Электроника и электротехника. Раздел: Электроника.

Электроника и электротехника. Раздел: Электроника.

Содержание дисциплины и её задачи. Ознакомление с принципами функционирования, методами расчёта и проектирования функциональных преобразователей аналоговых сигналов. Определение: Сигнал – это величина, характеризующая состояние процесса, объекта или явления. Аналоговый сигнал – непрерывно дифференцируемая функция времени.

Задачи решаемые Электроникой. • Изучение функциональных преобразователей аналоговых сигналов с целью получения прогноза: как заданный входной сигнал преобразуется данным функциональным преобразователем (задача анализа). • Изучение свойств функциональных преобразователей аналоговых сигналов с целью синтеза преобразователя, обеспечивающего преобразование заданного входного сигнала в требуемый выходной (задача синтеза).

Средства решения поставленных задач – посредством использования электронных цепей. Понятия и определения Электронная цепь – совокупность соединённых друг с другом компонентов, по которым может протекать электрический ток. Номенклатура компонентов электронной цепи: конденсаторы, индуктивности, сопротивления, ключи, источники питания, трансформаторы, диоды, транзисторы (биполярные и униполярные), тиристоры и тому подобное. Электронная схема – условное графическое изображение электронной цепи, использующее принятые в ЕСКД условные графические изображения соединённых между собой компонентов цепи.

Метод решения поставленных задач. Основным методом решения задач анализа и синтеза функциональных преобразователей аналоговых сигналов, а также их расчёта и проектирования является построение физических моделей их математическое описание и всесторонний анализ ( аналитический или численный) этих моделей.

1. Физические явления в области p-n перехода. Эффект Шоттки. Вольтамперная характеристика диода. Схема замещения диода и вычисление её параметров. Полупроводниковый диод – это прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода. Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет p-n структура, состоящая из областей р – типа и n – типа, разделённых электронно – дырочным переходом Рис 1. 1. Рис. 1. 1. Структура полупроводникового диода.

Электронно дырочный переход образуется при контакте двух полупроводников (германий, кремний) с электропроводностью, обусловленной электронами (полупроводник n-типа), и электропроводностью, обусловленной дырками (полупроводник p-типа). Рис. 1. 2. Электронно-дырочный переход (А, Б, В) и распределение потенциала в электронно-дырочном переходе (Г, Д, Е).

Между некомпенсированными зарядами в n- и р- областях возникает электрическое поле, называемое диффузионным электрическим полем (Едиф), и разность потенциалов (φкон). Ширина перехода δ зависит от концентрации носителей заряда. Напряжённость диффузионного электрического поля в p-n переходе направлена от n проводника к р проводнику. Поэтому при отсутствии внешнего поля возникшее электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через контакт и устанавливается равновесное состояние (Рис. 1. 2, А, Г). Если к p-n переходу подключить внешний источник напряжения, положительный вывод которого подсоединён к р области, а отрицательный к n области, то напряжённость образованного им электрического поля Е будет направлена противоположно ЕДИФ. В результате суммарное электрическое поле в p-n переходе уменьшается, соответственно снижается высота потенциального барьера и сужается область p-n перехода (Рис. 1. 2, Б, Д). Если к p-n переходу подключить источник напряжения, полярность которого противоположна ранее рассмотренной то есть обратное напряжение Uобр , то создаваемое им поле будет совпадать по направлению с диффузионным, что приведёт к увеличению потенциального барьера для основных носителей и расширению области p-n перехода (Рис. 1. 2, В, Е). Обычно полупроводниковые диоды имеют несимметричный p-n переход, то есть концентрация дырок в р области отличается от концентрации электронов в n области. Поэтому при прямом напряжении число зарядов, инжектированных из сильнолегированной области в слаболегированную, значительно больше, и в этом случае базой диода является слаболегированная область.

Рис. 1. 3. Вольтамперная характеристика диода. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода (Рис. 1. 3) имеет прямую 1 и обратную 2 ветви. На Рис. 1. 3. пунктиром нанесена теоретическая вольт амперная характеристика электронно дырочного перехода, определяемая соотношением: I =I 0 (exp U-1) При номинальной температуре Т = 300 К величина = e/k. T примерно равна 40 В 1 , поэтому уже при относительно небольшом прямом напряжении (порядка десятка милливольт) ток через переход резко возрастает по экспоненциальному закону.

Уравнение вольтамперной характеристики в этой области можно записать в виде: I= где rб - электрическое сопротивление базы, электродов и выводов диода. Коэффициент размножения носителей заряда М = n 2/n 1 , где n 2 – число носителей заряда, вновь возникающих в следствии ионизации, а n 1 – число носителей заряда, поступающих в переход. Исследования дают следующую зависимость коэффициента размножения носителей М от приложенного к диоду напряжения U : М= Величина напряжения пробоя Uл зависит от рода материала, его удельного сопротивления ρ и типа перехода: Uл = а ρ m , значения постоянной а и показателей степени m и k указаны в Таблице 1. Таблица 1. Параметры лавинного пробоя. Материал и тип перехода а m k Германиевый n+ - p переход 52 0, 6 6 Германиевый p+ - n переход 83 0, 6 3 Кремниевый p+ - n переход 86 0, 65 3, 5 Кремниевый n+ - p переход 23 0, 75 2

Ёмкости диода. Полупроводниковый диод обладает ёмкостными свойствами, то есть способностью накапливать и отдавать заряд при увеличении и уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и в базе диода, в соответствии с этим различают две составляющие ёмкости диода Сд : барьерную Сб и диффузионную Сдф. При этом Сд = Сб + Сдф. Барьерная ёмкость. Для резкого p-n перехода объёмный заряд в переходе: При изменении напряжения на переходе изменяется его толщина, следовательно, и заключённый в переходе нескомпенсированный заряд, что и обусловливает ёмкостной эффект. Барьерной ёмкостью (ёмкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе d. Qд к вызвавшему его приращению напряжения du : =П∙

График зависимости Сб/Со = f(U) для диода с резким переходом представлен на Рис. 1. 5. ( кривая Б). На графике видно, что при увеличении обратного напряжения ёмкость перехода падает. Рис. 1. 5. График зависимости ёмкости диода от напряжения.

Диффузионной называется ёмкость, связанная с накоплением неравновесного заряда диода. Она характеризует изменение неравновесного заряда в базе d. Qн при изменении напряжения диода на величину du. Для i = : Схема замещения. При выполнении расчётов электрических схем, содержащих электронные приборы, последние заменяют так называемыми схемами замещения, которые с той или иной степенью детальности отражают необходимые соотношения и физические процессы, происходящие в электронных приборах. . На Рис. 1. 5. приведена схема замещения полупроводникового диода, которая отражает процессы и явления, протекающие приложении напряжения к полупроводниковому диоду и соответствует основным физическим процессам , которые оказывают наиболее существенное влияние при использовании полупроводникового диода на практике. Ток диода Iд состоит из тока определяемого рекомбинацией носителей заряда, тока, отражающего явление накопления заряда (тока через диффузионную ёмкость), тока через барьерную ёмкость (собственную ёмкость p-n перехода) и тока утечки. Кроме того схема замещения учитывает наблюдаемое на практике при больших значениях тока диода влияние объёмного сопротивления Rдд , материала полупроводника и влияние тока утечки при включении диода в обратном направлении Rд.

Схема замещения, отражающая физическую модель полупроводникового диода, изображена на Рис. 1. 5. Рис. 1. 5. Схема замещения полупроводникового диода.

Rдд – сопротивление, учитывающее объёмное сопротивление материала полупроводника ( обычно 0< Rдд<100 Ом); Сд = Сд +Сб, Где Сд –диффузионная ёмкость, Сб - барьерная ёмкость (собственная ёмкость p-n-перехода); Rд – сопротивление утечки p-n-перехода (обычно Rд >1 МОм); Iд = Iдд + + Или iд = Io (exp - 1) + Cд + , где Io – тепловой ток (для маломощных диодов Io = ((0, 01÷ 5)∙ 10 -6 А); U = Uд - Rдд Iб - напряжение на переходе; – заряд электрона, равный 1, 6 ∙ 10 -19 Кл; k - постоянная Больцмана, равная 1, 38∙ 10 -23 Дж/К; Т- абсолютная температура.

2. Выпрямительные диоды. Назначение, область применения, параметры. Требования, предъявляемые к выпрямительным диодам. Параметры и конструктивные особенности выпрямительных диодов. Рис. 2. 1. Внешний вид диодов.

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве вентилей в выпрямительных устройствах при преобразовании переменного тока в постоянный. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные. Выпрямительные диоды используют вентильные свойства p-n-перехода. Выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. Основные параметры выпрямительных диодов: К статическим параметрам относятся: Ø пр – падение напряжения на диоде при прямом включении; U Øобр – обратный ток приложенном обратном напряжении; I Øпр. ср. – среднее значение прямого тока; I Ø обр. и. – импульсное обратное напряжение. U К динамическим параметрам относятся временные и частотные характеристики: Ø вос. время восстановления обратного напряжения; t Øнар. – время нарастания прямого тока; I Ø max – предельная частота. f

Пример типовых значений статических параметров силовых диодов приведены в Таблице 4. 1. Таблица 4. 1. Тип Технология Iобр. м. А Uобр. В Iпр. А Uпр. В диода изготовления Д 247 Сплавной 3 500 1, 5 10 КД 213 Диффузионный 0, 2 200 1 10 КД 2998 Эпитаксиальный с 20 35 0, 6 30 барьером Шоттки Время, обратного восстановления диода tвос. является одним из основных параметров выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Оно определяется при переключении диода с заданного прямого тока Iпр, на заданное обратное напряже ние. Uобр. Графики такого переключения приведены на Рис. 2. 3.

Рис. 2. 2. Схема испытания диода. Рис. 2. 3. Графики переключения диода

Способы включения выпрямительных диодов Рис. 2. 4. Простейшая схема выпрямителя.

Если выпрямленный ток больше максимального допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов (Рис. 2. 5. ). Рис 2. 5. Схема параллельного включения диода.

Добавочное сопротивление Rд величиной от единиц до десятков Ом включается с целью выравнивания токов в каждой из ветвей. Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов (Рис. 2. 6. ). Шунтирующее сопротивление несколько сотен к. Ом включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов. Рис. 2. 6. Схема последовательного включения диода.

Для выполнения расчётов выпрямительных устройств можно использовать схему замещения, представленную на Рис. 2. 7. Схема замещения выпрямительного диода.

Схема замещения выпрямительного диода состоит из генератора тока IД , величина которого определяется током основных носителей заряда (при включении в прямом направлении), током утечки СД и сопротивления RДД. Ёмкость СД определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей, а ток IД вычисляется: IД = IДТ + , где IДТ – ток насыщения, являющийся функцией температуры. IДТ = IДТО exp Величина – определяются экспериментальным путём. Вольтамперная характеристика выпрямительного диода, соответствующая этой схеме замещения, изображена на Рис. 2. 8.

Рис. 2. 8. Вольтамперная характеристика мощного диода. IДМ – максимальный допустимый ток при заданной температуре корпуса диода; UДМ – максимальное напряжение диода в открытом состоянии; UДМ – максимально допустимая величина обратного напряжения; IДМ – максимально допустимая величина обратного тока.

Рис. 2. 9. Схема замещения мощного выпрямительного диода. Согласно этой схеме замещения: IД = IД + IД = Rобр = tan-1Ψ.

3. Стабилитроны. Назначение, область применения и параметры стабилитронов. Рис. 3. 1. Схематическое изображение стабилитронов. Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. Условное обозначение стабилитронов включает: Øматериал полупроводника (К – кремний); Øобозначение подкласса стабилитронов (буква С); Øцифру, указывающую на мощность стабилитрона; Øдве цифры, соответствующие напряжению стабилизации; Øбукву, указывающую на особенность конструкции или корпуса. Например КС 168 А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0, 3 А) с напряжением стабилизации 6, 8 В, в металлическом корпусе.

Рис. 3. 2. Вольтамперные характеристики.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжения на диоде. Такие приборы в отличие от стабилитронов называют стабисторами. В области прямого смещения р-n перехода напряжение на нём имеет значение 0, 7. . . 2 В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только малые напряжения (не более 2 В). Рис. 3. 3. Схема включения Рис. 3. 4. Схема включения стабилитрона. стабистора.

Основными параметрами стабилитронов являются: U Ø ст - напряжение стабилизации; ØТКНст - температурный коэффициент напряжения стабилизации; I Ø ст. доп. - допустимый ток через стабилитрон; r Ø ст- дифференциальное сопротивление стабилитрона. Кроме того для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона tвкл, а для двусторонних - несимметричность напряжений стабилизации ∆Uст = Uст1 – Uст2. Дифференциальное сопротивление стабилитрона – это параметр, который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя. Рис. 3. 5. Зависимость температурного коэффициента от напряжения стабилизации.

С помощью линеанизированной характеристики стабилитрона можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения. Рис. 3. 6. Линеанизированная Рис. 3. 7. Схема замещения характеристика стабилитрона. стабилитрона.

Используя схему замещения Рис. 3. 7, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения Рис. 3. 8. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчётную схему Рис. 3. 9. Для этой схемы можно написать систему уравнений: В результате решения системы уравнений получим напряжение на выходе стабилизатора: Uвых =Uвх + Uвх - Iн , где Iн = Uвых/Rн – ток нагрузки. Подставив значение Iн, получим окончательно: Uвых = Uвх + Uст Из этого выражения следует, что выходное напряжение стабилизатора зависит от напряжения на входе стабилизатора Uвх , сопротивления нагрузки Rн и балластного сопротивления Rг , а также параметров стабилитрона Uст и rст.

4. Варикапы. Назначение, область применения и параметры. Рис. 4. 1. Условное обозначение. Рис. 4. 2. Вольтфарадная характеристика.

Варикапы это полупроводниковые диоды, в которых используется барьер ная емкость р-n перехода. Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратно го напряжения и с увеличением его уменьшается. Добротность барьерной емкости варикапа может быть достаточно высокой, так как она шунтируется достаточно высоким сопротивлением диода при обратном смещении. Основными параметрами варикапа являются: Ø 0 его начальная емкость; С Ø c до бротность; Q Ø коэффициент перекрытия по емкости. Кс Ёмкость варикапа ёмкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле: Св =С 0 (1 -Uв/Ψк)-1/2, где С 0 начальная емкость варикапа при UB= 0, Uв напряжение на варикапе, Ψк контактная разность потенциалов. Добротность варикапа – отношение активного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении ёмкости или обратного напряжения. Добротность – это величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь.

Для параллельной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь: , добротность Для последовательной схемы замещения тангенс угла диэлектрических потерь: , добротность = Добротность варикапа увеличивается с увеличением напряжения и с уменьшением рабочей частоты. Графики зависимости добротности варикапа КВ 117 А от частоты и обратного напряжения приведены на Рис. 4. 3. Эквивалентная схема варикапа приведена на Рис. 4. 4, где: ØСб – барьерная ёмкость; ØRпер - сопротивление перехода и шунтирующих его утечек, обусловленных конструкцией варикапа; ØRб – сопротивление базы. Полное сопротивление варикапа определяется выражением: Zв = Rв – j. Xсв =Rб +

Рис. 4. 3. Зависимость добротности варикапа от частоты и обратного напряжения.

Рис. 4. 5. Зависимость Рис. 4. 4. добротности Q от Эквивалентная частоты. схема варикапа. На Рис. 4. 5. приведены зависимости добротности Q от частоты для варикапов, изготовленных из кремния и арсенида галлия. Из графиков видно, что для варикапов из арсенида галлия оптимальная частота составляет ≈ 1 к. Гц, в то время как для кремниевых варикапов она почти достигает 1 Мгц.

5. Туннельный диод. Вольтамперная характеристика, область применения, схема замещения. Рис. 5. 1. Схематическое Рис. 5. 2. Вольтамперная изображение туннельного диода. характеристика туннельного диода.

Туннельным диодом называется полупроводниковый диод на основе p-n перехода с сильнолегированными областями. Туннельные диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, работают на частотах до нескольких ГГц. Туннельный эффект заключается в туннельном прохождении тока через p-n переход. При этом ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем контактной разности потенциалов. Эквивалентная схема туннельного диода (Рис. 5. 3. ) отличается от эквивалентной схемы обычного диода только тем, что здесь вместо активного сопротивления перехода введено отрицательное дифференциальное сопротивление r_ и учитывается индуктивность выводов L. Полное сопротивление туннельного диода при малом синусоидальном напряжении: Z = rб+ jωL + = rб + j(ωL - ), Где g =1/r_ - отрицательная дифференциальная проводимость туннельного диода.

Рис. 5. 3. Схема замещения туннельного диода.