Скачать презентацию Электроника микроэлектроника и наноэлектроника Литература 1 В
Электроника всё вместе.ppt
- Количество слайдов: 53
Электроника микроэлектроника и наноэлектроника
Литература 1. В. К. Захаров, Ю. И. Лынарь. «Электронные устройства автоматики и телемеханики» 1984 г. 2. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. «Электроника» М. ВШ. 1982. 3. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. «Электроника» 4. М. ВШ. 1991. В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. «Электроника и МПТ» М. 2005.
Тема: Электропроводность полупроводников Металлы, диэлектрики, полупроводники Ковалентные связи Энергетические диаграммы Е Е Зона проводимости Валентная зона металлы Зона проводимости Запрещенная зона Валентная зона Е Зона проводимости Еп Ев Валентная зона Ев Если ∆Еп/п< 3 э. В, то это п/п диэлектрики ∆Ед = Еп ∆Ед> ∆Еп/п Еп ─ Ев ∆Еп/п= Еп ─ Ев Собственная электропроводность Ток дрейфа (i-типа) Iдр i - + + Е - Iдр = Iп + Iр 3
Примесная электропроводность 1. Дырочная. In – акцепторная примесь Si Si - In Si Зона проводимости - Валентная зона Si 2. Электронная. Sb – донорная примесь Si Si Sb Уровни акцепторов Зона проводимости Si - Уровни доноров Валентная зона Si Температурный потенциал φТ= k. T/q ≈ T/11600 (B) φТ=300 K≈ 0, 025 (B) k – постоянная Больцмана q – заряд электрона T – абсолютная температура 4
Тема: Электрические переходы I. Определение: электрические переходы II. Типы переходов. 2. П/п – п/п а) p – n (n – p) б) p+ – p (n+ – n) в) p – i (n – i) 1. металл – п/п а) невыпрямляющий б) выпрямляющий 1 а. М n − − AM < An - невыпрямляющий Евнут 1 б. − − − М −+ n −+ + Отрицательный объемный заряд AM > An - выпрямляющий Положительный объемный заряд Евнут М n Переход открыт Евнеш + Е Евнеш > Евнут - Евнут М n Евнеш - Е + Евнут + Евнеш Переход закрыт 5
p – n переход Pp =nn – симметричный, Pp ≠nn – несимметричный Pp >>nn, nn >> Pp (не менее 103 раз) Режимы: 1. Равновесный 2. Прямое смещение 3. Обратное смещение Равновесный Режим Схема замещения в равновесном режиме Евнут p − n − + − + + Прямое смещение Евнут p + Евнеш − + − + + Епр − Rpn − Upn + Rn Rpn >> Rp, Rn Upn – барьерная разность потенциалов Upn ≈ 0, 4 B (Ge) Upn ≈ 0, 7 B (Si) Rp >> Rn или наоборот – несимметричный переход объемные заряды атомов примесей Iпр Rp n Схема замещения Rn Rp Если Евнеш = Евнут, то толщина объемных зарядов = 0 При Евнеш > Евнут через переход потечет ток Iпр - Iпр= I 0 (e Eпр/φt - 1) E=φt*ln(Iпр/I 0 + 1) 6
Обратное смещение Евнут Iобр p Евнеш n − + − + - Еобр -Eобр/φt Iобр= I 0 (e - 1) Поля складываются -E/φt I 0 e + ─ диффузионный ток ─ тепловой ток I 0 ВАХ перехода Iпр I T 1 -Iобр rдиф = d. U/d. I = T 2 U -I 0 T 1 > T 2 При Iпр >> I 0 dφT * ln(Iпр/I 0 + 1) d. Iпр = φT Iпр + I 0 ≈ φT Iпр Сопротивление постоянному току φT U Rпр= = Iпр * ln(Iпр/I 0 + 1) |U| ; при |U| >> φT Rобр= I 0 7
Пробой перехода I U Туннельный, лавинный, тепловой Обратимый, необратимый тепловой лавинный туннельный Емкость перехода 1. Барьерная (Сбар) p n − + − + - Е I = Сбар d. E dt = + d. Qпер Сбар dt Вольт-фарадная зависимость Сбар= (Е) 0 E 2. Диффузионная (Сдиф) – связана с изменением концентрации свободных носителей заряда при прямом смещении 8
Переходные процессы в p-n переходе 1. Включение E u 1 0 I u 0 t 1 t Iпр 0 tф – длительность фронта; определяется временем изменения концентрации неосновных носителей в базе при прямом смещении t tф Iобр 2. Выключение E 0 u 1 uпер(t) – зависимость падения U на переходе от времени, при запирании u 0 t 2 t I 0 tрас=τ ln(1+ Iпр/ Iобрмакс ) – время рассасывания неосновных носителей в базе Iпр Iобр t Iобрмакс uпер 0 t tрас tсп τ – время жизни неосновных носителей в базе τсп – время убывания инжекции до нуля 9
Параметры и разновидности диодов 1. по технологии изготовления - точечные, - планарные, - плоскостные (сплавные), - мезадиоды. 2. по функциональному назначению - выпрямительные, - фотодиоды, - стабилитроны, - светодиоды, - туннельные, - диоды Шотки. Pp >>nn Э p Диод – полупроводниковый прибор, содержащий один n эмиттер Б или несколько переходов и имеющий два электрода. база Прямая ветвь диода E - Iпр τб Iпр= I 0(e φt - 1) τб – омическое сопротивление базы E = φt ln ( Iпр I 0 Для малых Iпр + 1) + Iпрτб E ≈ φt ln ( Iпр I 0 + 1) 10
Выпрямительные диоды (Сплавные, планарные) - предельное Uобр - прямое падение Uпр - cредний Iпр - рассасываемая мощность Pд Стабилитроны Uстмакс– номинальное напряжение стабилизации Iстмин – минимальный ток vd Iстмакс – максимальный ток Iстн – номинальный ток αст – средний температурный коэффициент стабилизации αст (% / град) αст = 0, 1 Лавинный пробой αст > 0 0, 05 -0, 1 6, 3 В U Туннельный пробой αст < 0 δUст ∆T Uст – напряжение стабилизации δUст – изменение Uсб при изменении температуры на ∆T 11
Прецизионные стабилитроны П 1 П 2 П 3 |∆U 2| ≈ |∆U 3| ≈ |∆U| + ─ ∆U 1 -∆U 2 При изменении T: ∆U 1─ ∆U ≈ 0 αст = (-1 ÷ -∆U 3 20)· 105 1 град Двуханодные стабилитроны П 1 I П 2 vd ─Uст vd U +Uст Стабисторы I U Uст vd Uст≈1, 4 В Uст≈0, 7 В Используется кремний с высокой концентрацией 12
Варикапы ─ + vd (кремний, арсенид галлия) Параметры: Сд = Сбар (1÷ 3· 102 п. Ф) Сн – номинальная емкость δСн ТКЕ = Сн ∆Т – температурный коэффициент емкости Кс = Смак Смин – коэффициент перекрытия Q – добротность Туннельные диоды I Iд = Iдиф + Iт Iд Iдиф U 1 vd U 2 U Параметры: U 1(I 1) – напряжение (ток) максимума U 2(I 2) – напряжение (ток) минимума Iпрмакс – предельный прямой ток Iт Uобрмакс – максимальное обратное U при предельном обратном токе 13
Фотодиоды Ф p + - Iф + + + Е Е vd Фототок Iф является следствием переноса через переход неосновных зарядов. Они изменяют концентрацию объемных зарядов у перехода, поэтому барьерная разность потенциалов U = Uрn - Eф n (Еф – фото. ЭДС, Upn – барьерная разность при Ф = 0) + Схемы включения I vd vd Iф (Ф) Iф Rн + - Rн=0 Rн>0 Ф Без внешней ЭДС Iф (Ф) Е Rн Iф U Ф=0 Ф>0 Е 1> Е 2 Е 1 Е 2 При Ф = 0 Iф = I 0 Спектральная характеристика S(λ) – чувствительность λмин – 300 нм Ф С внешней ЭДС ВАХ λмин λмакс λ λмакс – 750 нм 14
P-i-n диоды Ф p i n Диоды Шотки Эмиттер I AАl > ASi Al +-+-+ Si vd + это объемный заряд донорных атомов n+ 0, 2 - 0, 4 В База Светодиоды p n + − + Е - + - Е vd Параметры Материал – арсенид галлия 1. Ф – сила светового потока фосфид галлия 2. Цвет – (частота излучения) 3. Uпр – напряжение отпирания перехода Расчет цепей с диодами 1. Расчет по постоянному току а) vd U P=E·IA≤Pмакс I UD=E ID=IA rпр=E/IA – прямое сопротивление rд=φτ/IA – дифференциальное сопротивление IА А Е U 15
б) R + - Е ВАХ резистора (линия нагрузки) строится по точкам соответствующим режиму КЗ (rпр=0) и ХХ (rпр=∞) ВАХ резистора vd I F(UD) Е/R E = UR + UD = ID·R + UD А ID UD ID = f (UD) = I 0 (e φT - 1) По т. А определяют UD, ID, rпр, rд, Pст UD E U 2. Расчет по переменному току а) решение для малого сигнала (E>>Um) Е R I vd D Im = IA’ – IA = IA – IA” D Um D rд = Im Е/R UC А’ (Е-Um)/R UC = Um Sin ωt А D А’’ E + Um Sin ωt = UR + UD = ID·R + UD (E – Um) E ID = f (UD) б) решение для большого сигнала (E<
Тема: транзисторы 1. Биполярные Э 2. Полевые (униполярные) Структура БТ П 1 П 2 p n Э К n IЭ IК IБ Б П 1 П 2 p Б IБ П 1 – эмиттерный переход; П 2 – коллекторный переход; Режимы БТ 1. Активный – ЭП открыт, КП закрыт 3. Насыщения – ЭП, КП открыты 2. Отсечка – ЭП, КП закрыты 4. Инверсный – ЭП закрыт, КП открыт Процессы в БТ в активном режиме Э n IЭ - UЭБ ЭП КП p− + n − − + IБ + Б - IК UКБ Через ЭП - инжекция К + nnэ >> PPБ ; nnк >> PPБ Rн В базе диффузия и дрейф Через КП – электрическое поле 17
IЭ = I К + IБ – уравнение токов IК = αIЭ – уравнение переноса ∆IЭ ≈ ∆IК; 0< α<1; I ∆Pвх = ∆IЭ· ∆UЭБ = ∆IЭ 2 · r. Эд ∆Pвых = ∆IК· ∆UН= ∆IК 2 · Rн ∆Pвых ∆IK 2 RН R KP = = ≈ Н ∆Pвх ∆IЭ 2 r. Эд α ≠ 1 за счет рекомбинации αUКБ ЭП r. Кд= αI К αUЭБ >> r. Эд= αI Э U КП Если RН > r. Эд, то Kp > 1 Схема включения БТ Uвых IЭ IК VT - Rн UЭБ + UКБ + Uвых Rн IБ IК + UКЭ + UБЭ - VT - IК VT UБЭ - KP > 1; Ku > 1 (∆Uвых > ∆UЭБ) Iвх = IЭ; Iвых = IК; KI < 1 (∆IK < ∆IЭ) Uвх = UЭБ; Uвых = Uн 2. Схема с ОЭ KP > 1; KU > 1; KI > 1 Iвх = IБ; Iвых = IК Uвх = UБЭ; Uвых = Uн 3. Схема с ОК IБ + - 1. Схема с ОБ + IЭ Rн Uвых UКЭ - KP > 1; KU < 1; KI > 1 Iвх = IБ; Iвых = IЭ Uвх = UБЭ; Uвых = Uн 18
αI I 2 >> Модель БТ Эберса - Молла αN I 1 << n–p–n IЭ К Э ЭБ - I 1 КБ UЭБ + I 2 Б - UКБ + Для симметричных αN = αI αN – αI – Для реальных БТ αN >> αI UЭБ I 1 = IЭ’ (e φТ – 1) UКБ I = I ’ (e φТ – 1) IЭ = I 1 – α I I 2 IК = α N I 1 – I 2 IБ = IЭ – IК 2 К Если ЭП замкнут накоротко, то IЭ = 0 и I 1 – αI I 2 = 0; I 1 = αI I 2 При условии, что |UКБ| >> φT I 2 = –IK’; IK = αN I 1 – I 2 = αN αI I 2 – I 2 = –αN αI IK’ + IK’ = IK 0 IЭ 0 IK’= IЭ’= 1 – αN αI Подставляем в исходную систему UЭБ UКБ IЭ = IЭ’ (e φТ – 1) – αI IК’ (e φТ – 1) UЭБ UКБ IК = αN IЭ’ (e φТ – 1) – IК’ (e φТ – 1) IБ = IЭ – IК 1. Выходные характеристики (IK = f (UКБ)) Второе уравнение делим на αN и вычитаем из первого IК IЭ – αN UЭБ 1 = (e φТ – 1) IK’( α – αI) N UКБ IК = αNIЭ – IК 0 (e φТ – 1) IЭ – параметр 19
2. Входные характеристики (IЭ= f (UЭБ)) IK 0 IK’ αN Находим из 1 -го уравнения системы с учетом α I = IЭ ’ 0 UЭБ UКБ I ’ (e φТ – 1) = I + α I ’ (e φТ – 1) Э Э I К UКБ IЭ UЭБ = φТ ln (1 + ’ + αN (e φТ – 1)) IЭ IK UКБ – параметр IЭ IЭ 2 > I Э 1 IЭ 1 UKБ > 0 пробой КП UKБ = 0 UKБ < 0 IЭ = 0 UKБ < 0 режим насыщения 0 UKБ > 0 активный режим UKБ 0 UЭБ Упрощение характеристик UКБ Так как |UКБ| >> φT, то (e φТ << 1) IK ≈ αN IЭ + IК 0 IЭ IЭ = φТ ln (1 – αN αI) Также 1 – αN ≈ 0, т. к. αN → 1 IЭ ’ IЭ 0 Так как IК в реальных транзисторах зависит от UКБ, то используют следующую выходную характеристику UKБ IK = α IЭ + IК 0 + I Кд UЭБ ≈ φТ ln Рост IK с увеличением UKБ связан с эффектом Эрли 20
Схема с ОЭ 1. Входные характеристики (IБ = f (UБЭ)) IКЭ – параметр При UКЭ = 0 UБЭ > 0, транзистор в насыщении и IБ – максимален. С ростом UКЭ КП закрывается и IБ уменьшается. IБ UKЭ = 0 UKЭ > 0 UБЭ 0 2. Выходные характеристики (IК = f (UКЭ)) IЭ = IБ + IК α 1–α =β IK = α IЭ + IК 0 = α (IБ + IК) + IК 0 β IБ – параметр IK = β IБ + (1 + β)IК 0 α= 1+β α 1 IK = 1 – α IБ + 1 – α IК 0 При α = αN → 1; β → ∞ IK пробой 1) в (1 + β) раз более чувствительна к температуре насыщение активный UKЭ IK = β IБ + (1 + β)IК 0 + UКБ Э r. КД – с учетом эффекта Эрли 21
Физические параметры БТ 1. Дифференциальное сопротивление переходов φТ (IЭ >> IЭ 0 ) IЭ Э r. ЭД = Схема с ОЭ φТ IЭ Б r. ЭД = Схема с ОБ Б r. КД = Э r. КД = 1 dα IЭ d U КБ = d UКБ 1 ≈ dβ d IК IБ d U 1+β dβ IБ d U КБ Б Э r. ЭД = r. ЭД (1 + β) r. Э Э 2. Объемные сопротивления d UБЭ d UКЭ К Б 3. Коэффициент обратной связи Э IЭ = IБ (1 + β) β α= 1+β r. Б >> r. К >> r. Э КОС = r. К КБ Б КОС = d UЭБ d UКБ КОС ≈ 10 -3 ÷ 10 -4 4. Емкость переходов СК, СЭ (СК >> СЭ) Определяет динамические свойства транзистора IЭ IK t t IK меняется по экспоненте Быстродействие определяется постоянной времени транзистора 1 – схема с ОБ; 2 π ƒα ƒα и ƒβ – граничная частота τα = τβ = 1 – схема с ОЭ 2 π ƒβ 5. Тепловые токи IЭ 0, IК 0 (IК 0 >> IЭ 0) 6. Предельно допустимые параметры UЭБдоп, UКЭдоп, IКдоп , PКдоп ƒα = β ƒβ α ƒα >> ƒβ 22
I 1 4 -х U 1 h – параметры БТ I 2 U 2 полюсник ə U 1 ΔI 1 + ΔU 2 ə I 1 ə U 2 ə I 2 = ə I ΔI 1 + ə U ΔU 2 1 2 ΔU 1 = ΔI 2 h 11 = ə U 1 ə I 1 – Rвх при U 2 = 0; (КЗ на входе) h 21 = ə I 2 ə I 1 h 12 = ə U 1 ə U 2 – KOC при I 1 = 0; (XX на входе) h 22 = ə I 2 ə U 2 ΔU 1 = h 11 ΔI 1 + h 21 ΔU 2 ΔI 2 = h 21 ΔI 1 + h 22 ΔU 2 – коэффициент передачи тока при U 2 = 0; (КЗ на входе) – выходная проводимость при I 1 = 0; (XX на входе) Связь физических и h – параметров 1. Входное сопротивление 2. Коэффициент передачи тока ∆ UЭБ = r. ЭД + (1 – α) r. Б ∆ IЭ ∆ UБЭ h 11 Э = = (β + 1) r. ЭД + r. Б ∆ IБ h 11 Б = h 21 Б = ∆ IК dα = α + IЭ ∆ IЭ d IЭ ∆ IК dβ = β + IБ ∆ IБ d IБ ∆ IЭ dβ h 21 К = = (β + 1) + IБ ∆ IБ d IБ h 21 Э = h 11 К = h 11 Э ≈ h 21 Э 3. Выходная проводимость h 22 Б = ∆ IКБ 1 Б r. КД h 22 Э = ∆ IК = ∆ UКБ 1+β Б r. КД h 22 К = ∆ IЭ ∆ IК =h ≈ ∆ UЭК ∆ UКБ 22 Э ∆IЭ ≈ ∆IК ∆UЭК =∆UКБ + ∆UБЭ ∆UКБ >> ∆UБЭ 23
Полевые транзисторы (ПТ) с з и I. ПТ с управляющим p – n переходом с p з канал n подложка p з и n – канальный Входная характеристика (n - канал) Iз = f (Uзи) с и p – канальный Выходная характеристика (n - канал) Iс = f (Uси), Uзи = const 3 2 1 – область линейного IC 1 сопротивления Iз UЗИ = 0 Uзи UЗИ < 0 2 – область насыщения UСИ Стоко – затворная характеристика (n - канал) Iс = f (Uзи) Iс = Iснач (1– Iс Iснач – Uзиотс S = Uзи UЗИОТС )2 3 – область пробоя перехода у стока |UЗИОТС| > |UЗИ| > 0 d IС – крутизна стоко - затворной характеристики d UЗИ d UСИ d IС d UСИ RЗИ = RВХ – 107 ÷ 109 Ом S RСИ = = d UЗИ d IС 24 RСИ – дифференциальное сопротивление канала К =
II. МДП – транзисторы (n-канал) С П З + И UЗИ (n-канал) + UСИ - - с МДП с индуцированным каналом p - з крутая пологая UСИ (p-канал) - UПИ + n n пробой 6 В (2 В) UЗИ + и п Выходные характеристики IС И UЗИ + + П З + UПИ С диэлектрик область канала подложка Iс = f (Uси) при 5 В (1 В) 4 В (0 В) В скобках Uзи для МДП со встроенным каналом П З UСИ + И n-канал UСИ Выходные характеристики по подложке (n - канал) IС UПИ = 0 UПИ 1 < 0 UПИ 2 < UПИ 1 UСИ Iс = f (Uси) Uпи = const Uзи = const З + И UЗИ - + с МДП со встроенным каналом UСИ + UПИ - з n p - П + - UПИ и канал n п Стоко – затворные характеристики UСИ 1 > UСИ 2 IС Uзи = const Uпи = const 3 В (– 1 В) - (p-канал) С С 4 UЗИОТС 3 2 UЗИПОР 1 UЗИ 1, 2 – характеристики для МДП транзисторов с индуцированным n - каналом 3, 4 – характеристики для МДП транзисторов со встроенным n - каналом III. ПТ с управляющим переходом металл – полупроводник с + Ga As n з ++ и n+ подложка AM > AП/П - 25
IV. МНОП – транзисторы И С + З Si 3 N 4 Si + - UЗ Si. O 2 n+ n+ p UС - p структура n+ + n+ - n 1 IС 2 n+ 2 – после записи p стирание запись 1 – стоко - затворная характеристика до записи UПОР 1 UПОР 2 UЗИ UПОР 1 < UЗИ < UПОР 2 Фототранзисторы Э n Схемы включения VT Ф p- + n + - ЕК +ЕК Ф RН RБ К +ЕК RН ЕБ + с плавающей базой Коэффициент усиления определяется как К = IФ – ток коллектора обусловленный фотогенерацией – динисторы – тринисторы А А K У с фиксированной базой IК Ф 2 > Ф 1 Ф 2 Ф 1 Ф 0 UКЭ Выходные характеристики IФ + IКФ = 1+β IФ IФ – ток коллектора обусловленный инжекцией через эмиттерный переход Тиристоры – симисторы K – фототиристоры 26
Динистор А П 1 П 2 П 3 p 1 n 1 + - p 2 n 2 + + + UA У I К 2 IУД 4 - 3 0 ВАХ Iy>0 Iy=0 1 UВКЛ UА 5 0 – 1 – режим прямого запирания 1 – 2 – лавинообразное отпирание П 2 2 – 3 – режим прямой проводимости 0 – 4 – режим обратного отпирания 4 – 5 – режим пробоя (П 1 и П 3) Штриховая характеристика для тринистора с IY > 0 Усилители на транзисторах Определение: устройство для увеличения мощности сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Классификация: 2. По частотным свойствам 1. По усиливаемому параметру ∆UВЫХ – усиление напряжения – УПТ — АЧХ КU = ∆UВХ – УНЧ ∆IВЫХ – усиление тока КI = ∆IВХ – УВЧ ∆PВЫХ – избирательные – усиление мощности КP = ∆PВХ 3. По способу соединения с нагрузкой – с последовательной нагрузкой – с параллельной нагрузкой RУ E IПР RБ Rн E IПР RУ RН 27
Характеристики усилителей 1. Амплитудная характеристика UВЫХ = f (UВХ) UВЫХ ΔUВЫХ МАК UВХ ΔUВХ КU = ∆UВЫХ ∆UВХ 2. Амплитудно-частотная характеристика АЧХ |KU|= F(ω) |KU| K - 0 K 0 ωСР ω 4. Диапазон рабочих частот – диапазон в котором коэффициент нормирован 3. Фазо-частотная характеристика ФЧХ φ= F(ω) φ ω φ – угол между UВЫХ и UВХ реальная ∆t φ = 2π = Δtω идеальная 6. Искажения T P 2 + P 3 + … + P n 5. Динамический диапазон КН = а) нелинейные UВХМАК P 1 + P 2 + … + P n D= UВЫХМИН б) частотные в) фазовые 7. КПД РВЫХ 8. Входное и выходное сопротивление θ= Р 0 UВХ IH Режим А Режимы усилительных каскадов Используется в маломощных каскадах t I 0 t Режим В UВХ IH Режим АВ t t Используется в двухтактных каскадах Uвх IH Режим С t t Модифицированный режим В Режим D 28
Статический режим усилительного каскада RК R Б IБ + IН IК IБ = f (UБЭ) ЕК RН UC Есм Определение: IК + IН EСМ = IБRБ + UБЭ - IK = f (UKЭ) Система уравнений для входной цепи (UC = 0) Система уравнений для выходной цепи (IН = UКЭ/RН) EK = (IK + IH)RK + UKЭ каскад с ОЭ Графо - аналитический метод расчета статического режима IБ IК RH=∞ EК EБ UС = 0 RБ RК A’ IКA A A’ A IБA A’’ UKЭА EK UСИ UБЭА UKЭ(t) t UБЭ ЕБ RН UН = R + R (EK – IKRН) = К Н RН = R + R (EK – β IБRК) К Н UС t Задание рабочей точки транзистора (статического режима) RБ С UC RК UВЫХ UБЭ IБ = VT + ЕК - EK – UБЭ = IБ А RБ EK >> UБЭ EK IБ ≈ = IБ А RК R 1 IБ С UC I 1 R 2 I 1 = I 2 + IБ RК UВЫХ VT + ЕК - IБ = I 1 – I 2 EK – UБЭ R 1 EK >> UБЭ IБ ≈ EK R 1 - UБЭ R 2 EK UБЭ ≈ - R 1 + R 2 R 2 IБ ≈ EK (R 1 + R 2) R 29 1
Параметры усилительных каскадов I. Схема с ОЭ R 1 Rk C 1 UC R 2 v. T 1. Входное сопротивление: + C 2 ЕК - RH 2. Выходное сопротивление: 1 Rвых Э = R к rкд + ωC 2 3. Коэффициент усиления напряжения: ∆U XC 1 = XC 2 ≈ 0 ( на рабочих KU = ∆Uн ; с частотах) ∆Uн = - ∆IK(RH || RK) ; ∆IK = β∆IБ UБЭ = r. Б + (1+β) r. ЭД IБ (R R )h Rвх Э = 1 2 11 э + 1 (R 1 R 2)+h 11 э ωC 1 h 11 Э= 4. Коэффициент усиления тока: ∆I KIЭ = ∆IK = β Б 5. Частотные свойства К К 0 √ 2 ∆IK = - β ∆IБ (RH || RK) 0 ∆UС = ∆IБ RВХЭ ; R 1 R 2 >> h 11 Э ωН – определяется С 1 и С 2 ∆UС ≈ ∆IБ h 11 Э ; RН >> RК - β RK ; K UЭ ≈ h 11 Э ωН ωВ ω ωВ – определяется быстродействием транзистора и эффектом Миллера СКЭ = (1 + β)СК СК – барьерная емкость КП 30
II. Схема с ОБ C 1 UC + + C 2 RЭ 1. Входное сопротивление: RK VT ЕК RH EЭ 2. Выходное сопротивление: 1 RВЫХ Б = r. Кд Б RK + ωC 2 h 11 Б= r. ЭД + (1 -α) r. Б RВХ Б = h 11 Б RЭ + 1 - ωC 1 4. Коэффициент KI: 3. Коэффициент KU: ∆U α·(RK || RH) R ≈α K KUБ = ∆Uн = RВХБ h 11 Б с (RН >> RК ; RЭ >> h 11 Б) ∆I KIБ = ∆IK = α < 1 Э К 0 К 5. Частотные свойства К 0 √ 2 0 ωН ωВЭ ωВБ ω ωВБ >> ωВЭ т. к. отсутствует эффект Миллера II. Схема с ОК (повторитель напряжения) 1. Входное сопротивление: R 1 v. T C 1 UC R 2 RЭ + ЕК C 2 RH - h 11 К= r. Б + (1+β) [r. ЭД + (RЭ||RН)] RВХК = R 1 || R 2 || h 11 K + 1 2. Выходное сопротивление: r. Б RВЫХ K = r. Эд + 1+β ωC 1 3. Коэффициент KU: K UК = (1+β)(RЭ || RH) <1 r. Б + (1+β)(RЭ||RН) 4. Коэффициент KI: I KIК = IЭ = 1+β Б 5. Частотные свойства такие же как и в схеме с ОЭ 31
Улучшение параметров каскадов 1. Увеличение β К IК IБ 1 Б IК 1 v. T 1 IK 1= β 1 IБ 1 v. T 2 IК 2= IБ 2 = β 2(1 + β 1)IБ 1 IЭ 1= IБ 2 = (1 + β 1) IБ 1 IК 2 IК= IК 1 + IК 2 = β 1 IБ 1 + β 2(1 + β 1)IБ 1 IЭ 2 I β = IК = β 1 + β 2 +β 1β 2 Э Б 1 2. Динамическая нагрузка IК А R R I IБ 2 Б 1 C + v. T 1 R 2 UC v. T 2 ЕК β ≈ β 1β 2 α RСТ = КА IКА RД = ctg α 1= r. КД - RH UКЭА UКЭ RД >> RСТ Стабилизация рабочей точки 1. Стабилизация с помощью ОС R 1 RК + ЕК UВЫХ UВХ R 2 v. T RЭ CЭ R 2 R 1 + R 2 UБ = I Э R 2 - IЭ R Э = UБ = E K R 1 + R 2 - (1+β)IБ RЭ = EK R 1 + R 2 UБ = E K 2. Параметрическая стабилизация R RК + ЕК UВЫХ UВХ v. D v. T UБЭ = f(t°C) UБЭ ≈ φT ln( IПР + 1) I 0 UБЭ = UД 32
Усилители на ПТ ОС(ОК), ОН(ОЭ), ОЗ(ОБ) Задание рабочей точки 1. RС UЗИ = - IСАRu А + - 2. Ru RС R 1 R 2 UН = IСА Ru ICнач + ЕC UВЫХ v. T RЗ IC Cu + ЕC UВЫХ v. T + Ru - IC UЗИОТС UЗ = E С UЗИ = EС R 2 R 1 + R 2 UЗИ = f (Ru) UЗИ U Н = IС R Н R 2 R 1 + R 2 - IС R Н UЗИ = f (R 1, R 2) Ru – для стабилизации 33
Элементы теории ОС Определение: Uвх + UY + UОС K UY = UВХ + UOC Uвых UВЫХ = UВХ α 2. ООС Uвх + UY UОС K β UВЫХ = k UY = k UВХ + kαUВЫХ k 1 - kα k. UOC= UОС = β UВЫХ Uвых k 1 - kα kα – kα < 1 0≤ β ≤ 1 UВЫХ = k UY = k UВХ - kβUВЫХ UY = UВХ - UOC UВЫХ = UВХ 0≤ α ≤ 1 1< K < ∞ UОС = α UВЫХ 1. ПОС k 1 + kβ k. UOC= Виды ООС 1. Последовательная – на входе вычитаются U kβ – k. UOC < K 2. Параллельная – на входе вычитаются I 3. По напряжению– сигнал ОС формируется из UВЫХ 4. По току– сигнал ОС формируется из IВЫХ 1 -3 IВХ + - UВХ - UОС UY K IВХ UВЫХ IY UВХ IOC 1 -4 K UВЫХ UОС = β UВЫХ + - + β UY = UВХ – UOC 2 -3 IВХ UВХ - UОС UY + β IОС = β UВЫХ IYC = IВХ – IOC K β UОС = β IВЫХ IВХ RН UВХ IOC IВЫХ UY = UВХ – UOC IY 2 -4 K β IОС = β IВЫХ IY = IВХ – IOC RН IВЫХ 34
Входное сопротивление усилителя с ООС 1. Последовательная ОС по U RВХОС = UВХ IВХ UВЫХ = UY + UOC = βUВЫХ UВХ = UY + kβUY = UY(1 + kβ) UY = IВХ RВХ Y UВЫХ = k UY UВХ = RВХ IВХ(1 + kβ) Y RВХОС = RВХ (1 + kβ) Y 2. Параллельная ОС по U RВХОС = UВХ = IВХ IY + IOC RВХОС IOC = βUВЫХ IY RВХОС = IY + kβRВХ IY UВЫХ = k UY Y = RВХ Y 1 + kβRВХ Y Выходное сопротивление усилителя с ООС 1. ОС по напряжение U RВЫХ = ХХ IКЗ k UВХ При КЗ сигнал ОС = 0. Тогда IКЗ = R ВЫХ k UХХ = UВХ 1 + kβ Y 2. ОС по току В режиме ХХ IВЫХ = 0, сигнал ОС = 0 и UХХ = k UВХ IКЗ = UВЫХ Y RВЫХ + RВХ Y UВЫХ = IКЗ(RВЫХ + RВХ ) (1) Y Y β Приравняв (1) и (2) получим: IКЗ = β K UВХ (RВЫХ + RВХ ) + kβ Y β RВЫХОС = RВЫХ Y 1 + kβ В режиме КЗ IВЫХ = IКЗ, UОС = βIКЗ UВЫХ = k UY=k (UВХ – UOC)=k UВХ – kβIКЗ (2) Y RВЫХОС = UХХ (R = ВЫХY + RВХβ) + kβ IКЗ 35
АЧХ усилителя с ОС К 0 К без ОС КОС √ 2 с ОС КОС = 1 (К 0 = ∞) β = ωСРОС К 0 Если К 0 → ∞, КОС → 1 β 1 + К 0β ωСРОС > ωСР √ 2 ωСР 0 К 0 K 0ωСР = KOCωСРOC = ωСР K 0 = ωСР (1 + K 0β) KOC ω Пример 1. + v. T UC ЕК + RЭ IЭ - UВЫХ - UC = UБЭ + IЭRЭ UБЭ = UY β=1 UOC = UВЫХ Пример 2. Пример 3. + ЕК IОС RБ IС + ЕК RК CОС IС →IБ →(IК= βIБ) → v. T IБ IБ = IС + IОС UВЫХ RБ →UK →IОС →IБ UC IОС = UK – UБ RОС RК IОС = v. T UВЫХ UK – UБ 1/ωC 0 = ωС 0(UK – UБ) UC 36
Оконечные (выходные) каскады Назначение. Режимы (А, В, АВ) 1. Каскад в режиме А + ЕК R 1 RН IК, UКЭ , PК – близки к идеальным C Недостатки: v. T RH R 2 UC а. низкий КПД (< 10%) б. через Rн протекает постоянная составляющая Улучшает характеристики за счет емкостных или трансформаторных связей. В каскадах с трансформаторными связями КПД достигает 50% за счет согласования RН и RВЫХ каскада. 2. Каскад в режиме B IБ Двухтактные каскады. Схемы включения. + ЕК v. T 1 UC v. T 2 IЭ 1 RН UC IЭ 1 IЭ 2 - ЕК IН КПД ≈ 70% Недостаток: искажения при малых уровнях UC t t UБЭ t t t UC область искажений t 37
3. Каскад в режиме АB (ОК-ОК) v. T 1 v. D 1 UC IБ + ЕК R v. D 2 UБЭ 2= (UС – UD 2) A RН v. T 2 R UБЭ 1= UС + UD 1 B - ЕК AB UБЭ Т. к. RВЫХ этих каскадов мало, то они снабжаются схемами защиты от КЗ по выходу Источники питания измерительной техники - назначение - Без преобразования f - трансформаторные - C преобразованием f - безтрансформаторные Трансформаторный без преобразования (классический) ~Uсети Тр ~U Вып =U Стаб Ф Uст Безтрансформаторный ~Uсети Вып =U РЭ Ф Uст РЭ – регулирующий элемент СУ – схема управления СУ 38
Трансформаторный с преобразованием ~Uсети Вып =U Ген ωС Вып Тр. Uст Ф Стаб Uст ωr ωr >> ωC 1. Трансформатор. Назначение Uвх Uвых U Wвых n= Uвх = W вых вх W – число витков 2. Выпрямитель. Назначение - однополупериодный U 2 VD Тр 0 ~U 1 U 2 R H UH Um t 0 - двухполупериодный VD 1 Тр U 2 +(-) ~U 1 U 2 -(+) +(-) I 1 U 2 R H I 2 -(+) VD 2 1 Uср. вып. = Т 0 UH 0 Uср. вып. t Um t Т/2 ∫ Um Sinωt dt = 0 Um π UОБР = Um 2 Uср. вып. = Т Т/2 ∫ Um Sinωt dt = 0 Uср. вып. UОБР = 2 Um t 2 Um π 39
- мостовой Тр Uср. вып. = RH ~U 1 2 Um π UОБР = Um U 2 3. Фильтры. Назначение Г – образные, П – образные L R C C 4. Стабилизаторы. Назначение. Характеристики – относительный коэффициент стабилизации ∆Uвх/ Uвх ∆UСТ/ UСТ – выходное сопротивление UСТ ∆IН – изменение тока в RН RВЫХ = ∆I Н – дрейф UСТ (температурный и временной) КСТ = – КПД Θ= PH P 0 PH – мощность в нагрузке P 0 – общая мощность потребляемая стабилизатором 40
Типы стабилизаторов – параметрические – импульсные – компенсационные Параметрические + Е IН IR Б IСТ - UСТ Е RБ I U RН RБ = E – UСТ IR = IСТ + IН IR Б E – UСТ = I + U /R СБ СТ H Б А Е RБАЛ E = UR + UСТ Б Недостатки: – низкий KСТ при изменении Е и RН (почему? ) – высокое RВЫХ (опред. r. ДСТ) Для снижения RВЫХ используется ЭП RБ + VT Е - UCT VD RВЫХОК << r. ДСТ RН 41
Компенсационный – с последовательным регулирующим элементом – с параллельным RР =U IПР RБ RН UОП =U + - UCT ∆U K v. T 1 + RК =U v. T 2 VD - UYC =U UCT R 2 UCT RН Uст ∆U RР – транзистор UYC = K (UОП – UСТ) UYC RP UСТ Цикл регулирования от +∆UСТ до -∆UСТ + R 1 RР ∆U = UОП – UСТ РЭ UОП IПР =U UCT RБ Uст +∆ Uст =U IК 2 =UR 1 UК 2 IБ 1 (UБЭ 2= UR 1 – UO 11) IБ 2 (-∆UСТ) UО 12 - 42
Импульсный Ucc + Uвп СС Uсс Iз =U ЭК LH Ip СH Ip RH Uст Uпор2 Uоп - Uст Uпор1 Uоп Uпор2 t Uсс разряд заряд t 43
Электронные ключи Ι ΙΙ По функциональному назначению – цифровые – аналоговые По соединению с нагрузкой – последовательные – параллельные ΙΙΙ По элементной базе – диодные – транзисторные – тиристорные Транзисторный ключ на БТ Такие ключи работают в режиме D. Основная схема – ОЭ. IK IБ UC RБ v. T UБЭ +EK RК UВЫХ EК RК IКн IК В IБ = -IК 0 А UКЭ 0 UКЭн ОАEК – область отсечки EК ОВ EК – область насыщения RК 51
Режим отсечки (т. А) UБЭ < 0, UБК < 0 , Из уравнений Эберса – Молла можно получить: β IK ≈ IK 0 ; IБ ≈ - IК 0 ; IЭ ≈ - I IК 0 ≈ 0 βN (βN >> βI) Схема замещения +ЕК IK 0 RБ Б UБЭ UC RК UКЭ = ЕК – IK 0 RK ≈ EK K Э Если UБЭ = - (3÷ 5)φТ , то отсечка глубокая Режим насыщения (т. B) UБЭ > 0 , UБК > 0 UC - UБЭ UC , ( UC >> UБЭ) ≈ IБ = RБ RБ EK - UKЭН ЕК , ( EK >> UKЭН) ≈ IK = RK RК Между А и В активный режим , т. е. IK = βIБ В т. В IKH = βIБH 52
IK При IБ > IБH линейная связь между IК и IБ отсутствует. Если IБ > IБH , то IБ > β Степень насыщения транзистора I S = IБ ≥ 1 БН UKЭмин = φТ ln αI ( при IБ→∞) Т. к. IБ ≠ 0 , то UKЭмин = 10 ÷ 20 м. В Схема замещения +ЕК IK IБ ≥ IБН RБ RК K Б Э UKЭ и UБЭ ≈ 0, а транзистор считают эквипотенциальной точкой UC Переходные процессы в ключе При анализе переходных процессов считается, что транзистор управляется зарядом неосновных носителей в базе, а экспоненциальные процессы протекают с постоянной времени τβ (схема с ОЭ) 53
Включение 1. Подготовка к включению 2. Формирование фронта IK 3. Накопление избыточного заряда Выключение 1. Рассасывание избыточного заряда 2. Формирование спада IK IБ 0 Q QГР IБ 1 t 0 0 IК 0 tпод IБ 2 t 3 tпод = t 1 – t 0 Определяется IБ, и быстродействием транзистора t Qизб t 1 t 2 t 4 t 5 t t. Ф = τβ ln Q(t) = IБ, τβ(1 -е-t/τβ) Q(∞) - Q(t 1) Q(∞) - Q(t 2) Q(∞) = IБ, τβ; Q(t 1) = 0; Q(t 2) = Qгр = IБн τβ t. Ф t t. РАС UКЭ 0 t. Ф = t 2 – t 1; t t. СП t. Ф = τβ ln IБ 1 S I = τβ ln ; (S= Б ) IБ 1 - IБн S-1 IБн t. РАС = t 4 – t 3 = τβ ln Q’(∞) - Q(t 3) Q’(∞) - Q(t 4) Q’(∞) = - IБ 2 τβ; - предельный заряд в базе под действием тока IБ 2 54
4) Серия спада tсп=t 5 –t 4= ; Q’(∞)= Если Iб 2 ↑, то tсп ↓ ; Q(t 4) = Qгр ; Q(t 5) = 0 = Методы повышения быстродействия транзисторных ключей Анализ t. Д, t. РАС и t. СП показывает противоречивость требований к Iб и Iб 2 для уменьшения t. Д, t. РАС и tсп. Способ 1. Ключ с форсирующей емкостью. Iб Схема ключа Iб 2 +Eк tсп Rк Rб Uвых VT Uвх Cд Iбн = UВХ / Rб Iбн = Iк/β (для точки B) t t. Ф 54 55
Способ 2. Ключ с нелинейной ОС Uвх +Eк Uм Iб VD t Rб Uвх VT IRб Iбн Rк Uвых Iб В точке В Uбэ>0; Uбk=0. tд Пока Uбk<0 Iб=IRБ(ID=0) и VT в активном режиме. tрас+tсп Когда Uдк >0 диод открыт к Iб = IRб – ID. Т. е. при возрастании IRб растет ID, а Iб остается постоянным и равна Iбн. Т. к. диод не идеальный, то он открывается при Uбк > 0, что приводит к избыточному заряду в базе. Для его устранения вводится резистор r. Uк = Ua - Ud; Uб =Uа - Ur; Ur = Iбн *r; +Eк Uбк =Uб –Uк=UD – Uz=0; UD = Iбн*r IRб Iбн = Iкн /β≈Eк /βRк Uвх r=UD /Iбн Rк ID Rб Uк r a Iбн Uб VT Uвых 54 56
Способ 3. Ключ с диодом Шотки. +Eк Rк VD Rб VT Uвх +Eк Rк Rб VT Uвх VT – транзистор Шотки. Рассмотренные ключи являются ненасыщенными. Недостатки: 1. UКЭн больше ( на 0, 2 -0, 3 в), чем у насыщенных. 2. Хуже помехоустойчивость. 3. Хуже температурная стабильность. Ключи на ПТ 1. Ключ с резисторной нагрузкой UС
2. Ключ с динамической нагрузкой +Eс Если Uс
Аналоговые ключи Выполнены на БТ и ПТ 1. Аналоговый ключ на ПТ + + VT RСИ= f(Uc) Uc Uн=UИ=Uс; UЗИ=Uу-Uн → f(Uc) → Rн Uу + - - Поэтому возникает ошибка при передаче Uc на нагрузку 2. Ключ с плавающим затвором. Ic Ic нач R Uc VD А Uу Uзи отс 0 54 59
В таком ключе Uн и Uз меняются синхронно с изменением Uc, а Uзи = const (Rcи - константа). Если Uу < 0 и |Uy|> Uзи отс, то Т – закрыт Если Uу>0, то VD закрыт, ток через R≈0. Поэтому Uз≈Uc>0. Транзистор открыт и Uн≈Uс т. е. Uзи=0; Ic=Iснач; Rcu – минимально и постоянно Uс t Uу Uн t t 54 60