложки.

В  целях уменьшения сопротивления потерь для изготовления катушек индуктивности используют материалы с малым удельным сопротивлением. К ним относятся золото, алюминий, медь и др. Максимальная индуктивность катушек индуктивности не более 10 мкГн.

В гибридных интегральных схемах в качестве активных компонентов применяются бескорпусные полупроводниковые ИС, транзисторные и диодные матрицы, транзисторы и др. Бескорпусные полупроводниковые приборы по многим функциональным параметрам не уступают приборам в корпусах, а по массе и габаритам в десятки и сотни раз меньше. В то же время отсутствие корпуса ухудшает отвод мощности от компонента.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В лекции изучены классификация, достоинства интегральных схем и дано понятие о физико-технологических процессах изготовления активных и пассивных элементов  различных типов микросхем. В процессе самостоятельной работы над курсом следует изучить структуру всех интегральных элементов, их основные параметры. Особое  внимание обратить на  уникальные элементы,  не  имеющие аналога в дискретном  исполнении, а именно  МНОП (МАОП)   и   ЛИЗ-МОП транзисторы,  широко применяемые для построения запоминающих устройств (ОЗУ и ПЗУ).

В  следующих  лекциях будут проанализированы основные типовые  решения  схемотехники  основных функциональных групп ИС - аналоговых и цифровых. Материал  будет углублен в дальнейшем в ходе изучения курса "Вычислительной техники и информационных технологий".

Старший преподаватель кафедры N 9

доцент           п/п               Г.Подлеский

Рецензент:

Доцент         п/п

Б. Степанов

Занятие 2. Основы цифровых и аналоговых интегральных схем

Учебные, методические и воспитательные цели:

1. Изучить простейшие усилительные и инвертирующие каскады аналоговых и цифровых интегральных схем.

2. Прививать методические навыки логического изложения учебного материала.

3. Развивать инженерное мышление, формировать научное мировоззрение.

Время: 2 часа

План лекции

  №

 п/п

                             Учебные вопросы

 Время

    мин.

   1.

   2.

   3.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Простейший усилительный каскад.
  2.  Простейшие инверторы.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

      5

     80

     40

     40

       5

Материальное обеспечение:

  1.  Плакат Основы интегральных схем.
  2.  Набор интегральных схем.
  3.  

Литература:

1. К.С. Петров "Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника", с.392-400.

2. И.П.Степаненко, Основы микроэлектроники, стр. 280-305, 339-356.

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время принято делить электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые. В основе цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи. Ключи характерны двумя устойчивыми состояниями: разомкнутым и замкнутым. На основе простейших ключей строятся более сложные схемы: логические, триггерные и др.

В основе аналоговых схем лежат простейшие усилительные каскады. На основе усилительных каскадов строятся сложные усилители, стабилизаторы напряжения и тока, преобразователи частоты и др. Такие схемы иногда называют линейными, хотя это название подходит только для усилителей и стабилизаторов, а для остальных является условным.

В данной лекции будут рассмотрены простейшие усилители и простейшие транзисторные ключи – инверторы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

  1.  Простейший усилительный каскад

Усилители обычно состоят из нескольких однотипных элементарных ячеек, которые называют усилительными каскадами (или ступенями). Простейший усилитель постоянного тока, выполненный на одном транзисторе, показан на рис. 1. Для таких усилителей характерно двуполярное питание, т.е. использование двух источников питания с напряжениями +Ек и –Eэ относительно корпуса (земли).

Пусть входной сигнал Uвх равен нулю.     Тогда в схеме протекают постоянные составляющие токов, обусловленные источниками Eк и Eэ. Режим отсутствия сигнала принято называть режимом покоя усилителя. При наличии входного сигнала к постоянным составляющим добавляются переменные составляющие, пропорциональные величине Uвх. Рассмотрим постоянные составляющие, свойственные режиму покоя. Потенциал коллектора имеет вид

Величины Iк и Uк задаются заранее. Их совокупность определяет, как говорят, рабочую точку транзистора в режиме покоя. Напряжение питания Eк обычно тоже задано; тогда из данного выражения однозначно получается необходимое сопротивление Rк. Что касается величин Eэ и Rэ, то обе они должны быть достаточно большими и выбор их значений определяется желательной стабильностью рабочей точки транзистора при изменениях температуры и других факторов. Обычно Eэ>2-3В.

При наличии входного сигнала усилитель характеризуется дифференциальными параметрами, главный из которых – коэффициент усиления - определяется как отношение выходного и входного сигналов:

Выходным сигналом принято считать переменную составляющую коллекторного напряжения. Если величина Rэ взята достаточно большой, то напряжение на эмиттере транзистора практически повторяет входное колебание (UmэUmб)    

тогда напряжение на нагрузке транзистора  

а коэффициент усиления по напряжению  

Из данного выражения следует, что сопротивление Rк желательно делать большим, а сопротивление Rэ малым. Однако в реальной схеме сопротивление Rк определяется напряжением питания и рабочей точкой транзистора, а сопротивление Rэ должно удовлетворять условию стабильности. Поэтому практически коэффициент усиления в рассматриваемом каскаде не превышает значений 4-5. Поэтому получить нужный коэффициент усиления (часто – несколько тысяч и десятков тысяч) можно только соединением нескольких усилительных каскадов в последовательную цепочку. Результирующий  коэффициент усиления будет произведением коэффициентов усиления каждого каскада К=К1К2...КN или в случае идентичных каскадов К=К1N.

Процесс объединения одиночных каскадов в последовательную цепочку называется каскадированием.

При построении простейших усилителей на МДП-транзисторах используют два схемных варианта – с резистивной и с динамической нагрузкой (рис.2).

Режим покоя выбирается так, чтобы рабочая точка находилась на участке с максимальной крутизной (режим насыщения) и вблизи термостабильной точки. Потенциал стока удобно делать равным нулю. Это облегчает каскадирование усилителей: можно непосредственно соединять сток предыдущего каскада с затвором следующего.Коэффициент усиления по напряжению каскада с резистивной нагрузкой определяется как

В случае динамической нагрузки, коэффициент усиления равен

где: S- крутизна, а Z- ширина каналов активного и нагрузочного транзисторов. Отношение Z1/Z2 трудно сделать более 50-100,  поэтому коэффициент усиления, как правило, составляет всего несколько единиц.

Таким образом, простейшие усилители в интегральном исполнении могут быть выполнены на биполярных и МДП-транзисторах. Коэффициенты усиления таких каскадов невелики  и большой коэффициент усиления может быть получен за счет каскадирования простейших усилителей.

  1.  Простейшие инверторы

Специфику цифровых схем удобно пояснить с помощью так называемых передаточных характеристик, описывающих зависимость выходного напряжения от входного. На рис. 3 показана типичная передаточная характеристика. По ней видно, что низким входным напряжениям соответствуют высокие выходные и, соответственно, высоким выходным напряжениям соответствуют низкие выходные напряжения. Такая характеристика называется инвертирующей, а каскады, ее реализующие, называют инверторами. Такие характеристики свойственны простейшим ключам, поэтому в дальнейшем будем говорить о них.

В транзисторном ключе два его устойчивых состояния (разомкнутое и замкнутое) соответствуют точкам А и В. В точке А ключ разомкнут и на нем падает большое напряжение, а в точке В ключ замкнут и падение напряжения на нем близко к нулю. Начнем изучение основ микроэлектроники с транзисторных ключей. На рис. 4  показана схема простейшего транзисторного ключа. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Управляемой является коллекторная цепь с источником питания Eк и нагрузкой в виде резистора Rк. В управляющей (базовой) цепи включен источник управляющего напряжения Eб и сопротивление Rб. Если напряжение Eб имеет отрицательную полярность, то эмиттерный переход смещен в обратном направлении, транзистор заперт, и остаточный ток в цепи нагрузки очень мал. Соответственно напряжение на ключе (транзисторе ) близко к Eк.

Если напряжение Eб имеет положительную полярность и достаточно велико, то транзистор открыт, в цепи нагрузки протекает ток, и остаточное напряжение на ключе может быть близким к нулю. Из сказанного следует, что рассматриваемый ключ является инвертором, так как увеличение входного напряжения от отрицательных значений к положительным сопровождается уменьшением выходного напряжения от Eк до малого остаточного напряжения. Остаточный ток и остаточное напряжение – главные статические параметры ключа.  В запертом состоянии ключа токи всех трех электродов транзистора не превышают долей микроампера, поэтому падениями напряжений на сопротивлениях Rб и Rк можно пренебречь и считать Uб=Eб и Uк=Eк. Запертому состоянию ключа соответствует точка А на рис. 5. Когда напряжение Eб достигает значения напряжения отпирания, транзистор открывается. Начинает протекать базовый ток и пропорциональный ему коллекторный ток, а потенциал коллектора соответственно уменьшается. При дальнейшем росте напряжения Eб потенциал базы остается постоянным, но токи продолжают расти, а потенциал коллектора – падать. При определенном токе коллектора напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, а при дальнейшем увеличении тока коллектора становится прямым, и транзистор работает в режиме двойной инжекции. Однако пока напряжение на коллекторном переходе меньше напряжения отпирания (0,5-0,6В) инжекция из коллектора несущественна и ток коллектора продолжает расти пропорционально току базы. В точке В прямое напряжение на коллекторном переходе достигает напряжения отпирания (а потенциал коллектора падает до 0,1В), ток коллектора становится равным току насыщения. Такой режим называют режимом насыщения транзистора.

Отдельные ключи используются главным образом в аналоговых схемах. Для цифровых схем характерна совместная работа нескольких ключей - ключевая цепочка. В таких цепочках каждым ключом управляет предыдущий и сам он, в свою очередь, управляет последующим. Рассмотрим последовательную цепочку ключей (рис. 6). Если транзистор Т1 открыт и насыщен, то потенциал Uк1 и равный ему потенциал Uб2 близки к нулю, а значит транзистор Т2 заперт. Тогда в базу транзистора протекает ток от источника Eк через резистор Rк, и транзистор Т3 открыт. Таким образом, для последовательной цепочки характерно чередование открытых и закрытых ключей. Коллекторный и базовый токи почти одинаковы, т.к. протекают через одни и те же резисторы Rк. Напряжение на ключе, работающем в цепочке, меняется в более узких пределах, чем на отдельном ключе. Действительно, у изолированного ключа в запертом состоянии имеем: Uк=Eк, тогда как у ключа , работающего в цепочке Uк равно прямому падению напряжения на эмиттерном переходе (0,7В). В последовательной цепочке каждый транзистор может управлять не одним , несколькими параллельно включенными ключами.Нагрузочной способностью называют количество параллельно включенных ключей, которыми способен управлять данный ключ.

Одной из главных проблем при повышении быстродействия ключей является уменьшение времени рассасывания избыточного заряда. Общепризнанным способом решения данной проблемы является использование в ключе нелинейной обратной связи. Этот способ состоит в том, что между коллектором и базой транзистора включается диод Шоттки, для которого характерно малое напряжение отпирания. Когда в процессе отпирания транзистора потенциал коллектора  относительно базы проходит через нуль и делается отрицательным, диод отпирается и на нем устанавливается прямое напряжение (<0,5В), что недостаточно для открытия коллекторного перехода. А значит исключается режим двойной инжекции и накопление избыточного заряда.

Ключи на МДП-транзисторах имеют три разновидности: с резисторной нагрузкой, с динамической нагрузкой и комплементарные (КМДП) ключи. Процессы в первых двух аналогичны ключам в дискретном исполнении, рассмотренным ранее. Рассмотрим более детально комплементарные ключи. Схема такого ключа представлена на рис.7.  Пусть в исходном состоянии управляющее напряжение Eз = 0. Значит транзистор Т1 заперт, а транзистор Т2 – открыт. Ток в общей цепи определяется запертым транзистором Т1 и составляет доли наноампер. Напряжение источника Eс через открытый транзистор Т2 поступает на выход. Пусть теперь управляющее напряжение принимает положительное значение. Тогда открыт транзистор Т1, а транзистор Т2 заперт. Ток в общей цепи будет определяться закрытым транзистором Т2. Напряжение на выходе будет близко к нулю т.к. выход через открытый транзистор Т1 соединяется с корпусом. Таким образом, важнейшей особенностью комплементарных ключей является то, что они практически не потребляют мощности в обоих состояниях.

Таким образом, инвертор представляет собой транзисторный ключ, который инвертирует сигнал, подаваемый на его вход. Если на вход подается низкий уровень напряжения, то на выходе получаем высокое напряжение и наоборот.      

 ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В   лекции  изучены  простейшие усилители и инверторы, которые являются основой для других, более сложных каскадов. На базе простейших усилителей строятся более сложные каскады для обработки аналоговых сигналов, в частности дифференциальные усилители, которые являются основой для построения операционных усилителей. На базе инверторов строятся более сложные логические схемы, триггеры и т.д., которые будут изучаться на других дисциплинах.

 Задание     на самостоятельную подготовку:

1. Изучить по учебнику [Л1] страницы 314-315, 339-341.

 

Старший преподаватель кафедры N9

доцент  п/п  Г.Подлеский

 Рецензент:

 Доцент          п/п

                                Б.Степанов


Рис. 1

Uвх

Eк

Eэ

Rк

Rэ

Uвых

Eс

-Eи

Uвых

Uвх

+Eс

-Eи

Uвых

Uвх

Rс

Рис. 2

Uвх

А

Uвых

В

Рис. 3

Rк

+Eк

Rб

Eб

Рис. 4

Eк

Iк

В

А

Uк

Рис. 5

Т1

+Eк

Rк

Rк

Rк

Т2

Т3

Рис. 6

+Eс

Т1

Т2

Eз

Рис. 7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57390. Сонечко за всіма ходить. А. М’ястківський «Сонечко». Конспект уроку з читання 59.5 KB
  Мета. Вчити учнів виразно читати, удосконалювати навички читання та звуко-буквеного аналізу слів; вчити ставити питання до тексту; розвивати бажання читати, вміння працювати з тематичним словничком, збагачувати словниковий запас, виховувати любов до природи.
57391. «Лукоморье - сказочная страна». А. С. Пушкин «У Лукоморья дуб зелёный...» 41 KB
  Показать красоту пушкинской поэзии пушкинского слова; Формировать первоначальное представление об изменении русского языка во времени; Воспитывать любовь к родному слову развивать оценочное отношение к речи...
57392. «Однажды в Древнем Риме…» Урок-проблема с элементами театрализованного представления 65.5 KB
  Цель урока: Создать у обучающихся образное представление об особенностях цивилизации Древнего Рима через ролевые мини-сюжеты для более полного погружения в историческую эпоху, более глубокого понимания и осмысления жизнедеятельности римлян.
57396. Геологическое строение и полезные ископаемые Вологодской области 222 KB
  Цель: завершение работы по формированию знания и выработке умения определять взаимосвязи геологического строения и полезных ископаемых на примере Вологодской области.